專利名稱:相變化存儲層及其制造方法及相變化存儲單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相變化存儲層，特別是涉及添加一種或多種不與相變化材料發(fā)生反應(yīng)，且不隨溫度改變材料性質(zhì)的異質(zhì)的微小晶粒，作為相變化層結(jié)晶成長的晶核的相變化存儲層及其制造方法及相變化存儲單元。
背景技術(shù)：
相變化內(nèi)存通過相變化存儲層發(fā)生結(jié)晶態(tài)與非結(jié)晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)態(tài)，來實現(xiàn)寫入與重置的目的。當(dāng)相變化存儲層處于非結(jié)晶狀態(tài)(具有混亂排列的原子結(jié)構(gòu))時，將呈現(xiàn)高電阻值，而當(dāng)相變化存儲層處于結(jié)晶狀態(tài)(具有整齊排列的原子結(jié)構(gòu))時，則呈現(xiàn)低電阻值。因此，相變化存儲層作為一種非揮發(fā)性的可編程電阻器，可在高電阻值與低電阻值之間產(chǎn)生可逆的交替變化。
相變化存儲層由具有非晶/結(jié)晶兩相轉(zhuǎn)換功能的硫族材料(Chalcogenide)形成。S.R.Ovsinsky最早在美國專利號為3,530,441的專利中曾提出Tc85Ge15與Te81Ge15S2Sb2這兩種在高能量激光照射下可以進行可逆相變化的存儲材料，之后硫族材料即成為大家研究的焦點。后來陸續(xù)發(fā)展的相變化存儲材料皆屬于硫族材料，例如GeTe、InSe、InSeT1、GeTeSb及GeTeSnAu等等。其中以日本Matsushita公司所開發(fā)的GeSbTe物系最受眾人矚目。
日本Matsushita公司曾發(fā)表多篇關(guān)于GeSbTe物系的美國專利，如1993年8月3日美國專利號為5,233,599的專利中公開一種GeSbTe在三元相圖中GeSb2Te4與Sb聯(lián)線上Ge12Sb39Te49的某一G點組成，在G點附近的組成范圍內(nèi)(7～17原子百分比(at.％)Ge，34～44at.％Sb，44～54at.％Te)具有最好的存儲特性(較低的jitter(抖動)值)。
另外，1994年1月11日美國專利號為5,278,011的專利中則闡述在GeTe-Sb2Te3與GeTe-BiTe3擬二元合金線附近的組成范圍內(nèi)，以Se取代部分的Te，或是加入適量的Bi元素，其目的是在提高存儲敏感度的同時，又能保持快速的結(jié)晶速度。
目前，相變化內(nèi)存的操作速度，取決于相變化存儲層的轉(zhuǎn)變速度。但相變化存儲層多采用Ag-In-Te-Sb組成，其為現(xiàn)今用于相變化層的材料，然而結(jié)晶溫度相對較高，因此，相變化存儲層由非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)的時間相對較長，在進行重置時，也需要較長的時間，以完全將相變化層的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這是因為受限于相變材料結(jié)晶時間，也就是所需的孕核及晶粒成長的時間。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題在于提供一種相變化存儲層及其制造方法及相變化存儲單元，主要通過在相變化材料層中制做異質(zhì)的微小晶粒作為相變化存儲層結(jié)晶成長的晶核，以減少非晶態(tài)轉(zhuǎn)換為結(jié)晶態(tài)所需的時間，進而提高相變化內(nèi)存的操作速度。
本發(fā)明所公開的相變化存儲層的制造方法，所述相變化存儲層提供由非結(jié)晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)，此制造方法包括下列步驟首先，由多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層與多個相變化材料層相互交錯形成迭層；以及將多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層轉(zhuǎn)態(tài)為多個晶粒，其中晶粒作為非結(jié)晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)時的晶核位置。
異質(zhì)鈍化材料薄膜層的材料需選擇不與相變化材料層的相變化材料發(fā)生反應(yīng)且不隨溫度改變性質(zhì)的材料，而較好的材料選擇包括氧化物、氮化物或碳化物。
再者，可對異質(zhì)鈍化材料薄膜層進行退火工藝(process annealing)、共鍍薄膜方法、等離子體植入方法及離子植入方法中的任一種或多種，使異質(zhì)鈍化材料薄膜層轉(zhuǎn)態(tài)為多個晶粒。
另外，本發(fā)明還公開了使用前述方法形成的相變化存儲層，包括相變化材料層。此相變化材料層內(nèi)包括多個晶粒，晶粒由多個相變化材料層與多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層相互交錯形成迭層后，再由異質(zhì)鈍化材料薄膜層在迭層中轉(zhuǎn)態(tài)而形成，其中晶粒作為非結(jié)晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)時的晶核位置。
異質(zhì)鈍化材料薄膜層的材料包括氧化硅(SiOX)、氮化硅(SiNX)、氧化鈦(TiOX)、氧化鉭(TaOX)、氧化鋁(Al2O3)或氮化碳(CNX)等等，而相變化材料層的相變化材料可選擇硫族材料。
本發(fā)明所公開的相變化存儲單元包括第一介電層、第一電極(或稱為加熱電極)、相變化材料層、第二介電層及第二電極。第一電極則位于第一介電層內(nèi)，相變化材料層則位于第一電極上，且具有多個晶粒，每一個晶粒由多個相變化材料層與多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層相互交錯形成迭層后，每一層異質(zhì)鈍化材料薄膜層在迭層中轉(zhuǎn)態(tài)而形成，其中晶粒作為非結(jié)晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)時的晶核位置。
第二介電層位于相變化材料層上，而第二電極則位于第二介電層內(nèi)。
其中，在相變化存儲單元中的相變化材料層為前述本發(fā)明所公開的相變化材料層。
下面將在具體實施方式
中詳細(xì)敘述本發(fā)明的詳細(xì)特征以及優(yōu)點，其可以使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容并以此進行實施，并且根據(jù)本說明書所公開的內(nèi)容、權(quán)利要求
以及附圖，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員均可以輕易地理解本發(fā)明相關(guān)的目的及優(yōu)點。
圖1A和圖1B為本發(fā)明的相變化存儲層及其制造方法；圖2為異質(zhì)晶粒提供相變化反應(yīng)的晶核位置；圖3為異質(zhì)晶粒提供的張力與應(yīng)力；以及圖4為具有本發(fā)明的相變化存儲層的相變化存儲單元。
其中，附圖標(biāo)記10相變化材料層 20異質(zhì)鈍化材料薄膜層21晶粒 30迭層40晶核 50第一介電層60第一電極 70第二介電層80第二電極具體實施方式
通常，利用改變相變化材料層10的材料的特性來提高相變化內(nèi)存的操作速度，例如摻雜錫(Sn)、銻(Sb)、砷(As)、硒(Se)、硫(S)、氧(O)及鉍(Bi)等元素，進而改變相變化材料層10在相變化反應(yīng)時的成長機制(也就是非晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)態(tài))；但是這種方法在執(zhí)行多次相變化反應(yīng)的過程中，摻雜元素會產(chǎn)生分布不均勻的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致可重復(fù)擦寫次數(shù)的不確定，易造成相變化內(nèi)存需要較大的功率操作；然而，本發(fā)明并不改變相變化材料層10的材料，而是制造一種或多種不與相變化材料層10發(fā)生反應(yīng)的異質(zhì)的微小晶粒21，作為非晶質(zhì)區(qū)域的相變化材料結(jié)晶時成長的晶核40，以減少非結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)換為結(jié)晶態(tài)所需的時間。
參閱圖1A及圖1B說明根據(jù)本發(fā)明提供的相變化存儲層及其制造方法，相變化存儲層用于進行相變化反應(yīng)，也是由非結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)。首先，參閱圖1A以化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法，或物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)方法將一種或多種的異質(zhì)鈍化材料(例如氧化硅(SiOX)、氮化硅(SiNX)、氧化鈦(TiOX)、氧化鉭(TaOX)、氧化鋁(Al2O3)及氮化碳(CNX)等等)與相變化材料(例如硫族材料)形成由多個異質(zhì)鈍化材料薄膜20與多個相變化材料層10相互交錯的迭層30。
這里，相互交錯的薄膜迭層30中，異質(zhì)鈍化材料薄膜層20的厚度最好為1nm～3nm，且迭層30形成在相變化存儲層的1/2～1/3處，且需靠近相變化內(nèi)存的加熱電極的位置。
接著，將相互交錯形成的迭層30進行退火工藝(process annealing)，使得迭層30內(nèi)的異質(zhì)鈍化材料薄膜層20轉(zhuǎn)態(tài)為晶粒21，也就是利用異質(zhì)鈍化材料與相變化材料之間的熱膨脹系數(shù)差異，使異質(zhì)鈍化材料薄膜層20在相互交錯的迭層30內(nèi)轉(zhuǎn)態(tài)為多個球狀、絲狀或是不規(guī)則形狀存在的晶粒21，且這些晶粒21必須均勻分布在相變化材料層10中，如圖1B所示。
其中，還可以使用共鍍薄膜方法、等離子體植入方法及離子植入方法中的任一種或多種來使異質(zhì)鈍化材料薄膜層20在迭層30內(nèi)轉(zhuǎn)態(tài)為多個晶粒21。
再者，圖1B也是根據(jù)本發(fā)明提供的相變化存儲層，此相變化存儲層包括相變化材料層10。此相變化材料層10是通過多個相變化材料層10及多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層20先形成相互交錯的迭層30后，再將多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層20在迭層30中轉(zhuǎn)態(tài)，以形成多個晶粒21，而晶粒21作為非結(jié)晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)時的晶核40位置。
另外，前面所述的異質(zhì)鈍化材料薄膜層20的材料需選擇不與相變化材料層10的材料發(fā)生反應(yīng)并且不隨溫度改變性質(zhì)的材料，而較好的材料選擇包括氧化物、碳化物或氮化物。因此，當(dāng)相變化存儲層進行相變化反應(yīng)時，微小的異質(zhì)晶粒21不與相變化材料發(fā)生任何的化學(xué)反應(yīng)，可防止公知技術(shù)由于摻雜元素而產(chǎn)生分布不均勻的現(xiàn)象。
換句話說，均勻分布的微小的異質(zhì)晶粒21在相變化存儲層進行相變化應(yīng)時(也就是由非結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài))，微小的異質(zhì)晶粒21提供非晶質(zhì)區(qū)域的相變化材料結(jié)晶時成長晶核40的位置，如圖2所示，以減少相變化反應(yīng)過程所需的孕育晶核40的時間，來實現(xiàn)快速相轉(zhuǎn)變，進而降低相變化反應(yīng)所需的功率消耗。
再者，相變化內(nèi)存具有可重復(fù)讀寫的能力，當(dāng)通過前面所述的摻雜元素技術(shù)來降低相變化存儲層進行相變化反應(yīng)的時間時，經(jīng)過多次相變化反應(yīng)后，相變化存儲層內(nèi)所摻雜的元素會產(chǎn)生分布不均勻的現(xiàn)象，以致相變化存儲層無法精確的從結(jié)晶態(tài)回復(fù)至非結(jié)晶態(tài)，而產(chǎn)生可重復(fù)擦寫次數(shù)的不確定。
然而，依據(jù)本發(fā)明提供的相變化存儲層雖經(jīng)多次相變化反應(yīng)，仍可通過微小的異質(zhì)晶粒21提供張力與應(yīng)力，使相變化存儲層能夠較精確的從結(jié)晶態(tài)回復(fù)至非結(jié)晶態(tài)，如圖3所示。
根據(jù)本發(fā)明提供的相變化存儲層及其制造方法，將異質(zhì)鈍化材料薄膜層20轉(zhuǎn)態(tài)而形成多個晶粒21，而晶粒21則作為該非結(jié)晶態(tài)與該結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)時的晶核40位置，使得相變化存儲層通過微小的異質(zhì)晶粒21提供張力與應(yīng)力，以減少相變材料結(jié)晶時，所需的孕核及晶核40成長的時間，進而提高相變化內(nèi)存的操作速度。
另外，請參閱圖4將根據(jù)本發(fā)明所提供的相變化存儲層應(yīng)用到相變化存儲單元中，而相變化存儲單元包括第一介電層50、第一電極60(也可稱為加熱電極)、相變化材料層10、第二介電層70及第二電極80。
