CN100536189C - 用于相变存储器器件的电极和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于相变存储器器件的存储材料的电极。所述电极包括粘结到存储材料的第一层，所述第一层包括氮化物(ANx)，其中A为钛(Ti)和钨(W)中的一种，而x小于1.0，以及粘结到所述第一层的第二层，所述第二层包括氮化物(ANy)，其中y大于或等于1.0。多层电极允许所述第一层与基于硫族化物的存储材料例如GST的粘结比与例如化合物TiN或WN的粘结更好，它可以防止分层。同时公开了相变存储器器件和方法。
Description
技术领域
本发明通常涉及相变存储器，更具体地说，涉及用于相变存储器器件的相变材料的电极和方法。
背景技术
相变存储器(PCM)是一类使用能够抵御由材料的机械相决定的变化的相变材料的非易失性计算机存储器。PCM也可以公知为双向一致存储器(OUM)、硫族化物随机存取存储器(CRAM)或相变随机存取存储器(PRAM)。几乎所有的PCM都使用硫族化物合金构建，它通常是称作GST的锗(Ge)、锑(Sb)和碲(Te)的混合物。一种GST合金具有分子式：Ge2Sb2Te5。在高温(600℃以上)下，硫族化物会变成液体，而且通过接下来的迅速冷却，它会凝固为无定形的类玻璃态，而且它的电阻较高。通过将硫族化物加热到其晶体化点以上而熔点以下的温度，它将转化为具有非常低的电阻的晶体态。而且，当材料被设定为具体状态以表现电阻值时，此值会保持直到被材料的另一相变预置。可以非常快地例如在10ns之内完成相变。在用作PCM期间，通常通过由小的电脉冲产生的热改变相变材料的相。
由上述特性得出，硫族化物材料提供了用于下一代技术的存储器的适合机理。具体地说，相变材料可以轻易集成到常规互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺中。PCMs相对于常规存储器也具有很多优点。例如，PCMs较常规静态随机存取存储器(SRAM)单元设计具有明显的空间优势，不需要和常规动态随机存取存储器(DRAM)一样通过周期性更新来保持信息，而且比磁性随机存取存储器(MRAM)更具规模。
典型的PCM单元包括位于两个导电电极之间的硫族化物材料层。然而，一个涉及PCMs的挑战是在电极材料和硫族化物材料之间提供足够的粘结。在许多例子中，电极材料可以包括对GST具有非常差的粘结的氮化钛(TiN)，由此会导致分层。也可以采用在此通过参考结合的美国专利Nos.6,744,088中公开的粘结层。
本领域内需要相关领域内没用应用的解决方案。
发明内容
本发明公开了一种用于相变存储器器件的存储材料的电极。所述电极包括粘结到存储材料的第一层，所述第一层包括氮化物(ANx)，其中A为钛(Ti)和钨(W)中的一种，而x小于1.0，以及粘结到所述第一层的第二层，所述第二层包括氮化物(ANy)，其中y大于或等于1.0。多层电极允许所述第一层与基于硫族化物的存储材料例如GST的粘结比与例如化合物TiN或WN的粘结更好，它减少了分层。同时公开了相变存储器器件和方法。
本发明的第一方面提供了一种用于相变存储器器件的存储材料的电极，所述电极包括：粘结到存储材料的上表面的第一层，所述第一层包括氮化物(ANx)，其中A为钛(Ti)和钨(W)中的一种，而x小于1.0；以及粘结到所述第一层的第二层，所述第二层包括氮化物(ANy)，其中y大于或等于1.0。
本发明的第二方面提供了一种形成用于相变存储器器件的存储材料的电极的方法，所述方法包括以下步骤：形成粘结到所述存储材料的上表面的第一层，所述第一层包括氮化物(ANx)，其中A为钛(Ti)和钨(W)中的一种，而x小于1.0；以及形成与所述第一层相邻的第二层，所述第二层包括氮化物(ANy)，其中y大于或等于1.0。
本发明的第三方面提供了一种相变存储器(PCM)器件，包括：包括硫族化物材料的存储器单元；以及电极，包括：粘结到硫族化物材料的上表面的第一层，所述第一层包括氮化物(ANx)，其中A为钛(Ti)和钨(W)中的一种，而x小于1.0，以及粘结到所述第一层的第二层，所述第二层包括氮化物(ANy)，其中y大于或等于1.0，其中所述第一层具有比第二层低的电阻。
设计了本发明的示例性方面以解决在此描述的问题和/或没有讨论的其它问题。
附图说明
通过后面结合描述本发明的各个实施例的附图的本发明的各个方面的详细描述，将更容易理解本发明的这些和其它特点，所述附图包括：
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于相变存储器的存储材料的电极。
图2-5示出了根据本发明的一个实施例的形成用于相变存储器的存储材料的电极的方法。
需要注意，本发明的附图并非按比例绘制的。附图旨在仅仅描绘本发明的典型方面，并因此不应该认为其限制本发明的范围。在附图中，类似的标号代表附图之间类似的元素。
具体实施方式
转到附图，图1示出了用于相变存储器(PCM)器件104的存储材料102的电极100的一个实施例。电极100包括与二极管(下)电极118相反的存储材料102的(上)表面112粘结的第一层110和与第一层110粘结的第二层114。第一层110包括氮化物(ANx)，其中A为钛(Ti)或钨(W)而x小于1.0，而第二层114包括氮化物(ANy)，其中y大于或等于1.0。在一个实施例中，存储材料102包括硫族化物材料，但是也可以采用其它现在公知或以后开发的存储材料。在一个实施例中，硫族化物材料包括锗(Ge)、锑(Sb)和碲(GST)(Ge2Sb2Te5)。第一层110可以具有约10-25埃
的厚度，而第二层114可以具有约的厚度。在一个实施例中，第一层110具有低于第二层114的电阻。
PCM器件104也可以包括其中包括二极管(下)电极118的衬底116，电极118用于将例如PNP二极管的二极管120连接到存储材料102的(下)表面122。可以以现在公知的或后来开发的方式在衬底中形成二极管电极118和二极管120。如上所述，PCM器件104也包括具有硫族化物材料(即，存储材料102)的存储器单元126和电极100。也可以提供用于通过二极管120给二极管电极118施加电流的电流源极128(例如，金属线)作为PCM器件104的部分，而且也可以提供接合到电极100的电流漏极129(例如，金属线)。应该理解地是，也可以提供其它结构。
转到图2-5，示出了形成电极100(图1)的方法的一个实施例。本发明可以出现在单工艺室130中。如上所述，存储材料102可以包括例如GST硫族化物材料。如图2中所示，可以通过在前面形成的衬底116和二极管电极118上的溅射淀积132形成存储材料102。
在图3中所示第二步骤中，可以通过例如电阻加热器将存储材料102暴露到低温(例如，≤100℃)去除气体134。具发现，使用更高温度的去除气体，例如，使用红外灯效果不佳，这是因为它会过加热或熔化存储材料102。
在图4所示下一步骤中，在存储材料102的表面112(图1)上形成第一层110。第一层110粘结到存储材料102的表面112。在一个实施例中，第一层110的形成可以包括在例如氩气(Ar)或氦气(He)的惰性气体中实施退火(例如，用加热的具有背部气体的底座或用烤箱)，和氮化物的物理气相淀积(PVD)140。结果，形成了包括具有低浓度氮(N2)，即，x小于1.0的氮化物(ANX)的第一层110。在介质层144中示出了第一层110。应该理解地是，可以首先通过例如整层淀积，接着通过构图和蚀刻，并接着形成介质层144来形成第一层110。
