形成包括碲的相变材料层的方法和使用该相变材料层来制造相变存储器的方法

专利名称：形成包括碲的相变材料层的方法和使用该相变材料层来制造相变存储器的方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种形成包括硫族化物材料的相变材料层的 方法和用于使用所述相变材料层来制造相变存储器的方法。
背景技术：
半导体存储器一般可以被划分为易失性半导体存储器，诸如动 态随机存取存储器(DRAM)或者静态随机存取存储器(SRAM);以 及，非易失性半导体存储器，诸如闪速存储器或者电子可擦除可编程 存储器(EEPROM)。易失性半导体存储器一般当关断电源时丢失其 中存储的数据。但是，非易失性半导体存储器即使当中断或者关断电 源时也可以保持所存储的数据。在非易失性半导体存储器中，闪速存储器已经用于各种电子设备 中，诸如数码照像机、蜂窝电话、MP3播放机等。因为闪速存储器一般 对于写入或者擦除数据需要较长的时间，因此已经开发了用于制造半 导体存储器的替代技术，所述半导体存储器诸如磁阻随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FRAM)或者相变随机存取存储器(PRAM)。在PRAM器件中，可以使用在相变材料层的非晶状态和结晶状态之间的电阻差来输入或者输出数据，所述相变材料层包括硫族化物材料，诸如锗-锑-碲(Ge-Sb-Te) (GST)。具体上，可以使用所述相变 材料层的可逆的相变来在PRAM器件中存储具有"0"或者"1"值的数 据。在非晶状态中的相变材料层可以具有较高的电阻，而在结晶状态 中的相变材料层可以具有较低的电阻。在PRAM器件中，晶体管可以为 相变材料层提供复位电流，所述复位电流用于将所述相变材料层的相 位从结晶状态向非晶状态改变。所述晶体管也可以为相变材料层提供 置位电流，所述置位电流用于将所述相变材料层的相位状态从非晶状 态向结晶状态改变。所述相变材料层可以形成在与电连接到所述晶体 管的插座接触的下电极上。在例如美国专利第5，825,046号、美国专利 第5,596,522号、韩国特开专利公布第2005-31160号和韩国专利第437458 号中讨论了传统的PRAM器件和制造传统的PRAM器件的方法。在上述的制造传统PRAM器件的方法中，可以通过诸如溅射处理 的物理汽相淀积(PVD)处理，或者化学汽相淀积(CVD)处理来形 成包括GST的相变材料层。但是，在PVD处理中，控制GST的构成比可 能是困难的，这使得所述相变材料层可能不具有期望的电子特性。具体上，GST是伪二元的复合物，其包括碲化锗(GeTe)和碲化 锑(Sb2Te3) ， GST具有化学式锗-锑-碲(GexSbyTe(1()Q_x-y))。在此，x 和y可不具有小于100的任意值，而GST具有伪二元线上的构成比，所述 伪二元线在伪二元的相位图上将碲化锗(GeTe)和碲化锑(Sb2Te3) 连接，并且所述构成比可以仅仅具有可接受的误差范围10。/。(参见IEEE Proc,Sci. Meas. Technol. 151,394(2004))。图1表示包括由构成扩展方法形成的GST的相变材料层的三元构 成图。具体上，在相变材料层中使用的锗-锑-碲(Ge2Sb2Te5)可以包括 大约22%重量的锗(Ge)、大约22%重量的锑(Sb)和大约56。/。重量的 碲(Te)。当诸如氮(N)、碳(C)、氧(0)、硅(Si)等的杂质 被掺杂到相变材料层时，所述相变材料层可以至少由于所述杂质的量而具有改变的构成比。在用于形成相变材料层的传统溅射方法中，可以通过控制锗、锑、 碲的量而改变相变材料层的构成比。但是，至少因为所述相变材料层中的碲化锗(GeTe)和碲化锑(Sb2Te3)共同包括碲，碲可以在所述 相变材料层中仅仅具有在大约50%到大约65%的重量范围内的含量。将 碲的重量含量减少到低于大约50%可能有问题。即使当使用如在韩国特开专利公布第2006-599395号中所述的、一 种能够改善相变材料层的构成比控制的方法时，形成碲具有上述参考 范围之外的量的构成比的相变材料层也可能有困难。发明内容本发明的实施例提供了用于形成相变材料层的方法，所述方法包 括使得衬底和硫族化物目标保持在一个温度，所述硫族化物目标包 括锗(Ge)、锑(Sb)和碲(Te)，在所述温度，碲挥发，而锑不挥 发；并且，执行溅射处理以在所述衬底上形成包括硫族化物材料的相 变材料层。在一些实施例中，可以在大于碲的玻璃化温度和小于锑的 玻璃化温度的温度执行所述溅射处理。在一些实施例中，执行所述溅 射处理包括将所述硫族化物目标的粒子淀积在该衬底上以形成预备 的硫族化物材料；并且，挥发包括在所述预备的硫族化物材料中的至 少一些部分的碲，以形成包括大约5-50%重量的碲的随后的硫族化物材 料。在另外的实施例中，形成包括锗-锑-碲(Ge-Sb-Te) (GST)的相 变材料层的方法包括其中碲(Te)的重量含量小于大约50%的那些。本发明的实施例还包括制造相变存储器的方法，所述方法包括 在其中具有硫族化物目标的室中的衬底上形成下电极，其中，所述硫族化物目标包括锗、锑和碲；提供一个温度，在所述温度，碲挥发， 而锑不挥发；执行溅射处理以在所述衬底上形成包括硫族化物的相变 材料层；并且，在所述相变材料层上形成上电极。在一些实施例中，可以在大于碲的玻璃化温度和小于锑的玻璃化温度的温度执行所述溅 射处理。在一些实施例中，所述衬底是半导体衬底。所述半导体衬底 可以包括在其上依序形成的栅极绝缘层、栅极导电层和栅极掩模层。 可以进一步在所述半导体衬底上形成绝缘和导电层。在一些实施例中，制造相变存储器包括制备包括碲的重量含量小于50%的GST的相变材 料层。


通过下面结合附图的详细说明，本发明的上述和其它特征和优点将变得更清楚，其中图l是相变材料层的三元构成图，所述相变材料层包括通过构成扩展方法而形成的锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)。图2是图解按照本发明的一些实施例的相变材料层的横截面视图。 图3是图解按照本发明的一些实施例的一种形成相变材料层的方法的流程图。图4是图解按照本发明的一些实施例的相变材料层中氮含量随氮 气流率的变化的图表。图5是图解按照本发明的一些实施例的、相变材料层的淀积率随氮 气流率的变化的图表。图6是图解按照本发明的一些实施例的、相变材料层的电阻率随氮 气流率的变化的图表。图7-14是图解按照本发明的一些实施例的、 一种制造相变存储器的方法的横截面视图。图15是分别图解出在示例1、 2、 3和4以及比较示例中呈现的相变材料层中的氮含量和硫族化物材料的构成比的图表。图16是图解包括示例3中的相变材料层的存储单元的疲劳特性的图表。图17是图解包括示例3中的相变材料层的存储单元的数据保持特 性的图表。
具体实施方式
以下参见附图来更全面地说明本发明，在附图中示出了本发明的 实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应当被 理解为限于在此给出的实施例。而且，所提供的这些实施例是为了使 本公开更彻底和完整，同时更全面地向本领域内的技术人员传达本发 明的范围。在附图中，为了清楚，可以放大层和区域的大小和相对大可以明白，当元件或者层被称为"在"另一元件或者层"之上"、 "连接到"或者"耦接到"另一元件或者层时，所述元件可以直接地 在所述另一元件或者层上、连接到或者耦接到另一元件或者层上，或 者可以存在插入的元件或者层。相反，当元件被称为"直接在"另一 元件或者层"之上"、"直接连接到"或者"直接耦接到"另一元件 或者层时，则不存在插入的元件或者层。在全部附图中，相同的标号 表示相同的元件。可以明白，虽然术语第一、第二等可以在此用于描述各种元件、 部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分 应当不被这些术语限制。这些术语仅仅用于将一个元件、部件、区域、 层或部分与另一个区域、层或者部分相区别。因此，在不偏离本发明 的教义的情况下，下述的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称 为第二元件、部件、区域、层或部分。为了易于说明，诸如"之下"、"下面"、"下"、"之上"、 "上"等空间上的相对术语可以在此用于描述附图中所示的一个元件 或者功能部件与另一或一些元件或者功能部件的关系。可以明白，除 了在附图中所描述的方位之外，空间上的相对术语意欲还涵盖在使用 或者操作中的器件的不同方位。例如，如果附图中的器件被反转，则被描述为在其它元件或者功能部件"之下"或者"下面"的元件被定 位为在其它元件或者功能部件"之上"。因此，示例术语"之下"可以涵盖之上和之下的方位。所述器件可以另外定位(旋转90度或者在 其它方位)，在此使用的在空间上的相对描述符可以据此被解释。在此使用的术语仅仅用于描述特定的实施例，并且不意欲限定本 发明。在此使用的单数形式"一个"和"所述"意欲也包括复数形式， 除非上下文明确地另外指示。在此所述的所有公布、专利申请、专利 和其它参考文献通过引用被整体包含。还可以明白，在本说明书中使用的术语"包括"指定被陈述的特 征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或者 添加一个或多个其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其 组合。而且，可以明白，可以独立地执行包括此处所提供的方法的步骤， 或者可以组合至少两个步骤。另外，在不偏离本发明的教义的情况下， 当包括此处所提供的方法的步骤被独立或者组合地执行时，可以在同 一温度和/或气压下或者在不同的温度和/或气压下被执行。除非另外限定，在此使用的所有术语(包括科技术语)具有与本 发明所属领域内的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还可以 明白，诸如在普通使用的词典中限定的那些术语的术语应当被解释为 具有与它们在本领域的环境中一致的含义。相变材料层图2是图解按照本发明的一些实施例的相变材料层的横截面视图。参见图2，相变材料层20可以包括硫族化物材料或者被掺杂杂质的 硫族化物材料。所述硫族化物材料可以包括锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)、砷 誦锑-碲(As-Sb-Te)、砷-锗-锑-碲(As-Ge-Sb陽Te)、锡-锑-碲(Sn-Sb-Te)、 铟-锑-碲(In-Sb-Te)、银-铟-锑-碲(Ag-In-Sb-Te)、在15族中的元素-锑-碲(在15族中的元素-Sb-Te)、在16族中的元素-锑-碲(在16族中 的元素-Sb-Te)等。在特定实施例中，包括锗-锑-碲(Ge-Sb-Te) (GST) 的硫族化物材料可以用于相变材料层20。当受热时，硫族化物材料可以具有相变的特性。可以通过电流控 制提供到所述硫族化物材料的热量。因此，所述硫族化物材料可以具 有晶体结构，所述硫族化物材料的这种晶体结构按照应用到其的电流量和向其提供电流的时间量而改变。所述硫族化物材料可以具有在非 晶状态和结晶状态之间的电阻差(具体上，在结晶状态中的硫族化物 材料的电阻比在非晶状态中的硫族化物材料的电阻更低)，因为所述 硫族化物材料的电阻可以被用作逻辑状态的标准，所以至少部分的所 述硫族化物材料可以被包括在存储器中。在本发明的一些实施例中，相变材料层20可以包括硫族化物材料， 所述硫族化物材料可以包括锗(Ge)锑(Sb)碲(Te)。所述硫族化 物材料可具有大约5-50%重量的碲。在一些实施例中，相变材料层20具 有包括大约20-50%重量的碲的、包括杂质硫族化物材料。在其它实施 例中，相变材料层20具有包括大约30-50%重量的碲的、包括杂质的硫 族化物材料。可包括在所述相变材料层20中的杂质可以包括例如氧 (0)、硅(Si)、碳(C)或者氮(N)。这些元素可以单独或者以其 组合被使用。相变材料层20可以包括由化学式(1)表示的硫族化物材料。相变 材料层20可以包括大约86-98%重量的硫族化物材料和大约2-10%重量的杂质。化学式(1):GexSbyTe(100—x-y)其中，252x《35并且25Sy。5在本发明的一些实施例中，所述硫族化物材料可以包括大约25-40%重量的锗、大约25-40%重量的锑和大约20-50%重量的碲。在本 发明的一些其它实施例中，所述硫族化物材料可以包括大约25-35%重 量的锗、大约25-35%重量的锑和大约30-50%重量的碲。因此，所述硫 族化物材料可以具有这样的构成比，其中，锗:锑:碲(Ge:Sb:Te)的含 量是大约1:1:1到大约1:1:2。相变材料层20可以具有86-98%重量的硫族化物材料，所述硫族化 物材料可以包括大约25-35%重量的锗、大约25-35%重量的锑、大约 30-50%重量的碲和大约2-14%重量的杂质。可以按照形成所述相变材料 层20的条件来改变硫族化物材料中碲的含量，所述条件诸如本领域内 的技术人员理解的温度、淀积速度等变量。相变材料层20可以包括被掺杂杂质的硫族化物层、被掺杂杂质的 GST层等。例如，当所述杂质包括氮时，相变材料层20可以具有大约 90-98%重量的硫族化物材料，所述硫族化物材料可以包括大约25-35% 重量的锗、大约25-35%重量的锑、大约30-50%重量的碲和大约2-10% 重量的氮。另外举例，当所述杂质包括碳时，相变材料层20可以具有 大约85-98%重量的硫族化物材料，所述硫族化物材料可以包括大约 25-35%重量的锗、大约25-35%重量的锑、大约30-50%重量的碲和大约 2-15%重量的碳。如上所述，相变材料层20可以具有这样的构成比，其中，碲的重 量含量占所述硫族化物材料层20的总重量的大约5-50%，使得包括所述 相变材料层20的相变存储器可以具有改善的电特性和期望的结晶特 性。形成相变材料层的方法图3是图解按照本发明的一些实施例的一种形成相变材料层的方 法的流程图。具体上，在图3的步骤S110中，衬底设置在可以在其中执行溅射处理的室内，所述相变材料层可在所述衬底上形成。所述室可以在其中具有台、硫族化物目标和用于在该室内提供直 流(DC)电压的电源。所述台可以支撑设置在所述室内的衬底。在本发明的一实施例中，所述硫族化物目标可以包括化学式为Ge2Sb2Tes的硫族化物材料。所述硫族化物材料可以具有大约22%重量 的锗、大约22%重量的锑和大约56%重量的碲。在本发明的另一实施例 中，所述硫族化物目标可以具有第一 目标，其可以包括碲化锗(GeTe); 以及第二目标，其可以包括碲化锑(Sb2Te3)。另外，所述硫族化物目标可以包括杂质，诸如氧、硅、碳、氮等。 当通过溅射处理来形成所述相变材料层时，可以通过所述杂质来控制 用于稳定所述硫族化物目标的时间。所述电源可以向所述硫族化物目标提供负高压，以便可以在所述 台或者所述硫族化物目标之间产生高电压差。在步骤S120中，可以将所述室保持在一个温度，在所述温度，可 以包括在所述硫族化物目标中的碲可以挥发。具体上，可以保持所述 室提供一个这样的温度，即在所述温度，碲可以挥发，而锑不会挥发。一般地，可以包括在所述硫族化物目标中的锗、锑和碲可以分别 具有大约938。C、大约63rC和大约45(TC的熔点。当粒子大小减少时， 熔点可能更低。另外，所述硫族化物目标具有玻璃化温度，因此，锗、 锑和碲可以在大于所述玻璃化温度的温度挥发。与所述硫族化物目标 中的其它元素相比较，碲(Te)具有大约250。C到大约350。C的相对较 低的玻璃化温度。在本发明的一些实施例中，可以在大约250。C到大约350。C的温度执行所述溅射处理，所述温度大于碲的玻璃化温度，同时小于锑的玻 璃化温度。所述室可以通过位于所述台上的加热器保持大约250。C到大约350。C的范围内的温度。在步骤S130中，可以在所述室内产生包括氩(Ar)离子的等离子 体，以便可以执行溅射处理。具体上，可以通过电源向所述硫族化物 目标施加负电压。电源可以以大约300W到大约700W、在一些实施例中 为大约500W的功率电平施加所述电压。因此，可以在所述硫族化物目 标和台之间产生高电压差。可以向其中己经产生高电压的室内引入氩气。所述氩气可以在所 述室内被激发到包括氩离子的等离子体状态。可以同时执行所述的氩 气的引入和负电压的施加。在本发明的一实施例中，可以以大约30到大约80sccm的流率、在 一些实施例中为大约40到大约60 sccm的流率来向所述室内提供氩气。 另外，可以向该室内提供氮(N2)气。可以以大约IO到大约IOO sccm 的流率、在一些实施例中为大约25到大约80 sccm的流率来提供所述氮 气。在本发明的一些实施例中，当将氮气提供给氩气时，所述氩气和 氮气可以具有大约1:0.3到大约1:2.0的流率比，在一些实施例中此流率 比为大约1:0.35到大约1:1.5。所述氮气可以改善所述相变材料层的可靠性，并且/或者降低粒子 从所述硫族化物目标向衬底中的淀积率，以便可以提高用于形成所述 相变材料层的时间。[这是准确的表述吗？]因此，氮气可以帮助碲挥发， 因此，碲在所述相变材料层的硫族化物材料中的重量含量可以小于大 约50%。在步骤S140，可以在所述室内形成具有硫族化物材料的相变材料层，所述硫族化物材料包括在相变材料层中大约5%到大约50%重量的 碲，在所述室内，该等离子体包括氩离子。具体上，可以包括在所述等离子体中的氩离子以高速冲击硫族化 物目标，因此，在所述硫族化物目标中的粒子可以与该硫族化物目标 分离，并且可以被物理地淀积在所述衬底上。从硫族化物目标分离的粒子可以被淀积在所述衬底上，由此形成 预备的相变材料层。在衬底上的所述预备的相变材料层可能处于不稳 定的状态，使得至少一部分碲在大约250到大约350。C的温度可能会挥 发。因此，可以在该衬底上形成具有硫族化物材料的相变材料层，所 述硫族化物材料可以包括大约5-50%重量的碲，在一些实施例中为大约 30-50%重量的碲。在本发明的一些实施例中，在上述条件下形成的相变材料层可以 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约25-35% 重量的锗、大约25-35%重量的锑和大约30-50%重量的碲。在一些实施 例中，所述相变材料层可以具有大约86-98%的硫族化物材料，所述硫 族化物材料可以包括大约25-35%重量的锗、大约25-35%重量的锑、大 约30-50%重量的碲和大约2-14%重量的杂质。在一些实施例中，所述相 变材料层可以包括大约90-98%的硫族化物材料，所述硫族化物材料可 以包括大约25-35%重量的锗、大约25-35%重量的锑、大约30-50%重量 的碲和大约2-10%重量的杂质。在本发明的另一实施例中，所述相变材料层可以包括大约92-98% 的硫族化物材料，所述硫族化物材料可以包括大约24-31%重量的锗、 大约24-31%重量的锑、大约30-50%重量的碲和大约2-8%重量的氮。图4是图解按照本发明的一些实施例的相变材料层中氮含量随氮气流率的变化的图表。在图4中，x轴表示氮气的流率，y轴表示在相变 材料层中的氮含量。参见图4，当使用Ge2Sb2Tes目标、以提高的氮气流 率通过溅射处理而形成相变材料层时，在所述相变材料层中的氮含量 提高。即，在相变材料层中的氮含量与氮气的流率成比例。图5是图解按照本发明的一些实施例的、相变材料层的淀积率随氮 气流率的变化的图表。在图5中，x轴表示氮气的流率，y轴表示相变材 料层在衬底上的淀积率。参见图5，当使用Ge2Sb2Te5目标、以提高的氮气流率通过溅射处 理而形成相变材料层时，所述相变材料层的淀积率降低。即，相变材 料层的淀积率与氮气的流率成反比。图6是图解按照本发明的一些实施例的、相变材料层的电阻率随氮 气流率的变化的图表。在图6中，x轴表示氮含量，y轴表示相变材料层 的电阻率。参见图6，当使用Ge2Sb2Tes目标、以提高的氮气流率通过溅 射处理而形成相变材料层时，所述相变材料层中的电阻率也提高。更 具体而言，相变材料层中的电阻率与氮含量成比例。用于制造相变存储器的方法图7-14是图解按照本发明的一些实施例的、 一种制造相变存储器 的方法的横截面视图。参见图7，可以在半导体衬底300上形成隔离层303。半导体衬底300 可以被隔离层303划分为激活区和场效应区。可以通过浅槽隔离(STI) 处理或者通过硅的局部氧化(LOCOS)处理来形成所述隔离层303。可 以使用氧化硅(Si02)来形成隔离层303。可以在所述半导体衬底300上依序形成栅极绝缘层、栅极导电层和 栅极掩模层。可以使用氧化物或者具有高的介电常数的金属氧化物来形成所述栅极绝缘层，所述具有高的介电常数的金属氧化物诸如氧化 铝(A1203)、氧化铪(Hf02)等。例如，可以使用氧化硅、氧化铪、氧化锌(Zr02)、氧化钛(Ti203)、氧化钽(Ta205)、氧化铝等来形 成所述栅极绝缘层。可以通过热氧化处理、化学汽相淀积(CVD)处 理、溅射处理、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)处理、原子层 淀积(ALD)处理、高密度等离子体化学汽相淀积(HDP-CVD)处理 等来形成所述栅极绝缘层。可以使用掺杂质的多晶硅、金属或者金属 硅化物来形成所述栅极导电层。例如，可以使用钨(W)、铝(Al)、 钛(Ti)、钽(Ta)、硅化钨(WSi2)、硅化钛(TiSi2)、硅化钴(CoSi2) 等来形成所述栅极导电层。可以通过CVD处理、溅射处理、PECVD处 理、ALD处理等来形成所述栅极导电层。可以使用具有相对于所述栅 极导电层和栅极绝缘层的蚀刻选择性的材料来形成所述栅极掩模层。 可以使用氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)或者金属氮氧化物来形 成所述栅极掩模层。可以通过CVD处理、溅射处理、PECVD处理、八LD 处理等来形成所述栅极掩模层。可以至少部分地去除所述栅极绝缘层、栅极导电层和栅极掩模层 以分别形成栅极掩模312、栅极电极309和栅极绝缘层图案306。第一绝缘层可以被形成在半导体衬底300上以覆盖所述栅极掩模 312、栅极电极309和栅极绝缘层图案306。可以使用氮化硅来形成所述 第一绝缘层。可以至少部分地去除所述第一绝缘层以在栅极掩模312、 栅极电极309和栅极绝缘层图案306的侧壁上形成栅极隔离物315。可以 通过各向异性蚀刻处理来形成所述栅极隔离物315。因此，可以在半导 体衬底300上形成包括栅极绝缘层图案306、栅极电极309、栅极掩模312 和栅极隔离物315的栅极结构318。可以使用所述栅极结构318来作为注入掩模向半导体衬底300中注 入杂质，以在所述半导体衬底300的上部形成第一杂质区321和第二杂 质区324。结果，可以在半导体衬底300上形成包括栅极结构318和第一和第二杂质区321和324的晶体管。所述第一和第二杂质区321和324可 以作为源极/漏极区域。参见图8，可以在半导体衬底300上形成第一绝缘夹层327以覆盖所 述晶体管。可以使用掺杂硼磷的硅玻璃(BPSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、 四乙基原硅酸盐(TEOS)、等离子体增强的四乙基原硅酸盐 (PE-TEOS)、未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)、可流动的氧化物(FOx)、 旋涂玻璃(SOG) 、 HDP-CVD氧化物等来形成所述第一绝缘夹层327。 可以通过CVD处理、PECVD处理、ALD处理、HDP-CVD处理等来形成 所述第一绝缘夹层327。可以至少部分地去除所述第一绝缘夹层327，以通过其形成第一接 触孔330和第二接触孔333。所述第一接触孔330暴露于第一杂质区321， 所述第二接触孔333暴露于第二杂质区324。第一导电层336可以被形成在第一和第二杂质区321和324以及第 一绝缘夹层327上，以填充所述第一和第二接触孔330和333。可以使用 掺杂质的多晶硅、金属或者导电金属氮化物来形成所述第一导电层 336。可以通过溅射处理、CVD处理、PECVD处理、ALD处理、电子束 淀积(EBD)处理，或者脉冲激光淀积(PLD)处理来形成所述第一导 电层336。例如，可以使用钨、钛、氮化钛(TiN)、铝、氮化钛铝(TiAlN)、 氮化钨(WN)、氮化铝(A1N)等来形成所述第一导电层336。参见图9，可以通过化学机械抛光(CMP)处理、深腐蚀处理或者 CMP和深腐蚀的组合处理来至少部分地去除所述第一导电层336，直到 暴露所述第一绝缘夹层327。因此，可以分别在所述的第一和第二接触 孔330和333中形成第一接触339和第二接触342。可以在第一杂质区321 上形成第一接触339，并且可以在第二杂质区324上形成第二接触342。可以在所述的第一和第二接触339和342以及所述第一绝缘夹层327上形成第二导电层345。可以通过溅射处理、CVD处理、PECVD处 理、ALD处理、EBD处理、PLD处理等来形成所述第二导电层345。例 如，可以使用钨、钛、氮化钛、铝、氮化钛铝、氮化钨、氮化铝等来 形成所述第二导电层345。在所述第二导电层345上形成第二绝缘层后，可以至少部分地去除 所述第二绝缘层以在所述第二导电层345上形成第一绝缘层图案348和 第二绝缘层图案349。可以通过CVD处理、PECVD处理、ALD处理、 HDP-CVD处理等，使用氮化物或者氮氧化合物而形成所述第二绝缘层。 可以在第二导电层345的一部分上形成所述第一绝缘层图案348，在所 述第二导电层345之下，可以形成所述第一接触339，可以在第二导电 层345的一部分上形成所述第二绝缘层图案349，在所述第二导电层345 之下，可以形成所述第二接触342。参见图IO，可以使用所述的第一和第二绝缘图案348和349作为蚀 刻掩模通过蚀刻处理而至少部分地去除所述第二导电层345，以形成垫 351和下金属布线352。可以在所述第一接触339和所述第一绝缘夹层 327上形成所述垫351，并且可以在所述第二接触342和所述第一绝缘夹 层327上形成下金属布线352。因此，所述垫351可以通过第一接触339 电连接到所述第一杂质区321，并且下金属布线352可以通过第二接触 342电连接到所述第二杂质区324。可以在所述第一绝缘夹层327上形成第二绝缘夹层354，以覆盖第 一和第二绝缘层图案348和349。可以使用BPSG、PSG、TEOS、PE-TEOS、 USG、 FOx、 SOG、 HDP-CVD氧化物等来形成所述第二绝缘夹层354。 可以通过CVD处理、PECVD处理、ALD处理、HDP-CVD处理等来形成 所述第二绝缘夹层354。可以通过CMP处理、深腐蚀处理、或者CMP和深腐蚀的组合处理 来至少部分地去除所述第二绝缘夹层354，直到暴露所述的第一和第二绝缘层图案348和349。例如，可以使用包括诸如硅石的研磨剂的泥浆 来部分地去除所述第二绝缘夹层354，所述研磨剂具有在氧化物和氮化 物的蚀刻选择性之间的高蚀刻选择性。可以在所述第二绝缘夹层354与所述第一和第二绝缘层图案348和 349上形成第三绝缘层357。可以使用BPSG、 PSG、 TEOS、 PE-TEOS、 USG、 FOx、 SOG、 HDP-CVD氧化物等来形成所述第三绝缘层357。可 以通过CVD处理、PECVD处理、ALD处理、HDP-CVD处理等来形成所 述第三绝缘层357。可以在所述第三绝缘层357上形成牺牲层360。可以通过CVD处理、 PECVD处理、ALD处理、HDP-CVD处理等来形成所述牺牲层360。参见图11，可以至少部分地去除所述的牺牲层360、第三绝缘层357 和第一绝缘层图案348以通过其形成下孔361。可以在所述垫351和所述牺牲层360上形成第四绝缘层以填充所述 下孔361。可以通过各向异性蚀刻处理来至少部分地去除所述第四绝缘 层，以形成预备的隔离物363和所述下孔361的侧壁。例如，可以使用 氮化硅来形所述成第四绝缘层。可以在垫351、预备隔离物361和牺牲层360上形成第三导电层366， 以填充所述下孔361。可以使用金属、金属氮化物、金属硅氮化物、掺 杂质的多晶硅等来形成所述第三导电层366。例如，可以使用下述材料 形成所述第三导电层366:钨、氮化钨、钛、氮化钛、钽、氮化钽(TaN)、 氮化钼(Mo2N)、氮化铌(NbN)、氮化钛硅(TiSiN)、铝、氮化铝、 氮化钛铝、氮化钛硼(TiBN)、氮化锆硅(ZrSiN)、氮化钼硅(MoSiN)、 氮化钼铝(MoAlN)、氮化钽硅(TaSiN)等。可以通过溅射处理、CVD 处理、PECVD处理、ALD处理、EBD处理、PLD处理等来形成所述第 三导电层366。参见图12，可以通过CMP处理和/或深腐蚀处理来至少部分地去除 所述第三导电层366，直到可以暴露所述牺牲层360以形成预备的底电 极372。可以通过深腐蚀处理去除所述牺牲层360，直到暴露所述第二绝缘 层357。因此，预备底电极372和预备隔离物369可以突出到所述第二绝 缘层357之上。参见图13，可以通过CMP处理来去除所述的预备底电极372和预备 隔离物369的突出部分，以在所述垫351上形成底电极375和隔离物378。 例如，可以使用包括诸如硅的研磨剂的泥浆来去除所述的预备底电极 372和预备隔离物369，所述研磨剂具有在氧化物和氮化物的蚀刻选择 性之间的高蚀刻选择性。当形成所述的底电极375和隔离物378时，可 以至少部分地去除所述第二绝缘层357。可以在所述的底电极375、隔离物378和第二绝缘层357上形成包括 GST的相变材料层385。可以使用包括锑和碲的硫族化物目标、通过溅射处理形成所述相 变材料层385。在所述溅射处理中，可以在碲可以挥发，而锑不能挥发 的温度下，通过将来自所述硫族化物目标的粒子淀积在所述衬底上而 形成所述相变材料层385。所述相变材料层385可以具有硫族化物材料， 所述硫族化物材料可以包括大约5-50%重量的碲。可以在氮气和氩气的 气氛下在大约250-350。C的温度执行所述溅射处理。