專利名稱:相變材料、含該材料的相變隨機(jī)存取存儲器及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體存儲器件的相變材料、含有該材料的相變隨機(jī)存取存儲器(PRAM)以及該P(yáng)RAM的操作方法。
背景技術(shù)：
在相變隨機(jī)存取存儲器(PRAM)中，其中記錄了數(shù)據(jù)的相變層根據(jù)熱處理而進(jìn)入結(jié)晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)。當(dāng)相變層處于結(jié)晶狀態(tài)時(shí)，PRAM的電阻較低。當(dāng)相變層處于非晶狀態(tài)時(shí)，PRAM的電阻較高。PRAM是利用當(dāng)相變層處于結(jié)晶狀態(tài)和非晶狀態(tài)時(shí)的電阻差異來寫入/讀取數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。
常規(guī)的PRAM需要高的重置電流以將相變層轉(zhuǎn)化成非晶狀態(tài)。常用的相變材料是GST(Ge2Sb2Te5)，應(yīng)用GST的PRAM的重置電流約為1.2mA。
隨著半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展，通過減小包括相變層的晶體管和存儲節(jié)點(diǎn)的尺寸，集成PRAM在技術(shù)上并不困難。
然而，當(dāng)晶體管的尺寸減小時(shí)，能夠流過晶體管的最大電流減小。因此，不減小重置電流而增大PRAM的集成度是困難的。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種在相對低的溫度下變成非晶狀態(tài)的相變材料。
本發(fā)明還提供了一種相變存儲器，其包括由所述相變材料形成的相變層，以減小重置電流。
本發(fā)明還提供了一種相變存儲器(PRAM)的操作方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種相變存儲器，包括開關(guān)元件；以及，連接到所述開關(guān)元件的存儲節(jié)點(diǎn)，所述存儲節(jié)點(diǎn)包括第一電極；相變層；以及第二電極，其中所述相變層由摻雜了Ge的InSbTe化合物形成。
所述相變層中Ge的含量可以為10at％或更少。
所述InSbTe化合物可以包括20至50at％的In，10至20at％的Sb和30至55at％的Te。
所述相變層可以包括4至9at％的Ge、21至48at％的In、16至19at％的Sb和30至52at％的Te。
所述相變層可以包括含有4至6at％的的Ge的In3Sb1Te2化合物基體。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種相變存儲器的操作方法，包括將開關(guān)元件保持在導(dǎo)通狀態(tài)下；以及向存儲節(jié)點(diǎn)提供預(yù)定電流。
所述預(yù)定電流可以是重置電流、設(shè)置電流和讀電流之一。
在將所述重置電流提供給所述存儲節(jié)點(diǎn)之后，可以以比所述重置電流更長的持續(xù)時(shí)間將所述設(shè)置電流提供給所述存儲節(jié)點(diǎn)。
當(dāng)所述預(yù)定電流是讀電流時(shí)，通過提供所述讀電流來測量所述存儲節(jié)點(diǎn)的電阻，并將測量到的電阻與參考電阻相比較。
通過參考附圖對其示范性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的以上和其他特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的相變隨機(jī)存取存儲器(PRAM)的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的含有由Ge8.1In23.6Sb18.3Te50.1形成的相變層的PRAM的電阻與提供給該P(yáng)RAM的電流的曲線圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的PRAM中相變層的熱行為的曲線圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的PARM中由Ge8.1In23.6Sb18.3Te50.1形成的相變層的X射線衍射圖案；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的PARM中由Ge5In45Sb17Te33形成的相變層的X射線衍射圖案；以及圖6(a)～(c)示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的PRAM的操作方法。
具體實(shí)施方式以下，將參照附圖更充分地描述根據(jù)本發(fā)明的相變材料、含有該材料的相變隨機(jī)存取存儲器(PRAM)以及該P(yáng)RAM的操作方法，附圖中示出了本發(fā)明的示范性實(shí)施例。在圖中，為清楚起見，夸大了層和區(qū)域的尺寸和厚度。
首先，將描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的PRAM。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的相變隨機(jī)存取存儲器(PRAM)的截面圖。參照圖1，在PRAM的襯底40中，摻雜有例如n型雜質(zhì)的導(dǎo)電雜質(zhì)的第一雜質(zhì)區(qū)S和第二雜質(zhì)區(qū)D隔開預(yù)定距離。襯底40例如是摻雜有p型雜質(zhì)的硅襯底。第一雜質(zhì)區(qū)S可以是源極區(qū)，第二雜質(zhì)區(qū)D可以是漏極區(qū)。在襯底40上第一和第二雜質(zhì)區(qū)S和D之間設(shè)置有柵極氧化物層42。在柵極氧化物層42上形成柵極44。襯底40、第一和第二雜質(zhì)區(qū)S和D以及柵極44形成了場效應(yīng)晶體管(FET)。可以用PN結(jié)二極管來更換FET。
