DE102011101192A1

DE102011101192A1 - Phasenwechselspeicher und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102011101192A1
Application number: DE201110101192
Authority: DE
Inventors: Davide Erbetta; Andrea Gotti
Original assignee: Numonyx BV Amsterdam Rolle Branch
Current assignee: Micron Technology Inc
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2011-12-15
Also published as: JP2011243980A; KR20110124731A; US8828788B2; KR101361330B1; DE102011101192A8; JP5689737B2; US20110278531A1; TW201210100A; TWI484678B; CN102244195A

Abstract

Die Elektrode eines Phasenwechselspeichers kann aus einer Mischung von Metall und Nicht-Metall gebildet sein, wobei die Elektrode weniger Stickstoffatome als Metallatome aufweist. In einen Ausführungsbeispielen bat wenigstens ein Teil der Elektrode weniger Stickstoff als im Falle eines Metallnitrids. Die Mischung kann Metall und Stickstoff oder Metall und Silizium enthalten, in zwei Beispielen. Ein solches Material kann eine gute Haftung an dem Chalkogenid mit geringer Reaktivität als im Fall von Metallnitriden aufweisen.

Description

Hintergrund
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Chalkogenid umfassende Vorrichtungen, wie zum Beispiel Phasenwechselspeicher.
Phasenwechselspeicher verwenden Phasenwechselmaterialien, das heißt, Materialien, welche zwischen einem im Wesentlichen amorphen Zustand und einem im Wesentlichen kristallinen Zustand elektrisch für elektronische Speicheranwendungen geschaltet werden können. Eine Art von Speicherelement verwendet ein Phasenwechselmaterial, welches in einer Anwendung zwischen einem Strukturzustand von im Wesentlichen amorpher und im Wesentlichen kristalliner lokaler Ordnung oder zwischen unterschiedlichen erfassbaren Zuständen von lokaler Ordnung innerhalb des gesamten Spektrums zwischen vollständig amorphen und vollständig kristallinen Zuständen geschaltet werden kann. Der Zustand des Phasenwechselmaterials ist nicht-flüchtig insoweit als, wenn es in einen kristallinen, semi-kristallinen, amorphen oder semi-amorphen Zustand geschaltet ist, welcher einen Widerstandswert darstellt, dieser Wert erhalten bleibt, bis er durch einen anderen Programmiervorgang verändert wird, weil dieser Wert eine Phase oder physikalischen Zustand des Materials darstellt.
Phasenwechselspeicher enthalten Elektroden in Kontakt oder in unmittelbarer Nähe zu Chalkogeniden. Wenn reine Metallelektroden verwendet werden, können diese Metalle mit den Chalkogeniden reagieren. Jedoch zeigen viele Metalle einschließlich Titan eine sehr gute Haftung an Chalkogeniden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Anordnung, welche einige Ausführungen umfasst;
Detaillierte Beschreibung
Nach einigen Ausführungsbeispielen enthalten die Elektroden für ein Chalkogenid umfassende Halbleitervorrichtungen bzw. Bauelemente eine Mischung aus einem Metall und einem anderen Material, welches die Reaktivität des Metalls ausreichend reduziert, um schädliche Reaktionen mit dem Chalkogenid zu vermeiden. Gleichzeitig wird die Stickstoffkonzentration von diesen Elektroden ausreichend gering gehalten, um Haftungsprobleme mit den Elektroden und anderen Schichten, zum Beispiel die Chalkogenide, zu verhindern. Beispielsweise wird in einigen Ausführungsbeispielen eine relativ geringe Stickstoffkonzentration, das heißt weniger als diejenige in Metallnitriden, verwendet, um eine gute Haftung und eine geringe Reaktivität zu erzielen. In einem weiteren Beispiel können stickstoffdotierte Silizide oder Silizide allein verwendet werden.
Gemäß 1 umfasst eine ein Chalkogenid umfassende Halbleitervorrichtung 10 eine obere Elektrode 12, eine Schicht 14, eine Chalkogenidschicht bzw. Chalkogenidfilm 16, eine Schicht 18 und eine untere Elektrode 20. Die Chalkogenidschicht 16 kann das aktive Schaltmaterial, welches in einem Phasenwechselspeicherelement verwendet wird, nach einem Ausführungsbeispiel sein. In einem Beispiel kann die Schicht 16 eine Germanium, Antimon, Tellurium-Verbindung sein, sogenanntes ”GST”. In einem anderen Beispiel kann es auch das Chalkogenid sein, welches für einen ovonischen Schwellwertschalter verwendet wird.
