專利名稱：存儲器裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于存儲器裝置，其包括具有誘發(fā)性應(yīng)力的相變存儲器材料，以及其制造方法。本申請案主張2011年10月31日提出申請的共同審理中的美國臨時專利申請案號61/553，743的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
在一種包括存儲器單元的相變存儲器陣列中，每個存儲器單元包括一相變存儲器元件。相變存儲器元件是由相變材料所構(gòu)成，其相變材料可展現(xiàn)結(jié)晶系(低電阻)與非晶系(高電阻)狀態(tài)之間的高電阻對比。相變材料可包括材料的合金，例如鍺(Ge)、銻(Sb)、碲(Te)、鎵(Ga)、銦(In)、銀(Ag)、硒(Se)、鉈(Ti)、鉍(Bi)、錫(Sn)、銅(Cu)、鈀(Pd)、鉛(Pb)、硫磺(S)以及金(Au)。通常，相變材料包括GexSbxTex材料，特別是Ge2Sb2Te5材料。Ge2Sb2Te5材料顯現(xiàn)一非晶相及兩個晶相在一溫度范圍。第一晶相為巖鹽相或面心立方(face-centered cubic, FCC)相。第二晶相為六角最密堆積相位(hexagonal-closed-packed, HCP)。面心立方相位(FCC)及六角最密堆積相位(HCP)是在剛沉積(as-deposed)非晶材料的溫度分別增加至大約150°C與380°C時而形成(W.K.Njoroge等人，J.Vac.Sc1.Technol.A，20，230 (2002))。六角最密堆積相位的特征為:比相變材料中的巖鹽相更高的密度，指示出額外薄膜收縮(2 3% )將在高溫度(大約400°C )后段工藝(back-end of line process,BE0L)之后上升。六角最密堆積的相位轉(zhuǎn)變將導(dǎo)致界面中的晶粒尺寸變化及孔洞，導(dǎo)致一低良率并引發(fā)一可靠度問題。因此，六角最密堆積相位形成并非是期望的。本發(fā)明希望提供可抑制相變材料中的六角最密堆積相位形成的存儲器裝置，以及用以制造這種存儲器裝置的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種存儲器裝置，包括一襯底以及一存儲器陣列在襯底上；存儲器陣列包括多個存儲單元，存儲單元包括在一封裝材料層中的受應(yīng)力的相變材料；存儲單元可包括存儲單元結(jié)構(gòu)，例如一蕈狀(mushroom-type)存儲單元結(jié)構(gòu)、一橋型(bridge-type)存儲單元結(jié)構(gòu)、一通孔中主動型(active-1n-via-type)存儲單元結(jié)構(gòu)以及一孔型(pore-type)存儲單元結(jié)構(gòu)。為了制造一種包括受應(yīng)力的相變材料的存儲器裝置，可將一應(yīng)力施加至一襯底，例如半導(dǎo)體晶圓。具有存儲單元的集成電路晶粒包括在一封裝材料層中的相變材料，是可以形成于受應(yīng)力的襯底的正面(front side)上。襯底上的應(yīng)力可被釋放，誘發(fā)伸張或壓縮應(yīng)力至相變材料。為了對本發(fā)明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特舉較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下:


圖1A-圖1C顯示施加壓縮應(yīng)力至鍺銻碲合成材料(相變材料)的工藝。圖2A-圖2C顯示施加拉伸應(yīng)力至鍺銻碲合成材料(相變材料)的工藝。圖3A-圖3B顯示包括受應(yīng)力的鍺銻碲合成材料的蕈狀存儲單元結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖4A-圖4B顯示包括受應(yīng)力的鍺鋪締合成材料的橋型存儲單元結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖5A-圖5B顯示包括受應(yīng)力的鍺銻碲合成材料的"通孔中主動"型存儲單元結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖6A-圖6B顯示包括受應(yīng)力的鍺鋪締合成材料的孔型存儲單元結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖7為包括具有受應(yīng)力的鍺銻碲合成材料的相變存儲單元的一存儲器裝置的簡化方塊圖。圖8A顯不關(guān)于剛沉積非晶系30納米錯鋪締合成材料的結(jié)晶現(xiàn)象時間。圖SB顯示關(guān)于熔化淬冷非晶系30納米鍺銻碲合成材料的再結(jié)晶現(xiàn)象時間。圖9A顯不關(guān)于·剛沉積非晶系10納米錯鋪締合成材料的結(jié)晶現(xiàn)象時間。圖9B顯示關(guān)于熔化淬冷非晶系10納米鍺銻碲合成材料的再結(jié)晶現(xiàn)象時間。主要元件符號說明110:襯底120,220:應(yīng)力層130,230:存儲單元層300、400、500、600:存儲單元310c、310t:存儲器元件315、415、515、615:有源區(qū)320:下電極33O:介電層332、432:封裝材料340:上電極410c、410t:存儲器元件417、517:寬度420、440:電極430:介電間隙壁510c、510t:存儲器元件520、540:電極522:上表面524:下表面530,630:封裝材料610c、610t:存儲器元件620、640:電極700:存儲器裝置712:存儲器陣列
714:字線譯碼器與驅(qū)動器716:字線718:位線(行)譯碼器720:位線722:總線724:感測放大器與數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)726:數(shù)據(jù)總線728:數(shù)據(jù)輸入線732:數(shù)據(jù)輸出線734:控制器736:偏壓配置電源電壓及電流源750:電路
具體實施例方式以下將參考圖1-圖7提供受應(yīng)力的相`變存儲器的實施例的詳細說明。較佳實施例是被說明以顯示本技術(shù)，而非限制由權(quán)利要求范圍所定義的范疇。那些熟習(xí)本項技藝者將得知遵循此說明的各種等效變化。以下將說明一種在應(yīng)力之下具有包括相變材料的存儲單元的存儲器裝置。應(yīng)力可抑制具有不同體積的結(jié)晶形態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，例如從巖鹽形態(tài)轉(zhuǎn)變成六角最密堆積形態(tài)，相變材料為Ge2Sb2Te5，及其他相變材料。以下將說明用以制造這種包括誘發(fā)性應(yīng)力相變材料的存儲器裝置的方法。存儲單元可包括但并未受限于蕈狀存儲單元結(jié)構(gòu)、橋型存儲單元結(jié)構(gòu)、通孔中主動型存儲單元結(jié)構(gòu)以及孔型存儲單元結(jié)構(gòu)。那些存儲器結(jié)構(gòu)被更進一步說明于下。受應(yīng)力的相變材料可包括鍺銻碲合成材料(GST，GexSbxTex)材料。鍺銻碲合成材料可包括Ge2Sb2Te5。鍺鋪締合成材料可具有小于30納米(nm)的厚度,小于或等于大約10納米的厚度，或小于或等于大約2.5納米的厚度。于此，專門用語"大約"包括在意欲厚度左右的范圍(于此情況下為2.5納米)，其順應(yīng)制造變化以及在形成具有意欲厚度的一層材料的度量衡的限制。受應(yīng)力的相變材料可有誘發(fā)性拉伸應(yīng)力或誘發(fā)性壓縮應(yīng)力。以下提供用以制造包括存儲器陣列的存儲器裝置的實施例的方法說明，存儲器陣列包括存儲單元，存儲單元包括受應(yīng)力的相變材料。圖1A至圖1C顯示對相變材料施加壓縮應(yīng)力的過程，為第一實施例。參考圖1A，首先提供一襯底110。襯底110可能譬如是具有大概幾百微米(例如725微米)的厚度的硅晶圓。一應(yīng)力層120接著被沉積在襯底110的一背面上并施加壓縮應(yīng)力在襯底110上。應(yīng)力層120可包括鎢層。應(yīng)力層120中的應(yīng)力可導(dǎo)致襯底110彎曲。一種在薄膜沉積在一襯底上之后決定薄膜的應(yīng)力(σ )的方法，是通過使用斯托尼的方程式(Stoney’s equation)來測量襯底曲率。斯托尼的方程式說明在薄膜(例如應(yīng)力層120)的應(yīng)力(σ )與類似板的襯底(例如襯底110)之間的關(guān)系:
IM c/2「I I ] EGf =--^----M= ~s—
y 6 df LA 矣」s \-vs
其中Es為襯底的楊氏模數(shù)(Young’ s modulus), u s為關(guān)于襯底的泊松比(Poisson’ s ratio)，Ms為襯底的雙軸模數(shù)，ds為襯底厚度，而df為薄膜厚度。Rtl與R1分別為在薄膜沉積在襯底上之前及之后的襯底的曲率的半徑。當(dāng)一板狀的襯底是因薄膜的應(yīng)力而彎曲時，其形成具有一個半徑的弧形。彎曲襯底的曲率為半徑的倒數(shù)。斯托尼的方程式通過使用項目(l/R1-1/ΙΟ計算薄膜的應(yīng)力，項目(l/Rri/Ro)為在薄膜沉積在襯底上之前及之后的曲率之間的差異。如果差異為負，則薄膜的應(yīng)力(σ)是壓縮的。如果差異為正，則薄膜的應(yīng)力(σ)是伸張的。襯底越厚，對薄膜而言就越難使其彎曲。如果彎曲已導(dǎo)致某個曲率差異(1/R1-l/Rtl),則由斯托尼的方程式可知薄膜必須施加較大的應(yīng)力于較厚的襯底，相比于較薄的襯底。事實上，薄膜的應(yīng)力(σ)是與襯底厚度(ds)的平方成比例。不同薄膜厚度，不同襯底曲率差異沉積在襯底的背面上的薄膜的厚度可能不同。舉例而言，具有厚度dfl的第一薄膜或具有厚度df2的第二薄膜沉積在相同襯底的背面上，于此dfl可能等于、小于或大于df2。與相同材料的較薄的薄膜相比，較厚的薄膜可能導(dǎo)致更大的襯底曲率差異α/κι-ι/κ(ι)，但不一定導(dǎo)致更大的應(yīng)力(σ)。就薄膜的厚度而論，此乃因為曲率差異的增加會需要在更高的成本下達成。將這種成本納入考慮，斯托尼的方程式通過以薄膜的厚度(df)縮小此應(yīng)力(ο )。
_9] 不同薄膜厚度，相同襯底曲率差異另一方面，如果dfl小于df2，且第一與第二薄膜在相同襯底上導(dǎo)致相同的曲率差異(l/Rfl/ΙΟ，則斯托尼的方程式可知:與具有較大厚度的第二薄膜相比，具有較小厚度的第一薄膜必須施加更大的應(yīng)力(σ)在襯底上。當(dāng)薄膜是由不同材料所構(gòu)成或因為是利用不同工藝而沉積在襯底上，較薄的薄膜也可施加更大的應(yīng)力。對薄膜沉積而言，濺射為普通工藝。就相同材料與相同厚度的薄膜而論，應(yīng)力(σ )為濺射壓力的函數(shù)。舉例而言，應(yīng)力層120可能通過于2.5mt0rr的濺射壓力下濺射而沉積，用以在襯底110的背面上誘發(fā)1.9GPa壓縮應(yīng)力。襯底110可具有大約725微米(ds)的厚度，而應(yīng)力層120可具有大約范圍在145納米與175納米(df)之間的厚度。應(yīng)力型式是否為壓縮或伸張，是由濺射壓力所導(dǎo)致，且由斯托尼的方程式中的項目(l/R1-1/ΙΟ的符號所決定。施加適當(dāng)?shù)臑R射壓力可選擇性地誘發(fā)所需的應(yīng)力型式與大小于襯底和相變材料，例如是鍺銻碲合成材料。