存储元件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求法国专利申请号18/57391的优先权权益，其内容在此通过由法律可允许的最大程度而整体引用被并入。

本公开一般涉及存储元件，并且更具体地涉及相变存储元件。

背景技术：

相变材料是可以在热的作用下在结晶相和非晶相之间切换的材料。由于非晶材料的电阻显著大于晶体材料的电阻，因此这种现象可用于定义两个存储器状态(例如，0和1)，其由通过相变材料测量出的电阻区分。

相变存储元件的尺寸减小，并且更特别地，相变材料层的厚度和相变材料的体积的减小可以致使结晶温度的增加和处于非晶相的材料的热稳定性的增加。

存储元件中最常见的相变材料是由锗、锑和碲构成的合金。这种合金通常具有化学计量比例。具有非化学计量比例的合金可优于具有化学计量比例的合金，这是因为它们可以具有期望的特性，例如更高的结晶温度。然而，包括这种合金的存储元件的制造具有各种缺点。特别地，这种合金的结晶和/或相分离可能致使合金缺乏均匀性，这可能致使效率降低。

技术实现要素：

一个实施例克服了已知存储元件的全部或部分缺点。

一个实施例提供了一种相变存储元件，包括第一部分中的非晶层的堆叠，堆叠中的每层的厚度小于或等于5nm。

根据一个实施例，堆叠包括由不同材料制成的至少两个层的集合。

根据一个实施例，堆叠中的层由来自元素周期表的13、14、15和16族的化学元素或化学元素的合金制成。

根据一个实施例，堆叠包括第一层和第二层的交替，第一层和第二层由不同材料制成。

根据一个实施例，第一层由基于锗、锑和碲的合金制成，第二层由锑或锗制成。

根据一个实施例，堆叠中的每层的材料具有化学计量比例。

根据一个实施例，该元件包括在堆叠中的至少某些层处交叉的第二部分，其由堆叠中的层的组分中的至少一部分的合金制成。

根据一个实施例，第二部分的材料的比例不是化学计量的。

根据一个实施例，第一部分和第二部分被皮层分开，该皮层由堆叠中的层中的一层的材料制成。

根据一个实施例，该元件包括与第二部分接触的电阻元件。

根据一个实施例，第二部分的材料是相变材料。

根据一个实施例，堆叠的层的集合中的层被掺杂。

根据一个实施例，层的集合中的层掺杂有氮、碳和硅中的一种或多种掺杂剂。

根据一个实施例，层的集合中的层的掺杂是渐进的。

一个实施例提供了一种相变存储器单元，包括诸如前面描述的存储元件。

一个实施例提供了一种制造存储元件的方法，包括形成非晶层的堆叠，每层的厚度小于或等于5nm。

根据一个实施例，该方法包括加热堆叠的部分的步骤，使得该部分包括堆叠中的层的组分中的至少一部分的合金。

附图说明

前述的以及其他的特征和优点将在下面结合附图的特定实施例的非限制性描述中被详细讨论。

图1是存储元件的一个实施例的局部简化截面图；

图2示意性地和部分地示出了在制造图1的存储元件期间获得的结构；

图3示出了两种相变材料根据温度的电阻率；并且

图4是存储元件的另一个实施例的局部简化截面图。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的元件已经用相同的附图标记表示。特别地，不同实施例共有的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记表示，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。

为清楚起见，仅示出了并且详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，存储器单元包括例如选择元件的元件，(例如晶体管或电连接件)，这些将不再详述。

在整个本公开中，术语“连接”用于表示电路元件之间的直接电连接(除了导体之外没有中间元件)，而术语“耦合”用于表示可以是直接的电路元件之间的电连接，或者可以是经由一个或多个中间元件的电路元件之间的电连接。

在以下描述中，当提及限定绝对位置的术语(诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)或限定相对位置的术语(诸如术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)或者提及限定方向的术语(诸如术语“水平”、“垂直”等)时，除非另有说明，否则指代图的定向。

术语“约”，“基本上”，“近似”和“大约”在本文中用于表示所讨论的值的正负10％，优选地正负5％的公差。

图1是存储元件100的一个实施例的局部简化截面图。存储元件100例如被包括在相变存储器单元内。

存储元件100包括经由导电通孔104连接到选择元件(例如晶体管，未示出)的电阻元件102。电阻元件102例如具有l形截面，其水平部分与导电通孔104接触。电阻元件102和导电通孔104利用绝缘层106围绕。层106的厚度使得电阻元件的垂直部分的上表面与绝缘层106的上表面共面。选择元件位于层106下方。

存储元件100还包括搁置在绝缘层106的上表面上和电阻元件102的垂直部分的上表面上的区域108。导电层109搁置在区域108上。导电层109形成存储元件的电极。

区域108包括第一部分110和第二部分112。

第一部分110包括层的堆叠，优选地全部由非晶材料制成。堆叠中的层优选地由来自元素周期表的13、14、15或16族的化学元素或化学元素的合金制成。13族包括硼、铝、镓、铟和铊。14族包括碳、硅、锗、锡、铅和鈇(flerovium)。15族包括磷、砷、锑、铋和镆(moscovium)。16族包括硫、硒、碲、钋和鉝(livermorium)。

堆叠110的每层由优选地具有化学计量比例的材料制成。这些材料例如是选自以下列表的材料：ge2sb2te5、gete、ge、te、sb、sb2te3、bi2te3、gese、ges2。

例如，堆叠110交替地包括第一层和第二层，第一层和第二层由不同的材料制成。

第一层例如由锗、锑和碲构成的合金(gst)制成，例如ge2sb2te5，并且第二层例如由锑或锗制成。例如，第二层由不是相变材料的材料制成。

堆叠110的每层具有小于或等于近似5nm的厚度，例如，在层的材料的原子常数到近似5nm的范围内，优选地在2nm到5nm的范围内。优选地，堆叠110的每层具有小于近似5nm，优选地小于5nm的厚度。

例如，如果堆叠包括由不同材料制成的相同数量的层a和层b，则通过求解以下等式在前面讨论的范围中确定层a和层b的厚度：

[公式1]

t＝n×(ta+tb)

[公式2]

[公式3]

其中t是堆叠110的总厚度，ta是层a的厚度，tb是层b的厚度，n是层a的数量(等于层b的数量)，pa是层a的材料在总堆叠中的比例(以％表示)，pb是层b的材料在总堆叠中的比例(以％表示)。

更一般地，堆叠包括至少两个层的集合，每个集合包括由与其他集合中的层的材料不同的材料制成的层。

第一部分110和第二部分112可以被由堆叠110的化学元素中的一个制成的皮层(skin)114分开。例如，如果堆叠110包括gst层和锑层，则皮层114可以由锑制成。

如在下文中将描述的，第二部分112例如由堆叠110的层的熔合产生，其与层106的上表面和电阻元件102的垂直部分的上表面接触。

在图1的示例中，第二部分例如从绝缘层106的上表面延伸到导电层109。更一般地，第二部分与堆叠110的至少某些层交叉。

第二部分112由堆叠110的层的化学元素中的至少一些的合金和/或堆叠110的层的化学元素的合金制成。第二部分112由相变材料制成。第二部分112优选地由具有非化学计量比例的材料制成。第二部分112例如由锗、锑和碲的合金制成，其具有大于具有化学计量比例的合金的锗或锑浓度的锗或锑浓度。

写入或编程到存储元件中的信息由第二部分112的至少一部分的非晶态或晶态确定。

图2示意性地和部分地示出了在制造图1的实施例的两个步骤之后获得的两个结构a)和b)。

结构a)在包括以下的步骤之后获得：

-形成选择元件(未示出)；

-形成绝缘层106；

-形成导电通孔104；

-形成电阻元件102；

-在绝缘层106的上表面上和在电阻元件102的垂直部分的上表面上形成堆叠110。堆叠110可以包括任何数量的层，每层具有小于或等于5nm的厚度，例如，在层的材料的原子常数到近似5nm的范围内；并且

-形成导电层109，其覆盖堆叠110的上层。

堆叠中的层例如通过物理气相沉积(pvd)逐个形成。

利用在导电通孔104和导电层109之间流动的电流加热电阻元件102来获得结构b)。然后，电阻元件102的温度变得足以使堆叠110过渡通过初始化步骤，在初始化步骤期间，第二部分112由来自堆叠的层的加热部分的第二合金制成。在该步骤处可以形成皮层114。

图3示出了两种相变材料根据温度(t(℃))的电阻率(ρ(a.u.))。

曲线300对应于由锗、锑和碲构成的合金的固体块(块体)的电阻率，其具有大于具有化学计量比例的合金的锑浓度的锑浓度。

曲线302对应于非晶层的堆叠(诸如图1中描述的非晶层的堆叠)，其包括具有化学计量比例的锗、锑和碲的合金层和锑层。该堆叠包括与曲线300相关联的块体相同量的锗、锑和碲。

可以观察到曲线300和302是相似的。因此，当块体和层的堆叠经受的温度增加时，块体和层的堆叠具有相似的表现。特别地，可以观察到显著和快速变化(在近似220℃)并且对应于结晶温度的温度对于固体块和层的堆叠是类似的。

更一般地，实验已经表明，从宏观的观点来看，即，将整个堆叠视为单个元件，层的堆叠具有类似于固体块的表现的表现。

然而，没有化学计量比例的合金块体的组分倾向于以化学计量元素重构(也称为相分离)，特别是当它们经受制造过程的相对高的温度时。这种重构导致存储元件之间的可变性，否则存储元件基本相同。已经包括具有化学计量比例的层的所描述的实施例较少受到这种重构的影响。

对于包括属于前面提到的14、15和16族的材料的层的堆叠，可以观察到类似的结果。

对于具有大于5nm的厚度的层的堆叠，不能观察到这样的结果。实际上，在两层之间的界面处，两层的化学元素形成连接(可能是合金)，就像不同的化学元素聚集在固体块中一样。所描述的实施例的堆叠的考虑的厚度使得每层的足够部分能够经受这种现象，使得从宏观的观点来看，堆叠基本上表现为固体块。

图4是存储元件的另一个实施例的局部简化截面图。更具体地，图4示出了在与图2的结构a)相同制造阶段的结构。图4的结构包括图2的所有元件。

图4的实施例的堆叠110包括层120和层122。层120(阴影层)被掺杂，并且层122未被掺杂。层120的掺杂优选地在形成堆叠时逐层执行。这使得能够精确地控制堆叠中的掺杂。

层120例如掺杂有氮、碳和硅中的一种或多种掺杂剂。

层120例如是氮掺杂锗层，并且层122例如是由锗、锑和碲构成的合金。在该示例中，层120基本上被等同地掺杂。

作为变型，堆叠可以包括由不同材料制成的多个层的集合，其中每个集合可以是掺杂的或非掺杂的。例如，堆叠110的高部分可以掺杂有碳，以降低层109的材料与堆叠110的上层的材料之间的相互扩散的风险，并且下部可以掺杂氮以增加结晶温度。

这种逐层掺杂具有如下优点：在保持堆叠具有均匀的宏观表现的同时，允许掺杂剂与堆叠的某些元素的相互作用，但不能与堆叠的所有元素相互作用。

作为变型，堆叠可以包括具有逐渐掺杂的至少一个层的集合。例如，在最靠近堆叠中的下层的所述集合中的层与最靠近堆叠中的上层的所述集合中的层之间，掺杂可以增加。

这种逐渐掺杂具有允许例如调节相变材料沿着其高度的电阻率的优点。

所描述的实施例的优点在于，关于图4描述的掺杂类型不能通过利用标准沉积技术的共溅射或通过离子注入获得。

所描述的实施例的优点在于制造方法不增加不同的同时形成的存储元件之间的可变性。因此，同一存储器设备的存储元件可以在初始化时处于相同状态，这使得能够提高存储器的效率。

所描述的实施例的另一个优点在于，第一部分110的非晶层形成绝热体。实际上，处于其非晶态的化学元素是比其晶态更差的导热体。因此，这使得能够在写入这样的存储器单元时限制第二部分外部的热量损失，并且因此限制能量损失。

所描述的实施例的另一个优点在于，第一部分110的非晶层使得部分112较少受到可能致使存储数据丢失的再结晶现象的影响。

所描述的实施例的另一个优点在于，在制造方法的温度致使堆叠中的层的相分离或再结晶的情况下，晶体的尺寸比在固体块的情况下更均匀，并且因使得此能够更好地控制结晶动力学。

已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，可以组合这些各种实施例和变型的某些特征，并且本领域技术人员将想到其他变型。

最后，基于上文给出的功能指示，所描述的实施例和变型的实际实施方式在本领域技术人员的能力范围内。

这些改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅通过举例说明，并非旨在是限制性的。本发明仅受如以下权利要求及其等同物限定的限制。