形成相变材料层的方法及使用其形成的相变存储器件的制作方法

专利名称：形成相变材料层的方法及使用其形成的相变存储器件的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种形成相变材料层的方法、使用该相变材 料层形成相变存储器件的方法以及由此形成的相变存储器件。更具体， 本发明的实施例涉及一种形成相变材料层的方法，使用该相变材料层 形成相变存储器件的方法以及由此形成的相变存储器件，该相变存储 器件可以减小或消除相变材料层中空隙或裂缝的形成。
背景技术：
在半导体器件当中，相变存储器件具有非易失性特性，以便即使 供电被中断，也不丢失存储数据。相变存储器件可以采用相变材料层， 相变材料层对于存储数据可以显示出两种稳定状态。相变材料层可以 根据加热温度和持续时间转变成非晶态或结晶态。典型地，非晶态中 的相变材料层具有比结晶态中的相变材料层更高的电阻率。因此，根 据相变材料层的状态，使用电阻率的变化，在相变存储器件的基本单
元中可以储存逻辑"r或"o"的数据。
焦耳加热可以被用作加热相变材料层以改变其状态的方法。例如， 可以通过施加电流到连接到相变材料层的电极，围绕该相变材料层产 生焦耳加热。通过调整施加电流的数量和/或持续时间来控制产生的焦 耳加热的温度和/或持续时间，可以执行编程或擦除操作，即将相变材 料层转变为非晶或结晶态。
通常，转变相变材料层的状态需要高温。例如，对于Ge-Sb-Te (GST)层，可能需要施加约630。C的温度，接近熔化温度，以将GST 层转变为非晶态。产生这么多热量可能需要相当大数量的电流。由此，
相变存储器件可能显示出大的功耗。此外，高度集成该相变存储器件 可能是困难的，因为为了控制大电流，可能需要增加相变存储器件中
的MOS晶体管的沟道宽度。
通过减小相变材料层和其处连接的电极之间的接触面积的尺寸， 可以减小编程和/或擦除操作中使用的电流量。通过减小接触面积的尺 寸，可以增加流过接触面积的电流密度，这可以允许编程和/擦除操作 中使用的电流量减少。因为可以通过在露出电极的孔中淀积相变材料 层来形成相变材料层，应当理解减小接触面积的尺寸可能需要减小孔 的直径，这可能导致孔的高宽比被增加。
如果通过在衬底的整个表面上覆盖相变材料，在孔中淀积相变材 料层，那么在孔的上部可能形成突出，在该突出下面的相变材料中导 致空隙。此外，在孔的一个侧壁上淀积的相变材料接触在相对侧壁上 淀积的相变材料的地点，可能形成裂缝。
空隙和裂缝可能会降低相变材料层的工作性能。例如，形成空隙 或裂缝的部分相变材料可能具有很高的电阻，这使准确地探测由于结 晶和非晶态之间的转变的电阻变化变得困难或不可能。因此，相变存 储器件的感测余量可能降低。此外，空隙和裂缝可能减小相变存储器 件中的基本单元的均匀性，以便编程电阻、擦除电阻、编程和擦除电 流量等可能是不均匀的，使相变存储器件的操作退化。

发明内容
因此本发明涉及一种形成相变材料层的方法、使用该相变材料层 形成相变存储器件的方法以及由此形成的相变存储器件，该相变存储 器件基本上克服由于相关技术的限制和缺点的一个或多个问题。
因此本发明的实施例的一个特点是提供一种形成相变材料层的方 法，该方法可以在导电部件上有选择地形成相变材料层。
因此本发明的实施例的另一特点是提供一种形成相变材料层的方 法，该方法可以在导电部件上形成相变材料层，而在相邻绝缘体上不 形成相变材料，这可以消除相变材料层中的突出、裂缝和/或空隙的形 成。
因此本发明实施例的迸一步的特点是提供一种具有相变材料层的 相变存储器件，该相变材料层被均匀地形成并具有小的接触面积，以 便该相变存储器件可以用于高度集成、低功耗的存储器。
通过提供形成相变材料层的方法，可以实现本发明的以上及其他 特点和优点的至少一个，该方法包括制备具有绝缘体和导体的衬底， 将该衬底装载到处理室中，注入淀积气体到该处理室中，以在导体的 露出表面上有选择地形成相变材料层，以及从处理室卸载该衬底，其 中处理室中的淀积气体的寿命短于淀积气体通过热能起反应的时间。