在襯底40上形成第一層間絕緣層46以覆蓋該晶體管。在第一層間絕緣層46中形成第一接觸孔48以暴露第一雜質(zhì)區(qū)S。第一接觸孔48可以暴露第二雜質(zhì)區(qū)D而不是第一雜質(zhì)區(qū)S。用導(dǎo)電插塞50填充第一接觸孔48。在第一層間絕緣層46上形成覆蓋導(dǎo)電插塞50的暴露上表面的下電極52。在第一層間絕緣層46上形成覆蓋下電極52的第二層間絕緣層54。在第二層間絕緣層54中形成第二接觸孔56從而暴露下電極52的上表面。第二層間絕緣層54和第一層間絕緣層46可以由相同的材料形成。用下電極接觸層58填充第二接觸孔56。在第二層間絕緣層54上順序形成相變層60和上電極62，從而覆蓋下電極接觸層58。下電極52、下電極接觸層58、相變層60和上電極62形成了其中記錄位數(shù)據(jù)的存儲節(jié)點(diǎn)。
相變層60由摻雜了Ge的InxSbyTez化合物形成。x，y和z可以分別為20至50at％，10至20at％和30至55at％?？梢栽谙嘧儗?0中摻雜10at％或更少的Ge，例如4至9at％。
相變層60可以由4-9at％的Ge、21-48at％的In、16-19at％的Sb和30-52at％的Te形成。此外，在相變層60中，可以在In3Sb1Te2化合物基體中包含4至6at％的Ge。
可以利用使用了Ge2Sb2Te5靶和In靶的共濺鍍方法或者利用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法來形成相變層60。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的含有由Ge8.1In23.6Sb18.3Te50.1形成的相變層的PRAM的電阻與提供給該P(yáng)RAM的電流的曲線圖。在圖2中，第一曲線C1表示提供給PRAM的電流，第二曲線C2表示在提供所述電流后測量的PRAM的電阻。
參照圖2，根據(jù)預(yù)定的提供模式重復(fù)地提供電流，因此，PRAM的電阻表現(xiàn)出重復(fù)的模式。當(dāng)所提供的電流約為0.4mA時(shí)，電阻表明了相變層是非晶的。因此，含有本實(shí)施例的相變材料的PRAM的重置電流約為0.4mA。該重置電流低于含有GST材料的PRAM的約為1.2mA的重置電流。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的pRAM中相變層的熱行為的曲線圖。在約200℃下沉積由Ge8.1In23.6Sb18.3Te50.1形成的相變材料。
參照圖3，該相變材料在約570℃下變成非晶的，該溫度低于常規(guī)GST材料的620℃的熔化溫度。因此，含有本實(shí)施例的相變材料的PRAM的重置電流低于常規(guī)PRAM的重置電流。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的PARM中由Ge8.1In23.6Sb18.3Te50.1形成的相變層的X射線衍射圖案。參照圖4，該相變材料(Ge8.1In23.6Sb18.3Te50.1)由多相構(gòu)成。當(dāng)相變材料由多相構(gòu)成時(shí)，對于外部電脈沖的反應(yīng)可能是不規(guī)則的，從而使含有該相變材料的PRAM的重置狀態(tài)是不規(guī)則的。
圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的PARM中由Ge5In45Sb17Te33形成的相變層的X射線衍射圖案。參照圖5，通過向In3Sb1Te2中摻雜少量的Ge來形成Ge5In45Sb17Te33，因此，Ge5In45Sb17Te33的尖峰與In3Sb1Te2的尖峰非常類似，并且Ge5In45Sb17Te33基本具有單相。含有該相變材料的PRAM具有規(guī)則的重置電流和重置電阻。
以下，將描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的PRAM的操作方法。
當(dāng)PRAM工作時(shí)，晶體管導(dǎo)通，并且為了說明的方便起見，在圖6中省略了開關(guān)元件。
<寫>
參照圖6(a)，持續(xù)預(yù)定時(shí)間向處于結(jié)晶狀態(tài)的相變層60提供大于重置電流Ireset的電流。例如，重置電流Ireset可以是約為0.4mA。因此，在下電極接觸層58中產(chǎn)生熱量，與下電極接觸層58接觸的一部分相變層60被猛然加熱到相變溫度之上。由此，在相變層60中形成了非晶區(qū)域90，如圖6(b)所示。當(dāng)在相變層60中形成非晶區(qū)域90時(shí)，相變層60的電阻增大。
當(dāng)在相變層60中形成非晶區(qū)域90時(shí)，位數(shù)據(jù)、例如“1”被記錄在其中。當(dāng)一部分相變層60結(jié)晶時(shí)，位數(shù)據(jù)、例如“0”被記錄在其中。與相變層60的狀態(tài)相對應(yīng)的位數(shù)據(jù)可以顛倒。
參照圖6(b)，當(dāng)在相變層60中存在非晶區(qū)域90時(shí)，低于重置電流Ireset的設(shè)置電流Iset被提供給相變層60。設(shè)置電流Iset比重置電流Ireset被提供更長的時(shí)間。
當(dāng)提供設(shè)置電流Iset時(shí)，相變層60中的非晶區(qū)域90結(jié)晶從而使整個(gè)相變層60結(jié)晶，如圖6(c)所示。圖6(c)中相變層60的結(jié)晶狀態(tài)與圖6(a)中的結(jié)晶狀態(tài)相同。因此，在圖6(b)中向相變層60提供設(shè)置電流Iset是擦除預(yù)先記錄在相變層60中的位數(shù)據(jù)“1”的操作，或者在相變層60中寫入位數(shù)據(jù)“0”的操作。
<讀>
在相變層60中不引起相變的電流被提供到包括相變層60的存儲節(jié)點(diǎn)的兩端以測量相變層60的電阻。將測量到的電阻與參考電阻相比較，由此使記錄在相變層60中的位數(shù)據(jù)被讀為“1”或“0”。
