專利名稱：相變材料、制造和操作其的方法和相變隨機(jī)存取存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體存儲器件，更具體地，涉及一種相變材料、包含該相變材料的相變隨機(jī)存取存儲器(PRAM)以及制造和操作該存儲器的方法。
背景技術(shù)：
在PRAM中，根據(jù)溫度存儲數(shù)據(jù)的相變層變成晶體或非晶。當(dāng)相變層是晶體的時(shí)候，PRAM具有低電阻。相反，當(dāng)相變層是非晶的時(shí)候，PRAM具有高電阻。PRAM是一種非易失性存儲器件，其利用根據(jù)相態(tài)的相變層的電阻不同在從相變層上寫入位數(shù)據(jù)或從相變層讀取位數(shù)據(jù)。
常規(guī)的PRAM問題在于，為了將相變層變成非晶需要高復(fù)位電流I復(fù)位。
由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，通過減小包含相變層的晶體管和存儲節(jié)點(diǎn)的尺寸來增加PRAM的集成水平并不困難。
然而，當(dāng)晶體管尺寸減小時(shí)，晶體管的最大允許電流也減小了。因此，在不減小復(fù)位電流的情況下增加PRAM的集成水平是困難的。
而且，由于常規(guī)的PRAM具有低的結(jié)晶溫度，容易受周圍環(huán)境影響。這降低了常規(guī)PRAM的可靠性和記憶特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有低非晶(或熔化)溫度Tm和高結(jié)晶溫度Tx的相變材料。
本發(fā)明還提供一種包括上述相變材料的PRAM，由此該P(yáng)RAM具有低的復(fù)位電流和提高的記憶特性。
本發(fā)明還提供一種操作上述PRAM的方法。
本發(fā)明還提供一種制造上述PRAM的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種相變材料，其包括結(jié)晶溫度和非晶溫度彼此不同的第一材料；和均勻分布在第一材料上的絕緣雜質(zhì)。
絕緣雜質(zhì)可均勻分布在第一材料整個區(qū)域的上，或僅在第一材料部分區(qū)域上。絕緣雜質(zhì)可以是SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3的至少一種。絕緣雜質(zhì)的含量可以小于第一材料體積的10％。絕緣雜質(zhì)可位于第一材料中的空位或間隙位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種PRAM(相變隨機(jī)存取存儲器)，其包括開關(guān)器件；連接到開關(guān)器件的下電極；形成在下電極上的下電極接觸層；形成在下電極接觸層上的相變層，相變層下表面的部分區(qū)域接觸下電極接觸層的上表面；和形成在相變層上的上電極，其中相變層包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)。
絕緣雜質(zhì)可均勻分布在相變層的整個區(qū)域上。
絕緣雜質(zhì)可僅均勻分布在發(fā)生相變的相變層的部分區(qū)域上。
絕緣雜質(zhì)是SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3的至少一種。
絕緣雜質(zhì)的含量可少于相變層體積的10％。
下電極接觸層可由TiN、TiAlN或具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負(fù)塞貝克系數(shù)、比TiN或TiAlN低的熱導(dǎo)率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。
下電極接觸層可以是選自摻雜的TiN層、TiAlN層、n型SiGe層、n型PbTe層、n型多晶硅層和鈷硅層組成的一種。
可進(jìn)一步在下電極接觸層的周圍設(shè)置間隔物。
下電極接觸層填充接觸孔的一部分中，相變層填充在接觸孔的剩余部分中。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種PRAM(相變隨機(jī)存取存儲器)，其包括開關(guān)器件；連接到開關(guān)器件的下電極；覆蓋開關(guān)器件和下電極的層間絕緣層；形成在層間絕緣層內(nèi)的第一接觸孔，以暴露下電極；填充第一接觸孔的第一下電極接觸層；形成在層間絕緣層上的第二下電極接觸層，以覆蓋第一下電極接觸層；形成在第二下電極接觸層上的絕緣層，絕緣層包括形成在其中的第二接觸孔，以暴露第二下電極接觸層；形成在絕緣層上表面上的相變層，以填充第二接觸孔；和形成在相變層上的上電極，其中相變層包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)。
絕緣雜質(zhì)均勻分布在相變層的整個區(qū)域上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種操作PRAM(相變隨機(jī)存取存儲器)的方法，該P(yáng)RAM包括開關(guān)器件，連接到開關(guān)器件的下電極，形成在下電極上的下電極接觸層，形成在下電極接觸層上的相變層，相變層下表面的部分區(qū)域接觸下電極接觸層的上表面，和形成在相變層上的上電極，相變層包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)，該方法包括施加流過相變層和下電極接觸層的復(fù)位電流，以將接觸下電極接觸層的相變層的一部分變成非晶態(tài)。
下電極接觸層可填充接觸孔的一部分，相變層填充接觸孔的剩余部分。
在復(fù)位電流施加到PRAM上之后，可以用比復(fù)位電流的施加時(shí)間更長的時(shí)間施加流過相變層和下電極接觸層的置位電流。
絕緣雜質(zhì)可分布在相變層整個區(qū)域上。
相變層可以是T形的，下電極接觸層可包括連接到開關(guān)器件的第一下電極接觸層；和連接T形的相變層和第一下電極接觸層的第二下電極接觸層。
下電極接觸層的側(cè)表面可用間隔物覆蓋。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造PRAM(相變隨機(jī)存取存儲器)的方法，該P(yáng)RAM包括形成在襯底處的開關(guān)器件，連接到開關(guān)器件的下電極，形成在下電極上的下電極接觸層，形成在下電極接觸層上的相變層，相變層下表面的部分區(qū)域接觸下電極接觸層的上表面，和形成在相變層上的上電極，相變層包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)，該方法包括通過在其中形成了下電極接觸層所得到的結(jié)構(gòu)的上表面上形成混合材料，來形成包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)的相變層，該混合材料通過均勻地混合除絕緣雜質(zhì)之外的相變層的組成材料和絕緣雜質(zhì)的材料而形成。
可通過同時(shí)濺射包括一部分的組成材料的靶和包括剩余部分的組成材料的另一個靶來形成除絕緣雜質(zhì)以外的相變層的組成材料。
絕緣雜質(zhì)的材料可通過濺射包括絕緣雜質(zhì)的靶形成。
電能可施加到包括絕緣雜質(zhì)的靶上，從而絕緣雜質(zhì)含量小于相變層體積的10％，電能根據(jù)環(huán)境來變化。
施加到包括絕緣雜質(zhì)的靶的電能可以是30-500W。
絕緣雜質(zhì)可以是SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3的至少一種。
相變層可形成T形，且下電極接觸層可以被形成以包括連接到開關(guān)器件的第一下電極接觸層；和連接T形相變層和第一下電極接觸層的第二下電極接觸層。
下電極接觸層的側(cè)表面可由間隔物覆蓋。
下電極接觸層可填充接觸孔的一部分，相變層可填充接觸孔的剩余部分。
根據(jù)本發(fā)明，由于均勻分布在相變層上的絕緣雜質(zhì)，該P(yáng)RAM的結(jié)晶溫度Tm減小了而非晶溫度Tx增加。從而，PRAM的復(fù)位電流減小了。因此，根據(jù)減小的復(fù)位電流可以減小晶體管的尺寸。而且，由于結(jié)晶溫度的增加，能夠提高PRAM的保持特性。


通過參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征以及優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的PRAM的截面圖；圖2是示出圖1中下電極接觸層的部分區(qū)域P1的放大截面圖；圖3是示出接觸孔的上部部分填充有延伸到圖1中下電極接觸層的上部部分的相變層的情況的截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的PRAM的截面圖；圖5到12是示出進(jìn)行測量根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的PRAM的物理特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線圖；圖13是示出圖1中PRAM的下電極接觸層的改進(jìn)的截面圖；圖14和15是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的PRAM的制造方法的截面圖；和圖16是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的PRAM的操作方法的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了該發(fā)明的示范性實(shí)施例。在各圖中，為了清楚放大了層和區(qū)域的厚度。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的PRAM的截面圖?，F(xiàn)在將該P(yáng)RAM稱為第一PRAM。相變材料與第一PRAM的相變層完全一致，由此它的描述將用下面關(guān)于相變層的描述所代替。
參考圖1，第一PRAM包括襯底40。在襯底40上形成用預(yù)定的導(dǎo)電雜質(zhì)(例如，n型雜質(zhì))摻雜的第一和第二雜質(zhì)區(qū)域S1和D1，以預(yù)定的距離彼此隔離開。襯底40可以是p型硅襯底。第一和第二雜質(zhì)區(qū)域S1和D1可以具有各種形狀。第一和第二雜質(zhì)區(qū)域S1和D1中的一個可以是源區(qū)，另一個可以是漏區(qū)。在第一和第二雜質(zhì)區(qū)域S1和D1之間的襯底40上形成柵絕緣層42，在柵絕緣層42上形成柵44。襯底40、第一和第二雜質(zhì)區(qū)域S1和D1以及柵44組成場效應(yīng)晶體管。該場效應(yīng)晶體管可以用PN結(jié)二極管代替。
其后，在襯底40上形成第一層間絕緣層46以覆蓋該晶體管。在第一層間絕緣層46中形成接觸孔48以暴露第一雜質(zhì)區(qū)域S1?？蛇x地，可形成接觸孔48穿過第一層間絕緣層46，以暴露第二雜質(zhì)區(qū)域D1而不是第一雜質(zhì)區(qū)域S1。用導(dǎo)電插塞50填充接觸孔48。在第一層間絕緣層46上形成下電極52，以覆蓋導(dǎo)電插塞50的暴露的上表面。下電極52也用作襯墊層。第二層間絕緣層54形成在第一層間絕緣層46上，以覆蓋下電極52，并形成穿過第二層間絕緣層54的接觸孔56，以暴露下電極52的上表面。第二層間絕緣層54可用與第一層間絕緣層46相同的材料形成。用下電極接觸層58填充接觸孔56。下電極接觸層58可由具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負(fù)塞貝克系數(shù)、比TiN或TiAlN低的熱導(dǎo)率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。在第二層間絕緣層54上形成相變層60，以覆蓋下電極接觸層58的暴露的上表面。相變層60包括結(jié)晶或非晶(熔化)溫度彼此不同的第一材料。第一材料包括空位和間隙位置。相變層60進(jìn)一步包括絕緣雜質(zhì)60p，以及第一材料。絕緣雜質(zhì)60p可均勻分布在第一材料的整個或部分區(qū)域上。在這一點(diǎn)上，絕緣雜質(zhì)60p可放置在空位或間隙位置。例如，相變層60的第一材料可以是GST(Ge2Sb2Te5)。絕緣雜質(zhì)60p可以以粒子、分子或原子態(tài)存在。絕緣雜質(zhì)60p可以是選自由氧化硅(SiOX；X＝1～4)、氮化硅(SiN，Si3N4)、氧化鈦(TiOX，X＝1～4)和氧化鋁(AlO，Al2O3)組成的組中的一種。氧化硅(SiOX)可以是SiO2或SiO4。氧化鈦(TiOX)可以是TiO2。絕緣雜質(zhì)60p的含量可小于相變層60的體積的10％，并且它們的最佳含量可根據(jù)它們的類型在上面的范圍內(nèi)變化。例如，當(dāng)絕緣雜質(zhì)60p是SiO2時(shí)，它們的含量大約可以是體積的6％。在相變層60上形成上電極62。上電極62可以是氮化鈦(TiN)電極或氮化鋁鈦(TiAlN)電極。
圖2是示出圖1中下電極接觸層58的部分區(qū)域P1的放大截面圖。
如圖2所示，在下電極接觸層58和第二層間絕緣層54之間形成間隔物70。提供間隔物70以便減小接觸孔56的尺寸。根據(jù)下電極接觸層58的材料，間隔物70可由選自由SiN、SiO2、Al2O3和SiON組成的組的任意材料形成。
圖3是示出接觸孔56的上部填充有延伸到圖1中下電極接觸層58的上部的相變層60的情況的截面圖。
即，如圖3所示，接觸孔56的大部分可用下電極接觸層58填充，剩余部分可用相變層60填充。
圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的PRAM的截面圖?，F(xiàn)在將該P(yáng)RAM稱為第二PRAM。第二PRAM的特征在于絕緣雜質(zhì)60p均勻地分布在相變層60的部分區(qū)域上。
參考圖4，絕緣雜質(zhì)60p沒有分布在相變層60的整個區(qū)域上，而是僅均勻地分布在相變層60的部分區(qū)域A1上，其中部分區(qū)域A1接觸下電極接觸層58，相變實(shí)際上發(fā)生在部分區(qū)域A1中。
本發(fā)明人對第一和第二PRAM進(jìn)行了測試，以便驗(yàn)證絕緣雜質(zhì)60p是否均勻分布在相變層60中和相應(yīng)的影響。
為了驗(yàn)證絕緣雜質(zhì)60p是否存在于相變層60中，本發(fā)明人制造了具有不同含量絕緣雜質(zhì)60p的第一到第三測試PRAM。在測試中，GST層用作相變層60，SiO2用作絕緣雜質(zhì)60p。
第一測試PRAM的相變層是通過濺射沉積工藝形成，在該工藝中將60-W電能施加到從其中發(fā)射絕緣雜質(zhì)60p的SiO2靶上。第二測試PRAM的相變層是通過向SiO2靶施加100-W電能形成的，第三測試PRAM的相變層是通過向SiO2靶施加120-W電能形成的。
圖5到12是示出上面測試結(jié)果的曲線圖。
圖5到7分別示出了對于第一、第二和第三測試PRAM的相變層的X射線光電子光譜(XPS)測試結(jié)果。
在圖5到7中，第一到第三虛線框B1、B2和B3指示SiO2的峰值。從框B1、B2和B3的比較可以看出，從第一測試PRAM的相變層到第三測試PRAM的相變層SiO2的峰值變得更清楚。
從該比較結(jié)果，可以看到SiO2作為絕緣雜質(zhì)在第一到第三測試PRAM的相變層中存在，也可以看出SiO2在相變層中的含量隨著施加到SiO2靶的電能增加而增加。
在相變層形成期間，相變層的SiO2含量和施加到SiO2靶的電能之間的關(guān)系可以從全部的相變層的橢圓光度法分析結(jié)果看出。
圖8示出了第一到第三測試PRAM的相變層的橢圓光度法分析結(jié)果。
從圖8可以看出，相變層的SiO2含量與施加到SiO2靶的電能成比例增加。
本發(fā)明人還測量了根據(jù)施加到SiO2靶的電能在第一到第三測試PRAM中相變層的薄層電阻的變化，并且圖9示出了測量結(jié)果。對于上面的測量，為了保持第一到第三測試PRAM的整個相變層在結(jié)晶狀態(tài)，在第一到第三測試PRAM的制造期間，相變層形成之后，立即在300℃對形成的相變層退火大約10分鐘。因此，圖9中的結(jié)果示出全部在結(jié)晶狀態(tài)的相變層的薄層電阻的變化。
參考圖9，考慮到常規(guī)的GST層具有200Ω/□的薄層電阻Rs，可以看到相變層的薄層電阻隨著施加到SiO2靶的電能增加而增加。如從圖9中的圖表G1所看到的，薄層電阻隨著施加的電能增加而指數(shù)增加。
如從圖8可看到的，相變層的SiO2含量隨著施加的電能增加而增加。由此，可以看到，相變層的薄層電阻隨著相變層SiO2含量的增加而指數(shù)增加。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明PRAM的相變層具有比常規(guī)PRAM的相變層更高的薄層電阻。因此，即使當(dāng)給常規(guī)的相變層和本相變層提供相同的復(fù)位電流時(shí)，本相變層產(chǎn)生比常規(guī)的相變層更高的焦耳熱。這意味著本相變層需要比常規(guī)相變層更低的復(fù)位電流來產(chǎn)生相同的焦耳熱。
同時(shí)，隨著相變層的SiO2含量或施加到SiO2靶的電能的增加，相變層的薄層電阻指數(shù)增加。因此，當(dāng)SiO2含量過度增加時(shí)，薄層電阻也大大地增加。因此，優(yōu)選相變層SiO2含量保持低于體積的10％。
本發(fā)明人還對第三測試PRAM的本相變層和不含絕緣雜質(zhì)的常規(guī)相變層進(jìn)行了X射線衍射分析。圖10示出了分析結(jié)果。在圖10中，第二曲線G2涉及常規(guī)PRAM的相變層，第三曲線G3涉及第三測試PRAM的相變層。
如從第二和第三曲線G2和G3可示出的，與常規(guī)的相變層類似，第三測試PRAM的相變層具有面心立方(FCC)的晶格結(jié)構(gòu)。而且，在第三測試PRAM的相變層的情況下，可以看出，這些峰值在不同晶體方向具有大的半峰全寬、低振幅、稍稍大的寬度和噪聲峰值。因此，可以看到第三測試PRAM的相變層與常規(guī)的PRAM相比具有小的晶粒和稍微變形的晶格。
為了觀察本PRAM的相變層中絕緣雜質(zhì)的分布，本發(fā)明人還通過將180-W電能施加到SiO2靶來制作相變層，然后通過使用Gatan圖像濾波器(GIF)對于制作的相變層測量硅(Si)圖。圖11示出了該測量結(jié)果。在圖11中，黑色部分和白色部分分別對應(yīng)于GSP和Si。
如從圖11可以看出的，硅均勻地分布在相變層60上，而在相變層60觀察不到顆?；驁F(tuán)聚型的SiOX。
本發(fā)明人還根據(jù)相變層的絕緣雜質(zhì)含量測量了本PRAM中相變層的相變溫度(即，結(jié)晶溫度和非晶溫度)。測量的目標(biāo)是在共濺射工藝期間分別通過將120-W電能、180-W電能和300-W電能施加到SiO2靶形成的第一、第二和第三相變層。
在圖12中示出了該測量結(jié)果。在圖12中，水平軸表示溫度變化，垂直軸表示指示相變層相變的β值變化。在圖12中，第一、第二和第三曲線GG1、GG2和GG3分別表示第一、第二和第三相變層的測量結(jié)果。
參考圖12，第一到第三曲線GG1、GG2和GG3首先在第一區(qū)間AA1處發(fā)生扭曲，以此減小β值。在第一區(qū)間AA1處β值的減小意味著第一到第三相變層的相從晶態(tài)變成了非晶態(tài)。即，第一到第三相變層在第一區(qū)間AA1處結(jié)晶。第一到第三相變層的結(jié)晶溫度在第一區(qū)間AA1是彼此不同的。
具體地，第一和第二相變層分別在大約150℃和180℃的溫度結(jié)晶，第三相變層在比第二相變層更高的溫度結(jié)晶。由結(jié)晶溫度從第一相變層到第三相變層增加的事實(shí)，可以看出本PRAM中相變層的結(jié)晶溫度Tx隨著相變層的絕緣雜質(zhì)含量的增加而增加。當(dāng)常規(guī)PRAM中相變層的結(jié)晶溫度大約是150℃時(shí)，第一到第三相變層的結(jié)晶溫度大約是150-200℃。即，本相變層比常規(guī)相變層具有更高的結(jié)晶溫度。
第一到第三曲線GG1、GG2和GG3從第一區(qū)間AA1繼續(xù)增加，然后在第二區(qū)間AA2再次發(fā)生扭曲，這意味著β值大大減小。由于第一到第三相變層的相從晶態(tài)變成非晶態(tài)，所以β值減小。即，在第二區(qū)間AA2，第一到第三相變層熔化并變成非晶態(tài)。與結(jié)晶溫度類似，第一到第三相變層的非晶溫度根據(jù)相變層的絕緣雜質(zhì)含量而變化。
具體地，在第二區(qū)間AA2中，第一、第二和第三相變層分別在大約630℃、640℃和600℃的溫度下熔化并變成非晶態(tài)。這揭示了本相變層的非晶溫度Tm隨著相變層的絕緣雜質(zhì)(例如，SiO2)含量增加而減小。當(dāng)常規(guī)PRAM中相變層的非晶溫度大約是630℃時(shí)，本PRAM中相變層的非晶溫度比常規(guī)相變層具有更低的非晶溫度。而且，圖12的結(jié)果揭示了根據(jù)相變層絕緣雜質(zhì)的含量，本相變層的非晶溫度可減少到600℃以下。
如從上面測試結(jié)果可看到的，具有包含均勻分布絕緣雜質(zhì)的相變層的第一和第二PRAM比常規(guī)PRAM具有更高的結(jié)晶溫度和更低的非晶溫度。因此，第一和第二PRAM比常規(guī)PRAM具有更低的復(fù)位電流。由于第一和第二PRAM比常規(guī)PRAM更高的結(jié)晶溫度，在第一和第二PRAM中以復(fù)位電流寫入的數(shù)據(jù)改變的可能性比在常規(guī)的PRAM中的低。即，第一和第二PRAM比常規(guī)的PRAM能更長地穩(wěn)定保持寫入的數(shù)據(jù)。這意味著第一和第二PRAM比常規(guī)的PRAM具有更好的保持特性。
同時(shí)，第一和第二PRAM的下電極接觸層58可由與用作常規(guī)PRAM下電極接觸層的材料的TiN或TiAlN相比具有相似電阻、更好的珀?duì)柼?Peltier)效應(yīng)和低的多的熱導(dǎo)率的材料制成。
當(dāng)復(fù)位電流施加到第一和第二PRAM的相變層60時(shí)，在相變層60的部分區(qū)域產(chǎn)生了熱量。由于該產(chǎn)生的熱量，相變層60的部分區(qū)域的溫度快速地增加到相變溫度之上，由此部分區(qū)域的相由晶態(tài)變成非晶態(tài)。
通過施加的復(fù)位電流在部分區(qū)域產(chǎn)生的全部熱量是焦耳熱、熱傳導(dǎo)損失和由于珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)生的熱量(下文中稱為“珀?duì)柼麩帷?的總和。
由于珀?duì)柼麩崾怯捎阽隊(duì)柼?yīng)產(chǎn)生的，所以置位電阻不能根據(jù)下電極接觸層58尺寸的改變而改變。因此，當(dāng)珀?duì)柼麩嵩黾訒r(shí)，在不考慮置位電阻增加的情況下，相變層60的部分區(qū)域產(chǎn)生的全部熱量可以增加。這意味著復(fù)位電流可以減少到與由于珀?duì)柼麩嵋鸬娜繜崃康脑黾铀鶎?yīng)的程度。
下電極接觸層58比由TiN或TiAlN形成的常規(guī)下電極接觸層產(chǎn)生大的多的珀?duì)柼麩?。因此，第一和第二PRAM的復(fù)位電流可以減少與珀?duì)柼麩嵩隽恳粯佣唷４藭r(shí)，由于下電極接觸層58的尺寸沒有改變，所以置位電阻沒有增加。由于下電極接觸層58和相變層60的優(yōu)點(diǎn)，第一和第二PRAM的復(fù)位電流可以進(jìn)一步減小。
第一和第二PRAM的下電極接觸層58可改變形狀。例如，下電極接觸層58可以是寬的和平的，相變層60可以是下部被第二層間絕緣層(參考圖13中的66)限制的T形。即，下電極接觸層58和相變層60之間的接觸表面可由層間絕緣層66限定。
圖13是示出圖1中PRAM的下電極接觸層的改進(jìn)的截面圖。
參考圖13，用第一下電極接觸層59a填充在絕緣層54中形成的接觸孔56。進(jìn)一步在第一下電極接觸層59a的周圍提供間隔物。在絕緣層54上形成第二下電極接觸層59b，以覆蓋第一下電極接觸層59a的暴露的上表面。第一和第二下電極接觸層59a和59b優(yōu)選可由相同材料形成，或由不同材料形成。第一和第二下電極接觸層59a和59b的材料可與第一和第二PRAM的下電極接觸層58的材料相同。第一和第二下電極接觸層59a和59b可同時(shí)或順序形成。
在第二下電極接觸層59b上形成絕緣層66。在絕緣層66中形成接觸孔68，以暴露第二下電極接觸層59b的預(yù)定區(qū)域。在絕緣層66上形成相變層72以填充接觸孔68。相變層72可與圖1中第一PRAM的相變層60相同或不同。在相變層72上形成上電極74。
圖1和4中第一和第二PRAM中的晶體管是開關(guān)器件的一個例子。該晶體管可用其它的開關(guān)器件例如二極管型開關(guān)器件代替。
圖14和15是示出制造根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的PRAM的方法的截面圖。
圖1的層間絕緣層54和前面的元件是通過常規(guī)工藝制造的。在層間絕緣層54中形成接觸孔56，然后用下電極接觸層58將其填充?？稍趫D2示出的結(jié)構(gòu)中形成下電極接觸層58。此時(shí)，下電極接觸層58的材料特性與圖2中的相同。而且，下電極接觸層58可包括第一和第二下電極接觸層59a和59b，如圖13所示。
其后，如圖14所示，將層間絕緣層54和下電極接觸層58裝載在濺射沉積設(shè)備的基座80上。
放置第一到第三靶T1、T2和T3與層間絕緣層54的上表面間隔分開一預(yù)定的距離。第一到第三電源P1、P2和P3分別連接至第一到第三靶T1、T2和T3。可以調(diào)節(jié)來自第一到第三電源P1、P2和P3的電能。第一靶T1可以是包括GST的一些元素，即，GeTe的靶。第二靶T2可由選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組的絕緣材料，例如，SiO2或SiO4形成。第三靶T3可以是包括GST的其它元素，即，Sb2Te3的靶。
襯底40裝載于基座80上。其后，施加到第一和第三靶T1和T3的電能保持不變，施加到第二靶T2的電能調(diào)節(jié)到700W以下，例如，根據(jù)第二靶T2的材料調(diào)節(jié)到30-500W的范圍(優(yōu)選60-300W)。
在這種狀態(tài)下，濺射氣體碰撞到第一到第三靶T1、T2和T3以產(chǎn)生等離子體。以這種方式，第一到第三靶T1、T2和T3的材料濺射到襯底40上。襯底40上的濺射材料是由第一到第三靶T1、T2和T3發(fā)射的材料的均勻混合物。如圖15所示，該混合材料沉積在層間絕緣層54和下電極接觸層58的上表面上。該沉積材料形成相變層60。因此，形成相變層60以包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)60p。通過在上述范圍內(nèi)調(diào)節(jié)施加到第二靶T2的電能，可以增加或減少相變層60中絕緣雜質(zhì)60p的含量。為了該目的，可以進(jìn)一步對于第二電源P2提供電能調(diào)節(jié)器。
在層間絕緣層54和下電極接觸層58上形成相變層60之后，可通過常規(guī)工藝形成上電極。
同時(shí)，接觸孔56的下部分可以用下電極接觸層58填充，擴(kuò)展的上部分可用相變層60填充。
在層間絕緣層54上形成掩模(未示出)，以暴露下電極接觸層58的上表面和在下電極接觸層58的上表面周圍的層間絕緣層54的部分上表面。其后，利用濺射沉積設(shè)備，僅在由掩模暴露的區(qū)域上形成相變層60。此時(shí)，形成相變層60為小于相變層60的目標(biāo)厚度的厚度。其后，移除掩模，在中斷第二靶T2的電能之后進(jìn)行濺射沉積工藝。結(jié)果，如圖4所示，僅在相變層60的部分區(qū)域A1上均勻分布絕緣雜質(zhì)60p。
圖16是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的PRAM的方法的操作截面圖。下面的操作方法可以應(yīng)用到第一和第二PRAM的任意一個。為了方便，將參考圖16對第一PRAM進(jìn)行下面描述。
在該操作中晶體管一直是導(dǎo)通的。因此，為了方便，在圖16中沒有示出開關(guān)器件和相變層中均勻分布的絕緣雜質(zhì)。
寫操作如圖16A所示，復(fù)位電流Irs持續(xù)預(yù)定的時(shí)間(例如，幾納秒)施加到全部結(jié)晶的相變層60。此時(shí)，由于本下電極接觸層58比常規(guī)的下電極接觸層產(chǎn)生更多的珀耳帖熱，所以復(fù)位電流Irs比常規(guī)復(fù)位電流小。例如，在16MbPRAM的情況下，常規(guī)的PRAM需要1.6mA的復(fù)位電流，而本PRAM需要小于1.6mA的復(fù)位電流Irs。此外，在64Mb PRAM的情況下，常規(guī)的PRAM需要1.1mA的復(fù)位電流，而本PRAM需要小于1.1mA的復(fù)位電流Irs。
由于本PRAM具有由于相變層60和下電極接觸層58引起的效果，所以本復(fù)位電流Irs可以比常規(guī)復(fù)位電流小。
圖16中的參考數(shù)字h2表示復(fù)位電流Irs的高度(或強(qiáng)度)，其低于常規(guī)復(fù)位電流的高度h1。
當(dāng)復(fù)位電流Irs施加到相變層60時(shí)，接觸下電極接觸層58的相變層60的部分區(qū)域的溫度突然增加到相變溫度之上的溫度。結(jié)果，如圖16中(b)所示，在相變層60中形成非晶區(qū)域90。當(dāng)相變層的部分區(qū)域90變成非晶區(qū)域時(shí)，相變層60的電阻增大。在這種情況下，認(rèn)為在圖1的第一PRAM中寫入了位數(shù)據(jù)“1”。
當(dāng)相變層的部分區(qū)域90是結(jié)晶區(qū)域時(shí)，認(rèn)為在第一PRAM中寫入了位數(shù)據(jù)“0”。
如圖16中(b)所示，在相變層60具有非晶區(qū)域90的情形下，比復(fù)位電流“Irs”小的置位電流“Is”施加到相變層60。置位電流“Is”施加比復(fù)位電流“Irs”更長的持續(xù)時(shí)間。
當(dāng)施加該置位電流“Is”時(shí)，相變層60的非晶區(qū)域90變成結(jié)晶，相變層60變成全部結(jié)晶，如圖16中(c)所示。在圖16A和16C中相變層60的狀態(tài)是相同的。因此，如圖16中(b)所示的形變層60上置位電流“Is”的施加可以看作擦除在相變層60上寫的位數(shù)據(jù)“1”，或在相變層60上寫數(shù)據(jù)“0”。
讀操作在讀操作中，當(dāng)具有不能改變相變層60的相的強(qiáng)度的電流施加到相變層60上時(shí)，檢查測量的電阻以確定寫在相變層60上的位數(shù)據(jù)是“1”還是“0”。因此，在讀操作期間，施加到相變層60上的電流可比復(fù)位電流“Irs”和置位電流“Is”低。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，下電極接觸層58可利用比上述的材料層具有更大珀耳帖效應(yīng)的材料層形成。而且，相變層60可以是除GST層外的任何材料層。此外，可實(shí)行在反方向上施加復(fù)位電流和置位電流的操作方法。因此，本發(fā)明并不限于這里描述的實(shí)施例，而應(yīng)通過在權(quán)利要求中敘述的技術(shù)構(gòu)思來限定。
如上所述，本PRAM包括在相變層中均勻分布的絕緣雜質(zhì)。由于均勻分布的絕緣雜質(zhì)，非晶溫度Tm減小了，結(jié)晶溫度Tx增加了。從而，PRAM的復(fù)位電流減小了，由此對應(yīng)減小的復(fù)位電流可以減小晶體管的尺寸。而且，由于結(jié)晶溫度的增加，可以提高PRAM的保持特性。
此外，本PRAM用指定的材料層作為接觸相變層60下表面的下電極接觸層58。當(dāng)與常規(guī)的TiAlN比較時(shí)，指定的材料層具有大絕對值的負(fù)塞貝克系數(shù)、低的熱導(dǎo)率和類似的電阻。由于指定的材料層具有高的塞貝克系數(shù)，其可以比常規(guī)材料層產(chǎn)生更大的珀耳帖熱。
因此，由于相變層60可以減小復(fù)位電流。此外，復(fù)位電流可以進(jìn)一步減小與珀耳帖熱的增加量一樣多的量。這能夠大大地減小晶體管最大允許電流。從而，與常規(guī)晶體管相比，晶體管可以減小尺寸，最終增加了PRAM的集成水平。
由于珀耳帖效應(yīng)導(dǎo)致的復(fù)位電流的減小與下電極接觸層58尺寸的減小不相關(guān)。從而，在不增加置位電阻的前提下，可以增加PRAM的集成水平。
雖然參考本發(fā)明的示范性實(shí)施例已具體示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在不偏離如由權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可對形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種相變隨機(jī)存取存儲器，包括開關(guān)器件；連接到所述開關(guān)器件的下電極；形成在所述下電極上的下電極接觸層；形成在所述下電極接觸層上的相變層，所述相變層下表面的部分區(qū)域接觸所述下電極接觸層的上表面；和形成在所述相變層上的上電極，其中所述相變層包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述絕緣雜質(zhì)均勻分布在所述相變層的整個區(qū)域上。
3.如權(quán)利要求1的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述絕緣雜質(zhì)僅均勻分布在發(fā)生相變的相變層的部分區(qū)域上。
4.如權(quán)利要求1的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述絕緣雜質(zhì)是選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組中的至少一種。
5.如權(quán)利要求1的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述絕緣雜質(zhì)的含量小于所述相變層體積的10％。
6.如權(quán)利要求1的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述下電極接觸層由TiN、TiAlN或具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負(fù)塞貝克系數(shù)、比TiN或TiAlN低的熱導(dǎo)率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。
7.如權(quán)利要求1的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述下電極接觸層填充接觸孔的一部分，所述相變層填充所述接觸孔的剩余部分。
8.一種相變隨機(jī)存取存儲器，包括開關(guān)器件；連接到所述開關(guān)器件的下電極；覆蓋所述開關(guān)器件和所述下電極的層間絕緣層；形成在所述層間絕緣層內(nèi)的第一接觸孔，以暴露所述下電極；填充所述第一接觸孔的第一下電極接觸層；形成在所述層間絕緣層上的第二下電極接觸層，以覆蓋所述第一下電極接觸層；形成在所述第二下電極接觸層上的絕緣層，所述絕緣層包括形成在其中的第二接觸孔，以暴露所述第二下電極接觸層；形成在所述絕緣層上表面上的相變層，以填充所述第二接觸孔；和形成在所述相變層上的上電極，其中所述相變層包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)。
9.如權(quán)利要求8的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述絕緣雜質(zhì)均勻分布在所述相變層整個區(qū)域上。
10.如權(quán)利要求8的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述絕緣雜質(zhì)僅均勻分布在接觸下電極接觸層的相變層部分區(qū)域上。
11.如權(quán)利要求8的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述絕緣雜質(zhì)是選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組的至少一種。
12.如權(quán)利要求8的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述絕緣雜質(zhì)的含量小于所述相變層體積的10％。
13.如權(quán)利要求8的相變隨機(jī)存取存儲器，其中所述第一和第二下電極接觸層由TiN、TiAlN、或具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負(fù)塞貝克系數(shù)、比TiN或TiAlN低的熱導(dǎo)率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。
14.一種相變隨機(jī)存取存儲器的操作方法，所述相變隨機(jī)存取存儲器包括開關(guān)器件，連接到所述開關(guān)器件的下電極，形成在所述下電極上的下電極接觸層，形成在所述下電極接觸層上的相變層，所述相變層下表面的部分區(qū)域接觸所述下電極接觸層的上表面，和形成在所述相變層上的上電極，所述相變層包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)，所述方法包括施加流過所述相變層和所述下電極接觸層的復(fù)位電流，以將接觸所述下電極接觸層的相變層的部分變成非晶態(tài)。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中所述復(fù)位電流比當(dāng)TiN或TiAlN層用作所述下電極接觸層時(shí)施加的復(fù)位電流小。
16.如權(quán)利要求14的方法，其中所述下電極接觸層填充接觸孔的部分，所述相變層填充接觸孔的所述剩余部分。
17.如權(quán)利要求14的方法，其中在所述復(fù)位電流施加到所述相變隨機(jī)存取存儲器之后，用比所述復(fù)位電流的施加時(shí)間更長的時(shí)間，施加流過所述相變層和所述下電極接觸層的置位電流。
18.如權(quán)利要求14的方法，其中所述絕緣雜質(zhì)均勻分布在所述相變層整個區(qū)域上。
19.如權(quán)利要求14的方法，其中所述絕緣雜質(zhì)分布在接觸所述下電極接觸層的相變層部分區(qū)域上。
20.如權(quán)利要求14的方法，其中所述相變層是T形的，所述下電極接觸層包括連接到所述開關(guān)器件的第一下電極接觸層；和連接所述T形相變層和所述第一下電極接觸層的第二下電極接觸層。
21.如權(quán)利要求14的方法，其中所述下電極接觸層的側(cè)表面用間隔物覆蓋。
22.一種制造相變隨機(jī)存取存儲器的方法，所述相變隨機(jī)存取存儲器包括形成在所述襯底上的開關(guān)器件，連接到所述開關(guān)器件的下電極，形成在所述下電極上的下電極接觸層，形成在所述下電極接觸層上的相變層，所述相變層下表面的部分區(qū)域接觸所述下電極接觸層的上表面，和形成在所述相變層上的上電極，所述相變層包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)，所述方法包括通過在形成了所述下電極接觸層的所得到結(jié)構(gòu)的上表面上形成混合材料，來形成包括均勻分布的絕緣雜質(zhì)的相變層，所述混合材料通過均勻地混合除絕緣雜質(zhì)之外的相變層的組成材料和所述絕緣雜質(zhì)的材料而形成。
23.如權(quán)利要求22的方法，其中通過同時(shí)濺射包括一部分組成材料的靶和包括剩余部分組成材料的另一靶形成除所述絕緣雜質(zhì)以外的相變層的組成材料。
24.如權(quán)利要求22的方法，其中所述絕緣雜質(zhì)的材料是通過濺射包括所述絕緣雜質(zhì)的靶形成的。
25.如權(quán)利要求24的方法，其中電能施加到包括所述絕緣雜質(zhì)的靶上，從而所述絕緣雜質(zhì)的含量低于所述相變層體積的10％，電能根據(jù)環(huán)境變化。
26.如權(quán)利要求25的方法，其中施加到包括所述絕緣雜質(zhì)的靶的電能是30-500W。
27.如權(quán)利要求22的方法，其中所述絕緣雜質(zhì)是選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組的至少一種。
28.如權(quán)利要求22的方法，其中所述相變層形成T形，所述下電極接觸層形成以包括連接到所述開關(guān)器件的第一下電極接觸層；和連接所述T形相變層和所述第一下電極接觸層的第二下電極接觸層。
29.如權(quán)利要求22的方法，其中所述下電極接觸層的側(cè)表面被間隔物覆蓋。
30.如權(quán)利要求22的方法，其中所述下電極接觸層由TiN、TiAlN或具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負(fù)塞貝克系數(shù)、比TiN或TiAlN低的熱導(dǎo)率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。
31.如權(quán)利要求22的方法，其中所述下電極接觸層填充接觸孔的部分，所述相變層填充所述接觸孔的剩余部分。
32.如權(quán)利要求23的方法，其中所述絕緣雜質(zhì)的材料是通過濺射包括所述絕緣雜質(zhì)的靶形成的。
33.一種相變材料，包括結(jié)晶溫度和非晶溫度彼此不同的第一材料；和均勻分布在所述第一材料上的絕緣雜質(zhì)。
34.如權(quán)利要求33的相變材料，其中所述絕緣雜質(zhì)均勻分布在所述第一材料整個區(qū)域上，或僅在所述第一材料部分區(qū)域上。
35.如權(quán)利要求33的相變材料，其中所述絕緣雜質(zhì)是選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組的至少一種。
36.如權(quán)利要求33的相變材料，其中所述絕緣雜質(zhì)的含量少于所述第一材料體積的10％。
37.如權(quán)利要求33的相變材料，其中所述絕緣雜質(zhì)位于所述第一材料中空位或間隙位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變材料、包括該相變材料的PRAM以及制造和操作這種PRAM的方法。絕緣雜質(zhì)均勻分布在相變材料的整個或部分區(qū)域上。該P(yáng)RAM包括含有相變材料的相變層。相變材料的絕緣雜質(zhì)含量可小于相變材料體積的10％。相變材料絕緣雜質(zhì)的含量可以通過控制施加到包括絕緣雜質(zhì)的靶的電能調(diào)節(jié)。
文檔編號H01L21/82GK1909239SQ200610121248
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月4日
發(fā)明者盧振瑞, 姜閏浩, 李相睦, 徐東碩 申請人:三星電子株式會社