该淀积气体可以通过导体中的过剩电子反应，以形成相变材料层， 该相变材料层可以从导体的露出表面向上生长。该处理室中的淀积气 体的寿命可以长于淀积气体与导体中的过剩电子起反应的时间。该绝 缘体可以覆盖衬底的整个表面，以及该导体可以被贯穿绝缘体的孔露 出，由该孔露出的导体表面低于绝缘体的顶表面。淀积气体可以包括 多个源气体，以及该源气体可以被同时注入到处理室中。该淀积气体 可以包括多个源气体，该多个源气体分为多个气体组，每个具有至少 一个源气体，该气体组可以被依次注入到处理室中，以及在各个气体 组被注入处理室中之后，该方法还可以包括，用包含惰性气体的净化 气体清洗该处理室。该绝缘体可以由选自由包含硅的硅基绝缘层和包 含金属的金属基绝缘层构成的组的至少一种形成。相变材料层可以包
括碲(Te)和硒(Se)的至少一种，以及Ge、 Sb、 Bi、 Pb、 Sn、 Ag、 As、 S、 Si、 P、 O和N的至少一种。
通过提供一种形成相变存储器件的方法，也可以实现本发明的以 上及其他特点和优点的至少一个，该方法包括形成覆盖衬底的整个表 面的层间绝缘层，其中下电极被贯穿层间绝缘层的孔露出，使用选择 性淀积，从下电极的露出表面向上生长相变材料层，以便形成相变图 形，来填充下电极的露出表面之上的孔，以及在层间绝缘层上形成上 电极并与相变图形接触，其中该选择性淀积可以包括注入淀积气体到 其中执行淀积工序的处理室中，以及该处理室中的淀积气体的寿命可 以短于淀积气体通过热能反应的时间。
该淀积气体可以与下电极中的过剩电子反应，以形成相变材料层。 该处理室中的淀积气体的寿命可以长于淀积气体与下电极中的过剩电 子反应的时间。
形成层间绝缘层和下电极可以包括，在衬底的预定区域上形成下 电极，在具有下电极的衬底上形成层间绝缘层，以及构图该层间绝缘 层，以形成露出下电极的孔。下电极可以由具有不同于上电极的电阻 率的导电材料形成。形成层间绝缘层和下电极可以包括，在衬底上形 成层间绝缘层，构图该层间绝缘层以形成孔，以栓塞的形状形成初步 下电极，以填充孔，以及刻蚀该初步下电极以形成下电极，该下电极 填充孔的下部。该方法还可以包括，在形成层间绝缘层之前，在衬底 的预定区域上形成缓冲图形，其中该孔可以露出缓冲图形，以及在被 该孔露出的缓冲图形上可以形成下电极，该缓冲图形由具有低于下电 极的电阻率的导电材料形成。下电极可以由具有不同于上电极的电阻 率的导电材料形成。
在处理室中布置的卡盘上可以装载一片衬底，以及该选择性淀积 可以是单晶片型选择性淀积。在处理室中布置的衬底支撑单元上可以 装载多片衬底，以及该选择性淀积可以是分批式选择性淀积。该淀积 气体可以包括多个源气体，以及该源气体可以被同时注入到处理室中。 该淀积气体可以包括多个源气体，多个源气体被分为多个气体组，每
个具有至少一个源气体，该气体组可以被依次注入到处理室中，以及 在各个气体组注入处理室中之后，该方法还可以包括，用包含惰性气 体的净化气体清洗该处理室。
形成该相变图形可以包括，在孔中形成相变材料层，以便该相变 材料层的下部填充该孔，以及该相变材料层的上部被布置在该下部上， 该上部突出高于层间绝缘层的顶表面，以及平整相变材料层的突出上 部，以形成相变图形。层间绝缘层可以由包含硅的硅基绝缘层和包含 金属的金属基绝缘层的至少一种形成。该相变图形可以包括碲(Te) 和硒(Se)的至少一种，以及Ge、 Sb、 Bi、 Pb、 Sn、 Ag、 As、 S、 Si、 P、 O和N的至少一种。
本发明的上述及其他特点的至少一个还可以通过提供一种相变存 储器件来实现，该相变存储器件包括布置在衬底的预定区域上的下电 极，覆盖衬底的整个表面并具有露出下电极的孔的层间绝缘层，填充 下电极的露出表面之上的孔的相变图形而没有空隙或裂缝，以及布置 在层间绝缘层上并与相变图形接触的上电极。
该相变图形可以使用选择性淀积，从被孔露出的下电极的表面向 上生长。该选择性淀积可以包括注入淀积气体到其中执行淀积工序的 处理室中，该处理室中的淀积气体的寿命可以短于淀积气体通过热能 反应的时间，以及该淀积气体可以通过下电极中的过剩电子反应，以 便形成相变图形。该层间绝缘层可以覆盖下电极，该孔可以露出下电 极的表面，以及下电极的露出表面可以高达或低于孔周围的层间绝缘 层的底表面。下电极可以由具有不同于上电极的电阻率的导电材料形 成。该下电极可以被限制在孔的下部，以及该相变图形可以填充下电 极之上的孔。
该相变存储器件还可以包括，下电极和衬底之间以及衬底和邻近 于下电极的层间绝缘层之间的缓冲图形，其中该缓冲图形可以与下电
极接触，以及该缓冲图形可以由具有低于下电极的电阻率的导电材料 形成。该下电极可以由具有不同于上电极的电阻率的导电材料形成。 该下电极的电阻率可以高于上电极的电阻率。层间绝缘层可以由包含 硅的硅基绝缘层和包含金属的金属基绝缘层的至少一种形成。该相变
图形可以包括碲(Te)和硒(Se)的至少一种，以及Ge、 Sb、 Bi、 Pb、 Sn、 Ag、 As、 S、 Si、 P、 O和N的至少一种。


对所属领域的普通技术人员来说，通过参考附图对其优选示例性 实施例的详细描述，将使本发明的上述及其他特点和优点变得更明显， 其中
图1至3图示了根据本发明的第一实施例形成相变存储器件的方 法中的载物台的剖面图4图示了根据本发明的第二实施例形成相变存储器件的方法流
程图5图示了根据本发明的第三实施例形成相变存储器件的方法流
程图6图示了淀积设备的示意图7图示了另一淀积设备的示意图8至10图示了根据本发明的第四实施例形成下电极的方法中的 载物台的剖面图11图示了根据本发明的第一实施例的相变存储器件的剖面以及
图12图示了根据本发明的第四实施例的相变存储器件的剖面图。
具体实施例方式
在此将2006年4月21日在韩国知识产权局申请的、名称为 "Method of Forming Phase Change Material Layer, Method of Forming Phase Change Memory Device Using the Same and Phase Change Memory Device So Formed"的韩国专利申请号2006-36209全部引入供参考。
现在参考附图更完全地描述本发明，在附图中图示了本发明的示 例性实施例。但是，本发明可以以多种不同的形式体现，不应该认为 周限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了本公开是彻 底的和完全的，并将本发明的范围完全传递给所属领域的技术人员。
在图中，为了例示的清楚可以放大层和区域的尺寸。还应该理解， 当一个层或元件被称为在另一层或衬底"上"时，它可以直接在另一 层或衬底上，或也可以存在插入层。此外，应当理解当一个层被称为 在另一层下面时，它可以直接在下面，和也可以存在一个或多个插入 层。另外，还应当理解当一个层被称为在两个层之间时，它可以是两 个层之间唯一的层，或也可以存在一个或多个插入层。当一个层被称 为与另一层"接触"时，应当理解该层可以被电接触，即使存在一个 或多个插入层，除非另外特别声明。相同的标记始终指相同的元件。
本发明的实施例涉及一种相变存储器件和形成该相变存储器件的 方法，该方法通过使用选择性淀积方法形成相变材料层，可以减小或 消除相变材料层中的空隙或裂缝的形成，其中淀积气体借助于基层中 的过剩电子反应形成相变材料层，以及其中淀积气体的寿命短于热反 应时间。淀积气体的寿命被定义为处理室中存在淀积气体的时间，并 且淀积气体的热反应时间被定义为淀积气体借助于热能起反应的时 间。淀积气体的寿命短于热反应时间，淀积气体不通过热能反应。电 子反应时间被定义为淀积气体借助于基层中的过剩电子反应的时间。 电子反应时间可以显著地短于热反应时间，以及淀积气体的寿命可以 长于电子反应时间。由此，本发明的实施例可以提供一种没有形成空 隙或裂缝的相变材料层，空隙或裂缝是常规方法中的普遍问题。因此， 本发明的实施例可以提供一种显示出优异的工作特性的相变存储器 件，以及可以适合于高集成度和/或低功耗。
图1至3图示了根据本发明的第一实施例形成相变存储器件的方
法中的载物台的剖面图。参考图1，在衬底100上可以形成下绝缘层
102，衬底100可以是，例如，半导体衬底。下绝缘层102可以由例如， 氧化层形成。通过下绝缘层102，可以形成下栓塞104。下栓塞104可 以与衬底100接触。下栓塞104可以由例如，掺杂多晶硅、金属如钨、 导电金属氮化物如氮化钛或氮化钽、金属硅化物如硅化钨或硅化钛等 的导电材料形成。
在衬底IOO上可以形成将与下栓塞104接触的开关器件。例如， 可以在衬底IOO上形成将与栓塞104接触的PN二极管的一端。在另一 实施方式中，在衬底100上可以形成将与下栓塞104接触的金属氧化 物半导体(MOS)晶体管的源/漏区。
在下绝缘层102上可以形成下电极106。下电极106可以与下栓 塞104接触。在衬底IOO上和在下电极106上可以形成层间绝缘层108。 层间绝缘层108可以被构图，以便形成露出下电极106的孔110。下电 极106可以由导电材料，如过渡金属(transition metal)、导电的过渡 金属氮化物、导电的三元氮化物等形成。该过渡金属可以包括，例如， 钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、或 钩(W)的一种或多种。该导电的过渡金属氮化物可以包括例如，氮化 钛、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽或氮化钨的一种或多种。该导 电的三元碳氮化物可以包括例如，钛氮化铝、钛氮化碳、碳氮化钽、 氮硅化钛或氮硅化钽的一种或多种。
层间绝缘层108可以由绝缘材料形成，例如，硅基绝缘层如氮化 硅层、氧化硅层或氮氧化硅层或包括氧化铝、氧化钽或氧化铪的金属 基绝缘层等形成。
根据本发明的第一实施例，可以使用选择性淀积方法，在被孔110 露出的下电极106的表面上形成相变材料层112。相变材料层112可以 形成为它从下电极106的露出表面向上生长。孔110内的层间绝缘层
108的顶表面和层间绝缘层108的侧表面上不淀积相变材料层112，即， 不从其中生长相变材料层112。由此，相变材料层112可以填充孔110， 而没有空隙或裂缝。
现在将结合图4-7更详细地描述形成相变材料层112的选择性淀 积方法。图4图示了根据本发明的第二实施例形成相变存储器件的方 法流程图，图5图示了根据本发明第三实施例形成相变存储器件的方 法流程图，图6图示了淀积设备的示意图，以及图7图示了另一淀积 设备的示意图。
图6所示的淀积设备可以包括处理室400，具有其中可以执行淀 积工序的内部空间。在处理室400中可以布置卡盘405，卡盘405具有 用于支撑衬底100的顶表面，衬底100可以被装载在卡盘405上。在 处理室400中可以布置气体供应单元410，以便提供淀积气体到在卡盘 405上加载的衬底100。该气体供应单元可以是例如，喷头型410，如 图6所示。气体供应单元410可以被布置在卡盘405之上并与卡盘405 隔开。就喷头型气体供应单元410而言、气体供应单元410可以包括 多个气嘴。在另一实施方式中(未示出)，该气体供应单元可以具有 不同的形状，例如，该气体供应单元可以是穿过处理室400的多个气 体供应导管，其中该多个气体供应导管被互相隔开。 一个或多个排气 导管415可以穿过处理室400。
现在将结合上述淀积设备和图4所示的流程图描述在衬底100上 有选择地形成相变材料层112的选择性淀积方法。
首先，其中具有孔110的衬底100可以被装载到处理室400中 (S200)。详细地，衬底100可以被装载在卡盘405的顶表面上。在 一种实施方式中，卡盘405可以是可以提供热量以获得用于淀积工序 的预定处理温度的单元。卡盘405可以直接提供热量到衬底100。
淀积气体可以被注入到处理室400中，以便有选择地淀积相变材