可以通过参见图3图解的方法来形成所述相变材料层385，因此， 在此省略具体方法。参见图14，可以在所述相变材料层385上形成第四导电层385。可以通过溅射处理、CVD处理、PECVD处理、ALD处理、EBD处理、PLD 处理等来形成所述第四导电层385。可以使用金属、金属氮化物、掺杂 质的多晶硅等来形成所述第四导电层385。例如，可以使用钨、钛、氮 化钛、铝、氮化钛铝、氮化钨、氮化铝、掺杂质的多晶硅等来形成所 述第四导电层385。可以通过光刻处理来部分地蚀刻所述第四导电层385和所述相变 材料层385，以分别形成上电极390和相变材料层图案387。可以在所述 的底电极378、隔离物375和第二绝缘层357上形成所述相变材料图案 387。可以在所述相变材料图案387上形成上所述电极390。可以在所述第二绝缘夹层357上形成第三绝缘夹层393，以覆盖所 述的上电极390和相变材料层图案387。可以通过CVD处理、PECVD处 理、ALD处理、HDP-CVD处理等来形成所述第三绝缘夹层393。可以通过所述第三绝缘夹层393形成第三孔394以暴露所述上电极 390。可以在上电极3^)上形成第三接触396以填充所述第三孔394，并 且可以在第三接触396和第三绝缘夹层393上形成上布线399。可以一体 地形成所述的第三接触396和上金属布线399。可以使用钨、钛、氮化 钛、铝、氮化钛铝、氮化钨、氮化铝、掺杂质的多晶硅等来形成所述 的第三接触396和上金属布线399。以下，通过与比较示例相比较而详细说明示例。但是，本发明不 限于所述示例，并且各种修改是可能的。示例l使用具有化学式Ge2Sb2Te5的硫族化物目标通过溅射处理来形成 具有大约97.5%重量的硫族化物材料和大约2.5%重量的氮的相变材料 层。在所述溅射处理中，将大约500 W的功率电平施加到所述硫族化物 百标，保持衬底的温度在大约300。C，并且向所述衬底提供具有大约50sccm流率的氩气和具有大约27 sccm流率的氮气。在相变材料层中的所 述硫族化物材料包括大约49%重量的碲。示例2在除了提供具有大约32 sccm流率的氮气之外与示例l基本上相同 的条件下，形成具有大约97.0%重量的硫族化物材料和大约3.0%重量的 氮的相变材料层。在相变材料层中的所述硫族化物材料具有大约47%重 量的碲。示例3在除了提供具有大约37 sccm流率的氮气之外与示例l基本上相同 的条件下，形成具有大约96.4%重量的硫族化物材料和大约3.6%重量的 氮的相变材料层。在相变材料层中的所述硫族化物材料具有大约45%重 量的碲。示例4在除了提供了具有大约37 sccm流率的氮气之外与示例l基本上相 同的条件下，形成具有大约93.2%重量的硫族化物材料和大约6.8%重量 的氮的相变材料层。在相变材料层中的所述硫族化物材料具有大约30% 重量的碲。比较示例在除了没有提供氮气之外与示例l基本上相同的条件下，形成具有 包括大约56%重量的碲的硫族化物材料的相变材料层。相变材料层的构成比的评估图15是分别图解出在示例1、 2、 3和4以及比较示例中呈现的相变 材料层中的氮含量和硫族化物材料的构成比的图表。通过X射线荧光分 析器来测量所述的氮含量和构成比。参见图15，示例l中的硫族化物材料的锗、锑、碲的构成比大约为1:1:1.9。所述硫族化物材料具有大约49%重量的碲。示例2中的硫族化 物材料的锗、锑、碲的构成比大约为1:1:1.8。所述硫族化物材料具有大 约47%重量的碲。示例3中的硫族化物材料的锗、锑、碲的构成比大约 为1:1:1.6。所述硫族化物材料具有大约45%重量的碲。示例4中的硫族 化物材料的锗、锑、碲的构成比大约l:l:l。所述硫族化物材料具有大 约30°/。重量的碲。比较示例中的硫族化物材料的锗、锑、碲的构成比大 约为1:1:2.5。所述硫族化物材料具有大约56%重量的碲。因此，当利用增加的氮气流率通过溅射处理在碲可以挥发的大约 300CC下形成相变材料层时，所述相变材料层可以具有提高的氮含量， 并且碲的重量含量降低大约36%。相变材料层的可靠性评估图16是图解包括示例3中的相变材料层的存储单元的疲劳特性的 图表。在图16中，x轴表示存储单元的重写周期的数量，y轴表示分别 处于非晶状态D1和结晶状态D0的存储单元的电阻。参见图16，包括示例3中的所述相变材料层的存储单元在执行大约 2乂105个运行周期之前具有恒定的电阻，而包括比较示例中的所述相变 材料层的存储单元在执行大约1X10S个运行周期之前具有恒定的电阻。 因此，包括示例3中的所述相变材料层的存储单元具有令人满意的疲劳 特性。图17是图解包括示例3中的所述相变材料层的存储单元的数据保 持特性的图表。参见图17，包括示例3中的相变材料层的存储单元在大约130。C的 温度下分别执行4小时、12小时、24小时和36小时的热处理后具有期望 的数据保持特性。在这种情况下，如果存储单元在大约130。C的温度将数据保持36小时，则所述存储单元可以在大约90。C的温度所述将数据 保持10年。按照本发明的一些实施例，在这样的一个温度下使用氩气和氮气 来执行溅射处理，以形成相变材料层，所述相变材料层具有杂质和包 括大约30-50%重量的碲的硫族化物材料，在所述温度下，。所述相变 材料层可以具有小于大约50%重量的碲，使得所述相变材料层可以具有 期望的电特性。上述描述是本发明的示例性说明，而不会被理解为对本发明的限 定，对于所公开的实施例以及其它实施例的修改意欲被包括在所附的 权利要求的范围内。本发明通过下文的权利要求来限定，并且所述权 利要求的等同物都包含在其中。
权利要求
1.一种形成相变材料层的方法，所述方法包括在一温度下提供衬底和硫族化物目标，所述硫族化物目标包括锗(Ge)、锑(Sb)和碲(Te)，在所述温度，碲挥发，而锑不挥发；以及执行溅射处理以在所述衬底上形成包括硫族化物材料的所述相变材料层。
2. 按照权利要求l的方法，其中，所述硫族化物材料包括大约 5-50%重量的碲。
3. 按照权利要求l的方法，其中，所述碲的重量含量小于大约50%。
4. 按照权利要求l的方法，其中，所述温度在大约250。C到大约 350。C的范围内。
5. 按照权利要求l的方法，其中，所述硫族化物材料包括选自下 组的至少一个，所述组包括锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)、砷-锑-碲(As-Sb-Te)、 砷-锗-锑-碲(As-Ge-Sb-Te )、锡-锑-碲(Sn-Sb-Te )、铟-锑-碲(In-Sb-Te)、 银-铟-锑-碲(Ag-In-Sb-Te) 、 15族中的元素-锑-碲(15族元素-Sb-Te)、 16族中的元素-锑-碲(16族元素-Sb-Te)。
6. 按照权利要求l的方法，其中，执行所述溅射处理包括 将所述硫族化物目标的粒子淀积在所述衬底上以形成预备的硫族化物材料；以及挥发包括在所述预备的硫族化物材料中的碲的至少一些部分以形 成包括大约5-50%重量的碲的随后的硫族化物材料。
7. 按照权利要求l的方法，其中，所述硫族化物目标是Ge2Sb2Te5。
8.按照权利要求l的方法，其中，所述硫族化物目标包括包括碲化锗(GeTe)的第一目标以及包括碲化锑(Sb2Te3)的第二目标。
9. 按照权利要求l的方法，其中，所述硫族化物材料包括大约 25-35%重量的锗、大约25-35%重量的锑和大约30-50%重量的碲。
10. 按照权利要求l的方法，其中，所述硫族化物目标还包括杂质， 所述杂质包括选自下组中的至少一个，所述组包括氧(0)、硅(Si) 和碳(C)。
11. 按照权利要求10的方法，其中，所述相变材料层包括大约 86-98%重量的硫族化物材料，其中，所述硫族化物材料包括大约25-35% 重量的锗、大约25-35%重量的锑、大约30-50%重量的碲、和大约2-14% 重量的杂质。
12. 按照权利要求l的方法，其中，执行所述溅射处理包括 将氩气和氮气引入具有所述衬底和所述硫族化物目标的环境中；以及将所述氩气和所述氮气激发到等离子体状态。
13. 按照权利要求12的方法，其中，所述氩气和氮气具有大约1:0.3 到大约1:2.0的流率比。
14. 按照权利要求ll的方法，其中，所述相变材料层包括大约 90-98%重量的硫族化物材料，其中，所述硫族化物材料包括大约25-35% 重量的锗、大约25-35%重量的锑、大约30-50%重量的碲、和大约2-10%重量的氮。
15. 按照权利要求l的方法，其中，将所述相变材料层的厚度形成为大约70到大约120 nm。
16. —种制造相变存储器的方法，所述方法包括 在位于室中的衬底上形成下电极，所述室中具有硫族化物目标，所述硫族化物目标包括锗、锑和碲；提供一温度，在所述温度，碲挥发，而锑不挥发； 执行溅射处理以在所述衬底上形成包括所述硫族化物的相变材料层；以及在所述相变材料层上形成上电极。
17. 按照权利要求16的方法，其中，所述硫族化物材料包括大约 5-50%重量的碲。
18. 按照权利要求16的方法，其中，所述温度在大约250。C到大约 350。C的范围内。
19. 按照权利要求16的方法，其中，所述硫族化物目标包括包 括碲化锗(GeTe)的第一目标以及包括碲化锑(Sb2Te3)的第二目标。
20. 按照权利要求16的方法，其中，所述硫族化物目标还包括杂 质，所述杂质包括选自下组中的至少一个，所述组包括氧(0)、硅(Si)和碳(C)。
全文摘要
本发明提供了形成相变材料层的方法，所述方法包括在一温度下提供衬底和硫族化物目标，所述硫族化物目标包括锗(Ge)、锑(Sb)和碲(Te)，在所述温度，碲挥发，而锑不挥发；以及，执行溅射处理以在所述衬底上形成包括硫族化物材料的所述相变材料层。还提供了使用所述相变材料层来制造相变存储器的方法。
文档编号H01L45/00GK101271961SQ200810083078
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月21日 优先权日2007年3月21日
发明者吴圭焕, 姜信在, 朴仁善, 林炫锡, 金度亨 申请人:三星电子株式会社