專利名稱：非易失性存儲器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及相變隨機存取存儲器(PRAM)及其制造方法，更具體，涉及PRAM及制造PRAM的方法，包括形成PRAM的加熱元件的工序。
背景技術(shù)：
近年來發(fā)展了相變存儲器件。相變存儲器件具有當中斷其電源時保持所存儲的數(shù)據(jù)的非易失特性。相變存儲器件的單位單元使用相變材料作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。相變材料具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即非晶態(tài)和晶體態(tài)，這由通過所施加的電流提供到單元結(jié)構(gòu)的熱來控制。通常所知的相變或硫化物(chalcogenide)材料是Ge、Sb和Te的化合物，通常稱為GST材料(Ge-Sb-Te)。具體地，GST材料的一種是Ge2Sb2Te5。
當在接近于材料的熔點加熱GST材料短時間，然后迅速地冷卻或淬火時，GST材料在其非晶狀態(tài)。如果在低于熔點的晶化溫度下加熱GST材料長時間并緩慢冷卻，GST處于其晶體狀態(tài)。非晶GST具有比晶體GST更高的特定阻抗。因此，可以通過感測流過相變材料的電流量來確定在相變存儲單元中所存儲的信息是邏輯“1”還是“0”。
焦耳熱用作施加到相變材料的熱。即，當將電流施加到連接到相變材料的電極上時，從電極產(chǎn)生焦耳熱，并提供到相變材料。提供到相變材料的熱的溫度取決于所施加的電流的量。
圖1是說明傳統(tǒng)相變存儲單元的結(jié)構(gòu)的截面圖。參照圖1，在半導體襯底上形成下絕緣層102。在下絕緣層102上形成上絕緣層122。通過下絕緣層102形成第一接觸孔105，并且在上絕緣層122中形成第二接觸孔125。第二接觸孔125包含導電的上或頂接觸插塞127，該接觸插塞127由導電材料例如鎢(W)、鋁(Al)或銅(Cu)制成。第一接觸孔105包含導電的下或底接觸插塞和加熱器113a，由導電材料例如TiAlN、TiN或其他材料構(gòu)成。
硫化物GST相變材料115的層形成在下絕緣層102上的上絕緣層122中。由例如TiN、TaN、WN的材料或相似材料構(gòu)成的導電上電極119形成在GST相變材料115的表面上。相變材料115在其底表面電連接到下插塞或加熱器113a，并且在其頂表面電連接到上電極119和上接觸插塞127。由導電材料例如W、Al、Cu或相似材料構(gòu)成的導電金屬圖形129連接到上接觸插塞127和上電極119。
當編程存儲單元時，電流施加到金屬圖形129和底接觸及加熱器113a之間的結(jié)構(gòu)。由于電流通過加熱器113a，所得的熱影響在可編程的體積或區(qū)域117中的GST材料115的狀態(tài)?；谒┘拥木幊坦ば?，可編程體積117中的GST材料呈現(xiàn)晶體狀態(tài)或非晶狀態(tài)。例如，為了將可編程體積編程為晶體狀態(tài)，可以通過將大約0.56mA的電流流過材料而將GST材料加熱到大約150度C，并將其冷卻大約500ns。例如，為了將可編程體積編程為非晶狀態(tài)，可以通過將大約1.2mA的電流流過材料而將GST材料加熱到大約620度C，并將其冷卻大約4-5ns。
圖2A包括圖1的存儲單元的原理圖，以及圖2B是其中使用圖1的存儲單元的電路的等效電路圖。參照圖2A和2B，來自位線BL的電流通過上電極119和GST相變材料115，以將可編程體積117編程為期望的狀態(tài)。GST相變材料115指示為可變阻抗。字線用于控制晶體管121來使能編程工序。通過加熱器113a的電流加熱GST相變材料115，以將可編程體積117編程為期望的狀態(tài)。在一個例子結(jié)構(gòu)中，當可編程體積117處于非晶狀態(tài)時，將存儲單元編程為邏輯0狀態(tài)，并且當可編程體積117處于晶體狀態(tài)時，將存儲單元編程為邏輯1狀態(tài)。
