专利名称：适于高温操作的相变存储器器件的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及相变存储器単元，并且更具体而言涉及适于高温操作的相变存储器単元。
背景技术：
相变材料在诸如光学存储介质和固态相变存储器器件之类的微电子器件中具有多种应用。相变随机存取存储器(PRAM)器件，例如使用诸如硫属化合物合金之类的、在热处理之后的冷却期间转换成晶态或非晶态的相变材料存储数据。相变材料的各个状态具有不同的电阻特性。具体而言，晶态的相变材料具有低的电阻而非晶态的相变材料具有高电阻。晶态通常称为具有逻辑电平“O”的“设置状态”，而非晶态通常称为具有逻辑电平“I”的“重置状态”。流经相变材料的电流产生欧姆加热并且使得相变材料熔化。熔化和逐渐冷却相变材料允许使相变材料形成晶态的时间。熔化和骤然冷却相变材料使相变材料淬火成 非晶态。高阻值有可能因晶化而在高温下改变。具有高晶化温度的材料更适于高温操作。然而，一旦淬火，晶化温度降低并且非晶态区域被充当例如如图I中所示的用于生长的籽晶的晶体层所围绕。图I是示出了在标称操作条件下以重置状态操作的柱形相变存储器単元的图。如图I所示，柱形相变存储器単元100包括底部电极10、填充有相变材料的柱104以及顶部电极106。底部电极102形成在导电接触108上。绝缘材料110和111围绕底部电极102、柱104、顶部电极106和导电接触108。如图I所示，在执行重置操作之后，晶态区域104a保持并且围绕非晶态区域104b并且充当用于成核和晶体生长的籽晶。因此，如果相变存储器单元100被提升至更高的温度，则存储在存储器单元100内的数据可以因非晶态区域104b的尺寸和形状的改变而丢失或退化。
发明内容
本发明提供了一种相变存储器単元，其包括生长主导型相变材料并且在过度重置的条件下操作以获得在高温(即，在约150摄氏度之上的温度)下优良的数据保持质量。根据本发明的一个实施例，提供了一种相变存储器単元。相变存储器単元包括底部电极、与底部电极隔开的顶部电极、以及沉积于底部电极和顶部电极之间并且接触底部电极和顶部电极并且在其侧壁处由绝缘材料围绕的生长主导型相变材料。在重置状态，相变存储器单元仅包括在相变存储器単元的有效体积内的生长主导型相变材料的非晶相。即，根据本发明的一个实施例，相变存储器単元的有效体积并不包括生长主导型相变材料的任何多晶相。根据本发明的另ー实施例，提供了一种用于操作相变存储器単元的方法。该方法包括以在标称重置条件之上的预定值向形成于底部电极和顶部电极之间并且在其侧壁处被绝缘材料围绕的生长主导型相变材料供应重置电流，其中相变存储器単元中的有效体积仅包括生长主导型相变材料的处于重置状态的非晶相。
通过本发明的技术实现一些附加的特征和优势。本文详细描述本发明的其他ー些实施例和方面，并且将其认为是要求保护的发明的一部分。为了更好地理解具有这些优势和特征的本发明，參见说明书和附图。
被认为是本发明的主题在说明书的末尾处具体指出和明确要求保护。本发明的前述和其他特征和优势根据下面结合所附附图的具体描述而显而易见，其中图I是示出了常规相变存储器単元的图。图2是示出了可以在本发明的一些实施例内实施的相变存储器单元的图。图3A至图3D是示出了用于制造可以在本发明的一些实施例内实施的相变存储器単元的制造方法的图。图4A至图4D是示出了用于制造可以在本发明的一些备选实施例内实施的相变桥式(PCB)存储器単元的制造方法的图。
具体实施例方式现在參见图2，根据本发明的一个实施例提供了一种相变存储器単元200。根据本发明的一个实施例，相变存储器単元200是柱形相变存储器単元。本发明不限于柱形相变存储器単元，而是可以相应地变化。在本发明的一个备选实施例中，相变存储器単元可以是在图4D中描绘的相变桥式存储器单元。相变存储器単元200包括底部电极202、柱204和与底部电极202分开的顶部电极206。柱204填充有相变材料205并且存储ー个或多个比特的数据。相变材料205可以由化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)或任何其他合适的沉积技术沉积。填充有相变材料205的柱204的直径范围在约5纳米(nm)至约500纳米(nm)。此外,根据本发明的ー个实施例，柱204的宽高比的范围为约O. 5至约10。
底部电极202接触柱204并且柱204接触顶部电极206。绝缘材料208在其侧壁处侧向包围底部电极202、顶部电极206和生长主导型相变材料205。绝缘材料208可以包括任何合适的绝缘材料，诸如ニ氧化硅(SiO2)、氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiN)、氟硅玻璃(FSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、硼硅玻璃(BSG)或低k材料。根据本发明的一个实施例，底部电极202和顶部电极206可以由任何合适的电极材料形成，诸如氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨(W)、铝(Al)、氮化硅钛(TiSiN)、氮化铝钛(TiAlN)、氮化硅钽(TaSiN)、氮化铝钽(TaAlN)、氮化钨(WN)或铜(Cu)。电极202和206可以通过例如使用CVD或ALD沉积电极材料来形成。根据本发明的一个实施例，相变材料205可以由包含合金的生长主导型相变材料形成，该合金包括下组材料中的至少两种材料锗(Se)、锑(Sb)、碲(Te)、铟(In)、硒(Se)、铋(Bi)、银(Ag)、镓(Ga)、锡(Sn)、铅(Pb)和神(As)。根据本发明的一个实施例，生长主导型相变材料205是与成核主导型材料相比具有较缓慢的成核率的材料。在柱204内使用这类生长主导型相变材料205确保非晶态并不经历到多晶相的相转变，这是由于在临界区域的附近区域中缺少任何的成核籽晶。还如图2中所示，底部电极202在形成于绝缘材料210内的导电接触209上形成。导电接触209可以例如由钨(W)形成。导电接触209接触诸如存取晶体管或ニ极管之类的存取电路或电耦合至底部电极202以控制施加电流或电压脉冲至顶部电极206或反之亦然或控制施加电流或电压脉冲至柱204以设置和重置相变材料205。电流沿通过相变存储器単元200的电流路径流动。电流路径包括在底部电极202、柱204和顶部电极206之间的界面区域207a和207b。在相变存储器单元200的操作期间，在底部电极202和顶部电极206之间施加电流或电压脉冲从而对相变存储器単元200编程。根据本发明的一个实施例，在相变存储器単元200的“设置”操作期间，选择性地允许去往底部电极202并且行进通过柱204的设置电流或电压脉冲，从而相变材料205将加热至在其晶化温度之上且在其熔化温度之下。因此，相变材料205在“设置”操作期间达到结晶状态或部分结晶和部分非晶状态。根据本发明的一个实施例，在相变存储器単元200的“重置”操作期间，选择性地
允许去往底部电极202并且行进通过柱204的重置电流或电压脉沖。重置电流或电压快速地加热相变材料205至在其熔化温度之上。在电流或电压脉冲关断之后，相变材料快速地淬火冷却至完全非晶状态。根据本发明的一个实施例，以超出标称重置条件的电流和功率操作相变存储器単元200以便移除临界电流路径中任何的晶化区域。例如，相变存储器单元200可以以在标称条件之上的重置电流操作，从而整个相变材料205转换成非晶态以用于对高阻区域进行编程。在本发明的一个实施例中，如果实现标称重置条件所需的电流量是しsrt，则用于对单元200编程以用于高温操作所使用的电流可以是约I. IOIreset或更高。根据本发明的另ー实施例，在柱204内的相变材料205与底部电极202和顶部电极206之间的界面区域207a和207b可以进一歩被修改以通过并入诸如镓(Ga)原子之类的原子来降低成核率。 图3A至图3D是示出了用于制造可以在本发明的一些实施例内实现的相变存储器単元的制造方法的图。图3A至图3D内制造的相变存储器单元是根据本发明的一个实施例的“柱形”相变存储器単元。如图3A所示，经由物理气相沉积(PVD)エ艺向导电接触209上沉积诸如GST之类的相变材料205。接着，在相变材料205上沉积用于形成顶部电极206的诸如氮化钛(TiN)之类的材料。如图3B所示，在顶部电极206之上沉积光阻层212并且使用常规光刻工具将其构图成岛。在图3C中，修整光阻层212并且使用反应离子蚀刻(RIE)操作向下转印以形成TIN/GST柱。接着，在图3D中，由相变材料205和顶部电极206形成的柱204由绝缘材料208包封并且经由化学机械抛光(CMP)エ艺平坦化以露出TiN柱204的顶部，从而形成铜(Cu)位线布线214。图4A至图4D是示出了可以在本发明的一些备选实施例内实现的相变桥式(PCB)存储器単元的图。如图4A所示，通过常规的光刻和刻蚀操作在ニ氧化硅的电介质层300内形成两个平行的沟槽。通过溅射沉积和后续的CMP在沟槽内填充钛/氮化钛的厚层，从而形成多个底部电极305，该底部电极305由被小的ニ氧化硅间隙分开的氮化钛形成。接着，在图4B中，继而使用磁控派射沉积形成厚度范围为约3纳米(nm)至约100纳米(nm)的生长主导型相变材料310，紧接于此的是ニ氧化硅的帽电介质层312，以防止相变材料310的氧化。在图4c中，继而使用电子束光刻或纳米压印光刻来形成宽度范围介于20纳米(nm)至约200纳米(nm)之间的桥式结构。继而，如图4d所示，在最終的离子研磨操作之后，在不破坏真空的条件下沉积约5纳米(nm)至约10纳米(nm)的另ー帽电介质层314以防止氧化，该电介质层314由诸如Al2O3之类的钝化材料形成。接着，在将器件布线至存取电路之前例如可以沉积厚度约50纳米(nm)的另一二氧化硅帽层316。作为图4A至图4D所示的制造操作的结果，形成了相变桥式(PCB)存储器単元400。本发明的一个实施例提供ー种包括生长主导型相变材料并且以超过重置条件的电流操作的相变存储器単元。因此，相变存储器单元以超出约150摄氏度的高温下提供优良的数据保持质量。本文使用的术语是仅出于描述特定实施例的目的而非g在限制本发明。如本文使用的那样，除非另有明确指示，単数形式“一”、“ー个”和“所述” g在还包括复数形式。还将理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时具体指定存在的描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组分，但并不排除一个或更多其它特征、整体、步骤、操作、元素组分和/或其组合的存在或添加。
下面的权利要求书中的所有装置或步骤加功能元素的对应结构、材料、动作和等同物g在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元素执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的展现了本发明的描述，但本发明的描述并不g在排他或是以公开的形式限制本发明。在不偏离本发明的范围和精神实质的前提下，许多修改和变化对于本领域技术人员将是显然的。选择和描述实施例以便最佳地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域技术人员能够针对适于所构思的特定用途的具有各种修改的各种实施例理解本发明。本文描绘的流程图仅是ー个示例。在不偏离本发明的精神的前提下，可以有对本文中描述的该图或步骤(或操作)的许多变化。例如，可以以不同的顺序执行步骤或者可以添加、删除或修改步骤。所有的这些变化被认为是要求保护的本发明的一部分。虽然已经描述了本发明的优选实施例，但是将理解，在现在和将来本领域技术人 员可以做出落入随附权利要求的范围内的各种改进和增强。这些权利要求应被解释为维持对首先描述的本发明的适当保护。
权利要求
1.一种相变存储器単元，包括 底部电极； 与所述底部电极分开的顶部电极； 生长主导型相变材料，布置于所述底部电极和所述顶部电极之间并且接触所述底部电极和所述顶部电极，并且在其侧壁处由绝缘材料包围，在重置状态的所述相变存储器単元仅包括在所述相变存储器単元的有效体积内的所述生长主导型相变材料的非晶相。
2.根据权利要求I所述的相变存储器単元，其中所述相变存储器单元是柱形相变存储器単元。
3.根据权利要求I所述的相变存储器単元，其中所述生长主导型相变材料包括如下合金，所述合金包括ー组材料中的至少两种材料，所述ー组材料包含Ge、Sb、Te、In、Se、Bi、Ag、Ga、Sn、Pb、As。
4.根据权利要求I所述的相变存储器単元，其中所述绝缘材料侧向包封所述底部电极、所述顶部电极以及所述生长主导型相变材料。
5.根据权利要求4所述的相变存储器単元，其中所述绝缘材料是氮化硅。
6.根据权利要求4所述的相变存储器単元，其中所述底部电极和所述顶部电极由氮化钛(TiN)形成。
7.根据权利要求I所述的相变存储器単元，其中所述相变存储器単元包括电流路径，所述电流路径包括介于所述底部电极、所述生长主导型相变材料和所述顶部电极之间的界面区域，高于标称重置条件的预定值的重置电流沿所述电流路径流动，并且所述生长主导型相变材料在重置操作之后完全非晶化。
8.根据权利要求I所述的相变存储器単元，其中所述界面区域包括镓(Ga)原子。
9.根据权利要求I所述的相变存储器単元，其中所述相变存储器单元以高于约150摄氏度的温度操作。
10.根据权利要求2所述的相变存储器単元，其中由所述生长主导型相变材料填充的所述柱的直径的范围是约5纳米(nm)至约500纳米(nm)。
11.根据权利要求2所述的相变存储器単元，其中所述柱的宽高比的范围是约O.5至约10。
12.根据权利要求7所述的相变存储器単元，其中所述标称重置条件是しsrt，并且编程用于高温操作所使用的电流是约I. IOIreset或更高。
13.ー种操作相变存储器单元的方法，所述方法包括 供应在标称重置条件之上的预定值的重置电流给生长主导型相变材料，所述生长主导型相变材料形成于底部电极和顶部电极之间并且在其侧壁处由绝缘材料包围，其中所述相变存储器単元的有效体积在重置状态仅包括所述生长主导型相变材料的非晶相。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述相变存储器单元是柱形相变存储器単元。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述生长主导型相变材料包括如下合金，所述合金包括ー组材料中的至少两种材料，所述ー组材料包含Ge、Sb、Te、In、Se、Bi、Ag、Ga、Sn、Pb、As。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述绝缘材料侧向地包封所述底部电极、所述顶部电极和所述生长主导型相变材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述绝缘材料是氮化硅。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述底部电极和所述顶部电极由氮化钛(TiN)形成。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述相变存储器单元以高于约150摄氏度的温度操作。
20.根据权利要求14所述的方法，其中由所述生长主导型相变材料填充的所述柱的直径的范围是约5纳米(nm)至约500纳米(nm)。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述柱的宽高比的范围是约O.5至约10。
22.根据权利要求13所述的方法，其中所述标称重置条件是しsrt，而编程用于高温操作所使用的电流是约I. IOIreset或更高。
全文摘要
一种相变存储器单元，包括底部电极；顶部电极，与底部电极分开；以及生长主导型相变材料，沉积于底部电极和顶部电极之间并且接触底部电极和顶部电极并且在其侧壁处由绝缘材料包围。重置状态的相变存储器单元仅包括在相变存储器单元的有效体积内的生长主导型相变材料的非晶相。
文档编号C23C16/00GK102686770SQ201080050550
公开日2012年9月19日 申请日期2010年11月10日 优先权日2009年11月16日
发明者A·G·施罗特, B·拉简德兰, C·H·拉姆, D·科雷布斯, M·J·布莱特韦斯, S·劳克斯 申请人:国际商业机器公司