本发明专利技术公开了一种GaSbGe相变化存储器材料、基于该相变化存储器材料的高密度存储器装置及该高密度存储器装置的制造方法。该相变化存储器材料包括GaxSbyGez，其中Ga原子百分比x在20％至45％的范围内、Sb原子百分比y在25％至40％的范围内，以及Ge原子百分比z在25％至55％的范围内，其中此材料具有大于360℃的结晶转移温度Tx。添加杂质包括一或多个选自Si、C、O以及N的元素，可以增加结晶转移温度Tx以大于400℃，也可以降低复位电流。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是有关于一种GaSbGe相变化存储器材料、基于该相变化存储器材料的高密度存储器装置及该高密度存储器装置的制造方法。
技术介绍
相变化存储器材料，例如基于硫属化物(chalcogenide)的材料和类似的材料，通过在适于实施在集成电路的程度的电流的应用可以在非晶态和晶态之间引起相变化。一般非晶态的特征在于具有比一般晶态较高的电阻率(electrical resistivity)，如此可以较容易地被感测到以指示数据。这些性质已经在使用可编程电阻材料以形成非易失性存储器电路产生兴趣，其可以随机存取的方式被读取或写入。在相变化存储器中，数据是通过在非晶态和晶态之间的相变化材料的一有源区(active region)造成转变(transitions)而被储存。对于一个位单元(bit cell)，低电阻结晶设置(set)状态的最高电阻R1和高电阻非晶复位(reset)状态的最低电阻R2之间的差异定义一个用以从那些在非晶复位状态的存储单元中区分出在结晶设置状态的存储单元的读取幅度(read margin)。储存在存储单元的数据可以通过不论是具有对应低电阻状态或高电阻状态的电阻的存储单元被测定，例如通过测量不论存储单元的电阻是高于或低于在读取余量(read margin)内的一阈值电阻值(threshold resistance value)。用于存储器操作的相变化材料可以通过多个不同的性能规格而被特征化，性能规格包括设置和复位速度、数据保持(data retention)、续航力(endurance)、复位电流以及储存数据使用的材料将存活过焊接接合的机率。速度是需要引起设置和复位操作的脉冲长度的函数，如同其他因素。数据保持是一个功能，典型地，是相变化材料在非晶相至晶相随着时间和温度而遗失数据的倾向。续航力是一功能之当相变化存储器材料处于多次设置/复位周期的作用之下，此相变化存储器材料变得更坚固以设置或复位的倾向。复位电流具有一个合意的较低的值，但必须足以在有源区加热以造成相变化，且当设置状态的电阻水平较低时，此值可以是较高的。焊接接合规格(solder bonding specification)意指通过焊接接合固定相变化材料于集成电路上的困难度提升。焊接接合过程将集成电路暴露至升高的温度，升高的温度可以超过相变化材料的结晶转移温度(crystallization transition temperature)。因此，现有技术的相变化设计无法在通过焊接接合被固定之前被编程。因此希望提供一种具有较高结晶转移温度的相变化存储器材料以防止在温度升高的操作时，从非晶复位状态非期望地转换至结晶设置状态。更希望的是，相变化存储器材料在复位状态电阻值的范围和设置状态电阻值的范围之间保持一个大的差值。也希望相变化存储器材料保持快速的设置和复位速度。也希望相变化存储器材料在结晶设置状态相具有相对较高的电阻以减少复位电流。此外，还希望相变化存储器材料具有足够高的结晶转移温度以抵挡焊接接合而没有遗失数据。
技术实现思路
本专利技术是描述一种在Ga-Sb-Ge家族(镓-Ga，锑-Sb，锗-Ge)中的相变化存储器材料，相较于先前技术的材料，Ga-Sb-Ge家族中的相变化存储器材料可以具有较高的结晶转移温度、降低的复位电流、较快速的开关速度(switching speed)以及较佳的保持(retention)特性。本文所描述的材料可以具有足够高的结晶转移温度Tx以满足焊接接合规格。相较于GST-225相变化存储器材料，本文所描述的相变化存储器材料能够维持高的结晶转移温度，同时具有快速的设置速度(set speed)。本文所描述的相变化存储器材料不会形成大的空隙，且相变化存储器材料在后段工艺(Back-End-Of-Line，BEOL)处理期间被暴露至升高的温度之后也不会产生大的晶粒尺寸的变异。此外，本文所描述的相变化存储器材料在长时间暴露至升高的温度之后仍然维持在非晶状态。本专利技术是描述一种相变化材料，包括GaxSbyGez，其中Ga原子百分比x在20％至45％的范围内、Sb原子百分比y在25％至40％的范围内，以及Ge原子百分比z在25％至55％的范围内，其中此材料具有大于360℃的结晶转移温度Tx。添加杂质包括一或多个选自Si、C、O以及N的元素，可以增加结晶转移温度Tx以大于400℃，也可以降低复位电流。本专利技术是描述一种在Ga-Sb-Ge家族内的相变化材料，包括一Si原子百分比在3％至12％的范围内，以及一N原子百分比在3％至12％的范围内(如下文所讨论的标准化)。描述一种在Ga-Sb-Ge家族内的相变化材料，包括一Si原子百分比在3％至12％的范围内，以及一O原子百分比在6％至25％的范围内(如下文所讨论的标准化)。此外，描述一种添加包含硅和碳(Si、C)元素的组合。本专利技术是描述一种在Ga-Sb-Ge家族内的相变化材料，包括有效量的氧化硅以建立大于400℃的结晶转移温度Tx。本专利技术是描述一种在Ga-Sb-Ge家族内的相变化材料，包括有效量的氮化硅以建立大于400℃的结晶转移温度Tx。在升高的温度下且在重复的操作周期之后，在Ga-Sb-Ge家族内的相变化存储器材料在非晶复位状态的较高的电阻和结晶设置状态的较低的电阻之间仍维持大的电阻的差异。优异的数据保持(220℃-10年)被实现。此外，使用此材料的存储器装置能通过焊接接合热预算测试(solder bonding thermal budget test)(260℃-30秒)，这表示具有新型相变化材料的PCM是适合用于嵌入式汽车的应用(embedded automotive applications)，且适合用在其他高温的环境。在Ga-Sb-Ge家族内的材料通过成长主导的机制(growth dominated mechanism)结晶，而不像在GST-225家族内的材料是通过成核主导的机制(nucleation dominated mechanism)结晶。存储器装置包括一存储单元阵列。每个存储单元包括一第一电极和一第二电极耦接至一存储器元件。存储器元件包括如本文所描述的相变化材料，且包含一有源区，其中设置和复位状态之间的相转变在此处发生，并且这基本上决定了存储单元的电阻。本文描述一种使用一相变化存储器材料制造存储器装置的方法。为了对本专利技术的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：附图说明图1是绘示可以被考虑的五种性能规格的捷思图(heuristic diagram)，其中性能规格包含速度、数据保持、续航力、复位电流以及焊接接合，且每个性能规格是划分在图表的五个角落之一。图2是具有GaSbGe组成物的结晶转移温度的一三相图，其具有或不具有掺杂材料，在不同的原子百分比浓度。图3是绘示GaSbGe家族的材料的电阻和GST-225家族的材料的电阻率随着温度的函数。图4A是GST-225家族内的一材料在后段工艺处理过后的穿透式电子显微镜(Transmission Electron Microscope，TEM)影像。图4B是GaSbGe家族内的一材料在后段工艺处理过后的TEM影像。图5是绘示在结晶设置状态和非晶复位状本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种相变化材料，包括GaxSbyGez，其中x、y和z为原子百分比，该相变化材料具有一Ga原子百分比x在20％至45％的范围内、一Sb原子百分比y在25％至40％的范围内，以及一Ge原子百分比z在25％至55％的范围内。
【技术特征摘要】
2015.06.19 US 62/181,957;2015.11.09 US 14/936,3181.一种相变化材料，包括GaxSbyGez，其中x、y和z为原子百分比，该相变化材料具有一Ga原子百分比x在20％至45％的范围内、一Sb原子百分比y在25％至40％的范围内，以及一Ge原子百分比z在25％至55％的范围内。2.根据权利要求1所述的相变化材料，其中该相变化材料具有大于360℃的结晶转移温度Tx。3.根据权利要求1所述的相变化材料，更包括一或多个添加的元素，该元素或这些元素是选自有效量的Si、C、O以及N以提供大于400℃的结晶转移温度Tx。4.根据权利要求1所述的相变化材料，更包括一Si原子百分比在3％至12％的范围内，以及一O原子百分比在6％至25％的范围内。5.根据权利要求1所述的相变化材料，更包括一Si原子百分比在3％至12％的范围内，以及一N原子百分比在3％至12％的范围内。6.根据权利要求1所述的相变化材料，更包括有效量的氧化硅以建立大于400℃的结晶转移温度Tx。7.根据权利要求1所述的相变化材料，更包括有效量的氮化硅以建立大于400℃的结晶转移温度Tx。8.一种相变化存储器装置，包括：一第一电极和一第二电极；以及一相变化存储器材料的本体，介于该第一电极和该第二电极之间，其中该相变化存储器材料的本体包括有效量的Ga、Sb及Ge的组合以提供大于360℃的结晶转移温度Tx。9.根据权利要求8所述的相变化存储器装置，其中该相变化存储器材料的本体具有在Ga-Sb-Ge的三相图中的GaxSby节线上之一组成，其中x和y在该组成中是添加至100％，且x和y各自落在50±10％的范围中，且该相变化存储器材料的本体包括有效量的氧化硅以提供大于400℃的结晶转移温度Tx。10.根据权利要求8所述的相变化存储器装置，其中该相变化存储器
\t材料的本体具有在Ga-Sb-Ge的三相图中的GaxSby节线上之一组成，其中x和y在该组成中是添加至100％，且x和y各自落在50±10％的范围中，且该相变化存储器材料的本体包括有效量的氮化硅以提供大于400℃的结晶转移温度Tx。11.根据权利要求8所述的相变化存储器装置，其中该相变化存储器材料的本体...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑怀瑜，龙翔澜，
申请(专利权)人：旺宏电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71
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