參考圖1B，在存儲單元層130中，存儲單元包括封裝材料層中的相變材料，存儲單元被形成于襯底的正面上，襯底110是由在背面的應(yīng)力層120所誘發(fā)的壓縮應(yīng)力而被彎曲成弓形。存儲單元層130可包括多條位線朝第一方向平行延伸且與位線譯碼器電性連通；多條字線朝第二方向平行延伸，且與字線譯碼器/驅(qū)動器電性連通。存儲單元層130中的存儲單元可形成于位線與字線的交點。存儲單元層130中的每一個存儲單元被耦接至存取裝置(例如二極管或晶體管)，配置成電性串聯(lián)在多條位線中的一條位線與多條字線中的一條字線之間。一般而言，存儲單元可包括下電極、存儲器元件以及上電極。下電極被耦接至存取裝置。上電極被耦接至位線。存儲器元件被串聯(lián)耦接至下電極與上電極。存取裝置形成在存儲單元層130下方。
存儲單元層130中的存儲單元的存儲器元件可包括鍺銻碲合成材料(GST，GexSbxTex)材料。鍺鋪締合成材料可包括Ge2Sb2Te5。鍺鋪締合成材料可具有小于30納米，小于或等于大約10納米，或小于或等于大約2.5納米的厚度。厚度的效果是結(jié)合關(guān)于依據(jù)本發(fā)明的實驗的記述而說明于下。存儲器元件與封裝材料鄰接，存儲器元件可電性耦接且直接接觸封裝材料。封裝材料可包括TiN、SiO2, SiN、A1203、W或這種材料的多重層組合。存儲單元層130中的存儲單元可包括多個存儲單元結(jié)構(gòu)，例如蕈狀存儲單元結(jié)構(gòu)、橋型存儲單元結(jié)構(gòu)、通孔中主動型存儲單元結(jié)構(gòu)以及孔型存儲單元結(jié)構(gòu)。那些存儲器結(jié)構(gòu)可包括如上所述的鍺銻碲合成材料與封裝材料，且是結(jié)合圖3-圖6而更進一步說明于下。如上所述，存儲單元層130包括多條字線、多條位線、存取裝置以及存儲單元；存儲單元層130可在從襯底110的背面移除應(yīng)力層120之前形成于襯底110的正面上，如下參考圖1C所述?；蛘?，部分的存儲單元層130 (例如多條位線)可在從襯底110的背面移除應(yīng)力層120之后形成。如果存儲單元層130中的存儲單元與對應(yīng)的存取裝置是被配置成電性串聯(lián)，以使每個存儲單元耦接至多條位線中的一條位線，且使每個存取裝置耦接至多條字線中的一條字線，則存取裝置亦可在從襯底110的背面移除應(yīng)力層120之后形成在存儲單元層130上面。參考圖1C，應(yīng)力層120是從襯底110的背面被移除。在應(yīng)力層120譬如包括鎢的實施例中，可使用H2O2刻蝕劑而利用刻蝕工藝來移除應(yīng)力層120。因此，已通過應(yīng)力層120施加在襯底110上的應(yīng)力已經(jīng)被移除，且對應(yīng)的應(yīng)力被誘發(fā)在相變材料中。在圖1C中，此應(yīng)力被誘發(fā)在存儲單元層130的相變材料為壓縮應(yīng)力。圖2A至圖2C為第二實施例的步驟，于此拉伸應(yīng)力被誘發(fā)形成于相變材料。參考圖2A，首先如在圖1A中提供襯底110，其中，襯底110可包括半導(dǎo)體晶圓或其他結(jié)構(gòu)。接著，應(yīng)力層220沉積在襯底110的背面上并施加拉伸應(yīng)力在襯底110上。應(yīng)力層220可包括鎢層。應(yīng)力層220中的內(nèi)應(yīng)力可導(dǎo)致襯底110彎曲。舉例而言，應(yīng)力層220可通過于23mtorr的濺射壓力下濺射沉積而誘發(fā)790MPa的拉伸應(yīng)力在襯底110的背面上。關(guān)于斯托尼的方程式的說明請參考圖1A，大致適用于圖2A。參考圖2B，在一存儲單元層230中，存儲單元包括封裝材料層中的相變材料，存儲單元被形成于襯底Iio的正面上。關(guān)于存儲單元層130的說明請參考圖1B，大致適用于圖2B的存儲單元層230。尤其，存儲單元層230可包括字線、位線、存取裝置以及存儲單元的各種組合。存儲單元可能形成于與存儲單元層230中的存取裝置電性串聯(lián)的位線與字線的交點。在存儲單元層230的存儲單元中的存儲器元件可包括鍺銻碲合成(GST，GexSbxTex)材料。鍺銻碲合成材料可包括Ge2Sb2Te5。如上所述，存儲單元層230可能在從襯底110的背面移除應(yīng)力層220之前形成于襯底110的正面上，如下參考圖2C所述?；蛘撸糠执鎯卧獙?30 (例如多條位線)可能在將應(yīng)力層220移離襯底110的背面之后形成。如果存儲單元層230中的存儲單元與對應(yīng)的存取裝置是被配置成電性串聯(lián)，以使每個存儲單元耦接至多條位線中的一條位線，且使每個存取裝置耦接至多條字線中的一條字線，則存取裝置亦可能在將應(yīng)力層220移離襯底110的背面之后形成于存儲單元層230中。參考圖2C，應(yīng)力層220是被移離襯底110的背面。此應(yīng)力層220包括鎢，其可能通過使用H2O2刻蝕劑而利用刻蝕工藝而被移除。因此，通過應(yīng)力層220施加在襯底110上的應(yīng)力已經(jīng)被移除，且對應(yīng)的應(yīng)力被誘發(fā)形成在襯底110的正面上的存儲單元層230中的相變材料一。在圖2C中，此應(yīng)力被誘發(fā)在存儲單元層230的相變材料為拉伸應(yīng)力。參考圖1A至圖1C以及圖2A至圖2C，說明一種使應(yīng)力誘發(fā)在相變材料的方法，其首先使應(yīng)力層沉積在襯底的背面上，接著，在存儲單元層形成于襯底的正面上時移除應(yīng)力層。然而，也可使用其他方法誘發(fā)應(yīng)力在相變材料。舉例而言，外部機械應(yīng)力可能在形成存儲單元之后被施加至襯底。封裝層亦可能被沉積成與相變材料鄰接，用以誘發(fā)應(yīng)力于此層的相變材料。利用相變材料所誘發(fā)的應(yīng)力的實施例執(zhí)行的實驗證明誘發(fā)應(yīng)力可按照應(yīng)力的大小及符號(壓縮或伸張)，以及按照受應(yīng)力的相變材料層的厚度來抑制在相變材料中的六角最密堆積形態(tài)(HCP形態(tài))的形成。對具有30納米的厚度的鍺銻碲合成(GST,GexSbxTex)材料而言，鑒于兩種應(yīng)力條件執(zhí)行實驗:不具有誘發(fā)應(yīng)力以及具有誘發(fā)的拉伸應(yīng)力。在沒有任何誘發(fā)應(yīng)力的情況下，觀察到169°C的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(Tx)，其中主要是巖鹽或面心立方相位的結(jié)晶型態(tài)。從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)(HCP or Hex)的轉(zhuǎn)變溫度(Tfc;c;_hJ大約為373°C。經(jīng)由背面的鎢層，施加790MPa的拉伸應(yīng)力，GST的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度(Tx)觀察為163°C，接近于未受應(yīng)力GST的Tx。從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變發(fā)生于大約403°C的溫度(Tfc;c;_hJ，其實質(zhì)上高于未受應(yīng)力的鍺銻碲合成材料的溫度，但仍然導(dǎo)致于半導(dǎo)體制造環(huán)境中常遭遇到的溫度下形成不期望的六角最密堆積相位。結(jié)果顯示，以鍺銻碲合成材料具有30納米的厚度而言，在一定的溫度條件之下，不論是否有受應(yīng)力，六角最密堆積相位皆會形成。對關(guān)于鍺銻碲合成材料的30納米的壓縮應(yīng)力條件而言，(Tfc;c;_hJ亦維持在制造期間所遭遇到的期望溫度的范圍之內(nèi)。對具有10納米的厚度的鍺銻碲合成材料(GST，GexSbxTex)材料而言，鑒于三種應(yīng)力條件重復(fù)實驗:不具有誘發(fā)應(yīng)力，具有誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力，以及具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力。一般而言，誘發(fā)形成鍺銻碲合成材料層在硅襯底的正面上的應(yīng)力是小于通過鎢(W)層施加在硅襯底的背面上的應(yīng)力。已知施加在背面上的相同應(yīng)力，鍺銻碲合成材料層越薄，鍺銻碲合成材料層所受的應(yīng)力越高，因為誘發(fā)形成鍺鋪締合成材料層的應(yīng)力取決于鍺鋪締合成材料層的厚度與移除鎢層之后的硅襯底的松弛。舉例而言，1.9GPa的應(yīng)力首先通過使鎢(W)層沉積在襯底的背面上而被施加。鎢(W)層隨后被移除，且形成于鍺銻碲合成材料層的誘發(fā)應(yīng)力大小取決于鍺銻碲合成材料厚度。對具有30納米的厚度的鍺銻碲合成材料層而言，經(jīng)由1.9GPa鎢層在背面上的誘發(fā)應(yīng)力可能在500MPa左右。但對于具有10納米的厚度的鍺銻碲合成材料層而言，由鎢層所施加的相同的1.9GPa應(yīng)力可在鍺銻碲合成材料層上誘發(fā)大約IGPa的應(yīng)力。結(jié)果顯示，以鍺銻碲合成材料具有10納米的厚度而言，在沒有誘發(fā)應(yīng)力的情況下，觀察到大約160°C的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(Tx)，其中主要是巖鹽或面心立方相位的結(jié)晶型態(tài)。從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度(Tfcx_hex)大約為350°C。以鍺銻碲合成材料具有10納米的厚度而言，經(jīng)由襯底背面上的鎢層誘發(fā)790MPa的拉伸應(yīng)力，GST的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(Tx)觀察為160°C，其中主要是來自巖鹽或面心立方相位結(jié)晶型態(tài)。從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變發(fā)生于大約360°C的溫度(Tfc;c;_hex)。然而，以鍺銻碲合成材料具有10納米的厚度而言，在具有于大約1.9Gpa的誘發(fā)的壓縮應(yīng)力的情況下，觀察到大約160°C的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(Tx)，其中主要是來自巖鹽或面心立方相位的結(jié)晶型態(tài)。從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變并未發(fā)生于450°C以下所測試的溫度。因此，可形成存儲單元于鍺銻碲合成材料中，其中鍺銻碲合成材料小于10納米厚且遭受壓縮應(yīng)力，其中于制造期間一般所遭遇的溫度下，可避免從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變。對傾向于一個以上的結(jié)晶形態(tài)的其他存儲器材料而言，例如鍺銻碲合成材料，具有小于或等于大約10納米的厚度，且具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力，是可以抑制從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變，而避免材料的體積的改變，而此體積的改變是不想要的。