CN101290967A

CN101290967A - 通过退火转变相变材料的状态

Info

Publication number: CN101290967A
Application number: CNA200710105374XA
Authority: CN
Inventors: J·B·菲利普; S·M·罗斯纳格尔
Original assignee: Qimonda AG; International Business Machines Corp
Current assignee: Qimonda AG; International Business Machines Corp
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-10-22

Abstract

一种半导体器件包含预处理过的晶片和接触该预处理过的晶片的退火过的相变材料层。该半导体器件包含接触退火过的相变材料层的第一材料层。

Description

通过退火转变相变材料的状态

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，并且涉及用于制造半导体器件的方法。

背景技术

非易失性存储器的一种类型是电阻性存储器。电阻性存储器利用存储元件的电阻值来保存一个或多个数据位。例如，被编程为具有高电阻值的存储器元件可以表示逻辑“1”数据位值，以及被编程为具有低电阻值的存储器元件可以表示逻辑“0”数据位值。存储器元件的电阻值通过施加电压脉冲或电流脉冲到该存储器元件被电切换。电阻性存储器的一种类型是相变存储器。相变存储器采用电阻性存储器元件用的相变材料。

相变存储器基于表现出至少两种不同状态的相变材料。相变材料可以用在存储器单元中来保存数据位。相变材料的状态可以被称为非晶态和结晶态。这些状态可以被区分是由于非晶态通常比结晶态表现出更高的电阻率。通常，非晶态包括更无序原子结构，而结晶态包括更有序晶格。一些相变材料显示出多于一个的结晶态，例如，面心立方(face-centered cubic，FCC)态和六方最密堆积(hexagonal closest packing，HCP)态。这两种结晶态具有不同的电阻率以及可以用来保存数据位。

可以可逆地导致相变材料中的相变。这样，存储器可以响应于温度改变而从非晶态变化到结晶态和从结晶态变化到非晶态。对相变材料的温度改变可以以各种各样的方法实现。例如，可以将激光导向相变材料，可以使电流穿过相变材料，或者可以将电流馈送通过邻近该相变材料的电阻性加热器。在这些方法的任一中，相变材料的可控制的加热导致相变材料内的可控制的相变。

包括具有多个由相变材料制成的存储器单元的存储器阵列的一种相变存储器，可以被编程用以利用相变材料的存储器状态以保存数据。在这样的一种相变存储器器件中读和写数据的一种方式是控制施加给相变材料的电流和/或电压脉冲。电流和/或电压的水平通常对应于在每个存储器单元中的相变材料内所感应的温度。

在利用相变材料制造相变存储器或者其他器件期间，相变材料从非晶态到结晶态的转变缩小相变材料的体积。如果在器件的制造期间，相变材料在低温下被沉积，则相变材料处于非晶态。在进一步的处理步骤期间，相变材料可以被加热到超过结晶温度。在相变材料被加热超过结晶温度的情况下，相变材料从非晶态转变到结晶态，从非晶态到晶态的转变使相变材料的体积缩小高达大约10％。这样的体积缩小可以显著地足以引起沉积在相变材料上的材料层剥落。

为了这些及其他理由，本发明是需要的。

发明内容

本发明的一个实施例提供一种半导体器件。该半导体器件包括预处理过的晶片和接触该预处理过的晶片的退火过的相变材料层。该半导体器件包括接触该退火过的相变材料层的第一材料层。

附图说明

附图是被包括用于提供对本发明的进一步理解并且被结合且组成说明书的一部分。所述附图阐明本发明的实施例并且和本说明书一起用于解释本发明的原理。本发明的其他实施例和本发明的许多预定优点将被容易地理解，参考以下详细说明使它们变成更好理解。附图的元件相互之间不必按比例。相同的附图标记标明相应的相似的部分。

