專利名稱：相變存儲元件、相變存儲單元、真空處理設(shè)備及相變存儲元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相變存儲元件、相變存儲單元、真空處理設(shè)備及相變存儲元件的制造 方法。
背景技術(shù)：
可將半導(dǎo)體存儲元件歸類為兩種領(lǐng)域，即易失性存儲和非易失性存儲，而兩種存 儲都需要連續(xù)供電以維持?jǐn)?shù)據(jù)。閃速存儲作為非易失性存儲的典型例子不需要電功率來維 持?jǐn)?shù)據(jù)。因此，閃速存儲最常用作非易失性存儲。然而，隨著閃速存儲的微圖案化進(jìn)展，最 近提出了包括更先進(jìn)的微圖案化、速度和可靠性的非易失性存儲技術(shù)來取代閃速存儲。相變存儲元件作為一種下一代技術(shù)，是能夠直接覆寫和快速轉(zhuǎn)化的電驅(qū)動的、低 功耗的存儲元件。在作為相變存儲元件的兩種電阻值狀態(tài)的置位和復(fù)位之間的快速轉(zhuǎn)化是 由相變記錄材料的晶相和非晶相之間的大的電特性變換所引起的。相變記錄材料的一個例 子是因相變而使電壓顯著變化的硫?qū)倩锊牧蠈?。對于IO12次寫入，這兩種相的電阻狀態(tài) 具有IO2以上的電阻變化，且相變存儲元件的寫入計數(shù)耐久性(即閃速存儲的寫入計數(shù)耐 久性)高于105。此外，由于同時獲得低功耗，低電壓驅(qū)動，及邏輯電路，因此相變存儲元件很 適合于移動技術(shù)領(lǐng)域中。相變存儲元件的硫?qū)倩锊牧蠈拥淖钔ǔ５睦邮荊e2Sb2Te5 (下 文中稱為“GST”)。在例如專利參考文獻(xiàn)3和4中公開了電可編程的相變存儲元件的基本 概念。參照圖5-9，下文將說明相變存儲元件的結(jié)構(gòu)與操作。圖5和6是分別顯示處于晶 相和非晶相的常規(guī)相變存儲元件結(jié)構(gòu)的示例性截面圖。圖7是顯示當(dāng)相變存儲元件結(jié)晶化和非晶化時的電脈沖時間與溫度之間的關(guān)系 的坐標(biāo)圖。圖8是顯示處于晶態(tài)的硫?qū)倩锊牧蠈拥木w結(jié)構(gòu)的示例性視圖。相變存儲單 元具有一個選擇器(選擇晶體管)和一個相變存儲元件(包括硫?qū)倩锊牧蠈?。如圖5 所示，硫?qū)倩锊牧蠈?07夾在上電極708和芯棒705之間。芯棒705延伸穿過下絕緣層 704，且與硫?qū)倩锊牧蠈?07和選擇晶體管703電連接。通過將硫?qū)倩锊牧蠈?07加熱 到大于或等于熔點的溫度所產(chǎn)生的焦耳熱將數(shù)據(jù)寫入相變存儲元件中。此后，如圖6所示，將熔化的金屬快速冷卻，且這使硫?qū)倩锊牧蠈?07的覆蓋芯 棒705的部位706非晶化。這是從置位到復(fù)位的轉(zhuǎn)變。通過在較低溫度下施加電脈沖持續(xù) 較長時間獲得相反的轉(zhuǎn)變。由該電脈沖產(chǎn)生的焦耳熱將硫?qū)倩锊牧蠈?07加熱到低于熔 點但顯著高于非晶_結(jié)晶化轉(zhuǎn)變所需的溫度持續(xù)幾百毫微秒。圖7是通過時間與溫度之間 的關(guān)系顯示上述的置位_復(fù)位轉(zhuǎn)變的視圖。請注意，處于晶相的硫?qū)倩锊牧蠈?07呈現(xiàn) 兩種結(jié)構(gòu)，即穩(wěn)定的六方結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)的巖鹽(NaCl)結(jié)構(gòu)。如圖8所示，據(jù)最近報道，硫?qū)倩锊牧蠈?07幾乎與處于非晶相的亞穩(wěn)的體心立 方結(jié)構(gòu)相同。這意味著，原子間鍵在非晶相的硫?qū)倩锊牧蠈?07中是弱的。盡管原子間鍵是弱的，然而共價鍵未受損，原子絕不移動離開其在晶格中的位置。Te的面心立方結(jié)構(gòu)和 Sb周圍的局部結(jié)構(gòu)得以部分維持，這導(dǎo)致快速可靠地回復(fù)至晶相。在上述的置位_復(fù)位轉(zhuǎn) 變中，處于晶相的硫?qū)倩锊牧蠈?07大概是通過亞穩(wěn)態(tài)的快速結(jié)晶化所獲得的亞穩(wěn)巖鹽 結(jié)構(gòu)。下面進(jìn)行了相變存儲元件的讀出操作。當(dāng)開啟選擇晶體管703時，源701b到漏701a的路徑得到激勵，且電流從漏701a 流經(jīng)硫?qū)倩锊牧蠈?07。該電流的大小根據(jù)硫?qū)倩锊牧蠈拥木嗯c非晶相的電阻值之 間的差別而變化。通過使用電阻值之間的這種差別，可將存貯于相變存儲元件中的值讀出 為“0”或“1”。具有上述結(jié)構(gòu)的相變存儲元件具有以下問題，近年來出現(xiàn)了很多對策。首先，下絕緣層704與硫?qū)倩锊牧蠈?07之間的粘結(jié)性是弱的。在上述的相變 存儲元件中，在晶相與非晶相之間轉(zhuǎn)變的期間，由焦耳熱施加了熱應(yīng)力。在此狀態(tài)下，下絕 緣層704和硫?qū)倩锊牧蠈?07之間的弱粘結(jié)性成為嚴(yán)重的問題。為解決該問題，提出了 如下方法在硫?qū)倩锊牧蠈?07下方，插入用于增強和促進(jìn)下絕緣層704與硫?qū)倩锊牧?層707之間的粘結(jié)的粘結(jié)促進(jìn)層711，如圖9所示。所公開的粘結(jié)促進(jìn)層711是由富Ti的 TiN制成的(專利參考文獻(xiàn)8)。然而，由于TiN的約2. 5 X 10_7 Ω m的很低電阻率加熱了硫?qū)倩锊牧蠈?07，因此 非晶化得到促進(jìn)。如圖9所示，在復(fù)位轉(zhuǎn)變中非晶化的部位906延伸遍及與粘結(jié)促進(jìn)層711 接觸的硫?qū)倩锊牧蠈?07的整個表面。因此，當(dāng)與其中硫?qū)倩锊牧蠈?07的部位706 非晶化(如在圖6所示的常規(guī)結(jié)構(gòu)中)的情形相比時，對于置位-復(fù)位轉(zhuǎn)變需要高的電功率。為了解決功耗問題與粘結(jié)的問題，提出了選自TiOx、ZrOx, HfOx, TaOx, NbOx, CrOx, WOx和Alx的粘結(jié)促進(jìn)層711 (專利參考文獻(xiàn)1)。非專利參考文獻(xiàn)3公開了用作相變存儲元件的粘結(jié)促進(jìn)層711的Ta2O5既作為粘 結(jié)促進(jìn)層又作為熱擴散抑制層起作用，所述熱擴散抑制層用于抑制熱能從硫?qū)倩锊牧蠈?707通過芯棒705損失，接下來將對此進(jìn)行說明。遺憾的是，其中公開的技術(shù)采用了隧道電流方法，在該方法中電流流經(jīng)寬帶隙絕 緣層，因此必須控制很薄的絕緣層和高電阻率。這在制造技術(shù)中產(chǎn)生了新的難題。此外，產(chǎn)生了另一問題，該問題涉及從硫?qū)倩锊牧蠈?07經(jīng)芯棒705發(fā)生的熱擴 散(熱能擴散)。例如，芯棒705的材料是耐火材料如具有很低電阻率的鎢。然而，作為具 有低電阻率的金屬的原始性質(zhì)的高熱導(dǎo)率在置位-復(fù)位轉(zhuǎn)變的期間誘發(fā)了熱擴散。特別 地，在非晶化(復(fù)位轉(zhuǎn)變)期間，從硫?qū)倩锊牧蠈?07經(jīng)芯棒705損失的熱能需要大的電 流。為了解決該問題，提出了將 TiOxNy、TiSixNy, TiAlxNy、TiOxNy> TaAlxNy, TaSixNy 和 TaOxNy 作為粘結(jié)促進(jìn)層711 (專利參考文獻(xiàn)5)。然而，熱導(dǎo)率仍高達(dá)0. lW/cmK。換言之，熱導(dǎo)率高 于相變存儲元件的硫?qū)倩锊牧蠈?07或下絕緣層704的問題仍未得到解決。專利參考文獻(xiàn)1 日本專利特開No. 2006-352082專利參考文獻(xiàn)2 日本專利特開No. 2003-174144專利參考文獻(xiàn)3 美國專利NO. 3271591專利參考文獻(xiàn)4 美國專利NO. 3530441專利參考文獻(xiàn)5 美國專利NO. 7023008
專利參考文獻(xiàn)6 美國預(yù)授權(quán)公開No. 2006/0113573專利參考文獻(xiàn)7 美國預(yù)授權(quán)公開No. 2004/0195613專利參考文獻(xiàn)8 美國預(yù)授權(quán)公開No. 2004/0026731非專利參考文獻(xiàn)1 :Wakiya 等人，Thin Solid Films, vol. 410，ppll4，2002非專利參考文獻(xiàn)2 =Yang 等人，Applied Phisics Letters, Vol. 66，pp2643,1995非專利文獻(xiàn)3 =Technical Report of IEICESDM, vol. 106，no. 593，ppl_6發(fā)明公開內(nèi)容本發(fā)明待解決的問題遺憾的是，這些問題例如由硫?qū)倩锊牧蠈优c絕緣層之間的粘結(jié)所產(chǎn)生的功耗和 從芯棒到硫?qū)倩锊牧蠈拥臒釘U散、與電阻率相關(guān)的操作速度，以及制造很薄的絕緣層技 術(shù)的困難仍未得到解決，而且產(chǎn)生了對進(jìn)一步改進(jìn)的需要。解決問題的方式本發(fā)明的目的是提供具有鈣鈦礦層(氧化物層)的相變存儲元件，且取代用于促 進(jìn)硫?qū)倩锊牧蠈雍拖陆^緣層之間粘結(jié)的很薄的絕緣層，以及包括相變存儲元件的相變存 儲單元，所述鈣鈦礦層是由具有高電導(dǎo)率性質(zhì)和高熱絕緣性質(zhì)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料形成 的。本發(fā)明的另一目的是提供能夠制造相變存儲元件或相變存儲單元的真空處理設(shè) 備，以及制造例如相變存儲元件的方法，該方法降低了制造鈣鈦礦層(氧化物層)的難度。根據(jù)本發(fā)明的相變存儲元件實現(xiàn)了上述目的中至少一者，該相變存儲元件包括鈣鈦礦層，其由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料形成，和相變記錄材料層，其位于所述鈣鈦礦層的至少一側(cè)，且當(dāng)通過鈣鈦礦層供應(yīng)電流 時相變?yōu)榫B(tài)和非晶態(tài)之一。根據(jù)本發(fā)明的相變存儲單元，包括上述的相變存儲元件，控制電路，配置成將形成相變存儲元件的相變記錄材料層加熱到所需溫度，和導(dǎo)電部件，其通過形成相變存儲元件的鈣鈦礦層將控制電路和相變記錄材料層進(jìn) 行電連接。根據(jù)本發(fā)明的真空處理設(shè)備，包括鈣鈦礦層形成室，其通過使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料在襯底上形成鈣鈦礦層，和相變記錄材料層形成室，其在鈣鈦礦層形成室中形成的鈣鈦礦層上形成配置成相 變?yōu)榫B(tài)和非晶態(tài)之一的相變記錄材料層。根據(jù)本發(fā)明的相變存儲元件的制造方法，包括通過使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料形成鈣鈦礦層的鈣鈦礦層形成步驟，和形成位于鈣鈦礦層的至少一側(cè)的相變記錄材料層的相變記錄材料層形成步驟，并 且當(dāng)通過鈣鈦礦層供應(yīng)電流時相變?yōu)榫B(tài)和非晶態(tài)之一。本發(fā)明使得能夠提供具有鈣鈦礦層(氧化物層)的相變存儲元件，以及包括該相 變存儲元件的相變存儲單元，所述鈣鈦礦層是由具有高電導(dǎo)率性質(zhì)和高熱絕緣性質(zhì)的鈣鈦 礦結(jié)構(gòu)的材料形成的。本發(fā)明還使得能夠提供真空處理設(shè)備和制造例如相變存儲元件的方法，該方法降低了制造鈣鈦礦層(氧化物層)的困難。附圖簡要說明并入說明書并構(gòu)成其一部分的附圖對本發(fā)明的實施方案進(jìn)行了圖解，這些附圖與 說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1是顯示本發(fā)明的第一實施方案的相變存儲單元的結(jié)構(gòu)的示例性視圖，其中氧 化物層插入在下絕緣層和硫?qū)倩锊牧蠈又g；圖2是顯示在根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的相變存儲元件的氧化物層(LaNiO3)上 進(jìn)行的X射線衍射結(jié)果的示例性視圖；圖3是顯示在根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的相變存儲元件中，在氧化物層(LaNiO3) 的晶體結(jié)構(gòu)與在氧化物層上形成的硫?qū)倩锊牧蠈拥木w結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的示例性視圖；圖4是顯示本發(fā)明第二實施方案的相變存儲單元結(jié)構(gòu)的示例性視圖，其中形成于 芯棒上方的孔洞內(nèi)部涂覆有氧化物層；圖5是顯示現(xiàn)有技術(shù)中相變存儲單元結(jié)構(gòu)的置位狀態(tài)的示例性視圖，其中在下絕 緣層上直接形成硫?qū)倩锊牧蠈?；圖6是顯示現(xiàn)有技術(shù)中相變存儲單元結(jié)構(gòu)的復(fù)位狀態(tài)的示例性視圖，其中在下絕 緣層上直接形成硫?qū)倩锊牧蠈樱粓D7是顯示在現(xiàn)有技術(shù)中在硫?qū)倩锊牧蠈幼兓辆嗪头蔷鄷r電脈沖時間 與溫度之間的關(guān)系的示例性坐標(biāo)圖；圖8是顯示在現(xiàn)有技術(shù)中硫?qū)倩锊牧系腉ST的晶體結(jié)構(gòu)的示例性視圖；圖9是顯示在現(xiàn)有技術(shù)中硫?qū)倩锊牧蠈拥那氨砻嫦嘧兇鎯卧Y(jié)構(gòu)的復(fù)位狀 態(tài)中非晶化的示例性視圖，其中在下絕緣層上直接形成硫?qū)倩锊牧蠈?；圖10是顯示用于制造根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的相變存儲單元的真空處理設(shè)備 結(jié)構(gòu)的示例性平面圖；圖11是用于說明根據(jù)本發(fā)明第三實施方案處理相變存儲元件的制造方法的視 圖；及圖12是顯示相變存儲單元的電路圖。本發(fā)明的最佳實施方式以下將參考附圖詳細(xì)地以示例性方式說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。然而，在這些 實施方案中描述的構(gòu)成要素僅僅是例子，且本發(fā)明的技術(shù)范圍由所附權(quán)利要求的范圍確 定，而不限于以下單個實施方案。(第一實施方案)圖1是示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的相變存儲單元的主要部件結(jié)構(gòu) 的視圖。圖12示例性地顯示了形成RAM的相變存儲單元的電路圖。例如，通過在多個字線 與多個位線相交處設(shè)置相變存儲單元形成了 RAM。參考圖12，每個相變存儲單元具有相變 存儲元件與選擇晶體管103。當(dāng)形成相變存儲單元時，通過公知的技術(shù)在襯底100的表面上 形成具有漏IOla和源IOlb的選擇晶體管103。選擇晶體管103用作能夠?qū)⑿纬上嘧兇鎯?元件的硫?qū)倩锊牧蠈?07 (相變記錄材料層)加熱到所需溫度的控制裝置。盡管在該實 施方案中使用了 M0SFET，但還可使用雙極晶體管。請注意，在圖1中未顯示參比電極IOlc 等的互連。
然后，在其上形成有選擇晶體管103、漏IOla和源IOlb的襯底100上形成下絕緣 層104。穿過下絕緣層104形成第一孔洞111，并將具有高導(dǎo)電性能的材料例如氮化鈦或鎢 作為芯棒105埋入在第一孔洞111中。將芯棒105延伸穿過下絕緣層104，并與選擇晶體管 103和硫?qū)倩锊牧蠈?07電連接。形成硫?qū)倩锊牧蠈?07的硫?qū)倩锊牧系睦邮侵饕蠸、Se或Te的材料， 或者是主要含有S、Se或Te以及Sb與Ge中至少一種的材料。在這些材料中，優(yōu)選使用主 要含有Ge、Sb或Te的材料。能夠使用且特別優(yōu)選使用Ge2Sb2Te5。然后，在芯棒105和下絕緣層104上，依次形成通過具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料形成的 鈣鈦礦層106 (在下文也被稱為“氧化物層106”)、硫?qū)倩锊牧蠈?07、上電極層108、及由 氧化硅膜等制成的硬掩模109?？梢岳缤ㄟ^使用氧化物靶或者氧化物靶與金屬靶的結(jié)合來形成氧化物層106。 形成氧化物層106的方法的其它例子是物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、通過使 沉積的金屬化合物氧化形成氧化層的方法、以及通過在氧氣氛中使金屬化合物反應(yīng)性濺射 形成氧化層的方法。在真空處理設(shè)備及使用真空處理設(shè)備制造相變存儲元件方法(下文將 詳述)中，可以通過使用這些方法之一來形成氧化物層106。例如，氧化物層106的厚度為約lOnm，且完全能夠通過上述的任何氧化物層106形 成方法來形成具有此厚度的氧化物層106。當(dāng)與均勻形成3nm以下薄膜的技術(shù)相比(其需 要現(xiàn)有技術(shù)中的很薄的絕緣膜)時，制造技術(shù)的難度顯著降低。硫?qū)倩锊牧蠈?07形成于鈣鈦礦層106 (氧化物層106)上，且用作相變記錄材 料層，該相變記錄材料層在通過鈣鈦礦層106 (氧化物層106)加熱或冷卻時相變?yōu)榫B(tài)或
非晶態(tài)。然后，通過使用光刻或刻蝕(稱為微圖案化技術(shù))將硬掩模109用作使氧化物層 106、硫?qū)倩锊牧蠈?07和上電極108微圖案化成預(yù)定形狀的掩模。最后，為了相變存儲元件的電絕緣而形成了上絕緣層110。本發(fā)明的相變存儲元件 使用LaNiO3 (下文將其簡單稱為“LN0”)作為氧化物層106，使用直流脈沖通過磁控濺射從 由LaNiO3制成的靶來形成氧化物層106。例如，壓力優(yōu)選為0. 9毫乇，且溫度優(yōu)選為300°C。 在所述條件下形成的氧化物層106的厚度為lOnm。圖2是顯示通過對根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的相變存儲元件的氧化物層 106 (LNO)進(jìn)行X射線衍射(Θ-2Θ法)獲得的測量結(jié)果的視圖。圖2揭示了氧化物層 106 (LNO)具有垂直于膜表面且具有良好(001)取向的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。換言之，在X射線衍射 (θ-2 θ法)中在接近于2 θ =43°處出現(xiàn)的(200)衍射峰間接顯示了(001)取向。作為 更直接的確認(rèn)方法，可通過觀察透射電子顯微鏡的截面圖并檢查晶格間距來確認(rèn)(001)取 向。在此方法中，可通過用電子束使氧化物層106 (LNO)輻射并分析衍射圖來更清楚地確認(rèn) (001)取向。當(dāng)通過RBS(盧瑟福背散射光譜術(shù))測量根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的相變存儲元 件的氧化物層106 (LNO)時，氧化物層106 (LNO)具有接近于化學(xué)計量比La Ni O = 20 20 60的原子比La Ni O = 19 22 60。通常，當(dāng)材料的原子比接近于化學(xué) 計量值時，材料的電阻是低的。因此，氧化物層106 (LNO)的電阻值是低的。表1顯示了通過四探針電阻測量方法測量的氧化物層106(LN0)的電阻率和熱導(dǎo)率。在表1中請注意，對于α-TiN，TiN的電阻率為 12X10-3(Ω/m)，而對于δ-TiN，TiN 的電阻率為 5\10_3(0/!!1)。為了進(jìn)行對比，顯示了通過常規(guī)技術(shù)(專利參考文獻(xiàn)2、6和 7及非專利參考文獻(xiàn)1和2)獲得的用于相變存儲元件的很薄的絕緣層的特性。表1揭示了 根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的相變存儲元件的氧化物層106 (LNO)具有5 X 10_6或更小的低電 阻率，以及2. 5X 10_2(W/cmK)或更小的低熱導(dǎo)率。表 1
LaNiO3Ta2O5TiN電阻率(Ωιη)~ 5 χ IO"6~5χ10ηδ-TiNα -TiN~ 5 χ IO"3-12 χ IO"3熱導(dǎo)率(W/cmK)-2. 5 χ IO"2-8. 5 χ IO 20. 1 ~ 0. 3如上所述，根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的相變存儲元件的氧化物層106(LN0)相對 于通過常規(guī)技術(shù)獲得的絕緣層具有低的電阻率(高電導(dǎo)率性質(zhì))和低的熱導(dǎo)率(高熱絕緣 性質(zhì))。氧化物層106的高熱絕緣性質(zhì)起到了作為抑制熱從硫?qū)倩锊牧蠈?07擴散到芯 棒的屏障的重要作用，且使得能夠顯著降低功耗。此外，氧化物層106的高電導(dǎo)率維持了操 作速度，同時將相變存儲元件的電阻保持為低。換言之，操作速度并不降低。具有高電導(dǎo)率的氧化物層106獨立于氧化物層106與硫?qū)倩锊牧蠈?07之間的 隧道效應(yīng)。因此，氧化物層的厚度不受限，所以形成的氧化物層可比現(xiàn)有技術(shù)的很薄的絕緣 層厚。這使得能夠降低必須形成很薄且均勻的絕緣層的制造技術(shù)的難度。接下來，將參照圖3的子圖3a_3e來說明當(dāng)在氧化物層106(LN0)上形成硫?qū)倩?材料層107時氧化物層106 (LNO)與硫?qū)倩锊牧蠈?07之間的關(guān)系。圖3的子圖3a是顯示氧化物層106 (LNO)具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的示例性視圖。已知， La的晶格內(nèi)距離a為0. 384nm。圖3的子圖3b是顯示晶體結(jié)構(gòu)的示例性視圖，在該晶體結(jié)構(gòu)中，為了便于以下說 明，從具有圖3的子圖3a所示的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物層106 (LNO)省略了氧原子(0)。圖3的子圖3c是顯示其中將具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(如圖3的子圖3b所示)的氧化物 層106(LN0)的多個晶體進(jìn)行組合的狀態(tài)的示意圖。圖3的子圖3d是顯示由圖3的子圖3c所示的平面301、302、303和304所包圍的 僅一部分的示例性視圖。如圖3的子圖3c所示，La的晶格內(nèi)距離b為0. 543nm，這是通過 將距離乘以V 2獲得的。還明顯的是，通過將在如3的子圖3c的氧化物層106 (LNO)的示 例性視圖旋轉(zhuǎn)45°獲得了在圖3的子圖3d所示的氧化物層106 (LNO)的示例性視圖。圖3的子圖3e是顯示其中硫?qū)倩锊牧蠈?07形成于氧化物層106 (LNO)(如圖3 的子圖3d所示)土的結(jié)構(gòu)的示例性視圖。已知，硫?qū)倩锊牧蠈?07的Te的晶格內(nèi)距離 c為0. 59nm。Te的晶格內(nèi)距離c的值接近于0. 543nm，如同在圖3的子圖3e中所示的氧化 物層106 (LNO)的La的晶格內(nèi)距離b。這表明，硫?qū)倩锊牧蠈?07易于生長在氧化物層 106 (LNO)上，且牢固地與之粘合。
從上述內(nèi)容可知，硫?qū)倩锊牧蠈?07 (GST)具有晶向(001) [100]，換言之，通過 將氧化物層106(LN0)的晶向(001) [110]作為樣板旋轉(zhuǎn)45°而結(jié)晶化。因此，具有如圖3 所示的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物層106 (LNO)對于具有巖鹽結(jié)構(gòu)的硫?qū)倩锊牧蠈?07是良好 的樣板。隨著通過將氧化物層106的晶向用作樣板而使硫?qū)倩锊牧蠈?07的結(jié)晶化，硫 屬化物材料層107形成于氧化物層106上。這促進(jìn)了硫?qū)倩锊牧蠈?07和下絕緣層104 之間通過氧化物層106的連接(接觸)。這還通過氧化物層106促進(jìn)了硫?qū)倩锊牧蠈?07 和芯棒105之間的連接(接觸)。在如上所述的該實施方案中，能夠提供具有鈣鈦礦層(氧化物層)的相變存儲元 件，以及具有相變存儲元件的相變存儲單元，所述鈣鈦礦層是通過具有高電導(dǎo)率性質(zhì)和高 熱絕緣性質(zhì)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料形成的。(第二實施方案)圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的相變存儲元件的結(jié)構(gòu)的示例性視圖。如同 在第一實施方案中，相同的參考數(shù)字表示相同部件，并省略了詳細(xì)說明。第二實施方案與第 一實施方案的區(qū)別在于氧化物層106的結(jié)構(gòu)，因此將在下文對這一點進(jìn)行說明。在第二實 施方案中，氧化物層106覆蓋了壁114以及第二孔洞113的底部115，該第二孔洞113形成 于芯棒105上方的中間絕緣層112內(nèi)。形成硫?qū)倩锊牧蠈?07以填充覆蓋有氧化物層 106的第二孔洞113，且上電極層108形成于硫?qū)倩锊牧蠈?07上。在根據(jù)第二實施方案 的相變存儲元件中，當(dāng)硫?qū)倩锊牧蠈?07在晶相與非晶相之間變化時，第二孔洞113的尺 寸決定著所需的電功率。請注意，盡管未顯示，氧化物層106還可直接連接于漏101a，而非圖4所示的結(jié)構(gòu)。在如上所述的該實施方案中，能夠提供具有鈣鈦礦層(氧化物層)的相變存儲元 件，以及具有相變存儲元件的相變存儲單元，所述鈣鈦礦層是通過具有高電導(dǎo)率性質(zhì)和高 熱絕緣性質(zhì)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料形成的。(第三實施方案)參照圖10和11，將在下文說明作為本發(fā)明的第三實施方案的用于制造在第一和 第二實施方案所述的相變存儲元件的真空處理設(shè)備以及相變存儲元件的制造方法。圖10是示例性顯示真空處理設(shè)備的排布的平面圖。如圖10所示，真空處理設(shè)備 是通過連接多個室獲得的多室型設(shè)備。通過兩個進(jìn)料室1008和1009裝載和卸載襯底100。 在預(yù)處理室1001中進(jìn)行用于清洗襯底100的表面的預(yù)處理。在硬掩模形成室1002中形成 硬掩模。在上電極形成室1003中形成上電極。在硫?qū)倩锊牧蠈有纬墒?004中形成硫?qū)?化物材料層。在氧化物層形成室1005中形成氧化物層。在脫氣室1006中進(jìn)行用于使襯底 脫氣的處理。整體地將預(yù)處理室1001、硬掩模形成室1002、上電極形成室1003、硫?qū)倩锊牧?層形成室1004、氧化物層形成室1005、以及脫氣室1006統(tǒng)稱為處理室(1001至1006)。真空處理設(shè)備還包括用于連接用以在襯底100上進(jìn)行預(yù)定處理的處理室(1001至 1006)的芯部室1009，以及進(jìn)料室1007與1008。將單個室隔離并且可以根據(jù)需要打開與封 閉的閘閥(未示出)形成于芯部室1009和進(jìn)料室1007與1008之間以及芯部室1009和處 理室(1001至1006)之間。
安置兩個進(jìn)料室1007和1008以便通過任選地使用兩個室平行裝載和負(fù)載襯底，
由此提高生產(chǎn)率。例如，預(yù)處理室1001包括用于在其上放置襯底的襯底臺、抽空裝置、氣體供應(yīng) 裝置以及電源裝置，但沒有顯示這些部件。例如，從硬掩模形成室1002到氧化物層形成室 1005的處理室各自包括用于在其上放置襯底的襯底臺、相對于襯底臺放置的靶臺、放在 靶臺上的靶、抽空裝置、氣體供應(yīng)裝置以及電源裝置，但沒有顯示這些部件。例如，脫氣室 1006包括用于在其上放置襯底的襯底臺、抽空裝置、氣體供應(yīng)裝置以及襯底加熱裝置，但 沒有顯示這些部件。例如，芯部室1009包括抽空裝置和用于傳送襯底的襯底傳送裝置，但 沒有顯示這些部件?，F(xiàn)在將說明相變存儲元件制造方法的工序。圖11是說明相變存儲元件制造方法 的工序。可通過使用如圖10所示的真空處理設(shè)備來進(jìn)行該工藝。假設(shè)在先前步驟中，在待 載入真空處理設(shè)備的襯底100的表面上形成選擇晶體管103、下絕緣層104和芯棒105。首先，在步驟SllOl中，安裝在氣氛側(cè)的襯底傳送裝置(未顯示)將襯底100載入 進(jìn)料室1008。然后，在步驟S1102中，進(jìn)料室1008的抽空裝置將進(jìn)料室1008抽空到預(yù)定真空度。然后，在步驟S1103中，芯部室1009的襯底傳送裝置將襯底從進(jìn)料室1008傳送到 脫氣室1006，并將襯底置于襯底臺。此后，抽空裝置將脫氣室1006抽空。襯底加熱裝置將 襯底加熱到預(yù)定溫度，由此進(jìn)行脫氣處理。在步驟S1104中，芯部室1009的襯底傳送裝置將襯底從脫氣室1006傳送到預(yù)處 理室1001，并將襯底置于襯底臺。此后，抽空裝置將預(yù)處理室1001抽空，且通過進(jìn)行公知的 刻蝕技術(shù)將襯底表面刻蝕并清洗。在步驟S1105中，芯部室1009的襯底傳送裝置將襯底從預(yù)處理室1001載入氧化 物層形成室1005 (鈣鈦礦層形成室1005)，并將襯底置于襯底臺。此后，抽空裝置將氧化物 層形成室1005抽空。在步驟S1106中，氣體供應(yīng)裝置以預(yù)定的流速控制預(yù)定氣體，且將氣體供入氧化 物層形成室1005 (鈣鈦礦層形成室)。電源裝置將電功率輸入靶，由此在氧化物層形成室 1005 (鈣鈦礦層形成室1005)中引起等離子體放電。當(dāng)由靶濺射的濺射顆粒到達(dá)襯底表面 時，形成氧化物層。在步驟S1107中，芯部室1009的襯底傳送裝置將襯底從氧化物層形成室1005(鈣 鈦礦層形成室1005)裝載到硫?qū)倩锊牧蠈有纬墒?004，并將襯底置于襯底臺上。此后，抽 空裝置將硫?qū)倩锊牧蠈有纬墒?004抽空。在步驟S1108中，氣體供應(yīng)裝置以預(yù)定的流速控制預(yù)定氣體，且將氣體供入硫?qū)?化物材料層形成室1004 (相變記錄材料層形成室1004)。電源裝置將電功率輸入靶，由此在 硫?qū)倩锊牧蠈有纬墒?004(相變記錄材料層形成室1004)中引起等離子體放電。當(dāng)由靶 濺射的濺射顆粒到達(dá)襯底表面時，在氧化物層上形成硫?qū)倩锊牧蠈?相變記錄材料層)。在步驟Sl 109中，襯底傳送裝置將襯底從硫?qū)倩锊牧蠈有纬墒?004 (相變記錄 材料層形成室1004)裝載到上電極形成室1003，并將襯底置于襯底臺上。此后，抽空裝置將 上電極形成室1003抽空。
在步驟SlllO中，氣體供應(yīng)裝置以預(yù)定的流速控制預(yù)定氣體，且將氣體供入上電 極形成室1003。電源裝置將電功率輸入靶，由此在上電極層形成室1003中引起等離子體放 電。當(dāng)由靶濺射的濺射顆粒到達(dá)襯底表面時，在硫?qū)倩锊牧蠈由闲纬缮想姌O層。在步驟Sllll中，芯部室1009的襯底傳送裝置將襯底從上電極層形成室1003裝 載到硬掩模形成室1002，并將襯底置于襯底臺上。此后，抽空裝置將硬掩模形成室1002抽 空。在步驟S1112中，氣體供應(yīng)裝置以預(yù)定的流速控制預(yù)定氣體，且將氣體供入硬掩 模形成室1002。電源裝置將電功率輸入靶，由此在硬掩模形成室1002中引起等離子體放 電。當(dāng)由靶濺射的濺射顆粒到達(dá)襯底表面時，在上電極層上形成硬掩模。最后，在步驟S1113中，將已經(jīng)歷上述預(yù)定處理的襯底從硬掩模形成室1002中卸 載，并通過芯部室1009的襯底傳送裝置裝載到進(jìn)料室1007中。然后，通過安裝在氣氛側(cè)的 襯底傳送裝置將襯底從進(jìn)料室1007中卸載并傳遞到后續(xù)步驟。通過從步驟SllOl到Sl 113的處理，在襯底100上形成具有相變存儲元件的相變
存儲單元。在如上所述的該實施方案中，能夠提供制造例如相變存儲元件的真空處理設(shè)備及 方法，其降低了制造鈣鈦礦層(氧化物層)的難度。參照附圖，已在上文說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。然后，本發(fā)明不限于這些實施 方案，且可在所附權(quán)利要求范圍的描述中的技術(shù)范圍內(nèi)改變成各種形式。本發(fā)明不限于上述實施方案，且可進(jìn)行各種改變和修改而不背離本發(fā)明的精神和 范圍。因此，為了公開本發(fā)明范圍，附上以下權(quán)利要求。
權(quán)利要求
相變存儲元件，包含鈣鈦礦層，其由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料形成，和相變記錄材料層，其位于所述鈣鈦礦層的至少一側(cè)，且當(dāng)通過所述鈣鈦礦層供應(yīng)電流時相變?yōu)榫B(tài)和非晶態(tài)之一。
2.權(quán)利要求1的相變存儲元件，其中所述相變記錄材料層包括硫?qū)倩锊牧稀?br>
3.權(quán)利要求1的相變存儲元件，其中所述鈣鈦礦層包括選自SrLaTi03、CaYTi03、 CaNdTiO3、LaNiO3、SrCaLaRuO3、NdNiO3、LaBaSnO3、LaTiO3、CaRuO3、CaMoO3、SrRuO3、BaMoO3、 CaCrO3> SrMoO3 和 SrCrO3 中的一者。
4.權(quán)利要求1的相變存儲元件，其中通過將所述鈣鈦礦層的晶向用作樣板使所述相變 記錄材料層在所述鈣鈦礦層上結(jié)晶化。
5.權(quán)利要求1的相變存儲元件，其中使用高頻電源和脈沖電源通過磁控濺射從氧化物 靶形成所述鈣鈦礦層。
6.權(quán)利要求1的相變存儲元件，其中通過濺射氧化物靶與金屬靶的組合來形成所述鈣 鈦礦層。
7.權(quán)利要求1的相變存儲元件，其中通過物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和原子層沉積 中的一種形成所述鈣鈦礦層。
8.權(quán)利要求1的相變存儲元件，其中通過使沉積的金屬化合物氧化形成所述鈣鈦礦層。
9.權(quán)利要求1的相變存儲元件，其中通過在氧氣氛中反應(yīng)性濺射金屬化合物形成所述 鈣鈦礦層。
10.權(quán)利要求1所述的相變存儲元件，其中所述鈣鈦礦層具有不大于5Χ10_6(Ωπι)的 電阻率，以及不大于2. 5X10_2(W/CmK)的熱導(dǎo)率。
11.相變存儲單元，包含權(quán)利要求1-10中任一項所述的相變存儲元件；控制電路，其配置成將形成所述相變存儲元件的相變記錄材料層加熱到所需溫度，和導(dǎo)電部件，其通過形成所述相變存儲元件的鈣鈦礦層將所述控制電路和所述相變記錄 材料層進(jìn)行電連接。
12.真空處理設(shè)備，包含鈣鈦礦層形成室，其通過使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料在襯底上形成鈣鈦礦層；及相變記錄材料層形成室，其在所述鈣鈦礦層形成室中形成的鈣鈦礦層上形成配置成相 變?yōu)榫B(tài)與非晶態(tài)之一的相變記錄材料層。
13.相變存儲元件的制造方法，包括通過使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料形成鈣鈦礦層的鈣鈦礦層形成步驟；及形成相變記錄材料層的相變記錄材料層形成步驟，該相變記錄材料層位于鈣鈦礦層的 至少一側(cè)，并在通過鈣鈦礦層供應(yīng)電流時相變?yōu)榫B(tài)與非晶態(tài)之一。
全文摘要
相變存儲元件，包含由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料形成的鈣鈦礦層，和相變記錄材料層，其位于所述鈣鈦礦層的至少一側(cè)，且當(dāng)通過所述鈣鈦礦層供應(yīng)電流時相變?yōu)榫B(tài)和非晶態(tài)之一。
文檔編號H01L45/00GK101911296SQ20088012491
公開日2010年12月8日 申請日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月18日
發(fā)明者崔永碩, 恒川孝二 申請人:佳能安內(nèi)華股份有限公司