第一電極60位于第一介電層50內(nèi)，相變化材料層10位于第一電極60上，且具有多個晶粒21，每一個21晶粒由多個相變化材料層10與多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層20相互交錯形成迭層30后，每一層異質(zhì)鈍化材料薄膜層20在迭層30中轉(zhuǎn)態(tài)而形成，其中晶粒21作為非結(jié)晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)時的晶核40位置。
其中，也可利用共鍍薄膜方法、等離子體植入方法及離子植入方法中的任一種或多種來實現(xiàn)異質(zhì)鈍化材料薄膜層20在迭層30內(nèi)轉(zhuǎn)態(tài)為多個晶粒21。異質(zhì)鈍化材料薄膜層20的材料可選自氮化物、氧化物或碳化物，而氮化物、氧化物或碳化物進一步包括氧化硅(SiOX)、氮化硅(SiNX)、氧化鈦(TiOX)、氧化鉭(TaOX)、氧化鋁(Al2O3)或氮化碳(CNX)等等。
此外，第二介電層位于相變化材料層10上，而第二電極80則位于第二介電層70內(nèi)。
其中，第一電極(或稱為加熱電極)60的材料可為鈦(Ti)、鉭(Ta)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮鋁化鈦(TiAlNx)、碳氮化鈦(TiCNx)、鎢化鉭(TaW)、鎢化鈦(TiW)、氧化鉭(TaOx)、多晶硅(poly-Si)、氧化硅鉭(TaSiO)、碳(C)、硅化碳(SiC)、氮化鍺(GeN)等高阻值的導(dǎo)電材料。而第一介電層50和第二介電層70的材料可為二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)等介電材料。第二電極80的材料可為鋁(Al)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、銅(Cu)等導(dǎo)電良好的導(dǎo)電材料。
另外，此相變化存儲單元還可利用公知的互補式金氧半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor；CMOS)工藝來完成。
雖然如上所述公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，然而其并非用于限定本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，對于本發(fā)明所做的各種變形和改進，均屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明的保護范圍由本發(fā)明所附的權(quán)利要求
及其等同物所限定。
權(quán)利要求
1.一種相變化存儲層的制造方法，所述相變化存儲層提供在一非結(jié)晶態(tài)與一結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)，其特征在于，所述制造方法包括下列步驟由多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層與多個相變化材料層相互交錯形成一迭層；以及將所述這些異質(zhì)鈍化材料薄膜層轉(zhuǎn)態(tài)為多個晶粒，其中所述這些晶粒作為所述非結(jié)晶態(tài)與所述結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)時的晶核位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的相變化存儲層的制造方法，其特征在于，所述這些異質(zhì)鈍化材料薄膜層轉(zhuǎn)態(tài)為多個晶粒的步驟中，所述異質(zhì)鈍化材料薄膜層的材料選自一氮化物、一氧化物或一碳化物，其中所述氮化物、所述氧化物或所述碳化物包括氧化硅(SiOX)、氮化硅(SiNX)、氧化鈦(TiOX)、氧化鉭(TaOX)、氧化鋁(Al2O3)或氮化碳(CNX)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的相變化存儲層的制造方法，其特征在于，在形成一迭層的步驟中，采用一化學(xué)氣相沉積(CVD)方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的相變化存儲層的制造方法，其特征在于，在形成一迭層的步驟中，采用一物理氣相沉積(PVD)方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的相變化存儲層的制造方法，其特征在于，所述異質(zhì)鈍化材料薄膜層轉(zhuǎn)態(tài)為多個晶粒的步驟，可選用一退火工藝、一共鍍薄膜方法、一等離子體植入方法一離子植入方法(組成的群組。