图1是示出相变材料从非晶态、到FCC结晶态、和到HCP结晶态的转变的一个实施例的简图。

图2示出预处理过的晶片的一个实施例的剖视图。

图3示出一种预处理过的晶片和非晶相变材料层的一个实施例的剖视图。

图4示出预处理过的晶片、非晶相变材料层、和第一材料层的一个实施例的剖视图。

图5示出当相变材料层从非晶态转变到结晶态时在相变材料内所产生的力(force)的一个实施例的剖视图。

图6示出在相变材料层从非晶态转变到结晶态之后第一材料层剥落的一个实施例的剖视图。

图7示出预处理过的晶片的一个实施例的剖视图。

图8示出预处理过的晶片和非晶相变材料层的一个实施例的剖视图。

图9示出当相变材料层通过退火从非晶态转变到结晶态时在相变材料内所产生力的一个实施例的剖视图。

图10示出处理过的晶片、结晶相变材料层、和第一材料层的一个实施例的剖视图。

图11示出在进一步处理之后预处理过的晶片、结晶相变材料层、和第一材料层的一个实施例的剖视图。

具体实施方式

在以下详细说明书中，参考附图，所述附图形成其一部分，并且其中借助于图示示出了可以实施本发明的特定实施例。在这点上，诸如″顶部″、″底部″、″前面″、″后面″、″领先的″、″尾随的″等等方向术语参照所示的(多个)图的方向使用。因为本发明的实施例的部件可以以多个不同的方向定位，因此方向术语用于图解的目的而决不是限制性的。应当理解的是，可利用其他实施例以及在不偏离本发明的范围的情况下可以进行结构的或者逻辑的变化。因以下详细说明不在限制性意义上来理解，并且本发明的范围由所附的权利要求来确定。

图1是示出相变材料从非晶态100、到面心立方(FCC)结晶态102、和到六方最密堆积(HCP)结晶态104的转变的一个实施例的简图。非晶相变材料100被加热到大约175℃来提供FCC结晶相变材料102。该相变材料的体积从非晶态100到FCC结晶态102缩小大约7％。将在FCC结晶态102的相变材料进一步加热到大约350℃，提供在HCP结晶态104的相变材料，相变材料的体积从FCC结晶态102到HCP结晶态104缩小大约2％。

相变材料的体积缩小可能发生在相变存储器器件或者采用相变材料的其他器件制造期间。体积缩小可能引起张应力，所述张应力可能导致沉积在相变材料层上的材料层剥落，参照以下图2-6所述和所示的。为预防由于由相变材料体积的变化所产生的张应力而引起的剥落，相变材料在沉积之后被退火。在执行附加的处理步骤以前，相变材料的退火使相变材料从非晶态转变到FCC结晶态或者到HCP结晶态。用于利用相变材料制造相变存储器器件或者其他器件的工艺的一个实施例参照以下图7-11描述并示出。

图2示出预处理过的晶片110的一个实施例的剖视图。预处理过的晶片110包括任一适当的材料层或者用于被制造的特定器件的器件特征。在一个实施例中，预处理过的晶片110包括用于相变存储器器件的晶体管和接触插塞(plug)。在其他的实施例中，处理过的晶片110包括用于包括相变材料的其他器件的其他适当的器件特征。

图3示出预处理过的晶片110和非晶相变材料层112的一个实施例的剖视图。相变材料层112根据本发明可以由多种材料组成。通常，包含元素周期表的VI族中的一个或多个元素的硫族化物(chalcogenide)合金用作这样的材料。在一个实施例中，相变材料层112由硫族化物复合材料组成，例如GeSbTe，SbTe，GeTe或者AgInSbTe。在另一个实施例中，相变材料层112是无硫族元素的，例如GeSb、GaSb、InSb或者GeGaInSb。在其他的实施例中，相变材料层112由包括元素Ge、Sb、Te、Ga、As、In、Se和S的一个或多个的任何适当的材料组成。

相变材料、例如硫族化物复合材料或者其他适当的相变材料沉积在预处理过的晶片110上以提供相变材料层112。相变材料层112利用化学气相淀积(CVD)、原子层沉积(ALD)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)、等离子体气相淀积(PVD)、喷射气相淀积(JVP)或者其他适当的沉积技术来沉积的。

图4示出预处理过的晶片110、非晶相变材料层112、和第一材料层114的一个实施例的剖视图。在一个实施例中，第一材料层114是一种导电材料，例如TiN、TaN、W、Al、Cu、TiSiN、TaSiN或者其他适当的导电材料。在另一个实施例中，第一材料层114是一种半导体材料。在另一个实施例中，第一材料层114是一种绝缘体材料，例如SiO₂、硼磷硅玻璃(BPSG)、硼硅玻璃(BSG)、低k材料或者其他适当的介电材料。导电、半导体、或者绝缘体材料被沉积在非晶相变材料层112上以提供第一材料层114。第一材料层114是利用CVD、ALD、MOCVD、PVD、JVP或者其他适当的沉积技术沉积的。在一个实施例中，第一材料层114是一种用于制造相变存储器器件的电极材料层。在其他的实施例中，第一材料层114用于制造其他适当的器件。

图5示出当相变材料层112从非晶态转变到结晶态时在相变材料层118内所产生的力116的一个实施例的剖视图。力116是响应于第一材料层114的沉积或者加热相变材料层112的另外的处理步骤而产生的。相变材料层112被加热超过结晶温度以提供结晶相变材料层118。非晶相变材料层112到结晶相变材料层118的转变缩小相变材料的体积。相变材料体积的缩小产生力116。

图6示出在从非晶相变材料层112转变到结晶相变材料层118之后第一材料层114剥落的一个实施例的剖视图。由于体积的缩小而在相变材料层118中所产生的力116引起如由114a-114c所表示的第一材料层114的剥落。参照以下图7-11描述和示出用于预防这种剥落的方法的一个实施例。

图7示出预处理过的晶片110的一个实施例的剖视图。预处理过的晶片110包括任何适当的材料层或者用于被制造的特定器件的器件特征。在一个实施例中，预处理过的晶片110包括用于相变存储器器件的晶体管和接触插塞。在其他的实施例中，预处理过的晶片110包括用于包括相变材料的其他器件的其他适当的器件特征。

图8示出预处理过的晶片110和非晶相变材料层112的一个实施例的剖视图。相变材料、例如硫族化物复合材料或者其他适当的相变材料被沉积在预处理过的晶片110上以提供相变材料层112。相变材料层112是利用CVD、ALD、MOCVD、PVD、JVP、或者其他适当的沉积技术沉积的。

图9示出当非晶相变材料层112通过退火转变到结晶态相变材料层118时在相变材料层118内所提供的力116的一个实施例的剖视图。非晶相变材料层112被退火以提供结晶相变材料层118。非晶相变材料层112采用具有夹具的加热卡盘(chuck)、真空吸盘、E卡盘或者其他适当的退火技术被退火。该退火是在原位(in-situ)或者在外部(ex-situ)进行的。退火缩小了相变材料体积，这产生力116。

图10示出预处理过的晶片110、结晶相变材料层118、和第一材料层114的一个实施例的剖视图。在一个实施例中，第一材料层114是一种导电材料，例如TiN、TaN、W、Al、Cu、TiSiN、TaSiN或者其他适当的导电材料。在另一个实施例中，第一材料层114是一种半导体材料。在另一个实施例中，第一材料层114是一种绝缘体材料，例如SiO₂、BPSG、BSG、低k材料或者其他适当的介电材料。该导电、半导体、或者绝缘体材料被沉积在非晶相变材料层112上以提供第一材料层114。第一材料层114是利用CVD、ALD、M0CVD、PVD、JVP或者其他适当的沉积技术沉积的。在一个实施例中，第一材料层114是一种用于制造相变存储器器件的电极材料层。在其他的实施例中，第一材料层114用于制造其他适当的器件。

图11示出在进一步处理之后预处理过的晶片110、结晶相变材料层118、和第一材料层114的一个实施例的剖视图。在相变材料层118处在结晶态的情况下，第一材料层114的沉积或者在沉积第一材料层114之后的进一步处理不转变相变材料的状态。因此相变材料的体积不进一步缩小。在相变材料的体积没有额外缩小的情况下，不产生额外的力116。在不产生额外的力116的情况下，沉积在相变材料层118上的第一材料层114及其他材料层不剥落。

本发明的实施例提供用于在制造期间预防沉积在相变材料层上的材料层剥落的方法。通过在沉积之后对非晶相变材料退火以将相变材料转变到结晶态，在进一步处理步骤中不引入张应力。这样，防止了沉积在相变材料上的其他材料层的剥落。

虽然特定的实施例已经在这里示出和描述，但是本领域普通技术人员应该理解的是，各种各样的替代和/或等效实施方式可以代替所示的和描述的特定实施例，而不偏离本发明的范围。本申请的意图是覆盖这里所论述的特定实施例的任意修改或者变型。因此，本发明仅仅由权利要求和其等价物限定。

Claims

1.一种半导体器件，包括：

预处理过的晶片；

接触该预处理过的晶片的退火过的相变材料层；和

接触该退火过的相变材料层的第一材料层。

2.如权利要求1的半导体器件，其中半导体器件包括相变存储器。

3.如权利要求1的半导体器件，其中该退火过的相变材料层是由已经从非晶态转变到结晶态来定义的。

4.如权利要求3的半导体器件，其中结晶态包括面心立方结晶态。

5.如权利要求3的半导体器件，其中结晶态包括六方最密堆积结晶态。

6.如权利要求1的半导体器件，其中第一材料层包括导电材料。

7.如权利要求1的半导体器件，其中第一材料层包括绝缘体材料。

8.一种相变存储器，包括：

预处理过的晶片；

接触该预处理过的晶片的退火过的相变材料层；和

接触该退火过的相变材料层的电极材料层。

9.如权利要求8的半导体器件，其中相变材料层包括Ge、Sb、Te、Ga、As、In、Se和S中的至少一种。

10.如权利要求8的半导体器件，其中相变材料层包括Ge₂Sb₂Te₅。

11.如权利要求8的半导体器件，其中电极材料层包括Ti、TiN、Ta、TaN、W、Al和Cu之一。

12一种半导体器件，包括：

预处理过的晶片；

沉积在该预处理过的晶片上的相变材料层；

沉积在该相变材料层上的第一材料层；和

用于防止第一材料层剥落的装置。

13.如权利要求12的半导体器件，其中半导体器件包括相变存储器。

14.如权利要求12的半导体器件，其中相变材料层包括Ge、Sb、Te、Ga、As、In、Se和S中的至少一种。

15.如权利要求12的半导体器件，其中相变材料层包括Ge₂Sb₂Te₅。

16.如权利要求12的半导体器件，其中第一材料层包括Ti、TiN、Ta、TaN、W、Al和Cu之一。

17.一种用于制造半导体器件的方法，该方法包括：

提供预处理过的晶片；

在该预处理过的晶片上沉积非晶态的相变材料层；并且

退火相变材料层以使该相变材料从非晶态转变到结晶态。

18.如权利要求17的方法，其中退火相变材料层包括对相变材料层的原位退火。

19.如权利要求17的方法，其中退火相变材料层包括对相变材料层的外退火。

20.如权利要求17的方法，其中退火相变材料层包括热退火相变材料层。

21.如权利要求17的方法，其中退火相变材料层包括加热相变材料层。

22.如权利要求17的方法，进一步包括：

在相变材料层上沉积第一材料层。

23.一种用于制造相变存储器的方法，该方法包括：

提供包含晶体管和接触插塞的预处理过的晶片；

在该预处理过的晶片上沉积非晶态的相变材料层；并且

退火相变材料层以使该相变材料从非晶态转变到结晶态。

24.如权利要求23的方法，其中沉积相变材料层包括沉积包含Ge、Sb、TeGa、As、In、Se和S中的至少一种的材料。

25.如权利要求23方法，其中沉积相变材料层包括沉积Ge₂Sb₂Te₅。

26.如权利要求23的方法，进一步的包括：

在相变材料层上沉积电极材料层。

27.如权利要求26的方法，其中沉积电极材料层包括沉积Ti、TiN、Ta、TaN、W、Al和Cu之一。