提供到相變層60的讀取電流低于重置電流Ireset和設(shè)置電流Iset。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的PRAM中的相變層在比常規(guī)技術(shù)低的電流下進(jìn)入到非晶狀態(tài)，由此使本發(fā)明的PRAM的重置電流低于常規(guī)技術(shù)。當(dāng)重置電流較低時(shí)，能夠根據(jù)較低的重置電流而減小晶體管的尺寸，由此使PRAM的集成度增大。
盡管已經(jīng)參考其示范性實(shí)施例具體表示并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解的是，在不偏離由權(quán)利要求
限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對本發(fā)明進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲器，包括開關(guān)元件；以及連接到所述開關(guān)元件的存儲節(jié)點(diǎn)，所述存儲節(jié)點(diǎn)包括第一電極；相變層；以及第二電極，其中所述相變層由摻雜了Ge的InSbTe化合物形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的相變存儲器，其中所述相變層中Ge的含量為10at％或更少。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的相變存儲器，其中所述InSbTe化合物包括20至50at％的In，10至20at％的Sb和30至55at％的Te。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的相變存儲器，其中所述相變層包括4至9at％的Ge、21至48at％的In、16至19at％的Sb和30至52at％的Te。
5.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的相變存儲器，其中所述相變層包括含有4至6at％的Ge的In3Sb1Te2化合物基體。
6.一種相變材料，該相變材料包括摻雜了Ge的InSbTe化合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的相變材料，其中所述相變材料中Ge的含量為10at％或更少。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的相變材料，其中所述InSbTe化合物包括20至50at％的In，10至20at％的Sb和30至55at％的Te。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的相變材料，包括4至9at％的Ge、21至48at％的In、16至19at％的Sb和30至52at％的Te。
10.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的相變材料，包括含有4至6at％的Ge的In3Sb1Te2化合物基體。
11.一種相變存儲器的操作方法，所述相變存儲器包括開關(guān)元件以及連接到所述開關(guān)元件的存儲節(jié)點(diǎn)，所述存儲節(jié)點(diǎn)包括第一電極、相變層以及第二電極，其中所述相變層由摻雜了Ge的InSbTe化合物形成，所述方法包括將所述開關(guān)元件保持在導(dǎo)通狀態(tài)下；以及向所述存儲節(jié)點(diǎn)提供預(yù)定電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的方法，其中所述預(yù)定電流是重置電流、設(shè)置電流和讀電流之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的方法，其中，在將所述重置電流提供給所述存儲節(jié)點(diǎn)之后，以比所述重置電流更長的持續(xù)時(shí)間將所述設(shè)置電流提供給所述存儲節(jié)點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的方法，其中，當(dāng)所述預(yù)定電流是所述讀電流時(shí)，通過提供所述讀電流來測量所述存儲節(jié)點(diǎn)的電阻，并將測量到的電阻與參考電阻相比較。
15.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的方法，其中所述相變材料中Ge的含量為10at％或更少。
16.根據(jù)權(quán)利要求
15所述的方法，其中所述InSbTe化合物包括20至50at％的In，10至20at％的Sb和30至55at％的Te。
17.根據(jù)權(quán)利要求
16所述的方法，其中所述InSbTe化合物包括4至9at％的Ge、21至48at％的In、16至19at％的Sb和30至52at％的Te。
18.根據(jù)權(quán)利要求
15所述的方法，其中所述相變層包括含有4至6at％的Ge的In3Sb1Te2化合物基體。
專利摘要
本發(fā)明提供了一種相變材料、含有該相變材料的相變存儲器以及所述相變存儲器的操作方法。所述相變存儲器包括開關(guān)元件；以及連接到所述開關(guān)元件的含有相變材料的存儲節(jié)點(diǎn)。所述存儲節(jié)點(diǎn)包括第一電極；相變層；以及第二電極。所述相變層由摻雜了Ge的InSbTe化合物形成。所述相變材料的相變溫度和重置電流低于使用常規(guī)GST化合物時(shí)的相變溫度和重置電流。
文檔編號H01L45/00GK1996608SQ200610121663
公開日2007年7月11日 申請日期2006年8月28日
發(fā)明者盧振瑞, 金基俊, 姜閏浩 申請人:三星電子株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan