專利名稱：形成包括碲的相變材料層的方法和使用該相變材料層來制造相變存儲器的方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例涉及一種形成包括硫族化物材料的相變材料層的 方法和用于使用所述相變材料層來制造相變存儲器的方法。
背景技術：
半導體存儲器一般可以被劃分為易失性半導體存儲器，諸如動 態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)或者靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM);以 及，非易失性半導體存儲器，諸如閃速存儲器或者電子可擦除可編程 存儲器(EEPROM)。易失性半導體存儲器一般當關斷電源時丟失其 中存儲的數(shù)據(jù)。但是，非易失性半導體存儲器即使當中斷或者關斷電 源時也可以保持所存儲的數(shù)據(jù)。在非易失性半導體存儲器中，閃速存儲器已經(jīng)用于各種電子設備 中，諸如數(shù)碼照像機、蜂窩電話、MP3播放機等。因為閃速存儲器一般 對于寫入或者擦除數(shù)據(jù)需要較長的時間，因此已經(jīng)開發(fā)了用于制造半 導體存儲器的替代技術，所述半導體存儲器諸如磁阻隨機存取存儲器(MRAM)、鐵電隨機存取存儲器(FRAM)或者相變隨機存取存儲器(PRAM)。在PRAM器件中，可以使用在相變材料層的非晶狀態(tài)和結晶狀態(tài)之間的電阻差來輸入或者輸出數(shù)據(jù)，所述相變材料層包括硫族化物材料，諸如鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te) (GST)。具體上，可以使用所述相變 材料層的可逆的相變來在PRAM器件中存儲具有"0"或者"1"值的數(shù) 據(jù)。在非晶狀態(tài)中的相變材料層可以具有較高的電阻，而在結晶狀態(tài) 中的相變材料層可以具有較低的電阻。在PRAM器件中，晶體管可以為 相變材料層提供復位電流，所述復位電流用于將所述相變材料層的相 位從結晶狀態(tài)向非晶狀態(tài)改變。所述晶體管也可以為相變材料層提供 置位電流，所述置位電流用于將所述相變材料層的相位狀態(tài)從非晶狀 態(tài)向結晶狀態(tài)改變。所述相變材料層可以形成在與電連接到所述晶體 管的插座接觸的下電極上。在例如美國專利第5，825,046號、美國專利 第5,596,522號、韓國特開專利公布第2005-31160號和韓國專利第437458 號中討論了傳統(tǒng)的PRAM器件和制造傳統(tǒng)的PRAM器件的方法。在上述的制造傳統(tǒng)PRAM器件的方法中，可以通過諸如濺射處理 的物理汽相淀積(PVD)處理，或者化學汽相淀積(CVD)處理來形 成包括GST的相變材料層。但是，在PVD處理中，控制GST的構成比可 能是困難的，這使得所述相變材料層可能不具有期望的電子特性。具體上，GST是偽二元的復合物，其包括碲化鍺(GeTe)和碲化 銻(Sb2Te3) ， GST具有化學式鍺-銻-碲(GexSbyTe(1()Q_x-y))。在此，x 和y可不具有小于100的任意值，而GST具有偽二元線上的構成比，所述 偽二元線在偽二元的相位圖上將碲化鍺(GeTe)和碲化銻(Sb2Te3) 連接，并且所述構成比可以僅僅具有可接受的誤差范圍10。/。(參見IEEE Proc,Sci. Meas. Technol. 151,394(2004))。圖1表示包括由構成擴展方法形成的GST的相變材料層的三元構 成圖。具體上，在相變材料層中使用的鍺-銻-碲(Ge2Sb2Te5)可以包括 大約22%重量的鍺(Ge)、大約22%重量的銻(Sb)和大約56。/。重量的 碲(Te)。當諸如氮(N)、碳(C)、氧(0)、硅(Si)等的雜質 被摻雜到相變材料層時，所述相變材料層可以至少由于所述雜質的量而具有改變的構成比。在用于形成相變材料層的傳統(tǒng)濺射方法中，可以通過控制鍺、銻、 碲的量而改變相變材料層的構成比。但是，至少因為所述相變材料層中的碲化鍺(GeTe)和碲化銻(Sb2Te3)共同包括碲，碲可以在所述 相變材料層中僅僅具有在大約50%到大約65%的重量范圍內(nèi)的含量。將 碲的重量含量減少到低于大約50%可能有問題。即使當使用如在韓國特開專利公布第2006-599395號中所述的、一 種能夠改善相變材料層的構成比控制的方法時，形成碲具有上述參考 范圍之外的量的構成比的相變材料層也可能有困難。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施例提供了用于形成相變材料層的方法，所述方法包 括使得襯底和硫族化物目標保持在一個溫度，所述硫族化物目標包 括鍺(Ge)、銻(Sb)和碲(Te)，在所述溫度，碲揮發(fā)，而銻不揮 發(fā)；并且，執(zhí)行濺射處理以在所述襯底上形成包括硫族化物材料的相 變材料層。在一些實施例中，可以在大于碲的玻璃化溫度和小于銻的 玻璃化溫度的溫度執(zhí)行所述濺射處理。在一些實施例中，執(zhí)行所述濺 射處理包括將所述硫族化物目標的粒子淀積在該襯底上以形成預備 的硫族化物材料；并且，揮發(fā)包括在所述預備的硫族化物材料中的至 少一些部分的碲，以形成包括大約5-50%重量的碲的隨后的硫族化物材 料。在另外的實施例中，形成包括鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te) (GST)的相 變材料層的方法包括其中碲(Te)的重量含量小于大約50%的那些。本發(fā)明的實施例還包括制造相變存儲器的方法，所述方法包括 在其中具有硫族化物目標的室中的襯底上形成下電極，其中，所述硫族化物目標包括鍺、銻和碲；提供一個溫度，在所述溫度，碲揮發(fā)， 而銻不揮發(fā)；執(zhí)行濺射處理以在所述襯底上形成包括硫族化物的相變 材料層；并且，在所述相變材料層上形成上電極。在一些實施例中，可以在大于碲的玻璃化溫度和小于銻的玻璃化溫度的溫度執(zhí)行所述濺 射處理。在一些實施例中，所述襯底是半導體襯底。所述半導體襯底 可以包括在其上依序形成的柵極絕緣層、柵極導電層和柵極掩模層。 可以進一步在所述半導體襯底上形成絕緣和導電層。在一些實施例中，制造相變存儲器包括制備包括碲的重量含量小于50%的GST的相變材 料層。


通過下面結合附圖的詳細說明，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點將變得更清楚，其中圖l是相變材料層的三元構成圖，所述相變材料層包括通過構成擴展方法而形成的鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te)。圖2是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的相變材料層的橫截面視圖。 圖3是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的一種形成相變材料層的方法的流程圖。圖4是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的相變材料層中氮含量隨氮 氣流率的變化的圖表。圖5是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的、相變材料層的淀積率隨氮 氣流率的變化的圖表。圖6是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的、相變材料層的電阻率隨氮 氣流率的變化的圖表。圖7-14是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的、 一種制造相變存儲器的方法的橫截面視圖。圖15是分別圖解出在示例1、 2、 3和4以及比較示例中呈現(xiàn)的相變材料層中的氮含量和硫族化物材料的構成比的圖表。圖16是圖解包括示例3中的相變材料層的存儲單元的疲勞特性的圖表。圖17是圖解包括示例3中的相變材料層的存儲單元的數(shù)據(jù)保持特 性的圖表。
具體實施方式
以下參見附圖來更全面地說明本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的 實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來體現(xiàn)，并且不應當被 理解為限于在此給出的實施例。而且，所提供的這些實施例是為了使 本公開更徹底和完整，同時更全面地向本領域內(nèi)的技術人員傳達本發(fā) 明的范圍。在附圖中，為了清楚，可以放大層和區(qū)域的大小和相對大可以明白，當元件或者層被稱為"在"另一元件或者層"之上"、 "連接到"或者"耦接到"另一元件或者層時，所述元件可以直接地 在所述另一元件或者層上、連接到或者耦接到另一元件或者層上，或 者可以存在插入的元件或者層。相反，當元件被稱為"直接在"另一 元件或者層"之上"、"直接連接到"或者"直接耦接到"另一元件 或者層時，則不存在插入的元件或者層。在全部附圖中，相同的標號 表示相同的元件?？梢悦靼?，雖然術語第一、第二等可以在此用于描述各種元件、 部件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分 應當不被這些術語限制。這些術語僅僅用于將一個元件、部件、區(qū)域、 層或部分與另一個區(qū)域、層或者部分相區(qū)別。因此，在不偏離本發(fā)明 的教義的情況下，下述的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱 為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分。為了易于說明，諸如"之下"、"下面"、"下"、"之上"、 "上"等空間上的相對術語可以在此用于描述附圖中所示的一個元件 或者功能部件與另一或一些元件或者功能部件的關系?？梢悦靼?，除 了在附圖中所描述的方位之外，空間上的相對術語意欲還涵蓋在使用 或者操作中的器件的不同方位。例如，如果附圖中的器件被反轉，則被描述為在其它元件或者功能部件"之下"或者"下面"的元件被定 位為在其它元件或者功能部件"之上"。因此，示例術語"之下"可以涵蓋之上和之下的方位。所述器件可以另外定位(旋轉90度或者在 其它方位)，在此使用的在空間上的相對描述符可以據(jù)此被解釋。在此使用的術語僅僅用于描述特定的實施例，并且不意欲限定本 發(fā)明。在此使用的單數(shù)形式"一個"和"所述"意欲也包括復數(shù)形式， 除非上下文明確地另外指示。