Die obere und untere Elektrode 12 und 20 können aus einem konventionellen Metall, z. B. Titan, um ein Beispiel zu nennen, oder Tantalum, um ein weiteres Beispiel zu nennen, gebildet sein. Sie können auch aus Metallnitriden nach einigen Ausführungsbeispielen gebildet sein. Jede oder beide der Schichten 14 und 18 können aus einer Mischung von Metall und anderen Materialien gebildet sein, welche die Reaktivität des Metalls gegenüber dem Chalkogenid verringern. Beispielsweise kann eine relativ geringe Konzentration von Stickstoff enthalten sein, wobei die Konzentration unterhalb des 1:1 Atomverhältnisses von Metall und Stickstoff von Metallnitriden liegt (auch als vollständige Nitridation bekannt). Beispielsweise kann in einigen Ausführungsbeispielen ein 30 bis 40 Prozent Stickstoff-zu-Metall-Atomverhältnis verwendet werden. In einem weiteren Beispiel wird ein Metallsilizid, das ein Gemisch aus einem Metall und Silizium ist, verwendet. Beispielsweise kann ein Titansilizid nach einigen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
In einigen Fällen kann das Gemisch von einem Metall und einem weiteren Material die Reaktivität des Metalls mit einem Chalkogenid im Vergleich zu reinem Metall verringern und die Haftung zu Metallnitriden verbessern. Stickstoffdotierte Silizide und undotierte Silizide sowie Metalle, die mit weniger als 50 Atomprozent Stickstoff dotiert sind, können in einem Ausführungsbeispiel verwendet werden.
Reine Metalle sind stark reaktiv mit einem Chalkogenid und auch mit Silizium und einer thermischen Last. Eine Stickstoffdotierung von Metallen verringert die Reaktivität von den Metallen mit Chalkogeniden durch Reduzierung der chemischen Verfügbarkeit von Metallatomen, um mit einem Chalkogenid zu reagieren. Das Ergebnis in einigen Ausführungsbeispielen ist ein Metallgemisch von ausreichender Reaktivität, um Oberflächenverbindungen an der Zwischenschicht zwischen dem dotierten Material und dem Chalkogenid bereitzustellen, welche ausreichende Oberflächenhaftung mit geringerer Reaktivität zum Chalkogenid erzielen.
Ferner kann in einigen Ausführungsbeispielen die Diffusion von dem Metall in den Bulk von dem Chalkogenid verringert oder eliminiert werden, wodurch die Verunreinigung des aktiven Schaltmaterials der Vorrichtung 10 mit ungewünschten chemischen Elementen verringert wird.
In einigen Ausführungsbeispielen können stickstoffdotierte Metallschichten unter Verwendung von physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD Verfahren) verwendet werden. Metall kann von einem Targetmaterial auf dem Wafer unter Verwendung von Argongas gesputtert werden. Der Argongasfluss in einer Prozesskammer unter dem Plasma wird unter Verwendung einer ausreichend hohen Vorspannung erzeugt, welche an der Kammer anliegt. Das Argon wird in der abgeschiedenen Schicht während des Sputtervorganges nicht eingebaut, weil es nicht mit dem Metall reagiert. Stickstoff kann in der Schicht eingebaut werden, indem Stickstoff in die Prozesskammer mit dem Argon hineinströmt, typischerweise unter einer geringeren Flussrate als die Argonflussrate. Stickstoff ist kein gutes Sputtergas, aber es reagiert gut mit dem durch das Argonplasma gesputterte Metall, so dass ein stickstoffdotiertes Metall abgeschieden wird, ohne ein Metallnitrid zu bilden, solange der Stickstofffluss auf einem ausreichend geringen Niveau gehalten wird. Eine vollständige Nitridation von dem Metall kann vermieden werden, indem der Fluss ausreichend undicht gehalten wird, während weiterhin eine Haftung des Gemisches von Metall und Stickstoff mit dem Chalkogenid erreicht wird.
In einigen Ausführungsbeispielen können die Elektrode 12 und die Schicht 14 und/oder die Elektrode 20 und die Schicht 18 nacheinander in derselben Abscheidungskammer ohne Lüftung zwischen den Schichten gebildet werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Schicht 14 dünner sein als die Elektrode 12 und die Schicht 18 kann dünner sein als die Elektrode 20. Beispielsweise sind die Schichten 14 und 18 dünner als 100 A, in einigen Ausführungsbeispielen, während die Elektroden 12 und 20 dicker sind als 300 A, in einigen Ausführungsbeispielen. In weiteren Ausführungsbeispielen kontaktieren die Schichten 14 und 18 direkt die Chalkogenidschicht 16.
Silizide können ebenfalls unter Verwendung von physikalischer Gasphasenabscheidung und Sputtern mit reinem Argonplasma abgeschieden werden, im Falle von undotiertem Silizid, oder mit der Einbeziehung von Stickstoff, falls erwünscht.
Im vorliegenden wird der Begriff ”Elektrodenschicht” verwendet für die Bezeichnung einer leitenden Schicht, welche Strom durch eine Chalkogenidschicht leitet. Eine Widerstandsschicht, welche als ein Aufheizer zum Erwärmen von Chalkogenid und zum Bewirken eines Phasenwechsels fungiert, ist nicht umfasst mit dem Begriff ”Elektrodenschicht”, der hier verwendet wird. Eine ”Elektrodenschicht” wie sie hier verwendet wird, hat einen Widerstand von weniger als 100 μOhmcm. Daher können die Schichten 14 und 18 Elektrodenschichten sein.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das gleiche Metall für die Elektrode 12 und die Schicht 14 verwendet werden, in der gleicher Weise kann das gleiche Metall für die Elektrode 20 und die Schicht 18 verwendet werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann das gleiche Metall für die Elektroden 12 und 20 und die Schichten 14 und 18 verwendet werden.
Eine Programmierung zum Wechseln des Zustands oder der Phase des Materials kann erzielt werden, indem Spannungspotentiale an die Elektroden 12 und 20 angelegt werden, wodurch ein Spannungspotential über einem Speicherelement, welches eine Chalkogenidschicht 16 enthält, erzeugt wird. Wenn das Spannungspotential größer als die Schwellspannungen von einem ausgewählten Bauelement und Speicherelement ist, dann kann ein elektrischer Strom durch die Chalkogenidschicht 16 in Reaktion auf die angelegten Spannungspotentiale fließen, und das kann in einem Erwärmen der Schicht 16 resultieren.
In einem Ausführungsbeispiel kann dieses Erwärmen den Speicherzustand oder -phase der Schicht 16 verändern, Eine Wechsel der Phase oder des Zustandes der Schicht 16 kann die elektrischen Eigenschaften des Speichermaterials verändern, zum Beispiel können Widerstand oder Schwellspannung des Materials durch Wechsel der Phase des Speichermaterials geändert werden. Das Speichermaterial kann auch als ein programmierbares Widerstandsmaterial bezeichnet werden.
In dem ”Reset”-Zustand kann das Speichermaterial sich in einem amorphen oder semi-amorphen Zustand befinden, und in dem ”Set”-Zustand kann sich das Speichermaterial in einem kristallinen oder semi-kristallinen Zustand befinden. Der Widerstand des Speichermaterials in dem amorphen oder semi-amorphen Zustand kann größer sein als der Widerstand des Speichermaterials in dem kristallinen oder semi-kristallinen Zustand. Es ist zu berücksichtigen, dass die Zuordnung von Reset und Set zu amorphem bzw. kristallinem Zustand lediglich eine Konvention ist und dass wenigstens auch eine entgegengesetzte Zuordnung angewendet werden kann.
Unter Verwendung von elektrischem Strom kann ein Speichermaterial auf eine relativ hohe Temperatur erhitzt werden, um zu schmelzen und sodann abzukühlen, um zu verglasen und das Speichermaterial in einen amorphen Zustand (zum Beispiel ein Programmieren von Speichermaterial auf einen logischen ”0”-Wert) zurück zu setzen (”Reset”). Ein Erwärmen des Volumens des Speichermaterials auf eine relative geringe Kristallisationstemperatur kann das Speichermaterial kristallisieren oder entglasen und das Speichermaterial (z. B. Programmieren von Speichermaterial auf einen logischen ”1”-Wert) setzen (”Set”). Verschiedene Widerstände von Speichermaterialien können erreicht werden, um Information zu speichern, indem die Menge an Stromfluss und Dauer durch das Volumen des Speichermaterials variiert wird.
Der ovonische Schwellwertschalter ist entweder ein-(”ein”) oder ausgeschaltet (”aus”), abhängig von der Höhe des Spannungspotentials, welches am Schalter anliegt und insbesondere ob der Strom durch den Schalter seinen Schwellwertstrom oder -spannung übersteigt, was dann auslöst, dass das Bauelement in den ”ein”-Zustand übergeht. Der ”aus”-Zustand kann im Wesentlichen elektrisch nicht-leitend und der ”ein”-Zustand kann ein im Wesentlichen leitender Zustand mit weniger Widerstand als der ”aus”-Zustand sein.
In dem ”ein”-Zustand ist die Spannung über dem Schalter, nach einem Ausführungsbeispiel, gleich seiner Haltespannung V_hold und IR_on wobei R_on der dynamische Widerstand vom extrapolierten X-Achsenabschnitt V_hold ist. Beispielsweise hat ein ovonischer Schwellwertschalter eine Schwellwertspannung V_th und wenn ein Spannungspotential weniger als die Schwellwertspannung des Schalters über dem Schalter anliegt, dann kann der Schalter ”aus” bleiben oder in einem Zustand relativ hohen Widerstands, so dass wenig oder kein elektrischer Strom durchströmt.
Alternativ, wenn ein Spannungspotential größer als die Schwellwertspannung des ausgewählten Bauelements über dem Bauelement anliegt, dann kann das Bauelement einschalten, d. h. es arbeitet in einem Zustand relativ geringen Widerstands, so dass ein signifikanter elektrischer Strom durch den Schalter fließt. Mit anderen Worten können ein oder mehr in Serie geschaltete Schalter in einem im Wesentlichen elektrisch nicht-leitenden Zustand bei einer Spannung sein, die geringer ist als eine vorgegebene Spannung, beispielsweise die Schwellwertspannung, welche über dem Schalter anliegt. Der Schalter kann sich in einem im Wesentlichen leitenden Zustand befinden, wenn eine größere Spannung als eine vorgegebene Spannung über dem Schalter anlegt.
In einem Ausführungsbeispiel kann jeder Schalter ein Schaltermaterial 16 enthalten, welches eine Chalkogenidverbindung ist. Das Schaltermaterial kann ein Material in einem im Wesentlichen amorphen Zustand sein, welches zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, welche wiederholt und reversibel zwischen einem ”aus”-Zustand eines höheren Widerstands, der im Allgemeinen größer als etwa Megaohm ist, und einem ”ein”-Zustand eines relativ geringen Widerstandes geschaltet werden, der im Allgemeinen geringer als etwa 1000 Ohm ist, in Serie mit der Haltespannung durch Anlegen eines elektrischen Stroms oder Potentials.
Jeder Schalter ist ein Bauelement mit zwei Anschlüssen, welches eine IV Kurve ähnlich derjenigen von einem Phasenwechselspeicherelement hat, welches sich in einem amorphen Zustand befindet. Jedoch ändert der ovonische Schwellwertschalter, anders wie ein Phasenwechselspeicherelement, nicht die Phase. Das heißt, das Schaltermaterial des ovonischen Schwellwertschalters ist nicht ein phasenprogrammierbares Material und daher kann der Schalter nicht ein Speicherelement sein, welches Information speichern kann. Beispielsweise kann das Schaltermaterial andauernd amorph bleiben und die IV-Charakteristiken können die gleichen während der gesamten Betriebsdauer bleiben.
In dem Modus niedriger Spannung und niedrigem elektrischen Feldes, wenn die über dem Schalter angelegte Spannung geringer ist als die Schwellwertspannung V_th ist, kann der Schalter ”aus” oder nicht-leitend sein und er zeigt einen relativ hohen Widerstand. Der Schalter kann in dem ”aus”-Zustand bleiben, bis eine ausreichende Spannung, nämlich die Schwellwertspannung, angelegt wird oder ein ausreichender Strom angelegt wird, nämlich der Schwellwertstrom, welcher das Bauelement in einen leitenden ”ein”-Zustand relativ geringen Widerstands schaltet. Nachdem ein Spannungspotential größer als etwa die Schwellwertspannung über dem Bauelement angelegt wurde, kann das Spannungspotential über dem Bauelement absinken oder auf die Haltespannung V_hold zurückgehen. Ein solches Zurückgehen bezieht sich auf die Spannungsdifferenz zwischen der Schwellwertspannung und der Haltespannung des Schalters.
Im ”ein”-Zustand kann das Spannungspotential über dem Schalter nahe bei der Haltespannung mit zunehmendem Strom, welcher durch den Schalter fließt, liegen. Der Schalter bleibt ”ein”, bis der durch den Schalter fließende Strom unterhalb eines Haltestromes abfällt. Unterhalb dieses Wertes kann der Schalter ausschalten und in einen nicht-leitenden ”aus”-Zustand relativ hohen Widerstands übergehen, bis die Schwellwertspannung und der Schwellwertstrom wieder überschatten werden.
Ein oder mehrere MOS oder bipolare Transistoren oder ein oder mehrere Dioden (entweder MOS oder bipolar) können als Auswahlbauelement verwendet werden. Wenn eine Diode verwendet wird, kann das Bit ausgewählt bzw. aktiviert werden, indem die Zeilenleitung von einem höheren inaktiven Niveau abgesenkt wird. In einem weiteren nicht-einschränkenden Beispiel, wenn ein n-Kanal MOS-Transistor als ein Auswahlelement verwendet wird, wobei beispielsweise die Source-Elektrode geerdet ist, kann die Zeilenleitung angehoben bzw. aktiviert werden, um das Speicherelement auszuwählen, welches zwischen dem Drain des MOS-Transistors und der Spaltenleitung verbunden ist. Wenn ein einzelner MOS oder einzelner bipolarer Transistor als das Auswahlelement verwendet wird, kann ein Steuerspannungsniveau auf einer ”Zeilenleitung” verwendet werden, um das Auswahlelement ”ein” und ”aus” zu schalten, um auf das Speicherelement zuzugreifen.
Bezugnahmen in dieser Beschreibung auf ”ein Ausführungsbeispiel” oder ”irgendein Ausführungsbeispiel” bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, Struktur oder Eigenschaft, welche in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, in wenigstens einer Ausführung innerhalb der vorliegenden Erfindung umfasst ist. Daher beziehen sich Erwähnungen des Begriffes ”ein Ausführungsbeispiel” oder ”in irgendeinem Ausführungsbeispiel” nicht notwendigerweise auf dasselbe Ausführungsbeispiel. Ferner können bestimmte Merkmale, Strukturen und Eigenschaften in anderen geeigneten Formen ausgeführt sein, welche sich von den speziellen dargestellten Ausführungsbeispielen unterscheiden und sämtliche solcher Formen sind von den Ansprüchen und der vorliegenden Anmeldung mit umfasst.
Während die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer begrenzten Anzahl von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, schätzen die Fachleute verschiedene Modifikationen und Variationen davon. Es ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle solche Modifikationen und Variationen innerhalb des Geistes und Umfanges der vorliegenden Erfindung abdecken.

Claims

Vorrichtung, umfassend: eine Chalkogenidschicht; und eine Elektrodenschicht, die eine Mischung aus einem Metall und einem Nichtmetall umfasst, wobei die Elektrodenschicht weniger Stickstoffatome als Metallatome aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenschicht Stickstoffatome umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Elektrodenschicht 30 bis 40 Atomprozent Stickstoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenschicht ein Silizid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Elektrodenschicht Stickstoff umfasst
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Chalkogenidschicht Teil eines Speicherelements ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Chalkogenidschicht Teil eines ovonischen Schwellwertschalters ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine Metallschicht umfasst, die mit der Chalkogenidschicht die Elektrodenschicht in Sandwichanordnung aufnimmt.
Verfahren, umfassend: Herstellen einer ein Chalkogenid umfassenden Vorrichtung mit einer Elektrodenschicht, die eine Mischung aus einem Metall und einem Nichtmetall ist, wobei die Elektrodenschicht weniger Stickstoffatome als Metallatome aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, das die Herstellung der Elektrodenschicht durch Sputtern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, das das Auftragen durch Sputtern der Elektrodenschicht auf einer Chalkogenidschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das die Herstellung eines Phasenwechselspeichers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das die Herstellung eines ovonischen Schwellwertschalters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das die Herstellung einer Elektrodenschicht umfasst, die etwa 30 bis 40 Atomprozent Stickstoff enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, das die Herstellung der Elektrodenschicht aus Silizid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das die Aufnahme der Elektrodenschicht zwischen einer Metallschicht und einer Chalkogenidschicht in Sandwichanordnung umfasst.
Phasenwechselspeicher, umfassend: ein Paar von Elektroden, von denen wenigstens eine eine Metallnitridschicht und eine Stickstoff enthaltende Elektrodenschicht umfasst; eine Chalkogenidschicht zwischen den Elektroden; und wobei die Elektrodenschicht weniger als 50 Atomprozent Stickstoff umfasst.
Phasenwechselspeicher nach Anspruch 17, der ein Paar von Elektrodenschichten umfasst, die die Chalkogenidschicht in Sandwichanordnung aufnehmen, wobei jede der Elektrodenschichten weniger als 50 Atomprozent Stickstoff hat.
Speicher nach Anspruch 17, wobei die Elektrodenschicht zwischen 30 und 40 Atomprozent Stickstoff umfasst.
Speicher nach Anspruch 17, wobei die Metallnitridschicht und die Elektrodenschicht dasselbe Metall enthalten.