专利名称：形成相变材料的装置以及制造相变存储器的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体存储技术，尤其是相变存储技术。
背景技术：
相变材料结构状态的改变将伴随着电阻的变化，所述电阻可以在很大范围内发生 变化，其变化幅度可以达到多个数量级。基于上述原理，现有技术中存在采用相变材料制成 的相变存储器。相变存储器在工作时，通过从外部施加条件，使相变材料在不同的结构状态 之间进行可逆转换，导致相变材料导电性能发生相应的改变，从而实现数据的读写操作。例 如，当相变材料处于结晶状态时，其表现为电导体，电阻较低，此时相变存储器赋值为“0” ； 而当相变材料转变为非晶态时，其表现为绝缘体，电阻较高，此时相变存储器赋值为“ 1”，从 而实现对数据信息的存储。相对于传统闪存而言，相变存储器不仅具有非易失性的优点，而且在写入速度、读 写寿命和功耗上具有明显优势，另外相变存储器还可缩小到很小的尺寸，可实现在不改变 存储器器件结构的情况下大幅度提高存储器的容量。而相变存储器存储状态的转变受到相 变材料自身物理性质的限制，对相变材料的种类或性质的改变可影响到相变存储器的存储 性能，因此人们对相变材料进行了广泛的关注和大量的研究。现有技术中，所采用的相变材料通常为硫族化物(chalcogenide)，即至少具有锗 (Ge)、砷(As)、硅(Si)、锑(Sb)和碲(Te)之一的硫属合金形成的材料。由于硫族化物存在 于至少两种不同分类的相中，例如表现为绝缘体的非晶态和表现为电阻的晶态，通过控制 热量，可使相变材料实现状态之间的逆转。理论上，通过向相变材料加入例如包含Si、N、C等掺杂离子，可调整并控制所述相 变材料状态变换的临界温度。目前对相变材料的研究，大多专注于包含Si、N、C等掺杂离子 的硫族化物，例如，专利号为7518007的美国专利中公开了一种相变存储材料包括Ge，N， Si. Ge[N(SiR1R2R3)2]4,申请号为20060172067的美国专利申请也公开了一种相变存储材料 包括:Sb (N (CH3)2) 3 禾口 Te (CH (CH3)2) 2 ο然而，目前相变存储器中所采用的相变材料都为固态材料，固态的相变材料使得 对掺杂离子的浓度控制比较困难。另外，含氢的硫族化物虽然在常温下以气态形式存在，例 如碲化氢(TeH2)、锑化氢(SbH3)和锗化氢(GeH4)等，便于杂质离子的分离与浓度控制，但由 于其大多性质不稳定，易分解，使得其应用受到极大的限制，从未被作为相变材料以及应用 于相变存储器的制备。
发明内容
本发明解决的问题是提供了一种形成相变材料的装置以及制造相变存储器的系 统，形成可对其中的掺杂离子浓度进行控制的相变材料以及应用该相变材料的相变存储
ο为解决上述问题，本发明提供了一种形成相变材料的装置，其中，所述相变材料为气态的含氢硫族化物，所述装置至少包括反应室，用于承载第一反应物以及提供反应场所 以产生所述相变材料；牵引控制单元，用于牵引第二反应物，使其在所述反应室中与所述第 一反应物进行反应并控制两者的反应速度。本发明还提供了一种应用上述形成相变材料的装置的制造相变存储器的系统，其 特征在于，还包括沉积装置，用于与所述形成相变材料的装置相连接，接收其输出的作为相 变材料的气态的硫族化物，并根据所述相变材料，形成相变存储器的相变材料层；其中，所 述沉积装置接收气体的传输管道上具有多个输送气体的分支管道，用于对多种气态的硫族 化物和掺杂气体进行分离和浓度控制。与现有技术相比，本发明具有以下优点通过应用所述形成相变材料的装置，获得 气态的相变材料，并使所述形成相变材料的装置与沉积装置邻近放置，减少了作为所述相 变材料的含氢的硫族化物的分解，以保证了所述相变材料被应用于制备相变存储器的过程 中保持稳定。此外，本发明还通过在所述沉积装置中设置各个分支管道以及对应的控制阀门， 实现对每一种相变材料气体或掺杂气体的浓度的单独控制，从而可以满足形成各种相变层 以及进行不同掺杂的要求。
图1是本发明形成相变材料的装置实施方式的结构示意图；图2是图1所示牵引控制单元实施方式的结构示意图；图3是图2所示控制单元实施方式的结构示意图；图4是本发明形成相变材料的装置具体实施例中控制单元的结构示意图；图5是图1所示温度控制单元实施方式的结构示意图；图6是本发明形成相变材料的装置另一种实施方式的结构示意图；图7是本发明形成相变材料的装置又一种实施方式的结构示意图；图8是本发明制造相变存储器的系统实施方式的结构示意图；图9是图8所示沉积装置实施方式的结构示意图；图10是本发明制造相变存储器的系统另一种实施方式的结构示意图。
具体实施例方式由于在传统的相变材料制作以及相变存储器的制作中，相变材料以固态形式存 在，使得分离其中所含的杂质离子或者控制杂质离子的浓度变得极为困难，从而影响相变 材料状态转换温度以及相变存储器的存储性能，对此，发明人采用在常温下以气态形式存 在的含氢的硫族化物作为相变材料并将其应用于相变存储器，在此基础上，本发明实施方 式针对该全新的相变材料构成及制作过程，提供了一种形成相变材料层的装置以及制造相 变存储器的系统，保证了含氢的硫族化物在被产生及作为所述相变材料被应用于制备相变 存储器的过程中保持稳定，并且便于多种含氢的硫族化物以及杂质离子的混合使用及相应 的浓度控制。参考图1，本发明实施方式提供了 一种形成相变材料的装置，所述相变材料为含氢 的硫族化物，其中，所述装置包括反应室101，用于承载第一反应物110以及提供反应场所以产生所述相变材料；牵引控制单元102，用于牵引第二反应物120，使其在反应室101中与 第一反应物110进行反应并控制两者的反应速度；温度控制单元103，用于控制反应室101 内的反应温度。下面结合附图和具体实施例，对本发明的实施方式作进一步详细说明。采用本发明形成相变材料的装置的实施方式所产生的相变材料可为气态的含氢 硫族化物；反应室101可具有承液槽，用于装载液态的第一反应物110，第一反应物110可 为液态的还原剂，例如酸溶液或硼氢化钾溶液；牵引控制单元102可包含用于牵引固态的 第二反应物120的部件，第二反应物120可为含至少具有锗、砷、硅、锑和碲之一离子的固 态盐；反应室101中的反应压强可为0-1个标准大气压(atm)，且反应温度为20-80摄氏度 (°C )。第二反应物120在牵引控制单元102的牵引作用下，与第一反应物110相接触以 发生反应，并由牵引控制单元102控制其与第一反应物110的接触面积以控制两者的反应 速度。参考图2，牵引控制单元102具体来说可包括控制单元210，用于产生对第二反应物 120与第一反应物110的接触面积进行调整的调节信号；连接部件230，用于连接并牵引第 二反应物120 ；调节执行部件220，用于根据所述调节信号，调节连接部件230。在一种实施方式中，参考图3，控制单元210可包括测量单元211，用于测量反应室 101中的压强；调节信号产生单元212，用于根据所述压强，产生所述调节信号。由于气态的 含氢硫族化物在高压下容易分解，因此应尽可能避免反应室101中压强过大。当测量单元 211测量出反应室101中的压强增大并超过预定阈值时，调节信号产生单元212产生负向的 调节信号，调节执行部件220在所述负向的调节信号的控制下，通过控制与第二反应物120 连接的连接部件230，减少第二反应物120与第一反应物110的接触面积；反之，当测量单 元211测量出反应室101中的压强减小时，调节信号产生单元212产生正向的调节信号，调 节执行部件220通过控制与第二反应物120连接的连接部件230，增加第二反应物120与第 一反应物110的接触面积。在一种具体实施例中，参考图4，控制单元210可包括测量仪301，用于测量反应室 101中的反应压强；测量管道302，其两端分别与反应室101和测量仪302相连；阀门303， 控制测量管道303的打开和关闭；比较控制电路304，根据测量仪301的测量结果，产生控 制信号；以及伸缩臂305，其一端与第二反应物120相连接，根据所述控制信号，控制第二反 应物120与第一反应物110的接触面积。在工作过程中，阀门303打开，测量仪301通过测 量管道302对反应室101内的反应压强进行测量。当测量仪301测量出反应压强超过预定 压强值时，比较控制电路304控制伸缩臂305收缩，使第二反应物120在反应室101中的高 度提升，从而使第二反应物120与第一反应物110的接触面积减少，进而减缓反应速度；当 测量仪301测量出反应压强不足预定压强值时，比较控制电路304控制伸缩臂305伸展，使 第二反应物120在反应室101中的高度降低，从而使第二反应物120与第一反应物110的 接触面积增加，加速反应。在其它实施方式中，还可采用其它的机械方式替代伸缩臂，例如弹簧等；比较控制 电路中的控制部分也可由机械控制结构完成。采用其它电气或机械或电子与机械相结合的 方式，实现控制单元对第二反应物与第一反应物接触面积的控制，并不对本发明构思造成影响。
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参考图5，温度控制单元103可包括测量单元131，用于测量反应室101中的反应 温度；调节单元132，用于根据测量结果，对反应室101中的反应温度进行调节。
在本发明形成相变材料的装置的一个具体实施例中，反应室101底部具有承液 槽，用于装载第一反应物110，第一反应物110可为浓度低于25%的稀盐酸(HC1)，例如 7% -10%的HC1。第二反应物120为镁或铝的碲化物，例如三碲化铝(Al2Te3)固体；第二反 应物120通过牵引控制单元102悬挂于反应室101内。在牵引控制单元102的作用下，降 低第二反应物120在反应室101内的高度，使其与第一反应物110项接触，并在反应室101 中发生如式(1)所示的反应，以产生相变材料，即碲化氢(H2Te)气体Al2Te3+6HCl — 3H2Te+2AlCl3 (1)其中，由于H2Te气体较易分解，因此使反应压强低于latm，以促进上述反应的正 向进行，获得较多的H2Te气体；为防止HCl气体的挥发，可将反应温度设置为20°C -80°C之 间，例如400C ο在其它实施方式中，参考图6，本发明形成相变材料的装置还可包括压强控制单元 105，用于对所形成的气态硫族化物的输出压强进行控制。由于所述气态的硫族化物性质不 稳定，较易分解，可通过对其输出压强进行控制，从而抑制其分解，例如将其输出压强设置 为 0. 1-0. 5 托(Torr)。并且，参考图7，本发明形成相变材料的装置还可包括净化单元104，连接于反应 室101和压强控制单元105之间，用于对所形成的气态硫族化物进行净化，过滤其中的杂质 气体。所述净化单元可采用现有技术所涵盖的净化装置，在此不再赘述。在上述本发明形成相变材料的装置的各种实施方式中，可采用氮气或氩气作为载 气，载气流量可为100 500mL/min。气体的传输管道可采用硅橡胶管。本领域技术人员根 据实际设计需要，可在现有技术范围内对所采用的载气种类、流量以及气体传输管道的种 类进行变换和更替，其不影响本发明构思。上述本发明形成相变材料的装置的各种实施方式采用牵引控制单元牵引第二反 应物与第一反应物进行反应，产生气态的含氢硫族化物，以作为相变材料而且通过控制反 应温度以及反应压强，抑制气态的含氢硫族化物的分解，保证了所述相变材料的稳定。在此 基础上，本发明形成相变材料的装置的实施方式还通过牵引控制单元对第二反应物与第一 反应物接触面积的控制，来实现对其反应产物形成速度的控制，便于对所述气态的含氢硫 族化物的应用和收集。此外，参考图8，本发明实施方式还提供了一种制造相变存储器的系统，包括上述 形成相变材料的装置410，用于形成并输出气态的含氢硫族化物，以作为相变材料，还包括 沉积装置420，用于与形成相变材料的装置410相连接，接收其输出的作为相变材料的气态 的硫族化物，并根据所述相变材料，形成相变存储器的相变材料层。其中，形成相变材料的装置401与沉积装置402邻近，以减少气态硫族化物的分 解。例如，形成相变材料的装置401的输出口与沉积装置402输入口之间的距离D可不超 过两米，在一种实施方式中，所述距离D可小于一米。沉积装置420可根据不同的相变材料层形成方法，相应地包括不同的反应室。例 如当采用化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)或离子增强原子层沉积(PEALD)或离子 增强化学气相沉积(PECVD)等方法进行，可分别采用CVD反应室或ALD反应室或PEALD反应室或PECVD反应室等。当沉积装置420为不同的相变材料层反应室时，可相应的具有不 同的反应温度，例如采用CVD方法沉积相变材料以形成相变存储器中的相变材料层时，其 反应温度可为250°C -400°C。在一种具体实施方式
中，参考图9，沉积装置420的反应室中可包括承载台422，已 形成有第一电极层的硅片421被放置于承载台422上。沉积装置420接收气体的传输管道 423上具有各个输送气体的分支管道，具体来说，分支管道501用于输送GeH4 ；分支管道502 用于输送SbH3 ；分支管道503用于输送H2Te ；分支管道504用于输送NH3 ；分支管道505用于 输送SiH4 ；各分支管道上可分别设有控制阀门，用于开启或关闭各传输管道中的气体输送。在一个实施例中，可采用H2Te、GeH4, SbH3作为相变材料以形成相变材料层，采用 NH3、SiH4作为掺杂气体；相应地，开启分支管道501-505的控制阀门，应用原子层沉积的方 法在第一电极层上进行沉积。在另一个实施例中，可采用H2Te、GeH4作为形成相变材料层 的材料气体，采用NH3、SiH4作为掺杂气体，则开启分支管道501、503、504和505的控制阀 门。在又一个实施例中，可采用H2Te、SbH3作为形成相变材料层的材料气体，采用NH3、SiH4 作为掺杂气体，则开启分支管道502、503、504和505的控制阀门。在又一个实施例中，可采 用GeH4、SbH3作为形成相变材料层的材料气体，采用NH3、SiH4作为掺杂气体，则开启分支管 道501、502、504和505的控制阀门。在又一个实施例中，可采用H2Te、GeH4, SbH3作为形成 相变材料层的材料气体，采用NH3作为掺杂气体，则开启分支管道501、502、503和504的控 制阀门。在又一个实施例中，还可采用H2Te、GeH4、SbHdt为形成相变材料层的材料气体，采 用SiH4作为掺杂气体，则开启分支管道501、502、503和505的控制阀门。各分支管道上还可分别设有流速控制器511-515，分别用于对各传输管道中所输 送的气体流速进行控制。在一种实施方式中，可通过各分支管道上的流速控制器511-515， 分别使H2Te的流量为300标准状态毫升/分(sccm)，GeH4的流量为500sCCm，SbH3的流量 为 400sccm，NH3 的流量为 50sccm，SiH4 的流量为 30sccm。在其它实施方式中，参考图10，所述制造相变存储器的系统还可包括等离子体增 强单元430，用于将各个气态的硫族化物以及掺杂气体进行等离子体增强，并将等离子体增 强后的各气态硫族化物及掺杂气体分别输出至对应的分支管道。本发明通过应用所述形成相变材料的装置，获得气态的相变材料，并使所述形成 相变材料的装置与沉积装置邻近放置，减少了作为所述相变材料的含氢的硫族化物的分 解，以保证了所述相变材料被应用于制备相变存储器的过程中保持稳定。此外，本发明通过在所述沉积装置中设置各个分支管道以及对应的控制阀门，实 现对每一种相变材料气体或掺杂气体的浓度的单独控制，从而可以满足形成各种相变层以 及进行不同掺杂的要求。虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但这些较佳实施例并非用以限定本发 明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各 种改正和补充，因此，本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。
权利要求
一种形成相变材料的装置，其特征在于，所述相变材料为气态的含氢硫族化物，所述装置至少包括反应室，用于承载第一反应物以及提供反应场所以产生所述相变材料；牵引控制单元，用于牵引第二反应物，使其在所述反应室中与所述第一反应物进行反应并控制两者的反应速度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应室至少包括承液槽，用于承载液态 的第一反应物。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一反应物为液态的还原剂。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一反应物为盐酸或磷酸溶液。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反应室中的反应压强为0-1个标准大气 压，反应温度为20-80摄氏度。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述牵引控制单元至少包括用于牵引固态 的第二反应物的部件。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二反应物为含至少具有锗、砷、硅、锑 和碲之一离子的固态盐。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二反应物为镁或铝的碲化物。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述牵引控制单元包括控制单元，用于产生对所述第二反应物与所述第一反应物的接触面积进行调整的调节 信号；调节执行部件，用于根据所述调节信号，调节所述第二反应物与所述第一反应物的接 触面积；连接部件，用于连接所述第二反应物与所述调节执行部件。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括测量单元，用于测量所述反应室中的压强；调节信号产生单元，用于根据所述压强，产生所述调节信号。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述牵引控制单元包括测量单元，用于测量所述反应室中的反应压强；控制单元，用于根据所述测量单元的测量结果，产生控制信号；调节部件，用于连接所述第二反应物，并根据所述控制信号，控制所述第二反应物与所 述第一反应物的接触面积。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括温度控制单元，用于控制所述反应 室内的反应温度。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述温度控制单元包括测量单元，用于测量所述反应室中的反应温度；调节单元，用于根据所述测量单元获得的结果，对所述反应室中的反应温度进行调节。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括压强控制单元，用于对所形成的气 态的硫族化物的输出压强进行控制。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括净化单元，连接于所述反应室和所 述压强控制单元之间，用于对所形成的气态硫族化物进行净化，过滤其中的杂质气体。
16.一种应用如权利要求1-15所述任一项形成相变材料的装置的制造相变存储器的 系统，其特征在于，还包括沉积装置，用于与所述形成相变材料的装置相连接，接收其输出 的作为相变材料的气态的硫族化物，并根据所述相变材料，形成相变存储器的相变材料层； 其中，所述沉积装置的接收管道上具有多个输送气体的分支管道，用于对多种气态的硫族 化物和掺杂气体进行分离和浓度控制。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述形成相变材料的装置的输出口与所 述沉积装置输入口之间的距离不超过两米。
18.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述沉积装置根据不同的相变材料层形 成方法，相应地包括不同的反应室。
19.如权利要求16所述的系统，其特征在于，还包括等离子体增强单元，用于将各个气 态的硫族化物以及掺杂气体进行等离子体增强，并将经等离子体增强后的各个气态硫族化 物及掺杂气体分别输出至对应的分支管道。
全文摘要
一种形成相变材料的装置以及制造相变存储器的系统，其中，所述相变材料为气态的含氢硫族化物，所述形成相变材料的装置至少包括反应室，用于承载第一反应物以及提供反应场所以产生所述相变材料；牵引控制单元，用于牵引第二反应物，使其在所述反应室中与所述第一反应物进行反应并控制两者的反应速度。本发明保证了含氢的硫族化物在被产生及作为所述相变材料被应用于制备相变存储器的过程中保持稳定，并且便于多种含氢的硫族化物以及杂质离子的混合使用及相应的浓度控制。
文档编号H01L45/00GK101958396SQ20091005494
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者三重野文健 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司