對具有2.5納米的厚度的鍺銻碲合成材料(GST,GexSbxTex)材料而言，鑒于三種應(yīng)力條件重復(fù)實驗:不具有任何誘發(fā)性應(yīng)力，具有誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力，以及具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力。結(jié)果顯示，以鍺銻碲合成材料具有2.5納米的厚度而言，在沒有誘發(fā)性應(yīng)力的情況下，觀察到大約160°C的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(Tx)，其中主要是來自巖鹽或面心立方相位的結(jié)晶型態(tài)。從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度(Tfcx_hex)大約為350°C。以鍺銻碲合成材料具有2.5納米的厚度而言，經(jīng)由襯底背面上的鎢層誘發(fā)790MPa的拉伸應(yīng)力，觀察到大約160°C的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(Tx)，其中主要是來自巖鹽或面心立方相位的結(jié)晶形態(tài)。從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變并未發(fā)生在450°C以下。同樣地，以鍺銻碲合成材料具有2.5納米的厚度而言，經(jīng)由襯底背面上的鎢層誘發(fā)1.9GPa的壓縮應(yīng)力，觀察到大約160°C的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變溫度(Tx)，其中主要是來自巖鹽或面心立方相位的結(jié)晶形態(tài)。從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變并未發(fā)生于450°C以下所測試的溫度。因此，可形成存儲單元于其鍺銻碲合成材料中，其中，在壓縮應(yīng)力之下或在拉伸應(yīng)力之下，鍺銻碲合成材料厚度小于2.5納米，于制造期間一般所遭遇的溫度下，可避免從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變。因此，當(dāng)鍺銻碲合成材料薄膜厚度小于或等于大約2.5納米時，誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力與誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力兩者抑制六角最密堆積相位形成。對傾向于一個以上的晶相的其他存儲器材料而言，例如鍺銻碲合成材料，具有小于或等于大約2.5納米的厚度，且具有誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力或誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力可以抑制抑制從巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變，而避免材料的體積的改變，而此體積的改變是不想要的。上述的實驗提議當(dāng)相變材料的厚度小于30納米時，使應(yīng)力誘發(fā)形成相變材料可于高溫下抑制不受歡迎的晶相(例如六角最密堆積相位)的形成。存儲器裝置中的存儲單元可包括存儲單元結(jié)構(gòu)，例如蕈狀存儲單元結(jié)構(gòu)、橋型存儲單元結(jié)構(gòu)、通孔中主動型存儲單元結(jié)構(gòu)以及孔型存儲單元結(jié)構(gòu)。每個存儲單元結(jié)構(gòu)可能以受應(yīng)力的鍺銻碲合成材料被實現(xiàn)。如果一存儲單元結(jié)構(gòu)中的一層的受應(yīng)力的鍺銻碲合成材料薄于10納米，則應(yīng)力效應(yīng)將會比如果厚于10納米來得更顯著。舉例而言，具有一層薄于10納米的受應(yīng)力的鍺銻碲合成材料的橋型存儲單元結(jié)構(gòu)，是比如果此層的受應(yīng)力的鍺銻碲合成材料比10納米厚的橋型存儲單元結(jié)構(gòu)更有可能抑制六角最密堆積相位形成。通過相變存儲器裝置的縮小，更多型式的存儲單元結(jié)構(gòu)可具有多層比10納米來的薄的受應(yīng)力的鍺銻碲合成材料且受益于本技術(shù)。圖3A與圖3B顯示包括分別具有誘發(fā)的壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力的鍺銻碲合成材料的蕈狀存儲單元結(jié)構(gòu)的剖面圖。存儲單元300具有一下電極320，其從下層存取結(jié)構(gòu)延伸通過一介電層330。在圖3A中，一上電極340被形成于具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力(如以">>><<<"表示)的一存儲器元件310c的頂端上。封裝材料332包圍存儲器材料。在圖3B中，一上電極340被形成于具有誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力(如以" <<<>>>"表不)的一存儲器元件310t的頂端上。存儲器元件310c或310t可能電性耦接至鄰接于存儲器元件310c或310t的封裝材料332并與其物理接觸。