6.一種相變化存儲層，所述相變化存儲層在一非結(jié)晶態(tài)與一結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)，其特征在于，包括一相變化材料層，所述相變化材料層內(nèi)包括多個晶粒，所述這些晶粒由多個相變化材料層與多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層相互交錯形成一迭層后，所述這些異質(zhì)鈍化材料薄膜層在所述迭層中轉(zhuǎn)態(tài)而形成，其中所述這些晶粒作為所述非結(jié)晶態(tài)與所述結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)時的晶核位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的相變化存儲層，其特征在于，所述異質(zhì)鈍化材料薄膜層的材料選自一氮化物、一氧化物或一碳化物，其中所述氮化物、所述氧化物或所述碳化物包括氧化硅(SiOX)、氮化硅(SiNX)、氧化鈦(TiOX)、氧化鉭(TaOX)、氧化鋁(Al2O3)或氮化碳(CNX)。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的相變化存儲層，其特征在于，所述這些異質(zhì)鈍化材料薄膜層選用一退火工藝、一共鍍薄膜方法、一等離子體植入方法及一離子植入方法所組成的群組轉(zhuǎn)態(tài)形成所述這些晶粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的相變化存儲層，其特征在于，所述迭層采用一化學(xué)氣相沉積(CVD)方法形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的相變化存儲層，其特征在于，所述迭層采用一物理氣相沉積(PVD)方法形成。
11.一種相變化存儲單元，其特征在于，包括有一第一介電層；一第一電極，位于所述第一介電層內(nèi)；一相變化材料層，位于所述第一電極上，具有多個晶粒，其中，所述這些晶粒由多個相變化材料層與多個異質(zhì)鈍化材料薄膜層相互交錯形成一迭層后，所述這些異質(zhì)鈍化材料薄膜層在所述迭層中轉(zhuǎn)態(tài)而形成，其中所述這些晶粒作為所述非結(jié)晶態(tài)與所述結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)態(tài)時的晶核位置；一第二介電層，位于所述相變化材料上；及一第二電極，位于所述第二介電層內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的相變化存儲單元，其特征在于，所述異質(zhì)鈍化材料薄膜層的材料選自一氮化物、一氧化物或一碳化物，其中所述氮化物、所述氧化物或所述碳化物包括氧化硅(SiOX)、氮化硅(SiNX)、氧化鈦(TiOX)、氧化鉭(TaOX)、氧化鋁(Al2O3)或氮化碳(CNX)。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的相變化存儲單元，其特征在于，所述這些異質(zhì)鈍化材料薄膜層選用一退火工藝、一共鍍薄膜方法、一等離子體植入方法及一離子植入方法所組成的群組轉(zhuǎn)態(tài)形成所述這些晶粒。
14.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的相變化存儲單元，其特征在于，所述迭層采用一化學(xué)氣相沉積(CVD)方法形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的相變化存儲單元，其特征在于，所述迭層采用一物理氣相沉積(PVD)方法形成。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種相變化存儲層及其制造方法及相變化存儲單元，主要通過添加一種或多種不與相變化材料發(fā)生反應(yīng)的異質(zhì)晶粒，作為相變化存儲層結(jié)晶成長的晶核，以減少非晶態(tài)轉(zhuǎn)換為結(jié)晶態(tài)所需的時間。
文檔編號H01L45/00GK1996633SQ200510137671
公開日2007年7月11日 申請日期2005年12月31日
發(fā)明者陳頤承, 許宏輝, 李乾銘, 卓言, 趙得勝, 王文翰, 陳維恕, 李敏鴻 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan