一种硫属材料型存储装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种硫属材料型存储装置及其制造方法，将利用掺杂氧化硅的硫属材料予以说明。形成具有接触表面的第一电极；形成有一部分与第一电极的接触表面接触的多结晶状态的相变存储器材料主体；以及形成与相变存储器材料主体接触的第二电极。上述工艺包括熔解及冷却相变存储器材料主体的主动区内的相变存储器材料一次或多次，但不干扰主动区外部的多结晶状态。结果主动区的氧化硅网格具有至少一个硫属材料的区域。并且，主动区外部的多结晶状态的相变材料是小晶粒尺寸，因而获得更均匀的结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是有关于一种硫属材料(chalcogenide materials)型存储装置及其制造 方法。
技术介绍
像是硫属材料及类似的材料的相变(phase change)型存储器材料以适合在 集成电路(integrated circuits)中实施的电平(level)施加电流可导致非结晶状态 (amorphous state)与结晶状态(crystalline state)之间的相变化。 一般非结晶状态的 特征为电阻高于一般结晶状态，这点易于感测因而可指示数据。这些特征使人对于利用可 编程电阻材料(programmable resistive material)来形成以随机存取方式来读取及写入 的非易失性存储器电路(nonvolatilememory circuits)产生兴趣。 从非结晶状态变成结晶状态通常是较低电流的操作。在此称为复位(reset)，从结 晶状态变成非结晶状态通常是较高电流的操作，其中包括以短高电流密度脉冲来熔解或崩 解结晶结构，之后快速地冷却相变材料，以及淬火相变工艺且容许至少一部分的相变材料 稳定于非结晶状态。 通过縮小存储单元的相变材料元件的大小及/或电极(electrodes)与相变材料 之间的接触面积可减少复位所需的电流的大小，因此通过相变材料元件能以小的绝对电流 值达成较高的电流密度。 然而，由于小接触表面所产生的故障，所以尝试縮小相变材料元件及/或电极的 大小可能导致存储单元的电性及机械可靠性问题。例如，因为锗锑碲(Ge-Sb-Te，GST)有两 种具不同密度的稳定结晶状态，调节两种结晶状态与非结晶状态可能在接口上及在锗锑碲 (GST)材料内导致应力。 通过对相变材料掺杂可影响引起相变所需的复位电流的大小。可将杂质掺杂于硫 属材料及其它的相变材料以修改使用掺杂的硫属材料的存储元件(memory elements)的导 电率、转换温度、熔解温度以及其它的特性。用以掺杂于硫属材料的代表性杂质包括氮、硅、 氧、氧化硅、氮化硅、铜、银、金、铝、氧化铝、钽、氧化钽、氮化钽、钛以及氧化钛。例如，参阅美 国专利第6， 800， 504号(金属掺杂)及美国专利申请案第2005/0029502号(氮掺杂)。 0vshinsky等人提出的美国专利第6， 087， 674号以及其专利母案美国专利第 5， 825， 046号说明如何形成复合存储器材料(composite memorymaterial)，其中将相变材 料与较高浓度的介电质材料混合以便控制复合存储器材料的电阻。这些专利所述的复合存 储器材料的本质并不清楚，因为所述的复合材料不但是分层结构而且是混合结构。这些专 利所述的介电质材料包含非常广的范围。 —些研究人员已经研究如何使用氧化硅掺杂于硫属材料以便减少操作存储装置 所需的复位电流。参阅Ryu等人在2006年发表于Electrochemical and Solid-State Letters，9(8)G259-G261的「Si02Incorporation Effects in Ge2Sb2Te5 Films Pr印ared by Magnetron Sputteringfor Phase Change Random Access Memory Devices」；Lee等人在2006年发表于Applied Physics Letters 89， 163503的「S印arate domain formation inGe2Sb2Te5-Si0x mixed layer」;Czubatyj等人在2006年发表于E*PC0S06的「Current Reduction in Ovonic Memory Devices」；以及Noh等人在2006年发表于Mater. Res. Soc. S卿.Proc.第888巻的[Modification ofGe2Sb2Te5 by the Addition of SiOx for Improved Operation of Phase ChangeRandom Access Memory」。这些参考文献指出将较 低浓度的氧化硅掺杂于锗锑碲合金(Ge2Sb2Te5)可导致电阻的实质增加及复位电流的相 对应减少。Czubatyj等人的论文指出掺杂氧化硅的锗锑碲(GST)合金的电阻改善的饱和点 在大约10体积百分比(vol%) (6.7原子百分比(at^))，并且表示已经测试过掺杂浓度多 达30体积百分比的氧化硅，然而并未提供细节。Lee等人的文章说明一种出现于大约8. 4 原子百分比的较高的掺杂浓度的现象，其中在高温退火(annealing)之后氧化硅呈现与锗 锑碲(GST)分离，因而形成由主要成分是氧化硅的边界所围绕的锗锑碲(GST)区域。 相关研究已经进展至通过调整相变材料的掺杂浓度以及提供极小尺寸的结构来 获得以低复位电流操作的存储装置。极小尺寸的相变装置的问题之一是耐久力。尤其，当 相变材料的成分因为非结晶对结晶状态的不稳定性而随着时间慢慢地改变时，利用相变材 料制造的存储单元(memorycells)可能出现故障。例如，主动区(active region)已经被 复位为一般非结晶状态的存储单元经过一段时间可能在此主动区中形成结晶区。若这些结 晶区连接形成穿越主动区的低电阻路径，则在读取存储单元时将检测到较低的电阻状态而 导致数据错误。参阅Gleixner在2007年发表于tutorial. 22ndNVS丽的「Phase Change Memory Reliability]。 因此本专利技术想要提供具有小复位电流的存储单元并且解决上述数据保存的问题，同时解决上述电极与相变材料之间的小接触表面的可靠性问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种存储装置的制造方法，此方法利用掺杂氧化硅的硫属材料来获得改良的存储单元。上述方法包括形成具有接触表面的第一电极；形成有一部 分与第一电极的接触表面接触的多结晶状态的相变存储器材料主体；以及形成与相变材料主体接触的第二电极。相变存储器材料包括掺杂介电质材料的硫属材料。上述工艺包括在 相变材料主体的主动区内熔解及固化相变存储器材料一或多次，但不干扰主动区外部的多 结晶状态。这循环在主动区中形成介电质材料的网格(mesh)，其中具有至少一个硫属材料 的区域，但不在主动区外部形成网格。上述方法已经利用掺杂氧化硅的Ge,SbyTe,予以示范， 其中x = 2、y = 2以及z = 5，并且掺杂10至20原子百分比的氧化硅，所获得的装置显示 出实质的改善。然而，上述工艺可推广至其它的硫属材料及掺杂介电质的材料，其特征为将 网格形成当作熔解及冷却循环的结果，多结晶状态的縮小的晶粒尺寸，以及抑制多结晶状 态的多个结晶相当中至少一个的形成。 对于所使用的硫属材料，其特征为多个固态结晶相，例如G SbyT ，其中x = 2、 y =2以及z = 5，这些相包括面心立方(face-centered cubic, FCC)固态结晶相及六方密 堆积(hexagonal close-packed, HCP)固态结晶相，以其浓度足以避免在主动区外部的材 料体中形成至少一种上述固态结晶相(例如六方密堆积(HCP)固态结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储装置的制造方法，其特征在于，包括：形成第一电极及第二电极；在所述第一电极与所述第二电极之间形成主体，所述主体由相变存储器材料形成，所述相变存储器材料包括掺杂介电质材料的硫属材料；以及所述主体在所述第一电极与所述第二电极之间具有主动区，并且具有在所述主动区外且无所述介电质材料的网格的区域，所述主动区包括具有至少一个所述硫属材料的区域的所述介电质材料的所述网格。

【技术特征摘要】
US 2008-10-2 12/286,874一种存储装置的制造方法，其特征在于，包括形成第一电极及第二电极；在所述第一电极与所述第二电极之间形成主体，所述主体由相变存储器材料形成，所述相变存储器材料包括掺杂介电质材料的硫属材料；以及所述主体在所述第一电极与所述第二电极之间具有主动区，并且具有在所述主动区外且无所述介电质材料的网格的区域，所述主动区包括具有至少一个所述硫属材料的区域的所述介电质材料的所述网格。2. 根据权利要求1所述的存储装置的制造方法，其特征在于，更包括 形成多结晶状态的所述主体，其中包括与所述第一电极接触的部分，所述相变存储器材料包括掺杂所述介电质材料的所述硫属材料；以及在所述主体的所述主动区内熔解及固化所述相变存储器材料至少一次，但是不会干扰 在所述主动区外的所述多结晶状态，因而在所述主动区中形成具有至少一个所述硫属材料 的区域的所述介电质材料的所述网格。3. 根据权利要求1所述的存储装置的制造方法，其特征在于，所述相变存储器材料所 使用的所述硫属材料在不掺杂所述介电质材料时其特征为具有第一体积的第一固态结晶 相及具有第二体积的第二固态结晶相，所述相变存储器材料具有较接近所述第二体积而非 所述第一体积的非结晶相体积，其中所述硫属材料中的所述介电质材料的浓度足以促使形 成所述第二固态结晶相。4. 根据权利要求3所述的存储装置的制造方法，其特征在于，所述第一固态结晶相是 六方密堆积相，并且所述第二固态结晶相是面心立方相。5. 根据权利要求1所述的存储装置的制造方法，其特征在于，所述相变存储器材料所 使用的所述硫属材料在不掺杂所述介电质材料时其特征为多种固态结晶相，其中所述硫属 材料中的所述介电质材料的浓度足以避免在所述主动区中形成至少一种所述固态结晶相。6. 根据权利要求1所述的存储装置的制造方法，其特征在于，所述相变存储器材料所 使用的所述硫属材料在不掺杂所述介电质材料时其特征为多种固态结晶相，其中所述硫属 材料中的所述介电质材料的浓度足以避免在所述主动区外形成至少一种所述固态结晶相。7. 根据权利要求1所述的存储装置的制造方法，其特征在于，所述硫属材料中的所述 介电质材料是氧化硅，所述介电质材料的浓度在10至20原子百分比的范围内。8. 根据权利要求2所述的存储装置的制造方法，其特征在于，更包括在所述存储装置 上形成电路以跨越所述第一电极与所述第二电极施加设定脉冲及复位脉冲来写入数据，以 及通过跨越所述第一电极与所述第二电极施加复位脉冲来执行所述熔解及所述固化。9. 根据权利要求2所述的存储装置的制造方法，其特征在于，更包括在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙翔澜，陈介方，施彦豪，李明修，马修J布雷杜斯克，林仲汉，弗莱德H鲍曼，菲利普弗莱兹，西蒙拉梧，
申请(专利权)人：旺宏电子股份有限公司，国际商用机器公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]