封裝材料332可包括譬如像Si02、Si3N4,SiOxNy或Al2O3的介電材料，以及/或像TiN或W的導(dǎo)電材料或這些與其他材料的組合。有源區(qū)315存在于存儲器元件310c及310t中。在操作中，當(dāng)電流通過在下電極320與上電極340之間并通過存儲器元件310c或310t時，有源區(qū)315比其余的存儲器元件310c或310t更快速地變熱。圖4A與圖4B顯示包括分別具有誘發(fā)的壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力的鍺銻碲合成材料的橋型存儲單元結(jié)構(gòu)的剖面圖。存儲單元400包括分離第一與第二電極420與440的一介電間隙壁430。封裝材料432包圍存儲器材料。在圖4A與圖4B中，一存儲器元件(分別為410c與410t)延伸橫越過介電間隙壁430以接觸第一與第二電極420、440，藉以界定一條在第一與第二電極420、440之間具有由介電間隙壁430的寬度417所定義的一路徑長度的電極間電流路徑。在圖4A中，存儲器元件410c的材料可包括具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力(如以" >>><<<"表示)的相變材料。在圖4B中，存儲器元件410t的材料可包括具有誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力(如以" <<<>>> "表示)的相變材料。存儲器元件410c或410t可能電性耦接至鄰接于存儲器元件410c或410t的封裝材料432并與其物理接觸。封裝材料可包括譬如像Si02、Si3N4, SiOxNy或Al2O3的介電材料，及/或像TiN或W的導(dǎo)電材料或這些與其他材料的組合。在操作中，當(dāng)電流通過在第一與第二電極420、440之間并經(jīng)由存儲器元件410c或410t時，有源區(qū)415比其余的存儲器元件410c或410t更快速地變熱。圖5A與圖5B顯示包括分別具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力的鍺銻碲合成材料的一"通孔中主動"型存儲單元結(jié)構(gòu)的剖面圖。存儲単元500包括分別于上與下表面522、524接觸第一與第二電極520、540的一存儲器元件510c或510t。封裝材料530包圍存儲器兀件510c或510t。存儲器兀件510c或510t具有于此例子中實質(zhì)上與第一與第二電極520、540相同的ー寬度517,用以定義由介電材料所包圍的ー多層柱(未顯不)。如于此所使用的，專門用語"實質(zhì)上"是意圖容納制造公差。在圖5A中，存儲器元件510c的材料可包括具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力(如以" >>><<<"表示)的ー相變材料。在圖5B中，存儲器元件510t的材料可包括具有誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力(如以" >>><<<"表示)的一相變材料。存儲器元件510c或5IOt可能電性耦接至鄰接于存儲器元件510c或5IOt的封裝材料530并與其物理接觸。封裝材料530可包括譬如像Si02、Si3N4, SiOxNy或Al2O3的介電材料，及/或像TiN或W的導(dǎo)電材料或這些與其他材料的組合。在操作中，當(dāng)電流通過在第一與第二電極520、540之間并通過存儲器元件510c或510t時，有源區(qū)515比其余的存儲器元件510c或5IOt更快速地變熱。圖6A與圖6B顯示包括分別具有誘發(fā)的壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力的鍺銻碲合成材料的孔型存儲單元結(jié)構(gòu)的剖面圖。存儲單元600包括一存儲器元件610c或610t。封裝材料630包圍存儲器元件610c或610t?？仔痛鎯ζ髟?10c或610t是由分別于上與下表面接觸第一與第二電極620、640的介電材料(未顯不)所包圍。存儲器兀件610c或610t具有小于第一與第二電極的寬度。在圖6A中，存儲器元件610c的材料可包括具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)カ(如以" >>><<<"表示)的ー相變材料。在第6B圖中，存儲器元件6 IOt的材料可包括具有誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力(如以">>><<<"表示)的ー相變材料。存儲器元件610c或610t可能電性耦接至鄰接于存儲器元件610c或610t的封裝材料630并與其物理接觸。封裝材料630可包括譬如像Si02、Si3N4、Si0xNy或Al2O3的介電材料，及/或像TiN或W的導(dǎo)電材料或這些與其他材料的組合。在操作中，當(dāng)電流通過在第一與第二電極620、640之間并經(jīng)由存儲器元件610c或610t，有源區(qū)615比其余的存儲器元件610c或610t更快速地變熱。圖7為包括多個具有受應(yīng)カ的鍺銻碲合成材料的相變存儲単元的一存儲器裝置700的簡化方塊圖。存儲器裝置700包括一存儲器陣列712，其通過使用具有受應(yīng)カ的鍺銻碲合成材料的相變存儲単元而實現(xiàn)，如于此所說明的。一字線譯碼器(方塊714)被耦接至多條沿著存儲器陣列712中的列配置的字線716并與其電性連通。一位線(行)譯碼器718是與多條沿著陣列712中的行配置的位線720電性連通。地址是被供應(yīng)在總線722上到達字線譯碼器與驅(qū)動器714以及位線譯碼器718。方塊724中的感測放大器與數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)是經(jīng)由數(shù)據(jù)總線726耦接至位線譯碼器718。數(shù)據(jù)是經(jīng)由一條數(shù)據(jù)輸入線728從存儲器裝置700上的輸入/輸出端ロ，或從存儲器裝置700內(nèi)部或外部的其他數(shù)據(jù)源被提供給方塊724中的數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)。其他電路750可能被包括在存儲器裝置700(例如一通用處理器或特殊目的應(yīng)用電路)，或提供被陣列712所支持的系統(tǒng)單芯片功能性的模塊的組合上。數(shù)據(jù)是經(jīng)由一條數(shù)據(jù)輸出線732從方塊724中的感測放大器被提供給存儲器裝置700上的輸入/輸出端ロ，或提供給存儲器裝置700內(nèi)部或外部的其他數(shù)據(jù)目的地。于此例子中，通過使用ー偏壓配置狀態(tài)機器而實現(xiàn)的一控制器734控制偏壓配置電源電壓及電流源736 (例如讀取、設(shè)定、復(fù)位、擦除確認及程序確認電壓及/或電流)的應(yīng)用?？刂破?34可能通過使用本技藝所知的特殊目的邏輯電路而實現(xiàn)。在替代實施例中，控制器734包括一通用處理器，其可能在相同的集成電路上被實現(xiàn)以執(zhí)行ー計算機程序來控制此裝置的運作。在又其他實施例中，特殊目的邏輯電路與一通用處理器的ー組合可能用以實行控制器734。本發(fā)明并未受限于于此所說明的存儲單元結(jié)構(gòu)，且一般包括多個存儲単元，其包括具有誘發(fā)性的壓縮或拉伸應(yīng)力的相變材料的本體。針對30納米與10納米鍺鋪締合成材料材料已進行實驗以研究壓縮應(yīng)力與拉伸應(yīng)力對再結(jié)晶現(xiàn)象速度的效應(yīng)。在存儲單元中具有較快再結(jié)晶現(xiàn)象速度的鍺銻碲合成材料，可導(dǎo)致對于包括這種存儲單元的集成電路的操作速度的改善。圖8A顯示關(guān)于剛沉積非晶系30納米鍺鋪締合成材料在未受應(yīng)カ與受應(yīng)カ的襯底上的結(jié)晶現(xiàn)象時間。如圖8A所不,90%結(jié)晶現(xiàn)象是分別以關(guān)于未受:應(yīng)力、受:2.5暈托(mTorr)的應(yīng)カ(壓縮應(yīng)力)以及受23毫托的受應(yīng)カ(拉伸應(yīng)力)的襯底的140納秒(ns)、185納秒及170納秒的最小脈沖寬度而達成。因此，襯底上的壓縮應(yīng)力與拉伸應(yīng)力分別使襯底上的剛沉積非晶系30納米鍺銻碲合成材料的結(jié)晶現(xiàn)象變慢了 45納秒與30納秒。圖SB顯示關(guān)于在未受應(yīng)カ的與受應(yīng)カ的襯底上的熔化淬冷非晶系30納米鍺銻碲合成材料的再結(jié)晶現(xiàn)象時間。如圖8B所示，90%結(jié)晶現(xiàn)象是分別以關(guān)于未受應(yīng)力、受2.5毫托的應(yīng)カ(壓縮應(yīng)力)以及受23毫托的受應(yīng)カ(拉伸應(yīng)力)的襯底的50納秒、97納秒及86納秒的最小脈沖寬度而達成。因此，襯底上的壓縮應(yīng)力與拉伸應(yīng)力分別使襯底上的熔化淬冷非晶系30納米鍺銻碲合成材料的再結(jié)晶現(xiàn)象變慢了 47納秒與36納秒。
圖9A顯不關(guān)于在未受:應(yīng)カ的與受:應(yīng)カ的襯底上的剛沉積非晶系10納米錯鋪締合成材料的結(jié)晶現(xiàn)象時間。如圖9A所不，90%結(jié)晶現(xiàn)象是分別以關(guān)于未受:應(yīng)力、受:2.5暈托的應(yīng)カ(壓縮應(yīng)力)以及受23毫托的受應(yīng)カ(拉伸應(yīng)力)的襯底的170納秒、237納秒及223納秒的最小脈沖寬度而達成。因此，襯底上的壓縮應(yīng)力與拉伸應(yīng)力分別使襯底上的剛沉積非晶系10納米鍺銻碲合成材料的結(jié)晶現(xiàn)象變慢了 67納秒與53納秒。圖9B顯示關(guān)于在未受應(yīng)カ的與受應(yīng)カ的襯底上的熔化淬冷非晶系10納米鍺銻碲合成材料的再結(jié)晶現(xiàn)象時間。如圖9B所示，90%結(jié)晶現(xiàn)象是分別以關(guān)于未受應(yīng)力、受2.5毫托的應(yīng)カ(壓縮應(yīng)力)以及受23毫托的受應(yīng)カ(拉伸應(yīng)力)的襯底的52納秒、41納秒及41納秒的最小脈沖寬度而達成。因此，襯底上的壓縮應(yīng)力與拉伸應(yīng)力分別使襯底上的熔化淬冷非晶系10納米鍺銻碲合成材料的再結(jié)晶現(xiàn)象加速了 11納秒與11納秒。概括言之，襯底上的壓縮應(yīng)力與拉伸應(yīng)力使襯底上的剛沉積非晶系30納米鍺銻碲合成材料的結(jié)晶現(xiàn)象與襯底上的熔化淬冷非晶系30納米鍺銻碲合成材料的再結(jié)晶現(xiàn)象變慢。襯底上的壓縮應(yīng)力與拉伸應(yīng)力使剛沉積非晶系10納米鍺銻碲合成材料的結(jié)晶現(xiàn)象變慢。然而，襯底上的壓縮應(yīng)力與拉伸應(yīng)力使襯底上的熔化淬冷非晶系10納米鍺銻碲合成材料的再結(jié)晶現(xiàn)象加速。存儲單元中的具有較快的再結(jié)晶現(xiàn)象速度的鍺銻碲合成材料可加速存儲單元的切換速度，且因而導(dǎo)致對于包括這種存儲單元的集成電路的操作速度的改