如上所述，PRAM存儲單元的加熱元件典型地由TiAlN制成。圖3A包括傳統(tǒng)TiAlN薄膜的阻抗率與溫度的曲線，TiAlN薄膜具有4mOhm-cm的室溫阻抗率。圖3B包括傳統(tǒng)TiAlN薄膜的阻抗率與溫度的曲線，TiAlN薄膜具有1mOhm-cm的室溫阻抗率。如兩個圖所示，在大約500度C的溫度下，TiAlN薄膜的阻抗率降低大約75％。阻抗率的降低導致TiAlN薄膜在較高溫度變?yōu)檩^低效熱生成裝置。因此，傳統(tǒng)TiAlN薄膜對于用作PRAM存儲單元中的熱接觸來說通常不是有效的。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及制造相變隨機存取存儲器件(RAM)的方法。根據(jù)該方法，在襯底上形成硫化物材料。在硫化物材料之下形成底接觸，該底接觸包括TiAlN。形成底接觸包括執(zhí)行原子層淀積(ALD)工序，ALD工序包括將NH3源氣體引入處理室，在該處理室中執(zhí)行ALD工序，NH3氣體的流量為使得所得的底接觸具有小于1at％的氯含量。
在一個實施例中，NH3氣體的流量大于大約24scc。
在一個實施例中，ALD工序進一步包括將TiCl4源氣體引入處理室。
在一個實施例中，ALD工序進一步包括將三甲基鋁(TMA)源氣體引入處理室。
根據(jù)其他方面，本發(fā)明涉及相變隨機存取存儲器件(PRAM)。
本發(fā)明的器件包括硫化物元件，硫化物元件包括根據(jù)加熱電流的應用而呈現(xiàn)晶體狀態(tài)或非晶體狀態(tài)的材料。接觸連接到硫化物材料的一區(qū)域，限定該硫化物材料的可編程體積(volume)，該接觸包括具有小于1at％的氯含量的TiAlN。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及相變隨機存取存儲器件(PRAM)。本發(fā)明的器件包括硫化物元件，硫化物元件包括根據(jù)加熱電流的應用而呈現(xiàn)晶體狀態(tài)或非晶體狀態(tài)的材料。接觸連接到硫化物材料的一區(qū)域，限定該硫化物材料的可編程體積，根據(jù)全寬半幅(FWHM)，該接觸包括具有小于0.65度的結(jié)晶度的TiAlN。
從本發(fā)明的優(yōu)選方面的更多具體說明，本發(fā)明的上述和其他目標、特性和優(yōu)點將變得顯而易見，如在附圖中所示，在附圖中，在不同的視圖中，相同的參考標號指示相同部件。附圖不一定按比例，而是強調(diào)放在說明本發(fā)明的原理。在附圖中，為了清楚起見放大了層和區(qū)域的厚度。
圖1是說明傳統(tǒng)相變存儲單元的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖2A包括圖1的存儲單元的原理圖。
圖2B是電路的等效原理電路圖，其中使用圖1的存儲單元。
圖3A包括傳統(tǒng)TiAlN薄膜的阻抗率與溫度的曲線，TiAlN薄膜具有4mOhm-cm的室溫阻抗率。
圖3B包括傳統(tǒng)TiAlN薄膜的阻抗率與溫度的曲線，TiAlN薄膜具有1mOhm-cm的室溫阻抗率。
圖4包括根據(jù)本發(fā)明的實施例，形成在PRAM器件的加熱器或接觸中使用的TiAlN的工序的原理處理時序圖。
圖5包括兩個TiAlN薄膜的阻抗率與溫度的曲線，TiAlN薄膜具有2mOhm-cm(由圓圈指示)和1mOhm-cm(由方形指示)的室溫阻抗率，并由本發(fā)明的工序所形成。
圖6包括氨流速對TiAlN薄膜中的氯含量的影響的圖。
圖7包括淀積溫度對TiAlN薄膜中的氯含量和鋁含量的影響的圖。
圖8包括以X射線衍射的形式，氨流速對所得TiAlN薄膜中的結(jié)晶率的影響的圖。
圖9A和9B包括在PRAM單元的加熱器接觸中制造TiAlN薄膜所使用的氨流速對PRAM單元的操作的影響的圖。
圖10包括總結(jié)TiAlN薄膜中的組成變量的表。
圖11包括具有根據(jù)本發(fā)明的實施例的TiAlN加熱器接觸的PRAM器件的結(jié)構(gòu)的原理截面圖。
圖12包括使用根據(jù)本發(fā)明的加熱器接觸的PRAM單元的實施例的原理截面圖。
圖13包括使用根據(jù)本發(fā)明的加熱器接觸的PRAM單元的另一實施例的原理截面圖。
具體實施例方式
圖4包括根據(jù)本發(fā)明的實施例，形成在PRAM器件的加熱器或接觸中使用的TiAlN的工序的原理處理時序圖。參照圖4，通過原子層淀積(ALD)工序形成TiAlN膜，其中根據(jù)在時序圖中所示的時序，將三種源氣體和凈化氣體引入處理室。四氯化鈦(TiCl4)可以用作鈦的源氣體。三甲基鋁(TMA)可用作鋁的源氣體。氨(NH3)可用作氮的源氣體。凈化氣體可以是Ar、N3或He。如在時序圖中所示，三種源氣體啟動并關(guān)閉。在一個實施例中，在處理的開始開啟凈化氣體，并且在整個工序中保持開啟。
在一個特定實施例中，開啟然后關(guān)閉TiCl4氣體。然后通過凈化氣體將其從處理室中清除。接下來，開啟并關(guān)閉氨氣，并從處理室清除。接下來，開啟并關(guān)閉TMA氣體，然后從處理室清除。接下來，再次開啟并關(guān)閉氨氣，然后從處理室清除。最后，開啟并關(guān)閉TiCl4氣體，然后從處理室清除，以完成循環(huán)。在一個實施例中，在450度C的淀積溫度以及1Torr的壓力下執(zhí)行處理。
圖4的時序圖說明用于形成整個TiAlN接觸的ALD工序中的一個循環(huán)。可以如所需重復許多循環(huán)，以形成需要的接觸。
由相關(guān)源氣體的流速以及開啟源氣體的時間量來確定施加到所形成的層的氣體的總劑量。根據(jù)本發(fā)明，開啟氨氣兩次，每次2秒鐘。根據(jù)本發(fā)明，氨氣的流速被設(shè)置為大約725sccm或更大。即，每次開啟氨氣2秒鐘，將725x(2/60)＝24.167scc的劑量傳遞到處理室。
圖5包括兩個TiAlN薄膜的阻抗率與溫度的曲線，TiAlN薄膜具有2mOhm-cm(由圓圈指示)和1mOhm-cm(由方形指示)的室溫阻抗率，并由本發(fā)明的工序所形成。根據(jù)本發(fā)明，使用根據(jù)圖4的處理時序圖的ALD工序形成圖5的TiAlN膜，氨的流速是725sccm。圖5與圖3A和3B的比較，其示出對于使用450sccm的氨流速形成的TiAlN相對于溫度的阻抗率，示出了使用更高的氨流速，利用本發(fā)明的工序形成薄膜導致對于高達500度C的溫度不喪失它們的阻抗率的薄膜。由于根據(jù)本發(fā)明所形成的TiAlN膜的阻抗率保持它們相對于溫度的阻抗率，它們用作PRAM單元的更有效的加熱接觸。
根據(jù)本發(fā)明所制造的TiAlN膜保持其相對于溫度的阻抗率，因為更高的氨流速導致比使用較低流速所產(chǎn)生的膜更低氯含量的膜，例如在圖3A和3B中所示的膜。圖6包括氨流速對TiAlN薄膜中的氯含量的影響的圖。參照圖6，可以看到隨著氨的流速增加，所得TiAlN膜中的氨含量減小。具體，應注意，在圖6中，在上述的725sccm的例子流速以及以上，所得膜中的氯含量低于約1at％。
圖7包括淀積溫度對TiAlN薄膜中的氯含量和鋁含量的影響的圖。參照圖7，可見隨著淀積溫度增加，所得氯含量減小，并且所得氯含量減小。圖7的圖是根據(jù)本發(fā)明，基于使用大約725sccm的氨流速所執(zhí)行的淀積。還應注意，在大約450度C的淀積溫度之上，氯含量小于大約1at％。同樣，對于鋁含量有大約20at％的上限，由于隨著淀積溫度的阻抗率的降低。如圖7的圖所示，在大約450至500度C的淀積溫度下，獲得良好的結(jié)果，所得膜中的鋁含量低于大約20at％，以及膜中的氯含量低于大約1at％。
圖8是以X射線衍射的形式，說明氨流速對所得TiAlN膜中的結(jié)晶率的影響的圖，水平軸指示2θ角度，以及垂直軸指示強度。根據(jù)本發(fā)明的工序，用A標記的曲線是用于使用450sccm的氨流速所得的樣品膜，以及用B標記的曲線是用于使用725sccm的氨流速所得的樣品膜。如圖8的曲線所示，與使用450sccm的較低氨流速所形成的膜相比，使用750sccm的本發(fā)明的較高氨流速形成的膜具有較高的結(jié)晶度。特別地，使用根據(jù)本發(fā)明的較高氨流速，根據(jù)全寬半幅(FWHM)，曲線B的例子的結(jié)晶度是大約0.65度。與之相比，使用根據(jù)本發(fā)明的較低氨流速，根據(jù)全寬半幅(FWHM)，曲線A的例子的結(jié)晶度是大約1.0112。同樣，與曲線A的例子膜的例如43.31619的2θ強度相比，曲線B的例子膜同樣展示出43.25974的較高的2θ強度。
