JP2011243980A - カルコゲニド含有デバイス用電極の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相変化メモリ電極において、カルコゲニド含有半導体デバイス用電極とカルコゲニド間の良好な接着性と低めの反応性を共に実現するデバイスの提供。
【解決手段】相変化メモリ電極は金属と非金属の混合物によって形成することができ、電極は金属原子よりも少ない窒素原子を持つ。それゆえ、いくつかの実施形態において、少なくとも電極の一部は金属窒化物における場合よりも少ない窒素を持つ。混合物は、２つの例として、金属と窒素、または金属とケイ素を含有することができる。このような物質は、金属窒化物の場合よりも低い活性を持つカルコゲニドに対して良好な接着性を持つことができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、広く相変化メモリのようなカルコゲニド含有デバイスに関する。

相変化メモリデバイスは、電子メモリ応用のために、相変化物質、すなわち概してアモルファスと概して結晶状態との間を電気的に切り替えることができる物質を用いる。メモリ素子の一種は一用途において、概してアモルファスの構造状態と概して結晶質の局所的秩序との間、または完全なアモルファスと完全な結晶状態間の全スペクトルに渡る、局所的秩序の異なる検出可能状態の間を、電気的に切り替えることができる相変化物質を用いる。相変化メモリの状態はまた、不揮発性であり、不揮発性状態では、結晶質、半結晶質、アモルファス、または半アモルファス状態のいずれかに設定され抵抗値を表すとき、その値が物質の相または物理的状態を表すかのように、その値は他のプログラム事象によって変更されるまで保たれる。

相変化メモリは、カルコゲニドと接触するまたはごく近くに接近する電極を具備する。純粋な金属電極を用いる場合、それらの金属はカルコゲニドと反応することができる。しかしながら、多くの金属は、カルコゲニドに対して非常に良好な接着性を持ち、多くの金属にはチタンが含まれる。

図１は、いくつかの実施形態を包含する配置例を示すブロック図である。

いくつかの実施形態によれば、カルコゲニド含有半導体デバイス用電極は、カルコゲニドとの有害反応を避けるように、金属と金属反応性を十分に低下させる他の物質との混合物を含有することができる。同時に、それらの電極の窒素濃度は、電極と例えばカルコゲニドのような他の層との間の接着問題を避けるように十分低く保たれる。例えば、いくつかの実施形態において、良好な接着性及び低めの反応性を共に実現するように、金属窒化物に用いられた窒素濃度より低い、比較的低めの窒素濃度を用いてもよい。他の実施形態として、窒素をドープしたシリサイドまたはシリサイド単体を用いてもよい。

図１に示すように、カルコゲニド含有半導体デバイス１０は、上部電極１２、層１４、カルコニド膜１６、層１８、及び、下部電極２０を具備することができる。カルコゲニド膜１６は、一実施形態において相変化メモリ素子に用いた活性スイッチング物質でもよい。一例として、膜１６は、GSTと呼ばれるゲルマニウム、アンチモン、テリリウム合金であってもよい。また、他の例として、膜１６は、オボニック閾値スイッチに用いたカルコゲニドであってもよい。

上部電極１２及び下部電極２０は、例えば、一例を挙げるとチタン、他の例を挙げるとタンタルのような従来物質から形成してもよい。いくつかの実施形態において、それらはまた金属窒化物から形成してもよい。

層１４と層１８のいずれか又は両方は、金属と、カルコゲニドに対して金属活性を低下させる他の物質との混合物から形成することができる。例えば、比較的低めの窒素濃度であって、その濃度は（完全窒化としても既知の）金属と金属窒化物の窒素との一対一原子比率より低い濃度を含有してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、約３０〜４０％の窒素対金属原子比率を用いてもよい。他の実施形態において、金属とシリコンとの混合物からなる金属シリサイドを用いてもよい。いくつかの実施形態において、例えばチタンシリサイドを用いてもよい。

いくつかの例において、金属と他の物質との混合物は、純粋な金属に比べてカルコゲニドとの金属活性を低下させることができ、金属窒化物に対して接着性を改善することができる。いくつかの実施形態において、窒素をドープしたシリサイドとドープしていないシリサイドは、５０原子％の窒素より低くドープした金属と同様に用いてもよい。

純粋な金属は、カルコゲニドと極めて反応性が高く、また、サーマルバジェットの（存在）下でシリコンとも極めて反応性が高い。カルコゲニドと反応する金属原子の化学的有効性を低下させることによって、窒素をドープしている金属は、カルコゲニドとの金属の反応性を低下させる。いくつかの実施形態において、カルコゲニドに対して反応性の低い十分な表面接着を実現するように、その結果はドープした金属とカルコゲニドとの間の界面において表面結合を確立するために十分な反応性を有する金属混合物であってもよい。

さらに、いくつかの実施形態において、カルコゲニドのバルク内への金属拡散を低下することができ、または除去することができ、好ましくない化学要素を持つデバイス１０の活性スイッチング物質の汚染を低下させることができる。

いくつかの実施形態において、窒素をドープした金属薄膜は物理的気相成長法を用いて形成することができる。金属はアルゴンガスを用いて標的からウエハーに対してスパッタすることができる。アルゴンガスがプロセスチャンバー内を流れるとともに、チャンバーに印加された十分に高いバイアスを用いてプラズマが生成される。アルゴンは金属と反応しないため、アルゴンはスパッタリングの間に堆積薄膜に実質的に含まれない。窒素をアルゴンとともにプロセスチャンバー中に、典型的にはアルゴンのフローレートより低いフローレートで流すことによって、窒素は薄膜に含まれることがある、窒素は好ましいスパッタリングガスではないが、アルゴンプラズマによってスパッタした金属とよく反応するので、窒素の流れが十分に低いレベルに保たれている限り、結果として、金属窒化物を形成することなく窒素をドープした金属を堆積することができる。カルコゲニドに金属と窒素の混合物を接着することができると同時に、金属の完全な窒化物形成は流量を十分に低く保つことによって避けることができる。

いくつかの実施形態において、電極１２及び層１４、及び／または、電極２０及び層１８は、層の間で排気をすることなく同じ蒸着チャンバー内に引き続き形成することができる。いくつかの実施形態において、層１４は電極１２より薄くてもよく、層１８は電極２０より薄くてもよい。いくつかの実施形態において、例えば電極１２と電極２０は３００オングストロームより大きくてもよいと同時に、層１４及び層１８は１００オングストロームより薄くてもよい。いくつかの実施形態において、層１４及び層１８はカルコゲニド膜１６に直接接触する。

シリサイドは、ドープしていないシリサイドの場合は純粋なアルゴンプラズマを用いて、または所望であれば、窒素を含むアルゴンプラズマを用いて、物理的気相形成スパッタリングを用いて堆積することができる。

本明細書で用いた用語「電極層」は、カルコゲニド層を通じて電流を伝導する伝導層に対して用いられる。カルコゲニドを加熱するとともに相変化を起こす加熱体として作用する抵抗物質は、本明細書で用いた用語「電極層」の中に含まれない。本明細書で用いた「電極層」は、２００μOhmセンチメートルより低い抵抗を持つ。それゆえ、層１４と層１８は電極層であってもよい。

いくつかの実施形態において、同じ金属を電極１２及び層１４に用いてもよい。同様に、同じ金属を電極２０及び層１８に用いてもよい。いくつかの実施形態において、同じ金属を電極１２及び電極２０と、層１４及び層１８とに用いてもよい。

物質の状態または相を変化させるためにプログラミングすることは、電圧ポテンシャルを電極１２及び電極２０に加えることによって、その結果、カルコゲニド膜１６を含むメモリ素子を横切電圧ポテンシャルを生成することができる。電圧ポテンシャル任意選択デバイス及びメモリ素子の閾値電圧よりも大きいとき、加えられた電圧ポテンシャルに電流カルコゲニド膜１６流れることができ、膜１６加熱できる。

一実施形態において、この加熱は膜１６のメモリの状態または相を変化させることができる。膜１６の相または状態を変化させることは、メモリ物質の電気的特徴を変化させることができ、例えばメモリ物質の相を変化させることによって、その物質の抵抗または閾値電圧を変化させることができる。メモリ物質はまた、プログラミング可能な抵抗物質と呼ばれることもある。

「リセット」状態において、メモリ物質はアモルファスまたは半アモルファス状態であってもよく、「セット」状態では、メモリ物質は、結晶または半結晶状態であってもよい。アモルファスまたは半アモルファス状態におけるメモリ物質の抵抗は、結晶または半結晶状態におけるメモリ物質の抵抗より大きいことがある。リセットおよびセットのそれぞれアモルファス及び結晶状態への関連付けはコンベンションであり、少なくとも逆のコンベンションが採用されてもよいことは認識されよう。

電流を用いてメモリ物質は溶解するように比較的高い温度まで過熱し、その後、メモリ物質をガラス化し、メモリ物質をアモルファス状態に“リセットする” （例えば、メモリ物質を論理的「０」値にプログラムする）ために、クエンチしてもよい。メモリ物質の塊を比較的低い結晶化温度まで加熱することによって、メモリ物質を結晶化または脱ガラス化し、メモリ物質を「セット」することができる（例えば、メモリ物質を論理的「１」値にプログラムする）。メモリ物質の塊の中の電流の量及び持続時間を変化させることによって、様々なメモリ物質抵抗は情報の保存を達成することができる。

オボニック閾値スイッチは、スイッチの両端に加えられた電圧ポテンシャル量に依存して、特に、スイッチを通る電流がデバイスをオン状態にトリガする閾値電流または電圧を超えるかどうかに依存してオンまたはオフのいずれかである。オフ状態は実質的には電気的に非伝導性であることができ、オン状態はオフ状態よりも低い抵抗を持つ実質的な伝導状態であることができる。

オン状態では、スイッチの両端の電圧は、一実施形態において、保持電圧Vhold＋IRonに等しく、ここでRonは、外挿したX軸切片Vholdからの動的抵抗である。例えば、オボニック閾値スイッチは閾値電圧Vｔｈを持つことができるとともに、スイッチの両端にスイッチの閾値電圧よりも低い電圧ポテンシャルを加える場合、スイッチはオフのままであるかまたは比較的高い抵抗状態であり、電流がほとんどまたは全く通らなくても良い。

あるいは、選択デバイスの閾値電圧よりも大きな電圧ポテンシャルがデバイスの両端に加えられる場合、デバイスはオンになる、すなわちかなりの電流がスイッチを通過するように比較的低い抵抗状態で動作させることができる。換言すれば、一以上の直列接続スイッチは、予め設定した電圧、例えばスイッチの両端に加えられた閾値電圧よりも低い実質的に電気的非伝導状態にあってもよい。スイッチの両端に、予め設定された電圧よりも大きい電圧を加えた場合、スイッチは実質的に伝導状態にあっても良い。

一実施形態において、各スイッチはカルコゲニド合金であるスイッチ物質１６を含んで良い。スイッチ物質は、電流またはポテンシャルを加えることによって、一般に約１メガオームより大きい高抵抗のオフ状態と、一般に約１０００オームより低い比較的低抵抗のオン状態との間を、保持電圧を有して繰り返し、そして可逆的に切り替えることができる、二電極間に直列に配置された実質的にアモルファス状態の物質であってもよい。

各スイッチは、アモルファス状態にある相変化メモリ素子のIV曲線と同様なIV曲線を持つ２端子デバイスである。しかしながら、相変化メモリ素子とは異なり、オボニック閾値スイッチは相を変化させない。すなわち、オボニック閾値スイッチのスイッチング物質は相プログラミング可能な物質ではなく、その結果、スイッチは情報保存可能なメモリデバイスではない。例えば、スイッチング物質は永久にアモルファス状態を保つことができ、IV特性は動作寿命を通じて同一に保つことができる。

スイッチの両端に加えた電圧が、閾値電圧Vthより低い、低電圧、低電場モードにおいて、スイッチはオフまたは非伝導的であってもよく比較的高い抵抗を示すことができる。デバイスを伝導性である比較的低い抵抗のオン状態に切り替える、十分な電圧すなわち閾値電圧を加えるか、または十分な電流すなわち閾値電流を加えるまで、スイッチはオフ状態に保つことができる。ほぼ閾値電圧よりも大きい電圧ポテンシャルをデバイスの両端に加えた後、デバイスの両端の電圧ポテンシャルは保持電圧Vholdまで下がるか、またはスナップバックすることがある。スナップバックは、閾値電圧とスイッチの保持電圧との間の電圧差を指すことがある。

オン状態において、スイッチの両端の電圧ポテンシャルは、スイッチを通過する電流が増加するにつれ、保持電圧の近くに留まることができる。スイッチを通過する電流が保持電流より下に下がるまで、スイッチはオンであり続ける。この値より下がるとスイッチはオフになり、閾値電圧及び電流を再び超えるまで比較的高い抵抗で非伝導のオフ状態に戻ることができる。

一以上のMOSまたはバイポーラトランジスタ、または一以上のダイオード（MOSまたはバイポーラのいずれか）を、選択デバイスとして用いることができる。ダイオード用いる場合、ローラインを高めの選択解除レベルから低下させることによってビットを選択することができる。さらに非限定的な例では、ｎチャンネルMOSトランジスタを、例えばアースにそのソースを用いて選択デバイスとして用いる場合、MOSトランジスタのドレインとカラム列との間に接続されたメモリ素子を選択するようにローラインを上げてもよい。単一のMOSまたは単一のバイポーラトランジスタを選択デバイスとして用いるとき、メモリ素子にアクセスするように選択デバイスをオンまたはオフに変更する「ローライン」上で制御電圧レベルを用いてもよい。

本発明の全体を通して「一実施形態」または「ある実施形態」という言及は、実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造、または特性は、本発明に包含された少なくとも一手段に含まれることを意味する。それゆえ、「一実施形態」または「ある実施形態において」という表現方法は、必ずしも同一の実施形態に言及するものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、説明した特定の実施形態とは違う他の適切な形態において設けることができ、そのような形態は全て本発明の請求項に包含することができる。

本発明は限定された数例の実施形態に関して記載したが、当業者はそれらから無数に変更または変化させることができる。添付した請求項は、本発明の意図及び範囲から逸脱することなくそのような変更または変化を全て包含するものと解釈される。
前記金属窒化物及び前記電極層は、同じ金属を含有することを特徴とする請求項１７に記載の相変化メモリ。

Claims (20)

1. カルコゲニド層と、
   金属及び非金属からなる混合物を含有する電極層とを具備してなり、
   前記電極層は金属原子よりも少ない窒素原子を持つことを特徴とする装置デバイス。
2. 前記電極層は、窒素原子を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置デバイス。
3. 前記電極層は、３０〜４０原子％の窒素を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置デバイス。
4. 前記電極層は、シリサイドを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置デバイス。
5. 前記電極層は、窒素を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置デバイス。
6. 前記カルコゲニド層は、メモリ素子の一部であることを特徴とする請求項１に記載の装置デバイス。
7. 前記カルコゲニド層は、オボニック閾値スイッチの一部であることを特徴とする請求項１に記載の装置デバイス。
8. 金属層及び前記カルコゲニド層が、前記電極層を挟持してなることを特徴とする請求項１に記載の装置デバイス。
9. 金属及び非金属からなる混合物を含有する電極層を持つカルコゲニド含有デバイスを形成する工程を具備してなり、
   前記電極層は金属原子よりも少ない窒素原子を持つことを特徴とする方法。
10. スパッタリングによって前記電極層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. カルコゲニド層の上に前記電極層をスパッタする工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 相変化メモリを形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. オボニック閾値スイッチを形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. ３０〜４０原子％の窒素を含有する電極層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
15. 前記電極層をシリサイドから形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
16. 前記電極層を、金属層及びカルコゲニド層の間に挟むように形成すること特徴とする請求項９に記載の方法。
17. 少なくとも一方が金属窒化物及び窒素を含有する電極層を備える一対の電極と、
    前記電極間に設けられたカルコゲニド層とを具備してなり、
    前記電極層は５０原子％未満の窒素を含有することを特徴とする相変化メモリ。
18. 前記カルコゲニド層を挟持している一対の電極層を具備し、
    各前記電極層は５０原子％未満の窒素を含有することを特徴とする請求項１７に記載の相変化メモリ。
19. 前記電極層は、３０〜４０原子％の窒素を含有することを特徴とする請求項１７に記載の相変化メモリ。
20. 前記金属窒化物及び前記電極層は、同じ金属を含有することを特徴とする請求項１７に記載の相変化メモリ。