茲綜上所述，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視隨附的權(quán)利要求范圍所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種存儲器裝置的制造方法，包括: 提供一襯底； 于該襯底的一正面上形成多個存儲單元，該多個存儲單元包括多個相變材料，該多個相變材料位于一封裝材料層中；以及 使應(yīng)力誘發(fā)形成在該多個相變材料中，使該多個相變材料成為受應(yīng)力的相變材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，更包括:在形成該多個存儲單元之前，沉積一應(yīng)力層在該襯底的一背面上，使該襯底產(chǎn)生一應(yīng)力，以及在形成該多個存儲單元之后或之前，移除該應(yīng)力層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該應(yīng)力層包括一鎢層，且該多個受應(yīng)力的相變材料不產(chǎn)生巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中該襯底包括一個半導(dǎo)體晶圓，且該鎢層具有范圍在145納米與175納米之間的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中沉積該應(yīng)力層采用一用以誘發(fā)拉伸應(yīng)力所選擇的濺射壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中沉積該應(yīng)力層采用一用以誘發(fā)壓縮應(yīng)力所選擇的濺射壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個存儲單元包括一蕈狀存儲單元結(jié)構(gòu)、一橋型存儲單元結(jié)構(gòu)、一通孔中主動型存儲單元結(jié)構(gòu)、以及一孔型存儲單元結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個相變材料包括多種鍺銻碲合成(GST，GexSbxTex)材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個受應(yīng)力的相變材料厚度小于或等于10納米，且具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個受應(yīng)力的相變材料厚度小于或等于2.5納米，且具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力或具有誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力。
11.一種存儲器裝置，包括: 一襯底；以及 一存儲器陣列，位于該襯底上，該存儲器陣列包括多個存儲單元，該多個存儲單元包括多個受應(yīng)力的相變材料，該多個受應(yīng)力的相變材料位于封裝材料層中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲器裝置，其中在450°C以下，該多個受應(yīng)力的相變材料不產(chǎn)生巖鹽至六角最密堆積結(jié)晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲器裝置，其中該多個存儲單元包括一蕈狀(mushroom-type)存儲單元結(jié)構(gòu)、一橋型(bridge-type)存儲單元結(jié)構(gòu)、一通孔中主動型(active-1n-via)存儲單元結(jié)構(gòu)、以及一孔型(pore-type)存儲單元結(jié)構(gòu)的至少其中之一。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲器裝置，其中該多個受應(yīng)力的相變材料包括多種鍺銻碲合成(GST，GexSbxTex)材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲器裝置，其中該多個受應(yīng)力的相變材料厚度小于或等于10納米，且具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲器裝置，其中該多個受應(yīng)力的相變材料厚度小于或等于2.5納米，且具有誘發(fā)性的壓縮應(yīng)力或具有誘發(fā)性的拉伸應(yīng)力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種存儲器裝置及其制造方法，該存儲器裝置包括一襯底以及一在襯底上的存儲器陣列。存儲器陣列包括多個存儲單元，這些存儲單元包括多個在一封裝材料層中的受應(yīng)力的相變材料。存儲單元可包括存儲單元結(jié)構(gòu)，例如蕈狀(mushroom-type)存儲單元結(jié)構(gòu)、橋型(bridge-type)存儲單元結(jié)構(gòu)、通孔中主動型(active-in-via)存儲單元結(jié)構(gòu)以及孔型(pore-type)存儲單元結(jié)構(gòu)。受應(yīng)力的相變材料可包括一般的鍺銻碲合成(GST，GexSbxTex)材料與特別的Ge2Sb2Te5。為了制造存儲器裝置，首先制造一襯底。包括在一封裝材料層中的相變材料的存儲單元被形成于襯底的一正面上。一拉伸(tensile)的或壓縮(compressive)應(yīng)力被誘發(fā)形成在襯底的正面上的相變材料中。
文檔編號H01L27/24GK103094475SQ20121027265
公開日2013年5月8日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者鄭懷瑜 申請人:旺宏電子股份有限公司