接下来，如图5中所示，形成粘结到第一层110的第二层114。如上所述，第二层114包括氮化物(ANy)，其中y大于或等于1.0。与第一层110一样，在一个实施例中，第二层114的形成可以包括在例如氩气(Ar)或氦气(He)的惰性气体中进行慢退火(例如，用加热的具有背部气体的底座或用烤箱)，和氮化物的物理气相淀积(PVD)142。形成比第一层110更圆柱晶体形式的第二层114，以使它可以抵受更多的应力。然而，第二层114不能粘结到存储材料102和第一层110。相反，第一层110由于其较低的氮含量提供了与存储材料102的更好的粘结。例如，第一层110和例如硫族化物材料的存储材料102之间的界面可以抵受上至约2500兆帕(MPa)的应力而不会分离。与第一层110一样，在介质层144中示出了第二层114，它们的一些可以在形成第一层110之后添加。然而，应该理解地是，可以首先通过整层淀积，接着通过构图和蚀刻，并接着淀积更多的介质层144来形成第二层114。
提供的上述本发明的各个方面的描述用于说明和描述的目的。不旨在穷举或将本发明局限于公开的精确形式，而且很明显，许多修改和变化都可以。例如，应该理解地是，可以忽略某些上述方法步骤。对于本领域内技术人员来说很明显的这些修改和变化旨在包括在所附权利要求限定的本发明的范围之内。
Claims (18)
1.一种用于相变存储器器件的硫族化物存储材料的电极，所述电极包括：
第一层，粘结到与二极管电极相反的所述硫族化物存储材料的表面，所述第一层包括氮化物ANx，其中A为钛或钨，而x小于1.0；以及
第二层，粘结到所述第一层，所述第二层包括氮化物ANy，其中y大于或等于1.0。
2.根据权利要求1的电极，其中所述硫族化物存储材料为Ge2Sb2Te5。
3.根据权利要求1的电极，其中所述第一层具有不小于10埃和不大于25埃的厚度，而所述第二层具有不小于100埃和不大于2000埃的厚度。
4.根据权利要求1的电极，其中所述第一层具有比所述第二层低的电阻。
5.一种形成用于相变存储器器件的硫族化物存储材料的电极的方法，所述方法包括以下步骤：
形成粘结到所述硫族化物存储材料的上表面的第一层，所述第一层包括氮化物ANx，其中A为钛或钨，而x小于1.0；以及
形成粘结到所述第一层的第二层，所述第二层包括氮化物ANy，其中y大于或等于1.0。
6.根据权利要求5的方法，其中所述硫族化物存储材料为Ge2Sb2Te5。
7.根据权利要求6的方法，其中通过溅射淀积形成所述硫族化物存储材料。
8.根据权利要求6的方法，还包括在所述形成粘结到所述硫族化物存储材料的上表面的第一层的步骤之前实施硫族化物存储材料的低温去除气体的步骤。
9.根据权利要求5的方法，其中两个形成步骤都在单个工艺室中进行。
10.根据权利要求5的方法，其中所述形成步骤每个包括实施物理气相淀积和在选自氩气和氦气的惰性气体中退火。
11.根据权利要求5的方法，其中所述第一层具有比所述第二层低的电阻。
12.一种相变存储器器件，包括：
存储器单元，包括硫族化物存储材料；以及
电极，包括：
第一层，粘结到与二极管电极相反的所述硫族化物存储材料的表面，所述第一层包括氮化物ANx，其中A为钛或钨，而x小于1.0；以及
第二层，粘结到所述第一层，所述第二层包括氮化物ANy，其中y大于或等于1.0，
其中所述第一层具有比第二层低的电阻。
13.根据权利要求12的相变存储器器件，其中所述硫族化物存储材料为Ge2Sb2Te5。
14.根据权利要求12的相变存储器器件，其中所述第一层具有不小于10埃和不大于25埃的厚度。
15.根据权利要求12的相变存储器器件，其中所述第二层具有不小于100埃和不大于2000埃的厚度。
16.根据权利要求12的相变存储器器件，还包括与接触所述硫族化物存储材料的另一表面的所述二极管电极接触的PNP三极管。
17.根据权利要求16的相变存储器器件，还包括用于给所述PNP三极管施加电流的电流源极。
18.根据权利要求12的相变存储器器件，其中所述第一层和所述硫族化物存储材料之间的界面可以抵受上至2500兆帕的应力而不会分离。
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