圖9A和9B包括在PRAM單元的加熱器接觸中制造TiAlN薄膜所使用的氨流速對PRAM單元的操作的影響的圖。具體地，圖9A說明對于使用450sccm的氨流速所形成的四種不同類型的TiAlN加熱器接觸，PRAM單元的設(shè)置阻抗Rset、重置阻抗Rreset和重置編程電流Ireset。圖9B說明根據(jù)本發(fā)明，對于使用725sccm的氨流速所形成的四種不同類型的TiAlN加熱器接觸，PRAM單元的設(shè)置阻抗Rset、初始阻抗Rini、重置阻抗Rreset和重置編程電流Ireset。如圖9A所示，四種不同材料是TiN200(阻抗率200μOhm-cm)、TiAlN1k(阻抗率1kμOhm-cm)、TiAlN2k(阻抗率2kμOhm-cm)、TiAlN4k(阻抗率4kμOhm-cm)。對于這4種材料，重置阻抗Rreset和設(shè)置阻抗Rset以所列出的順序增加。對于每種材料，重置編程電流Ireset以所列出的順序減小。應注意，僅僅對于材料TiAlN4k的重置電流Ireset低于1mA。即，設(shè)置阻抗Rset和重置阻抗Rreset越高，所需要的重置電流Ireset越小。還應注意，對于具有1mΩcm的阻抗率的TiAlN1k膜的重置電流Ireset大約是1.5mA。
圖9B示出對于圖9A中所示的使用本發(fā)明的725sccm的較高氨流速所制造的相同四種材料的圖。如圖9B所示，通常，全部四種材料具有大約等于或低于它們使用較低氨流速所制造的對應物的重置電流Ireset。特別地，對于首先三種材料的重置電流Ireset比圖9A的對應材料的重置電流Ireset要低。第四種材料TiAlN4k(阻抗率4mΩcm)的重置電流Ireset與其圖9中的對應物基本相同，即，大約0.8mA。TiAlN1k(阻抗率1mΩcm)的重置電流Ireset大約是0.8mA。
參照圖9A和9B，應注意，在較低的450sccm的氨流速，材料的阻抗率示出不期望的減小趨勢。使用本發(fā)明的較高氨流速，在不同的材料上，阻抗率特性基本是平滑的。因此，使用本發(fā)明的較高氨流速，重置電流Ireset基本上對于所形成的材料不敏感。同樣，使用較高氨流速，全部材料具有與使用較低氨流速所形成的TiAlN4k相似的阻抗率特性。
圖10包括總結(jié)TiAlN薄膜中的組成變量的表，比較了根據(jù)本發(fā)明所制造的薄膜的特性與通過現(xiàn)有技術(shù)所制造的薄膜的特性。參照圖10，使用725sccm的較高氨流速，制造熱穩(wěn)定TiAlN薄膜。即，根據(jù)本發(fā)明所制造的TiAlN薄膜具有穩(wěn)定或近乎恒定的相對溫度的阻抗率，特別是在高溫下。使用現(xiàn)有技術(shù)，利用450sccm的氨流速制造熱不穩(wěn)定薄膜，即，在溫度特別是高溫上其阻抗率顯著降低的膜。如圖10的表所示，通過本發(fā)明的工序制造的膜具有1.5at％至16at％的鋁含量，以及通過現(xiàn)有技術(shù)制造的膜具有1.0at％至12.5at％的鋁含量。通過本發(fā)明的工序制造的膜具有小于1at％的氯含量，以及通過現(xiàn)有技術(shù)制造的膜具有1.0at％和2.0at％之間的氯含量。
圖11包括具有根據(jù)本發(fā)明的實施例的TiAlN加熱器接觸的PRAM器件的結(jié)構(gòu)的原理截面圖。PRAM結(jié)構(gòu)包括大約500厚度的SiN層509。在層509上形成大約500厚度的SiON層507。通過層507和509形成兩個所示存儲單元的TiAlN加熱器接觸523。由大約90±nm的直徑或?qū)挾鹊腟iON/SiN材料圍繞大約50±5nm的直徑或?qū)挾鹊腡iAlN加熱器接觸523。大約200厚度的SiN層505形成在層507之上并共形地在GST相變材料519和上電極517上。GST材料519和上電極517形成為大約1700的整個厚度以及大約260±5nm的寬度。在層505上與層505保形地形成PEOX層503。未摻雜硅玻璃(USG)的層501形成為具有層503上的大約2600厚度的等離子增強的四乙氧基甲硅烷。包括大約100厚度的Ti層511、大約3000厚度的Al層513、以及大約150/650厚度的Ti/TiN層515的金屬圖形形成在USG層501上。上電極517的頂和層511之間的距離大約是1500。鎢(W)插塞521形成為大約120±的寬度或直徑，以將層511連接到上電極517。
圖12包括使用根據(jù)本發(fā)明的加熱器接觸的PRAM單元的實施例的原理截面圖。圖13包括使用根據(jù)本發(fā)明的PRAM單元的另一實施例的原理截面圖。參照圖12和13，在襯底100上形成下絕緣層102。在下絕緣層102上形成上絕緣層122。在上絕緣層122中，在下絕緣層102上形成相變材料層115。由例如TiN、TaN、WN的材料或其他這種材料構(gòu)成的上電極119形成在相變材料層115上。通過上絕緣層122形成第二接觸孔125，并接觸上電極119的頂表面。由例如W、Al、Cu的材料或其他這種材料構(gòu)成的導電接觸插塞127形成在第二接觸孔125中，與上電極119的頂表面相接觸。由例如W、Al、Cu的材料或其他這種材料構(gòu)成的金屬圖形129形成在上絕緣層122上，與接觸插塞127的頂表面相接觸。通過下絕緣層102形成第一接觸孔，與相變材料層115的底表面相接觸。
圖12和13的實施例之間的區(qū)別在于用于編程相變材料115的底接觸加熱器。在圖12的實施例中，根據(jù)本發(fā)明的工序，形成由TiAlN、TiN或其他這種材料所構(gòu)成的加熱器接觸113，以填充整個第一接觸孔105。在圖13的實施例中，首先在第一接觸孔105中形成補充電極或接觸107。然后，根據(jù)本發(fā)明的工序，在第一接觸孔105中將由TiAlN、TiN或其他這種材料所構(gòu)成的加熱器接觸113b形成為補充電極或接觸107上的幾埃至幾十埃的厚度。加熱器接觸113b接觸相變材料115的底表面。
盡管已經(jīng)參照例子實施例具體示出并說明了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在其中做出各種形式和細節(jié)上的改變，而不背離由下面的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種制造相變隨機存取存儲器件(RAM)的方法，包括在襯底上形成硫化物材料；以及在硫化物材料之下形成底接觸，該底接觸包括TiAlN，形成底接觸包括執(zhí)行原子層淀積(ALD)工序，ALD工序包括將NH3源氣體引入處理室，在該處理室中執(zhí)行ALD工序，NH3氣體的流量為使得所得的底接觸具有小于1at％的氯含量。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中NH3氣體的流量大于大約24scc。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中ALD工序進一步包括將TiCl4源氣體引入處理室。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中ALD工序進一步包括將TMA源氣體引入處理室。
5.一種相變隨機存取存儲器件(PRAM)，包括硫化物元件，該硫化物元件包括能夠根據(jù)加熱電流的施加而呈現(xiàn)晶體狀態(tài)或非晶體狀態(tài)的材料；以及接觸，連接到硫化物材料的一區(qū)域，并限定該硫化物材料的可編程體積，該接觸包括具有小于1at％的氯含量的TiAlN。
6.一種相變隨機存取存儲器件(PRAM)，包括硫化物元件，該硫化物元件包括根據(jù)加熱電流的施加而呈現(xiàn)晶體狀態(tài)或非晶體狀態(tài)的材料；以及接觸，連接到硫化物材料的一區(qū)域，并限定該硫化物材料的可編程體積，根據(jù)全寬半幅(FWHM)，該接觸包括具有小于0.65度的結(jié)晶度的TiAlN。
全文摘要
一種制造相變隨機存取存儲器件(RAM)的方法，包括在襯底上形成硫化物材料。在硫化物材料之下形成底接觸，該底接觸包括TiAlN。形成底接觸包括執(zhí)行原子層淀積(ALD)工序，ALD工序包括將NH
文檔編號H01L27/24GK1996570SQ200610172410
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者李琎一, 李忠滿, 趙性來, 鄭蘭珠, 姜相列, 樸瑛琳 申請人:三星電子株式會社