CN1599090A - 硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种记忆元件，其是应用于硫属化合物(Chalcogenide)相变式(Phase－Change)非挥发性记忆体，此记忆元件是由一上电极、一下电极以及夹于上电极以及下电极之间的一相变式薄膜所构成，其中，此相变式薄膜是为掺杂有锡在其中的硫属化合物。在本发明的记忆元件中，因其相变化薄膜是使用掺杂有锡在其中的硫属化合物，其可以使得硫属化合物薄膜的固融体结晶速度加快，因此可提高记忆元件的操作速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种记忆体元件(记忆体元件，以下称记忆体元件)及其制造方法，特别是涉及一种硫属化合物(Chalcogenide)相变式(Phase-Change)非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法(CHALCOGENIDEPHASE-CHANGE MEMORY AND MEMORY ELEMENT THEREOF AND FABRICATINGMETHOD)。
背景技术
非挥发性记忆体是一种不会因电源供应中断而使储存在其中的资料消失的记忆体，且目前具有可进行多次资料的程序化、读取、抹除等动作的非挥发性记忆体例如闪存((flash memory)、氮化硅记忆体(NROM)等等，已经广泛用于各种个人计算机和电子设备。
而随着元件积集度的提高以及记忆体元件(内存元件，以下称记忆体元件)操作速度日益提升的要求下，硫属化合物相变式非挥发性记忆体(内存，以下称记忆体)是一种具有高积集度、低操作电压、高速程序化与读取的非挥发性记忆体，而且此种记忆体可以与CMOS制程整合在一起，因此已逐渐为人所重视。而关于硫属化合物相变式非挥发性记忆体可参考Stefan Lai，Tyler Lowrey，”OUM-A 180nm Nonvolatile Memory CellElement Technology For Stand Alone And Embedded Applications”，IEDMDiges t，pp803-806，2001。
典型的硫属化合物相变式非挥发性记忆体是利用硫属化合物(Ge-Sb-Te)作为其储存媒介(storage media)，由于硫属化合物在不同的回火温度(annealing temperature)条件下，会有非晶相(amorphous)以及结晶相(crystalline)两种晶相的变化，而此两种晶相会有不同的电阻值，因此利用高电阻的非晶相以及低电阻的结晶相即可以作为记忆体储存“0”与“1”的数字资料。特别是，硫属化合物的两种晶相的变化是可逆(reversible)的，因此利用硫属化合物作为记忆体的储存媒介，可以重复的进行程序化、读取、抹除等操作。
然而，硫属化合物的结晶速度会随着硫属化合物薄膜厚度的降低而降低。倘若为了要达到高的记忆体操作速度(即要求硫属化合物有高结晶速度)，而提高了硫属化合物薄膜的厚度，却会无法满足元件高积集度以及元件尺寸缩小的要求。
由此可见，上述现有的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法仍存在有缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法的缺陷，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种新的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法，能够改进一般现有的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法存在的缺陷，而提供一种新的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法，所要解决的技术问题是使其可以在不需提高作为储存媒介的硫属化合物薄膜的厚度的前提下，即可以提升硫属化合物相变式非挥发性记忆体的操作速度，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。
本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本发明提出的一种记忆元件，是应用于硫属化合物(Chalcogenide)相变式(Phase-Change)非挥发性记忆体，其包括：一上电极；一下电极；以及一相变式薄膜，夹于该上电极以及该下电极之间，其中该相变式薄膜是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物，且该元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的记忆元件，其中所述的元素包括锡(Sn)。
前述的记忆元件，其中所述的掺杂于硫属化合物中的该元素的比例是介于0.1％至90％莫耳百分比。
前述的记忆元件，其中所述的掺杂于硫属化合物中的该元素的比例是低于10％莫耳百分比。
前述的记忆元件，其中所述的硫属化合物是为Ge2Sb2Te5。
本发明的目的及解决其主要技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种记忆元件的制造方法，其是应用于硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其包括以下步骤：形成一下电极；在该下电极上形成一相变式薄膜，其中该相变式薄膜是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物，该元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快；以及在该相变式薄膜上形成一上电极。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的记忆元件的制造方法，其中形成该相变式薄膜的方法是利用已掺杂有该元素在其中的硫属化合物靶材来进行溅镀制程以形成。
前述的记忆元件的制造方法，其中形成该相变式薄膜的方法是利用含有该元素的靶材与硫属化合物靶材来进行共溅镀制程以形成。
前述的记忆元件的制造方法，其中将该元素掺杂于硫属化合物以形成该相变式薄膜的方法是利用离子植入法。
前述的记忆元件的制造方法，其中将该元素掺杂于硫属化合物以形成该相变式薄膜的方法是利用扩散法。
前述的记忆元件的制造方法，其中形成该相变式薄膜的方法是利用共蒸镀硫属化合以及该元素的方式以形成。
前述的记忆元件的制造方法，其中所述的该元素包括锡。
本发明的目的及解决其主要技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其包括：一字元线；一位元线；一选择元件，其是与该字元线以及该位元线电性连接；以及一记忆元件，其是与该选择元件电性连接，其中该记忆元件是由一上电极、一下电极以及夹于该上电极以及该下电极之间的一相变式薄膜所构成，且该相变式薄膜是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物，该元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其中所述的该元素包括锡。
前述的硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其中所述的掺杂于该硫属化合物中的该元素的比例是介于0.1％至90％莫耳百分比。
前述的硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其中所述的掺杂于该硫属化合物中的该元素的比例是低于10％莫耳百分比。
前述的硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其中所述的硫属化合物是为Ge2Sb2Te5。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：
本发明提出一种记忆元件(memory element)，其是应用于硫属化合物相变式非挥发性记忆体，此记忆元件是由一上电极、一下电极以及夹于上电极以及下电极之间的一相变式薄膜所构成，其中此相变式薄膜是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物，且此元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快。在一较佳实施例中，此元素例如是锡(Sn)，且掺杂的比例例如是介于0.1％至90％莫耳百分比，较佳的是低于10％莫耳百分比。
本发明提出一种记忆元件的制造方法，其是应用于硫属化合物相变式非挥发性记忆体，此方法是首先形成一下电极，接着，在下电极上形成一相变式薄膜，其中此相变式薄膜是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物，且此元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快。之后，于相变式薄膜上形成一上电极。上述形成相变式薄膜的方法例如是是利用已掺杂有上述元素在其中的硫属化合物靶材来进行溅镀制程以形成相变式薄薄膜，或者是利用共蒸镀硫属化合物与上述的元素的方式而形成相变式薄膜。
本发明提出一种硫属化合物相变式非挥发性记忆体元件，其主要由一字元线、一位元线、一选择元件以及一记忆元件所构成。选择元件是与字元线以及位元线电性连接，记忆元件是与选择元件电性连接。其中，记忆元件是由一上电极、一下电极以及夹于上电极以及下电极之间的一相变式薄膜所构成，此相变式薄膜是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物，且此元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快。在一较佳实施例中，此元素例如是锡(Sn)，且掺杂的比例例如是介于0.1％至90％莫耳百分比，较佳的是低于10％莫耳百分比。
在本发明的硫属化合物相变式非挥发性记忆体元件中，因其记忆元件中的相变化薄膜的硫属化合物中是掺杂了锡(Sn)，其可以使得硫属化合物的固融体结晶速度加快，因此可以提高记忆体的操作速度。
本发明特殊结构的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法，其中记忆元件，是应用于硫属化合物(Chalcogenide)相变式(Phase-Change)非挥发性记忆体，此记忆元件是由一上电极、一下电极以及夹于上电极以及下电极之间的一相变式薄膜所构成，其中，此相变式薄膜是为掺杂有锡在其中的硫属化合物。在本发明的记忆元件中，因其相变化薄膜是使用掺杂有锡在其中的硫属化合物，其可以使得硫属化合物薄膜的固融体结晶速度加快，因此可提高记忆元件的操作速度。
综上所述，本发明可以在不需提高作为储存媒介的硫属化合物薄膜的厚度的前提下，即可以提升硫属化合物相变式非挥发性记忆体的操作速度，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品及制造方法中未见有类似的结构设计及方法公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构、制造方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是依照本发明一较佳实施例的记忆元件的结构示意图。
图2是依照本发明一较佳实施例的硫属化合物相变式非挥发性记忆体的结构示意图。
102：选择元件 104：记忆元件
WL：字元线 BL：位元线
L：导线 202：铝导线
204：下电极 206：相变式薄膜
208：上电极
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的硫属化合物相变式非挥发性记忆体及其记忆元件与制造方法其具体结构、制造方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1所示，是依照本发明一较佳实施例的硫属化合物相变式非挥发性记忆体的示意图。本发明的硫属化合物相变式非挥发性记忆体元件，主要由数个记忆胞所构成，其包括数条字元线(字符线，以下称字元线)WL、数条位元线(位线，以下称位元线)BL、数个选择元件102以及数个记忆元件104。其中，每一记忆胞是包括一选择元件102以及一记忆元件104，且每一选择元件102是与对应的字元线WL以及对应的位元线BL电性连接，因此每一记忆胞是由其中一字元线WL以及其中一位元线BL所控制。在一较佳实施例中，选择元件102例如是一金属氧化半导体晶体管(MOStransistor)，而字元线WL是将相同一行的MOS晶体管的闸极串接起来，位元线BL是将相同一列的MOS晶体管的源极串接起来。
另外，每一记忆胞中的记忆元件104是与其选择元件102电性连接。在一较佳实施例中，记忆元件104是形成在选择元件102的上方，且两元件之间是形成有层间介电层(ILD)，并透过内联机结构的设计使选择元件102的汲极与记忆元件104电性连接。因此，记忆元件104是于MOS制程之后并且于金属内联机制程之前所形成的，其是属于半导体制程之后段制程(backend process)的一部份。在此，对于相同一列的记忆元件104，更有一导线L将其串接起来。
关于图1中的记忆元件104的结构，将详细说明如下，请参阅图2，其是为依照本发明一较佳实施例的记忆元件的示意图。此记忆元件是由一上电极208、一下电极204以及夹于上电极208以及下电极204之间的一相变式薄膜206所构成。在一较佳实施例中，下电极204是为一金属插塞，其例如是一钨插塞，且下电极204更包括与一导线202(例如是铝导线)连接，而下电极204是经由导线202以及其它导线结构而与图1中的选择元件102有电性连接的关系。在此，形成下电极204的方法是使用传统的插塞制程来形成。而若本发明的记忆体是以180nm标准制程来制作，则下电极204的直径例如是约220nm。
另外，形成在下电极206上方的相变式薄膜206是为记忆元件中的储存媒介，在此，相变式薄膜206的材质是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物(Ge-Sb-Te)，且此元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快。在一较佳实施例中，此硫属化合物例如是Ge2Sb2Te5，而掺杂于硫属化合物中的元素例如是锡(Sn)，且掺杂的比例例如是介于0.1％至90％莫耳百分比，较佳的是低于10％莫耳百分比。在此，形成相变式薄膜206的方法可以利用已知的任何技术来形成，例如是利用已掺杂有上述元素在其中的硫属化合物靶材来进行溅镀制程以形成相变式薄膜206，或者是利用含有此元素的靶材与硫属化合物靶材来进行共溅镀制程以形成相变式薄膜206，或者是利用共蒸镀此元素与硫属化合物的方式来形成相变式薄膜206。除此之外，将此元素掺杂于硫属化合物以形成相变式薄膜206的方法还可以利用离子植入法、扩散法等等。若本发明的记忆体是以180nm标准制程来制作，则相变式薄膜206的厚度例如是约55nm。
请继续参阅图2所示，形成在相变式薄膜206上的上电极208例如是一钨钛合金，其例如是利用直流电溅镀制程沈积金属薄膜之后，再图案化金属薄膜而形成。若本发明的记忆体是以180nm标准制程来制作，则上电极208的厚度例如是约110nm。
因此，本发明所提出的用于硫属化合物相变式非挥发性记忆体的记忆元件其相变式薄膜是使用掺杂有促进硫属化合物固融体结晶速度加快的元素，其可以使得记忆体的操作速度(包括SET操作、RESET操作、读取等操作)加快，以提高记忆体的效能。
以下表一是针对两种硫属化合物相变式非挥发性记忆体的电性差异作比较说明，其中第一记忆体是利用未掺杂的硫属化合物作为其储存媒介，而第二记忆体是利用有掺杂锡的硫属化合物作为其储存媒介。
表一
| 第一记忆体(未掺杂的硫属化合物) | 第二记忆体(有掺杂锡的硫属化合物) | |
| RESET速度 | 40ns | 10ns |
| SET速度 | 200ns | 40ns |
| RESET/SET电阻比例 | ＞100 | ＞3 |
| 结晶相电阻值 | ～50K 0hm | ～4K 0hm |
由表一可知，本发明利用有掺杂锡的硫属化合物作为其储存媒介的记忆体，其RESET操作速度与SET操作速度都明显较无掺杂锡的硫属化合物作为其储存媒介的记忆体快。而且，使用有掺杂锡的硫属化合物作为其储存媒介的记忆体，其RESET/SET电阻比例，亦即非晶相/结晶相的电阻比例较为低，且其结晶相的电阻值也比较低。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (17)
1、一种记忆元件，是应用于硫属化合物(Chalcogenide)相变式(Phase-Change)非挥发性记忆体，其特征在于其包括：
一上电极；
一下电极；以及
一相变式薄膜，夹于该上电极以及该下电极之间，其中该相变式薄膜是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物，且该元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快。
2、根据权利要求1所述的记忆元件，其特征在于其中所述的元素包括锡(Sn)。
3、根据权利要求1所述的记忆元件，其特征在于其中所述的掺杂于硫属化合物中的该元素的比例是介于0.1％至90％莫耳百分比。
4、根据权利要求3所述的记忆元件，其特征在于其中所述的掺杂于硫属化合物中的该元素的比例是低于10％莫耳百分比。
5、根据权利要求1所述的记忆元件，其特征在于其中所述的硫属化合物是为Ge2Sb2Te5。
6、一种记忆元件的制造方法，其是应用于硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其特征在于其包括以下步骤：
形成一下电极；
在该下电极上形成一相变式薄膜，其中该相变式薄膜是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物，该元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快；以及
在该相变式薄膜上形成一上电极。
7、根据权利要求6所述的记忆元件的制造方法，其特征在于其中形成该相变式薄膜的方法是利用已掺杂有该元素在其中的硫属化合物靶材来进行溅镀制程以形成。
8、根据权利要求6所述的记忆元件的制造方法，其特征在于其中形成该相变式薄膜的方法是利用含有该元素的靶材与硫属化合物靶材来进行共溅镀制程以形成。
9、根据权利要求6所述的记忆元件的制造方法，其特征在于其中将该元素掺杂于硫属化合物以形成该相变式薄膜的方法是利用离子植入法。
10、根据权利要求6所述的记忆元件的制造方法，其特征在于其中将该元素掺杂于硫属化合物以形成该相变式薄膜的方法是利用扩散法。
11、根据权利要求6所述的记忆元件的制造方法，其特征在于其中形成该相变式薄膜的方法是利用共蒸镀硫属化合以及该元素的方式以形成。
12、根据权利要求6所述的记忆元件的制造方法，其特征在于其中所述的该元素包括锡。
13、一种硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其特征在于其包括：
一字元线；
一位元线；
一选择元件，其是与该字元线以及该位元线电性连接；以及
一记忆元件，其是与该选择元件电性连接，其中该记忆元件是由一上电极、一下电极以及夹于该上电极以及该下电极之间的一相变式薄膜所构成，且该相变式薄膜是为掺杂有一元素在其中的硫属化合物，该元素可促进硫属化合物固融体结晶速度加快。
14、根据权利要求13所述的硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其特征在于其中所述的该元素包括锡。
15、根据权利要求13所述的硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其特征在于其中所述的掺杂于该硫属化合物中的该元素的比例是介于0.1％至90％莫耳百分比。
16、根据权利要求15所述的硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其特征在于其中所述的掺杂于该硫属化合物中的该元素的比例是低于10％莫耳百分比。
17、根据权利要求13所述的硫属化合物相变式非挥发性记忆体，其特征在于其中所述的硫属化合物是为Ge2Sb2Te5。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |