专利名称：：具有界面粘合加热层的可变电阻存储器装置、使用所述装置的系统及形成所述装置的方法
技术领域：
：本发明的实施例涉及半导体装置，且更特定来说涉及可变电阻存储器元件及形成所述可变电阻存储器元件的方法。
背景技术：
：非易失性存储器因其在无供电的情况下维持数据的能力而成为有用的存储装置。用于非易失性存储器单元中的一类可变电阻材料是相变材料，例如硫族化物合金，其能够稳定地在无定形与晶形相位之间转变。每一相位呈现特定的电阻状态且所述电阻状态区分用此类材料形成的存储器元件的逻辑值。具体来说，无定形状态呈现相对高的电阻，且晶形状态呈现相对低的电阻。实施为相变存储器元件1的常规可变电阻存储器图解说明于图1A及1B中，且经常在第一与第二电极2、4之间具有相变材料8层。第一电极2布置于介电材料6内。相变材料8根据施加在第一与第二电极2、4之间的电流量设定到特定电阻状态。为获得无定形状态(图1B)，施加通过相变存储器元件1的相对高的写入电流脉冲(重置脉冲)达第一时间周期以熔化相变材料8中覆盖第一电极2的至少一部分9。移除电流，且相变材料8迅速冷却到低于结晶温度的温度，此导致相变材料8的部分9覆盖具有无定形状态的第一电极2。为获得晶形状态(图1A)，向相变存储器元件l施加较低的电流写入脉冲(设定脉冲)达第二时间周期(持续时间通常比第一时间周期及无定形相变材料的结晶时间长)以将无定形部分9加热到低于其熔点但高于其结晶温度的温度。此致使相变材料8的无定形部分9再结晶为晶形状态，一旦移除电流且冷却相变存储器元件1即维持所述晶形状态。通过施加不会改变相变材料8的相位状态的读取电压来读取相变存储器元件1。由于晶形相变材料的低电阻率，可需要大的重置电流密度提供充足的电力来熔化所述相变材料。大的电流密度可导致导电材料中不期望的电迁移且可导致相变材料中的相位分离。另外，相变材料与其它层之间的弱粘合性可在相变存储器元件中引入长期可靠性问题。图1A及1B图解说明常规相变存储器元件。图2图解说明根据本发明实施例的相变存储器元件的部分截面图。图3A到3C图解说明描绘制作图2的相变存储器元件的方法的部分截面图。图4是显示根据本发明的一个方面的框图形式的电子系统的框图。具体实施例方式在以下详细说明中，参照本各种实施例。以充足的细节描述这些实施例以使所属领域的技术人员能够实践这些实施例。应理解，可采用其它实施例，且可作出各种结构、逻辑及电改变。以下说明中使用的术语"衬底"可包括任何支撑结构，其中包括但不限于具有暴露的衬底表面的半导体衬底。半导体衬底应被理解为包括硅、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅(SOS)、经掺杂及未经掺杂的半导体、由基础半导体基底支撑的硅垒晶层及其它半导体结构，其中包括由除硅以外的半导体制成的结构。当在以下说明中提及半导体衬底或晶片时，可能已利用先前的工艺步骤在基础半导体或基底中或上方形成了若干区或结。所述衬底无需基于半导体，但可以是适合支撑集成电路的任何支撑结构，其中包括但不限于金属、合金、玻璃、聚合物、陶瓷及所属技术中己知的任何其它支撑性材料。如上所述，包括相变存储器元件的可变电阻存储器装置使用相变材料的自我加热来引起无定形与晶形状态之间的相变。由于晶形相变材料的低电阻率，可需要大的重置电流密度提供充足的电力来熔化所述相变材料。大的电流密度可导致导电材料中不期望的电迁移且可导致相变材料中的相位分离。另外，相变材料与其它层之间的弱粘合性可在相变存储器元件中引入长期可靠性问题。高温循环及热致体积改变及应力可加剧所述问题。本文所揭示的实施例提供包括布置于电极与相变材料之间的界面粘合加热层的相变存储器装置。所述界面粘合加热层改善介电层与相变材料之间的粘合性且还充当局部化加热元件以向相变材料提供额外加热以辅助其自己的自我加热。来自所述界面粘合加热层的额外加热可降低通过三十多次引起相变所需要的重置电流，同时维持装置关断/接通电阻比率大于一百，此是期望的。装置关断/接通电阻比率是指关断状态(其中相变材料的一部分处于无定形状态)中的电阻比接通状态(其中相变材料处于晶形状态)中的电阻的比率。通过降低重置电流密度，可避免导电材料中不期望的电迁移及电阻可变材料中的相位分离。此外，由于界面粘合加热层的较低热传导率，可减轻热沉效应。现在参照图式解释实施例，其中相同的参考编号表示相同的特征。图2图解说明根据本发明的实施例构造的相变存储器元件10的部分截面图。存储器元件10可存储至少一个位，即逻辑1或0。存储器元件10由衬底20支撑。第一介电层22布置于衬底20上，且第一导电金200880017530.X属层15布置于第一介电层22内。导电金属层15可由任何合适的导电材料形成，例如氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiAlN)、钛-钩(TiW)、铂(Pt)或钩(W)及其它材料。导电金属层15的厚度可变化。在一个实施例中，导电金属层15可为约1000A厚。第二介电层24布置于第一介电层22上且底部电极12布置于第二介电层24内。底部电极12可由任何合适的导电材料形成，例如氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiAlN)、钛-钨(TiW)、铂(PO或钨(W)及其它材料。底部电极12可在大小上按比例縮小以降低所需的编程电流。可变电阻材料层18及顶部电极14的厚度也可在大小上按比例缩小以在大小上对应于底部电极12。在一个实施例中，底部电极12可以是插入式底部电极且在高度上可为约700A且可具有约400A或更小的直径。在其它实施例中，底部电极12可以是不同类型的电极，例如环形电极或线性电极。第三介电层26布置于第二介电层24上。界面粘合加热层13布置于底部电极12上且第二介电层24布置于第三介电层26中的开口36内。界面粘合加热层13可由将改善可变电阻材料层18与第二介电层24之间的粘合性及/或将提供足以提供局部化加热效应的电阻率的材料形成，例如富氮TaN、富氮TiAlN、AlPdRe、HfTe5、TiNiSn、PBTe、Bi2Te3、A1203、A-C、TiOxNy、TiAlxOy、SiOxNy或TiOx及其它材料。富氮TaN是TaNx,其中x大于1。可通过在TaN溅镀期间增加与Ar的流动速率成比例的N2的流动速率来形成富氮TaN。TaNx中x的值可根据应用需要而变化。TaNx中较大量的氮导致较高的电阻率。富氮TiAIN是TiAlNx，其中x大于l。可以与富氮TaN类似的方式产生富氮TiAlN。在一个实施例中，界面粘合加热层13的厚度范围可在约5A到约50A之间。在另一实施例中，界面粘合加热层13的厚度范围可在约20A到约50A之间。可变电阻材料层18布置于第三介电层26中的开口36内的界面粘合加热层13上。在所图解说明的实施例中，可变电阻材料层18是硫族化物材料，例如碲化锗锑，Ge2Sb2Te5(GST)。所述相变材料还可以是或包括其它相变材料，例如In-Se、Sb2Te3、GaSb、InSb、As國Te、Al隱Te、GeTe、Te-Ge-As、In隱Sb-Te、Te隱Sn-Se、Ge-Se誦Ga、Bi-Se-Sb、Ga画Se-Te、Sn國Sb-Te、In-Sb-Ge、Te-Ge-Sb-S、Te誦Ge隱Sn-O、Te-Ge國Sn-Au、Pd-Te-Ge-Sn、In隱Se隱Ti-Co、Ge-Sb-Te-Pd、Ge誦Sb-Te-Co、Sb-Te-Bi-Se、Ag-In-Sb-Te、Ge-Sb-Se-Te、Ge-Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn-Ni、Ge-Te-Sn-Pd及Ge-Te-Sn-Pt。图2显示相变存储器元件10，其处于其中可变电阻材料层18具有处于无定形状态的部分19而可变电阻材料层18的剩余部分处于晶形状态的状态。在一个实施例中，可变电阻材料层18可为约800A厚。顶部电极14布置于第三介电层26中的开口36内的可变电阻材料层18上。顶部电极14可由任何合适的导电材料形成，例如氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiAlN)、钛-钨(TiW)、铂(Pt)或钨(W)及其它材料。界面粘合加热层13、可变电阻材料层18及顶部电极14布置于第三介电层26中的开口36内，然而，顶部电极14也可经布置以在第三介电层26的顶部上方延伸。在一个实施例中，顶部电极14可为约600A厚。各种介电层22、24、26、27、28可由绝缘材料形成，例如，氧化物(例如，Si02)、硅氮化物(SiN)、氧化铝、高温聚合物、低介电材料、绝缘玻璃或绝缘聚合物。用于形成各种介电层22、24、26、27、28的介电材料在所述层之间可相同或不同。界面粘合加热层13改善第二介电层24与可变电阻材料层18之间的粘合性且因此可改善存储器元件10的长期可靠性，尤其在高温循环及热致体积改变及应力是装置处理或操作条件的组成方面时。上文已描述了额外优点。图3A到3C图解说明制作图2中所图解说明的相变存储器元件10的方法的一个实施例。本文中所述的任何动作不要求特定的次序，除了那些逻辑上需要前面动作的结果的动作外。因此，虽然将以下动作描述为按特定次序执行，但可视需要更改所述次序。如图3A中所示，通过任何合适的技术在衬底20上方形成第一介电层22。使用常规光刻、蚀刻、毯覆沉积及化学机械抛光(CMP)技术来在第一介电层22内形成第一导电金属层15。如图3B中所示，在第一介电层22及第一导电金属层15上方形成第二介电层24。通过任何合适的技术(举例来说，蚀刻)在第二介电层24中形成开口34，开口34在第一导电金属层15上方并与其对准。在所述开口内且与第一金属层15电接触地形成底部电极12。可使用化学机械抛光来在底部电极12的顶部表面上形成平坦的上部表面。如图3C中所示，依次在第二介电层24及底部电极12上方沉积界面粘合加热层13、可变电阻材料层18及顶部电极14。然后使用常规光刻及蚀刻技术蚀刻界面加热层13、可变电阻材料层18及顶部电极14以形成堆栈。在所述堆栈上方形成第三介电层26。可使用CMP技术暴露顶部电极14且平面化顶部电极14及介电层26的顶部表面。实例1.针对设定状态计算机建模使用1000A厚的GST相变材料而不具有界面粘合加热层的存储器元件的电阻。所述c-GST层具有7.5毫欧/厘米的电阻率。所述顶部电极为1000A厚的TiN。底部电极是高度为IOOOA且直径为50nm的TiN。处于设定状态的存储器元件的电阻约为200欧姆。实例2.针对设定状态计算机建模使用1000A厚的GST相变材料且具有界面粘合加热层的存储器元件的电阻。所述c-GST相变材料具有7.5亳欧/厘米的电阻率。20A厚的界面粘合加热层的电阻率为7500毫欧/厘米。顶部电极为1000A厚的TiN。底部电极是高度为1000A且直径为50nm的TiN。处于设定状态的存储器元件的电阻约为4,000欧姆。电流密度分布显示极少横向电流在界面粘合加热层中扩散，而c-GST相变材料中的电流分布类似于实例1的电流分布，从而表示所述界面粘合加热层将不影响编程体积的形状且将仅在底部电极上提供局部化的加热。由于其低热传导率，所述界面粘合加热层还充当热量隔离层以降低热量损失。实例3.针对重置状态计算机建模使用1000A厚的GST相变材料而不具有界面粘合加热层的存储器元件的电阻。c-GST相变材料的电阻率为7.5毫欧/厘米。a-GST相变材料的电阻率为7.5xl(^毫欧/厘米。顶部电极为1000A厚的TiN。底部电极是高度为1000A且直径为50nm的TiN。处于重置状态的存储器元f^的电阻约为2x106欧姆。在其扩散开之前，电流密度分布主要集中在300Aa-GST区域中。实例4.针对重置状态计算机建模使用1000A厚的GST相变材料且具有界面粘合加热层的存储器元件的电阻。c-GST相变材料的电阻率为7.5毫欧/厘米。a-GST相变材料的电阻率为7.5xl(^毫欧/厘米。20A界面粘合加热层的电阻率为7500毫欧/厘米。顶部电极为1000A厚的TiN。底部电极是高度为1000A且直径为50nm的TiN。处于重置状态的存储器元件的电阻约为2xl0S欧姆。与实例3类似，电流密度分布主要集中在300Aa-GST区域中。在界面粘合加热层中扩散的横向电流小，因此仅导致小的单元电阻改变。实例5.发明人进行纳米机械四点弯曲测量以确定可用于所述实施例中的各种材料之间的接合强度。结果包括在下表1中。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>图2仅描绘本文所述存储器元件10的实例。存储器元件10并入有界面粘合加热层13的其它设计也是可行的。举例来说，视用于特定存储器装置中的要求，可重新布置、省略或替代第一金属层15。实施例也可采用一个或一个以上其它可变电阻材料层作为可变电阻材料层18。可视需要修改各种层的厚度以计及元件的各种布置及所需电阻。其它可变电阻材料的实例包括例如金属掺杂的硫族化物玻璃及颁发给美光技术公司(MicronTechnology,Inc.)的各种专利及专利申请案中所述的那些可变电阻材料，所述专利及专利申请案包括但不限于以下各项美国专利申请案第10/765,393号；美国专利申请案第09/853,233号；美国专利申请案第10/022,722号；美国专利申请案第10/663,741号；美国专利申请案第09/988,984号；美国专利申请案第10/121,790号；美国专利申请案第09/941,544号；美国专利申请案第10/193,529号；美国专利申请案第10/100,450号；美国专利申请案第10/231,779号；美国专利申请案第10/893,299号；美国专利第10/077,872号；美国专利申请案第10/865,903号；美国专利申请案第10/230,327号；美国专利申请案第09/943,190号；美国专利申请案第10/622,482号；美国专利申请案第10/081,594号；美国专利申请案第10/819,315号；美国专利申请案第11/062,436号；美国专利申请案第10/899,010号；及美国专利申请案第10/796,000号，每一专利申请案的揭示内容均以引用方式并入本文中。图4图解说明实例性处理系统900，其利用包含如上文参照图2及图3A到3E所述构造的存储器元件10的阵列的电阻可变随机存取存储器装置840。处理系统900包括耦合到本地总线904的一个或一个以上处理器901。存储器控制器902及主总线桥接器903也耦合到本地总线904。处理系统900可包括多个存储器控制器902及/或多个主总线桥接器903。存储器控制器902及主总线桥接器903可集成为单个装置906。存储器控制器902还耦合到一个或一个以上存储器总线907。每一存储器总线接受存储器组件908，存储器组件卯8包括本文所述的至少一个存储器装置840。或者，在简化的系统中，可省略存储器控制器902且所述存储器组件直接耦合到一个或一个以上处理器901。存储器组件908可以是存储器卡或存储器模块。存储器组件908可包括一个或一个以上额外装置909。举例来说，额外装置909可以是配置存储器。存储器控制器902也可耦合到高速缓冲存储器905。高速缓冲存储器905可以是所述处理系统中的唯一高速缓冲存储器。或者，其它装置(例如)处理器901也可包括高速缓冲存储器，所述高速缓冲存储器可与高速缓冲存储器905形成高速缓存层级。如果处理系统900包括为总线主装置或支持直接存储器存取(DMA)的外围设备或控制器，那么存储器控制器902可实施高速缓存一致性协议。如果存储器控制器902耦合到多个存储器总线卯7，那么每一存储器总线907可并行操作，或不同的地址范围可映射到不同的存储器总线907。主总线桥接器903耦合到至少一个外围总线910。各种装置(例如，外围设备或额外的总线桥接器)可耦合到外围总线910。这些装置可包括存储控制器911、各种I/O装置914、二级总线桥接器915、多媒体处理器918及遗留装置接口920。主总线桥接器903还可耦合到一个或一个以上专用高速端口922。在个人计算机中，举例来说，所述专用端口可以是加速图形端口(AGP)，其用于将高性能视频卡耦合到处理系统900。存储控制器911经由存储总线912将一个或一个以上存储装置913耦合到外围总线910。举例来说，存储控制器911可以是SCSI控制器且存储装置913可以是SCSI磁盘。1/0装置914可以是任何种类的外围设备。举例来说，1/0装置914可以是局域网接口，例如以太网卡。二级总线桥接器可用于经由另一总线将额外装置介接到所述处理系统。举例来说，二级总线桥接器可以是用于将USB装置917耦合到处理系统900的通用串行总线(USB)端口控制器。多媒体处理器918可以是声卡、视频捕获卡或任何其它类型的媒体接口，其还可耦合到额外装置，例如扬声器919。遗留装置接口920用于将遗留装置921(例如，老式键盘及鼠标)耦合到处理系统卯O。图4中所图解说明的处理系统卯0仅为本文所述实施例可与其一同使用的实例性处理系统。尽管图4图解说明尤其适用于通用计算机(例如，个人计算机或工作站)的处理架构，但应认识到可进行众所周知的修改以将处理系统900配置成更适用于各种应用。举例来说，可使用较简单的架构实施需要处理的许多电子装置，所述架构依赖于耦合到存储器组件908及/或存储器元件10(图2)的CPU901。这些电子装置可包括但不限于音频/视频处理器及记录器、游戏控制台、数字电视机、有线或无线电话、导航装置(包括基于全球定位系统(GPS)及/或惯性导航的系统)以及数码相机及/或记录器。所述修改可包括(举例来说)消除不必要的组件、添加专用装置或电路及/或整合多个装置。仅可将以上说明及图式视为用于举例说明可实现本文中所述的特征及优点的特定实施例。虽然本文所述的实施例提供GST材料与电极之间的良好粘合性且还降低重置电流，但其也适用于改善使用硫族化物或其它材料作为可变电阻材料的其它可变电阻存储器装置中的层之间的粘合性。可对特定工艺条件及结构作出修改及替代。相应地，不应将所述实施例视为受限于前述说明及图式，而是其仅受所附权利要求书的范围的限定。权利要求1、一种电阻性存储器装置，其包含第一电极；界面粘合加热层，其具有耦合到所述第一电极的第一表面；电阻改变材料，其具有耦合到所述界面粘合加热层的第二表面的第一表面；及第二电极，其耦合到所述电阻改变材料的第二表面。2、根据权利要求1所述的电阻性存储器装置，其中所述界面粘合加热层由选自由TaN、TiAlN、AlPdRe、HfTe"T扁n、PBTe、Bi2Te3、A1203、A-C、TiOxNy、TiAlxOy、SiOxNy及TiOx组成的群组的至少一种材料形成。3、根据权利要求2所述的电阻性存储器装置，其中所述TaN是富氮TaN，且所述TiAlN是富氮TiAlN。4、根据权利要求1所述的电阻性存储器装置，其中所述界面粘合加热层的所述第一表面还耦合到介电层。5、根据权利要求4所述的电阻性存储器装置，其中所述介电层包含氧化物、氮化硅、氧化铝、高温聚合物、绝缘玻璃及绝缘聚合物中的至少一者。6、根据权利要求1所述的电阻性存储器装置，其中所述界面粘合加热层为约5埃到约50埃厚。7、根据权利要求1所述的电阻性存储器装置，其中所述电阻改变材料包含GST材料。8、根据权利要求1所述的电阻性存储器装置，其进一步包含耦合到所述第一电极的第一导电层及耦合到所述第二电极的第二导电层。9、根据权利要求1所述的电阻性存储器装置，其中所述第一电极及所述第二电极包含氮化钛、氮化铝钛、钛-钩、铂及钩中的至少一者。10、一种电阻性存储器装置，其包含第一电极；至少一个介电材料层，其在所述第一电极上方具有开口；界面粘合加热层，其在所述开口内且与所述第一电极接触；GST材料层，其在所述开口内且与所述界面粘合加热层接触；及第二电极，其与所述GST材料接触。11、根据权利要求10所述的电阻性存储器装置，其中所述第二电极布置于所述开口内。12、根据权利要求10所述的电阻性存储器装置，其中所述界面粘合加热层由选自由富氮TaN、富氮TiAlN、AlPdRe、HfTe5、TiNiSn、PBTe、Bi2Te3、A1203、A-C、TiOxNy、TiAlxOy、SiC^Ny及TiOx组成的群组的至少一种材料形成。13、根据权利要求10所述的电阻性存储器装置，其中所述界面粘合加热层为约5埃到约50埃厚。14、根据权利要求10所述的电阻性存储器装置，其中所述界面粘合加热层还耦合到介电层。15、一种电阻性存储器装置，其包含第一电极；界面粘合加热层，其具有与所述第一电极接触的第一表面，所述界面粘合加热层由选自由TaN、TiAlN、AlPdRe、HfTe5、TiNiSn、PBTe、Bi2Te3及A1203、A誦C、TiOxNy、TiAlxOy、SiOxNy及TiOx组成的群组的至少一种材料形成；GST材料，其具有与所述界面粘合加热层的第二表面接触的第一表面；及第二电极，其与所述GST材料的第二表面接触。16、根据权利要求15所述的电阻性存储器装置，其中所述第一电极由介电层包围且所述界面粘合加热层还耦合到所述介电层。17、根据权利要求16所述的电阻性存储器装置，其中所述介电层包含氧化物、氮化硅、氧化铝、高温聚合物、绝缘玻璃及绝缘聚合物中的至少一者。18、根据权利要求17所述的电阻性存储器装置，其中所述介电层包含SiN。19、根据权利要求15所述的电阻性存储器装置，其中所述界面粘合加热层为约5埃到约50埃厚。20、一种形成存储器元件的方法，所述方法包含形成第一电极；形成具有耦合到所述第一电极的第一表面的界面粘合加热层；形成具有耦合到所述界面粘合加热层的第二表面的第一表面的电阻改变材料层；及形成耦合到所述电阻改变材料层的第二表面的第二电极。21、根据权利要求20所述的方法，其中在所述界面粘合加热层、所述电阻改变材料层及所述第二电极周围形成介电层。22、根据权利要求20所述的方法，其中通过沉积并蚀刻界面加热层材料、电阻改变材料及第二电极材料来以堆栈形成所述界面加热层、所述电阻改变材料层及所述第二电极。23、根据权利要求21所述的方法，其中所述介电层包含氧化物、氮化硅、氧化铝、高温聚合物、绝缘玻璃及绝缘聚合物中的至少一者。24、根据权利要求20所述的方法，其中所述界面粘合加热层由选自由TaN、TiAlN、AlPdRe、HfTe"TiNiSn、PBTe、Bi2Te3、A1203、A-C、TiOxNy、TiAlxOy、SiOxNy及TiOx组成的群组的至少一种材料形成。25、根据权利要求20所述的方法，其进一步包含在所述第一电极周围形成介电层，其中所述界面粘合加热层的所述第一表面还耦合到所述介电层。26、根据权利要求20所述的方法，其进一步包含将所述界面粘合加热层形成为约5埃到约50埃的厚度。27、根据权利要求20所述的方法，其中所述电阻改变材料包含GST材料。全文摘要本发明揭示一种可变电阻存储器元件及形成所述可变电阻存储器元件的方法。所述存储器元件包括第一电极；具有耦合到所述第一电极的第一表面的电阻率界面层；具有耦合到所述电阻率界面层的第二表面的第一表面的电阻改变材料，例如相变材料；及耦合到所述电阻改变材料的第二表面的第二电极。文档编号H01L45/00GK101689602SQ200880017530公开日2010年3月31日申请日期2008年4月9日优先权日2007年5月25日发明者峻刘申请人:美光科技公司