在此所述的所有公布、專利申請、專利 和其它參考文獻通過引用被整體包含。還可以明白，在本說明書中使用的術語"包括"指定被陳述的特 征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或者 添加一個或多個其它的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其 組合。而且，可以明白，可以獨立地執(zhí)行包括此處所提供的方法的步驟， 或者可以組合至少兩個步驟。另外，在不偏離本發(fā)明的教義的情況下， 當包括此處所提供的方法的步驟被獨立或者組合地執(zhí)行時，可以在同 一溫度和/或氣壓下或者在不同的溫度和/或氣壓下被執(zhí)行。除非另外限定，在此使用的所有術語(包括科技術語)具有與本 發(fā)明所屬領域內(nèi)的普通技術人員通常理解的含義相同的含義。還可以 明白，諸如在普通使用的詞典中限定的那些術語的術語應當被解釋為 具有與它們在本領域的環(huán)境中一致的含義。相變材料層圖2是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的相變材料層的橫截面視圖。參見圖2，相變材料層20可以包括硫族化物材料或者被摻雜雜質的 硫族化物材料。所述硫族化物材料可以包括鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te)、砷 誦銻-碲(As-Sb-Te)、砷-鍺-銻-碲(As-Ge-Sb陽Te)、錫-銻-碲(Sn-Sb-Te)、 銦-銻-碲(In-Sb-Te)、銀-銦-銻-碲(Ag-In-Sb-Te)、在15族中的元素-銻-碲(在15族中的元素-Sb-Te)、在16族中的元素-銻-碲(在16族中 的元素-Sb-Te)等。在特定實施例中，包括鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te) (GST) 的硫族化物材料可以用于相變材料層20。當受熱時，硫族化物材料可以具有相變的特性?？梢酝ㄟ^電流控 制提供到所述硫族化物材料的熱量。因此，所述硫族化物材料可以具 有晶體結構，所述硫族化物材料的這種晶體結構按照應用到其的電流量和向其提供電流的時間量而改變。所述硫族化物材料可以具有在非 晶狀態(tài)和結晶狀態(tài)之間的電阻差(具體上，在結晶狀態(tài)中的硫族化物 材料的電阻比在非晶狀態(tài)中的硫族化物材料的電阻更低)，因為所述 硫族化物材料的電阻可以被用作邏輯狀態(tài)的標準，所以至少部分的所 述硫族化物材料可以被包括在存儲器中。在本發(fā)明的一些實施例中，相變材料層20可以包括硫族化物材料， 所述硫族化物材料可以包括鍺(Ge)銻(Sb)碲(Te)。所述硫族化 物材料可具有大約5-50%重量的碲。在一些實施例中，相變材料層20具 有包括大約20-50%重量的碲的、包括雜質硫族化物材料。在其它實施 例中，相變材料層20具有包括大約30-50%重量的碲的、包括雜質的硫 族化物材料?？砂ㄔ谒鱿嘧儾牧蠈?0中的雜質可以包括例如氧 (0)、硅(Si)、碳(C)或者氮(N)。這些元素可以單獨或者以其 組合被使用。相變材料層20可以包括由化學式(1)表示的硫族化物材料。相變 材料層20可以包括大約86-98%重量的硫族化物材料和大約2-10%重量的雜質?；瘜W式(1):GexSbyTe(100—x-y)其中，252x《35并且25Sy。5在本發(fā)明的一些實施例中，所述硫族化物材料可以包括大約25-40%重量的鍺、大約25-40%重量的銻和大約20-50%重量的碲。在本 發(fā)明的一些其它實施例中，所述硫族化物材料可以包括大約25-35%重 量的鍺、大約25-35%重量的銻和大約30-50%重量的碲。因此，所述硫 族化物材料可以具有這樣的構成比，其中，鍺:銻:碲(Ge:Sb:Te)的含 量是大約1:1:1到大約1:1:2。相變材料層20可以具有86-98%重量的硫族化物材料，所述硫族化 物材料可以包括大約25-35%重量的鍺、大約25-35%重量的銻、大約 30-50%重量的碲和大約2-14%重量的雜質?？梢园凑招纬伤鱿嘧儾牧?層20的條件來改變硫族化物材料中碲的含量，所述條件諸如本領域內(nèi) 的技術人員理解的溫度、淀積速度等變量。相變材料層20可以包括被摻雜雜質的硫族化物層、被摻雜雜質的 GST層等。例如，當所述雜質包括氮時，相變材料層20可以具有大約 90-98%重量的硫族化物材料，所述硫族化物材料可以包括大約25-35% 重量的鍺、大約25-35%重量的銻、大約30-50%重量的碲和大約2-10% 重量的氮。另外舉例，當所述雜質包括碳時，相變材料層20可以具有 大約85-98%重量的硫族化物材料，所述硫族化物材料可以包括大約 25-35%重量的鍺、大約25-35%重量的銻、大約30-50%重量的碲和大約 2-15%重量的碳。如上所述，相變材料層20可以具有這樣的構成比，其中，碲的重 量含量占所述硫族化物材料層20的總重量的大約5-50%，使得包括所述 相變材料層20的相變存儲器可以具有改善的電特性和期望的結晶特 性。形成相變材料層的方法圖3是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的一種形成相變材料層的方 法的流程圖。具體上，在圖3的步驟S110中，襯底設置在可以在其中執(zhí)行濺射處理的室內(nèi)，所述相變材料層可在所述襯底上形成。所述室可以在其中具有臺、硫族化物目標和用于在該室內(nèi)提供直 流(DC)電壓的電源。所述臺可以支撐設置在所述室內(nèi)的襯底。在本發(fā)明的一實施例中，所述硫族化物目標可以包括化學式為Ge2Sb2Tes的硫族化物材料。所述硫族化物材料可以具有大約22%重量 的鍺、大約22%重量的銻和大約56%重量的碲。在本發(fā)明的另一實施例 中，所述硫族化物目標可以具有第一 目標，其可以包括碲化鍺(GeTe); 以及第二目標，其可以包括碲化銻(Sb2Te3)。另外，所述硫族化物目標可以包括雜質，諸如氧、硅、碳、氮等。 當通過濺射處理來形成所述相變材料層時，可以通過所述雜質來控制 用于穩(wěn)定所述硫族化物目標的時間。所述電源可以向所述硫族化物目標提供負高壓，以便可以在所述 臺或者所述硫族化物目標之間產(chǎn)生高電壓差。在步驟S120中，可以將所述室保持在一個溫度，在所述溫度，可 以包括在所述硫族化物目標中的碲可以揮發(fā)。具體上，可以保持所述 室提供一個這樣的溫度，即在所述溫度，碲可以揮發(fā)，而銻不會揮發(fā)。一般地，可以包括在所述硫族化物目標中的鍺、銻和碲可以分別 具有大約938。C、大約63rC和大約45(TC的熔點。當粒子大小減少時， 熔點可能更低。另外，所述硫族化物目標具有玻璃化溫度，因此，鍺、 銻和碲可以在大于所述玻璃化溫度的溫度揮發(fā)。與所述硫族化物目標 中的其它元素相比較，碲(Te)具有大約250。C到大約350。C的相對較 低的玻璃化溫度。在本發(fā)明的一些實施例中，可以在大約250。C到大約350。C的溫度執(zhí)行所述濺射處理，所述溫度大于碲的玻璃化溫度，同時小于銻的玻 璃化溫度。所述室可以通過位于所述臺上的加熱器保持大約250。C到大約350。C的范圍內(nèi)的溫度。在步驟S130中，可以在所述室內(nèi)產(chǎn)生包括氬(Ar)離子的等離子 體，以便可以執(zhí)行濺射處理。具體上，可以通過電源向所述硫族化物 目標施加負電壓。電源可以以大約300W到大約700W、在一些實施例中 為大約500W的功率電平施加所述電壓。因此，可以在所述硫族化物目 標和臺之間產(chǎn)生高電壓差?？梢韵蚱渲屑航?jīng)產(chǎn)生高電壓的室內(nèi)引入氬氣。所述氬氣可以在所 述室內(nèi)被激發(fā)到包括氬離子的等離子體狀態(tài)。可以同時執(zhí)行所述的氬 氣的引入和負電壓的施加。在本發(fā)明的一實施例中，可以以大約30到大約80sccm的流率、在 一些實施例中為大約40到大約60 sccm的流率來向所述室內(nèi)提供氬氣。 另外，可以向該室內(nèi)提供氮(N2)氣?？梢砸源蠹sIO到大約IOO sccm 的流率、在一些實施例中為大約25到大約80 sccm的流率來提供所述氮 氣。在本發(fā)明的一些實施例中，當將氮氣提供給氬氣時，所述氬氣和 氮氣可以具有大約1:0.3到大約1:2.0的流率比，在一些實施例中此流率 比為大約1:0.35到大約1:1.5。所述氮氣可以改善所述相變材料層的可靠性，并且/或者降低粒子 從所述硫族化物目標向襯底中的淀積率，以便可以提高用于形成所述 相變材料層的時間。[這是準確的表述嗎？]因此，氮氣可以幫助碲揮發(fā)， 因此，碲在所述相變材料層的硫族化物材料中的重量含量可以小于大 約50%。在步驟S140，可以在所述室內(nèi)形成具有硫族化物材料的相變材料層，所述硫族化物材料包括在相變材料層中大約5%到大約50%重量的 碲，在所述室內(nèi)，該等離子體包括氬離子。具體上，可以包括在所述等離子體中的氬離子以高速沖擊硫族化 物目標，因此，在所述硫族化物目標中的粒子可以與該硫族化物目標 分離，并且可以被物理地淀積在所述襯底上。從硫族化物目標分離的粒子可以被淀積在所述襯底上，由此形成 預備的相變材料層。在襯底上的所述預備的相變材料層可能處于不穩(wěn) 定的狀態(tài)，使得至少一部分碲在大約250到大約350。C的溫度可能會揮 發(fā)。因此，可以在該襯底上形成具有硫族化物材料的相變材料層，所 述硫族化物材料可以包括大約5-50%重量的碲，在一些實施例中為大約 30-50%重量的碲。在本發(fā)明的一些實施例中，在上述條件下形成的相變材料層可以 具有如此的硫族化物材料，即所述硫族化物材料可以包括大約25-35% 重量的鍺、大約25-35%重量的銻和大約30-50%重量的碲。在一些實施 例中，所述相變材料層可以具有大約86-98%的硫族化物材料，所述硫 族化物材料可以包括大約25-35%重量的鍺、大約25-35%重量的銻、大 約30-50%重量的碲和大約2-14%重量的雜質。在一些實施例中，所述相 變材料層可以包括大約90-98%的硫族化物材料，所述硫族化物材料可 以包括大約25-35%重量的鍺、大約25-35%重量的銻、大約30-50%重量 的碲和大約2-10%重量的雜質。在本發(fā)明的另一實施例中，所述相變材料層可以包括大約92-98% 的硫族化物材料，所述硫族化物材料可以包括大約24-31%重量的鍺、 大約24-31%重量的銻、大約30-50%重量的碲和大約2-8%重量的氮。圖4是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的相變材料層中氮含量隨氮氣流率的變化的圖表。在圖4中，x軸表示氮氣的流率，y軸表示在相變 材料層中的氮含量。參見圖4，當使用Ge2Sb2Tes目標、以提高的氮氣流 率通過濺射處理而形成相變材料層時，在所述相變材料層中的氮含量 提高。即，在相變材料層中的氮含量與氮氣的流率成比例。圖5是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的、相變材料層的淀積率隨氮 氣流率的變化的圖表。在圖5中，x軸表示氮氣的流率，y軸表示相變材 料層在襯底上的淀積率。參見圖5，當使用Ge2Sb2Te5目標、以提高的氮氣流率通過濺射處 理而形成相變材料層時，所述相變材料層的淀積率降低。即，相變材 料層的淀積率與氮氣的流率成反比。圖6是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的、相變材料層的電阻率隨氮 氣流率的變化的圖表。在圖6中，x軸表示氮含量，y軸表示相變材料層 的電阻率。參見圖6，當使用Ge2Sb2Tes目標、以提高的氮氣流率通過濺 射處理而形成相變材料層時，所述相變材料層中的電阻率也提高。更 具體而言，相變材料層中的電阻率與氮含量成比例。用于制造相變存儲器的方法圖7-14是圖解按照本發(fā)明的一些實施例的、 一種制造相變存儲器 的方法的橫截面視圖。參見圖7，可以在半導體襯底300上形成隔離層303。半導體襯底300 可以被隔離層303劃分為激活區(qū)和場效應區(qū)?？梢酝ㄟ^淺槽隔離(STI) 處理或者通過硅的局部氧化(LOCOS)處理來形成所述隔離層303?？?以使用氧化硅(Si02)來形成隔離層303?？梢栽谒霭雽w襯底300上依序形成柵極絕緣層、柵極導電層和 柵極掩模層。可以使用氧化物或者具有高的介電常數(shù)的金屬氧化物來形成所述柵極絕緣層，所述具有高的介電常數(shù)的金屬氧化物諸如氧化 鋁(A1203)、氧化鉿(Hf02)等。例如，可以使用氧化硅、氧化鉿、氧化鋅(Zr02)、氧化鈦(Ti203)、氧化鉭(Ta205)、氧化鋁等來形 成所述柵極絕緣層?？梢酝ㄟ^熱氧化處理、化學汽相淀積(CVD)處 理、濺射處理、等離子體增強化學汽相淀積(PECVD)處理、原子層 淀積(ALD)處理、高密度等離子體化學汽相淀積(HDP-CVD)處理 等來形成所述柵極絕緣層?？梢允褂脫诫s質的多晶硅、金屬或者金屬 硅化物來形成所述柵極導電層。例如，可以使用鎢(W)、鋁(Al)、 鈦(Ti)、鉭(Ta)、硅化鎢(WSi2)、硅化鈦(TiSi2)、硅化鈷(CoSi2) 等來形成所述柵極導電層?？梢酝ㄟ^CVD處理、濺射處理、PECVD處 理、ALD處理等來形成所述柵極導電層。可以使用具有相對于所述柵 極導電層和柵極絕緣層的蝕刻選擇性的材料來形成所述柵極掩模層。 可以使用氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)或者金屬氮氧化物來形 成所述柵極掩模層。可以通過CVD處理、濺射處理、PECVD處理、八LD 處理等來形成所述柵極掩模層?？梢灾辽俨糠值厝コ鰱艠O絕緣層、柵極導電層和柵極掩模層 以分別形成柵極掩模312、柵極電極309和柵極絕緣層圖案306。第一絕緣層可以被形成在半導體襯底300上以覆蓋所述柵極掩模 312、柵極電極309和柵極絕緣層圖案306?？梢允褂玫鑱硇纬伤?第一絕緣層?？梢灾辽俨糠值厝コ龅谝唤^緣層以在柵極掩模312、 柵極電極309和柵極絕緣層圖案306的側壁上形成柵極隔離物315。可以 通過各向異性蝕刻處理來形成所述柵極隔離物315。因此，可以在半導 體襯底300上形成包括柵極絕緣層圖案306、柵極電極309、柵極掩模312 和柵極隔離物315的柵極結構318?？梢允褂盟鰱艠O結構318來作為注入掩模向半導體襯底300中注 入雜質，以在所述半導體襯底300的上部形成第一雜質區(qū)321和第二雜 質區(qū)324。結果，可以在半導體襯底300上形成包括柵極結構318和第一和第二雜質區(qū)321和324的晶體管。所述第一和第二雜質區(qū)321和324可 以作為源極/漏極區(qū)域。參見圖8，可以在半導體襯底300上形成第一絕緣夾層327以覆蓋所 述晶體管。可以使用摻雜硼磷的硅玻璃(BPSG)、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、 四乙基原硅酸鹽(TEOS)、等離子體增強的四乙基原硅酸鹽 (PE-TEOS)、未摻雜的硅酸鹽玻璃(USG)、可流動的氧化物(FOx)、 旋涂玻璃(SOG) 、 HDP-CVD氧化物等來形成所述第一絕緣夾層327。 可以通過CVD處理、PECVD處理、ALD處理、HDP-CVD處理等來形成 所述第一絕緣夾層327?？梢灾辽俨糠值厝コ龅谝唤^緣夾層327，以通過其形成第一接 觸孔330和第二接觸孔333。所述第一接觸孔330暴露于第一雜質區(qū)321， 所述第二接觸孔333暴露于第二雜質區(qū)324。第一導電層336可以被形成在第一和第二雜質區(qū)321和324以及第 一絕緣夾層327上，以填充所述第一和第二接觸孔330和333?？梢允褂?摻雜質的多晶硅、金屬或者導電金屬氮化物來形成所述第一導電層 336?？梢酝ㄟ^濺射處理、CVD處理、PECVD處理、ALD處理、電子束 淀積(EBD)處理，或者脈沖激光淀積(PLD)處理來形成所述第一導 電層336。例如，可以使用鎢、鈦、氮化鈦(TiN)、鋁、氮化鈦鋁(TiAlN)、 氮化鎢(WN)、氮化鋁(A1N)等來形成所述第一導電層336。參見圖9，可以通過化學機械拋光(CMP)處理、深腐蝕處理或者 CMP和深腐蝕的組合處理來至少部分地去除所述第一導電層336，直到 暴露所述第一絕緣夾層327。因此，可以分別在所述的第一和第二接觸 孔330和333中形成第一接觸339和第二接觸342?？梢栽诘谝浑s質區(qū)321 上形成第一接觸339，并且可以在第二雜質區(qū)324上形成第二接觸342?？梢栽谒龅牡谝缓偷诙佑|339和342以及所述第一絕緣夾層327上形成第二導電層345?？梢酝ㄟ^濺射處理、CVD處理、PECVD處 理、ALD處理、EBD處理、PLD處理等來形成所述第二導電層345。例 如，可以使用鎢、鈦、氮化鈦、鋁、氮化鈦鋁、氮化鎢、氮化鋁等來 形成所述第二導電層345。在所述第二導電層345上形成第二絕緣層后，可以至少部分地去除 所述第二絕緣層以在所述第二導電層345上形成第一絕緣層圖案348和 第二絕緣層圖案349?？梢酝ㄟ^CVD處理、PECVD處理、ALD處理、 HDP-CVD處理等，使用氮化物或者氮氧化合物而形成所述第二絕緣層。 可以在第二導電層345的一部分上形成所述第一絕緣層圖案348，在所 述第二導電層345之下，可以形成所述第一接觸339，可以在第二導電 層345的一部分上形成所述第二絕緣層圖案349，在所述第二導電層345 之下，可以形成所述第二接觸342。參見圖IO，可以使用所述的第一和第二絕緣圖案348和349作為蝕 刻掩模通過蝕刻處理而至少部分地去除所述第二導電層345，以形成墊 351和下金屬布線352?？梢栽谒龅谝唤佑|339和所述第一絕緣夾層 327上形成所述墊351，并且可以在所述第二接觸342和所述第一絕緣夾 層327上形成下金屬布線352。因此，所述墊351可以通過第一接觸339 電連接到所述第一雜質區(qū)321，并且下金屬布線352可以通過第二接觸 342電連接到所述第二雜質區(qū)324?？梢栽谒龅谝唤^緣夾層327上形成第二絕緣夾層354，以覆蓋第 一和第二絕緣層圖案348和349?？梢允褂肂PSG、PSG、TEOS、PE-TEOS、 USG、 FOx、 SOG、 HDP-CVD氧化物等來形成所述第二絕緣夾層354。 可以通過CVD處理、PECVD處理、ALD處理、HDP-CVD處理等來形成 所述第二絕緣夾層354?？梢酝ㄟ^CMP處理、深腐蝕處理、或者CMP和深腐蝕的組合處理 來至少部分地去除所述第二絕緣夾層354，直到暴露所述的第一和第二絕緣層圖案348和349。例如，可以使用包括諸如硅石的研磨劑的泥漿 來部分地去除所述第二絕緣夾層354，所述研磨劑具有在氧化物和氮化 物的蝕刻選擇性之間的高蝕刻選擇性?？梢栽谒龅诙^緣夾層354與所述第一和第二絕緣層圖案348和 349上形成第三絕緣層357。可以使用BPSG、 PSG、 TEOS、 PE-TEOS、 USG、 FOx、 SOG、 HDP-CVD氧化物等來形成所述第三絕緣層357?？?以通過CVD處理、PECVD處理、ALD處理、HDP-CVD處理等來形成所 述第三絕緣層357?？梢栽谒龅谌^緣層357上形成犧牲層360?？梢酝ㄟ^CVD處理、 PECVD處理、ALD處理、HDP-CVD處理等來形成所述犧牲層360。參見圖11，可以至少部分地去除所述的犧牲層360、第三絕緣層357 和第一絕緣層圖案348以通過其形成下孔361?？梢栽谒鰤|351和所述犧牲層360上形成第四絕緣層以填充所述 下孔361。可以通過各向異性蝕刻處理來至少部分地去除所述第四絕緣 層，以形成預備的隔離物363和所述下孔361的側壁。例如，可以使用 氮化硅來形所述成第四絕緣層?？梢栽趬|351、預備隔離物361和犧牲層360上形成第三導電層366， 以填充所述下孔361。可以使用金屬、金屬氮化物、金屬硅氮化物、摻 雜質的多晶硅等來形成所述第三導電層366。例如，可以使用下述材料 形成所述第三導電層366:鎢、氮化鎢、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭(TaN)、 氮化鉬(Mo2N)、氮化鈮(NbN)、氮化鈦硅(TiSiN)、鋁、氮化鋁、 氮化鈦鋁、氮化鈦硼(TiBN)、氮化鋯硅(ZrSiN)、氮化鉬硅(MoSiN)、 氮化鉬鋁(MoAlN)、氮化鉭硅(TaSiN)等?？梢酝ㄟ^濺射處理、CVD 處理、PECVD處理、ALD處理、EBD處理、PLD處理等來形成所述第 三導電層366。參見圖12，可以通過CMP處理和/或深腐蝕處理來至少部分地去除 所述第三導電層366，直到可以暴露所述犧牲層360以形成預備的底電 極372?？梢酝ㄟ^深腐蝕處理去除所述犧牲層360，直到暴露所述第二絕緣 層357。因此，預備底電極372和預備隔離物369可以突出到所述第二絕 緣層357之上。參見圖13，可以通過CMP處理來去除所述的預備底電極372和預備 隔離物369的突出部分，以在所述墊351上形成底電極375和隔離物378。 例如，可以使用包括諸如硅的研磨劑的泥漿來去除所述的預備底電極 372和預備隔離物369，所述研磨劑具有在氧化物和氮化物的蝕刻選擇 性之間的高蝕刻選擇性。當形成所述的底電極375和隔離物378時，可 以至少部分地去除所述第二絕緣層357?？梢栽谒龅牡纂姌O375、隔離物378和第二絕緣層357上形成包括 GST的相變材料層385。可以使用包括銻和碲的硫族化物目標、通過濺射處理形成所述相 變材料層385。在所述濺射處理中，可以在碲可以揮發(fā)，而銻不能揮發(fā) 的溫度下，通過將來自所述硫族化物目標的粒子淀積在所述襯底上而 形成所述相變材料層385。所述相變材料層385可以具有硫族化物材料， 所述硫族化物材料可以包括大約5-50%重量的碲?？梢栽诘獨夂蜌鍤獾?氣氛下在大約250-350。C的溫度執(zhí)行所述濺射處理。可以通過參見圖3圖解的方法來形成所述相變材料層385，因此， 在此省略具體方法。參見圖14，可以在所述相變材料層385上形成第四導電層385?？梢酝ㄟ^濺射處理、CVD處理、PECVD處理、ALD處理、EBD處理、PLD 處理等來形成所述第四導電層385。可以使用金屬、金屬氮化物、摻雜 質的多晶硅等來形成所述第四導電層385。例如，可以使用鎢、鈦、氮 化鈦、鋁、氮化鈦鋁、氮化鎢、氮化鋁、摻雜質的多晶硅等來形成所 述第四導電層385?？梢酝ㄟ^光刻處理來部分地蝕刻所述第四導電層385和所述相變 材料層385，以分別形成上電極390和相變材料層圖案387。可以在所述 的底電極378、隔離物375和第二絕緣層357上形成所述相變材料圖案 387?？梢栽谒鱿嘧儾牧蠄D案387上形成上所述電極390?？梢栽谒龅诙^緣夾層357上形成第三絕緣夾層393，以覆蓋所 述的上電極390和相變材料層圖案387。可以通過CVD處理、PECVD處 理、ALD處理、HDP-CVD處理等來形成所述第三絕緣夾層393?？梢酝ㄟ^所述第三絕緣夾層393形成第三孔394以暴露所述上電極 390?？梢栽谏想姌O3^)上形成第三接觸396以填充所述第三孔394，并 且可以在第三接觸396和第三絕緣夾層393上形成上布線399?？梢砸惑w 地形成所述的第三接觸396和上金屬布線399。可以使用鎢、鈦、氮化 鈦、鋁、氮化鈦鋁、氮化鎢、氮化鋁、摻雜質的多晶硅等來形成所述 的第三接觸396和上金屬布線399。以下，通過與比較示例相比較而詳細說明示例。但是，本發(fā)明不 限于所述示例，并且各種修改是可能的。示例l使用具有化學式Ge2Sb2Te5的硫族化物目標通過濺射處理來形成 具有大約97.5%重量的硫族化物材料和大約2.5%重量的氮的相變材料 層。在所述濺射處理中，將大約500 W的功率電平施加到所述硫族化物 百標，保持襯底的溫度在大約300。C，并且向所述襯底提供具有大約50sccm流率的氬氣和具有大約27 sccm流率的氮氣。在相變材料層中的所 述硫族化物材料包括大約49%重量的碲。示例2在除了提供具有大約32 sccm流率的氮氣之外與示例l基本上相同 的條件下，形成具有大約97.0%重量的硫族化物材料和大約3.0%重量的 氮的相變材料層。在相變材料層中的所述硫族化物材料具有大約47%重 量的碲。示例3在除了提供具有大約37 sccm流率的氮氣之外與示例l基本上相同 的條件下，形成具有大約96.4%重量的硫族化物材料和大約3.6%重量的 氮的相變材料層。在相變材料層中的所述硫族化物材料具有大約45%重 量的碲。示例4在除了提供了具有大約37 sccm流率的氮氣之外與示例l基本上相 同的條件下，形成具有大約93.2%重量的硫族化物材料和大約6.8%重量 的氮的相變材料層。在相變材料層中的所述硫族化物材料具有大約30% 重量的碲。比較示例在除了沒有提供氮氣之外與示例l基本上相同的條件下，形成具有 包括大約56%重量的碲的硫族化物材料的相變材料層。相變材料層的構成比的評估圖15是分別圖解出在示例1、 2、 3和4以及比較示例中呈現(xiàn)的相變 材料層中的氮含量和硫族化物材料的構成比的圖表。通過X射線熒光分 析器來測量所述的氮含量和構成比。參見圖15，示例l中的硫族化物材料的鍺、銻、碲的構成比大約為1:1:1.9。所述硫族化物材料具有大約49%重量的碲。示例2中的硫族化 物材料的鍺、銻、碲的構成比大約為1:1:1.8。所述硫族化物材料具有大 約47%重量的碲。示例3中的硫族化物材料的鍺、銻、碲的構成比大約 為1:1:1.6。所述硫族化物材料具有大約45%重量的碲。示例4中的硫族 化物材料的鍺、銻、碲的構成比大約l:l:l。所述硫族化物材料具有大 約30°/。重量的碲。比較示例中的硫族化物材料的鍺、銻、碲的構成比大 約為1:1:2.5。所述硫族化物材料具有大約56%重量的碲。因此，當利用增加的氮氣流率通過濺射處理在碲可以揮發(fā)的大約 300CC下形成相變材料層時，所述相變材料層可以具有提高的氮含量， 并且碲的重量含量降低大約36%。相變材料層的可靠性評估圖16是圖解包括示例3中的相變材料層的存儲單元的疲勞特性的 圖表。在圖16中，x軸表示存儲單元的重寫周期的數(shù)量，y軸表示分別 處于非晶狀態(tài)D1和結晶狀態(tài)D0的存儲單元的電阻。參見圖16，包括示例3中的所述相變材料層的存儲單元在執(zhí)行大約 2乂105個運行周期之前具有恒定的電阻，而包括比較示例中的所述相變 材料層的存儲單元在執(zhí)行大約1X10S個運行周期之前具有恒定的電阻。 因此，包括示例3中的所述相變材料層的存儲單元具有令人滿意的疲勞 特性。圖17是圖解包括示例3中的所述相變材料層的存儲單元的數(shù)據(jù)保 持特性的圖表。參見圖17，包括示例3中的相變材料層的存儲單元在大約130。C的 溫度下分別執(zhí)行4小時、12小時、24小時和36小時的熱處理后具有期望 的數(shù)據(jù)保持特性。在這種情況下，如果存儲單元在大約130。C的溫度將數(shù)據(jù)保持36小時，則所述存儲單元可以在大約90。C的溫度所述將數(shù)據(jù) 保持10年。按照本發(fā)明的一些實施例，在這樣的一個溫度下使用氬氣和氮氣 來執(zhí)行濺射處理，以形成相變材料層，所述相變材料層具有雜質和包 括大約30-50%重量的碲的硫族化物材料，在所述溫度下，。所述相變 材料層可以具有小于大約50%重量的碲，使得所述相變材料層可以具有 期望的電特性。上述描述是本發(fā)明的示例性說明，而不會被理解為對本發(fā)明的限 定，對于所公開的實施例以及其它實施例的修改意欲被包括在所附的 權利要求的范圍內(nèi)。本發(fā)明通過下文的權利要求來限定，并且所述權 利要求的等同物都包含在其中。
權利要求
1.一種形成相變材料層的方法，所述方法包括在一溫度下提供襯底和硫族化物目標，所述硫族化物目標包括鍺(Ge)、銻(Sb)和碲(Te)，在所述溫度，碲揮發(fā)，而銻不揮發(fā)；以及執(zhí)行濺射處理以在所述襯底上形成包括硫族化物材料的所述相變材料層。
2. 按照權利要求l的方法，其中，所述硫族化物材料包括大約 5-50%重量的碲。
3. 按照權利要求l的方法，其中，所述碲的重量含量小于大約50%。
4. 按照權利要求l的方法，其中，所述溫度在大約250。C到大約 350。C的范圍內(nèi)。
5. 按照權利要求l的方法，其中，所述硫族化物材料包括選自下 組的至少一個，所述組包括鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te)、砷-銻-碲(As-Sb-Te)、 砷-鍺-銻-碲(As-Ge-Sb-Te )、錫-銻-碲(Sn-Sb-Te )、銦-銻-碲(In-Sb-Te)、 銀-銦-銻-碲(Ag-In-Sb-Te) 、 15族中的元素-銻-碲(15族元素-Sb-Te)、 16族中的元素-銻-碲(16族元素-Sb-Te)。
6. 按照權利要求l的方法，其中，執(zhí)行所述濺射處理包括 將所述硫族化物目標的粒子淀積在所述襯底上以形成預備的硫族化物材料；以及揮發(fā)包括在所述預備的硫族化物材料中的碲的至少一些部分以形 成包括大約5-50%重量的碲的隨后的硫族化物材料。
7. 按照權利要求l的方法，其中，所述硫族化物目標是Ge2Sb2Te5。
8.按照權利要求l的方法，其中，所述硫族化物目標包括包括碲化鍺(GeTe)的第一目標以及包括碲化銻(Sb2Te3)的第二目標。
9. 按照權利要求l的方法，其中，所述硫族化物材料包括大約 25-35%重量的鍺、大約25-35%重量的銻和大約30-50%重量的碲。
10. 按照權利要求l的方法，其中，所述硫族化物目標還包括雜質， 所述雜質包括選自下組中的至少一個，所述組包括氧(0)、硅(Si) 和碳(C)。
11. 按照權利要求10的方法，其中，所述相變材料層包括大約 86-98%重量的硫族化物材料，其中，所述硫族化物材料包括大約25-35% 重量的鍺、大約25-35%重量的銻、大約30-50%重量的碲、和大約2-14% 重量的雜質。
12. 按照權利要求l的方法，其中，執(zhí)行所述濺射處理包括 將氬氣和氮氣引入具有所述襯底和所述硫族化物目標的環(huán)境中；以及將所述氬氣和所述氮氣激發(fā)到等離子體狀態(tài)。
13. 按照權利要求12的方法，其中，所述氬氣和氮氣具有大約1:0.3 到大約1:2.0的流率比。
14. 按照權利要求ll的方法，其中，所述相變材料層包括大約 90-98%重量的硫族化物材料，其中，所述硫族化物材料包括大約25-35% 重量的鍺、大約25-35%重量的銻、大約30-50%重量的碲、和大約2-10%重量的氮。
15. 按照權利要求l的方法，其中，將所述相變材料層的厚度形成為大約70到大約120 nm。
16. —種制造相變存儲器的方法，所述方法包括 在位于室中的襯底上形成下電極，所述室中具有硫族化物目標，所述硫族化物目標包括鍺、銻和碲；提供一溫度，在所述溫度，碲揮發(fā)，而銻不揮發(fā)； 執(zhí)行濺射處理以在所述襯底上形成包括所述硫族化物的相變材料層；以及在所述相變材料層上形成上電極。
17. 按照權利要求16的方法，其中，所述硫族化物材料包括大約 5-50%重量的碲。
18. 按照權利要求16的方法，其中，所述溫度在大約250。C到大約 350。C的范圍內(nèi)。
19. 按照權利要求16的方法，其中，所述硫族化物目標包括包 括碲化鍺(GeTe)的第一目標以及包括碲化銻(Sb2Te3)的第二目標。
20. 按照權利要求16的方法，其中，所述硫族化物目標還包括雜 質，所述雜質包括選自下組中的至少一個，所述組包括氧(0)、硅(Si)和碳(C)。
全文摘要
本發(fā)明提供了形成相變材料層的方法，所述方法包括在一溫度下提供襯底和硫族化物目標，所述硫族化物目標包括鍺(Ge)、銻(Sb)和碲(Te)，在所述溫度，碲揮發(fā)，而銻不揮發(fā)；以及，執(zhí)行濺射處理以在所述襯底上形成包括硫族化物材料的所述相變材料層。還提供了使用所述相變材料層來制造相變存儲器的方法。
文檔編號H01L45/00GK101271961SQ200810083078
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權日2007年3月21日
發(fā)明者吳圭煥, 姜信在, 樸仁善, 林炫錫, 金度亨 申請人:三星電子株式會社