料层112 (S210)。相变材料层112可以由例如具有碲(Te)或硒(Se) 的一种或多种以及Ge、 Sb、 Bi、 Pb、 Sn、 Ag、 As、 S、 Si、 P、 0或N 的一种或多种的化合物形成，该碲(Te)或硒(Se)是硫族化物。作 为特定的例子，相变材料层112可以包括Ge-Sb-Te、 As-Sb-Te、 As-Ge-Sb-Te、 Sn-Sb-Te、 Ag-In-Sb-Te、 In-Sb-Te、 5A族元素-Sb-Te、 6A族元素-Sb-Te、 5A族元素-Sb-Se、 6A族元素-Sb-Se等。如上所述， 相变材料层112可以是包含多种元素的化合物，因此，该淀积气体可 以包括各种源气体。
淀积气体的寿命被定义为淀积气体存在于处理室400中的时间。 此外，热反应时间被定义为淀积气体借助于热能起反应的时间，以及 淀积气体的寿命可以短于热反应时间。淀积气体的反应可以包括淀积 气体中包含的源气体的分解和/或结合。由于该寿命短于热反应时间， 淀积气体不会通过热能反应。在导电的下电极106中可以存在多个过 剩电子，以及淀积气体可以通过过剩电子反应，以便形成相变材料层 112， g卩，通过电子传递反应，以便该淀积气体通过被孔IIO所露出的 下电极106的表面中的过剩电子起反应，以形成相变材料层112。由此， 相变材料层112可以从下电极的露出表面向上生长。
层间绝缘层108可以由其中没有过剩电子的绝缘材料形成。由此， 相变材料层112不由层间绝缘层108的表面形成或在其上淀积，艮口， 相变材料层112不从层间绝缘层108中的孔110的侧壁上或层间绝缘 层108的顶表面上生长或在其上淀积。
电子反应时间被定义为淀积气体借助于基层中的过剩电子反应的 时间。该电子反应时间可以显著地短于热反应时间，以及淀积气体的 寿命可以长于电子反应时间。通过相对于热反应时间缩短淀积气体的 寿命，因为下电极106的过剩电子，淀积气体可以仅仅在下电极106 的露出表面上反应。由此，相变材料层112可以被有选择地形成在下
电极106的露出表面上，而不形成在层间绝缘层108的表面上。因此， 相变材料层112可以从下电极106的露出表面向上生长，以便相变材 料层112可以填充110，而没有空隙或裂缝。
处理室400中的淀积气体的寿命可以使用淀积气体和流入量和从 淀积室400排出的气体的流出量来控制。例如，当淀积气体的流入量 大于排出气体的流出量时，寿命可以增加，而当淀积气体的流入量小 于排出气体的流出量时，寿命可能减小。
淀积气体的寿命也可以使用处理温度来控制。例如，可以通过降 低处理温度来增加淀积气体的寿命，以便当处理温度减小时，热反应 时间增加。增加热反应时间可以增加寿命。因此，该寿命可以由一个 或多个系数决定，包括气体的流入量和出流量以及处理温度。
在一个实施方式中，相变材料层112可以由Ge-Sb-Te (GST)形 成。在此情况下，淀积气体中包含的源气体可以包括，例如，GeH(i-Bu) 3， Sb (i-Pr) 3和Te (t-Bu) 2，以及该处理温度可以约为350°C。在此 情况下，寿命可以约为l秒。因此，相变材料层112可以从下电极106 的露出表面向上生长，以便它填充孔IIO，而没有空隙或裂缝。在此情 况下，当处理温度减小至350°C或更低时，寿命可以被增加到一秒或 更多。
在形成相变材料层112之后，可以从处理室400卸载衬底100 (S220)。
图6的淀积设备是单晶片型淀积设备，用于每次在一个衬底100
上执行选择性淀积工序。但是，本发明的实施例不限于此，以及可以 使用具有不同形状的其他淀积设备执行该选择性淀积方法。
图7图示了另一淀积设备的示意图。参考图7，该淀积设备可以
包括处理室400，。处理室400，可以配置有法兰(flange) 455，其具有 其中顶部和底部被开启的内部空间和在法兰455上安装的外管450。外 管450可以具有与法兰455的内部空间连通的内部空间。外管450的 顶部可以被关闭。内管460可以被布置在外管450的内部。内管460 可以被安装在法兰455的内壁上形成的突出上。内管460和外管450 可以相互隔开。内管460可以具有内部空间，以及内管460的顶部和 底部部分可以被开启。在法兰450上可以安装排气管475和进气管480。 当在处理室400，中执行淀积工序时，可以借助于加热单元(未示出)， 例如，围绕外管450的外壁的加热单元，将用于获得预定处理温度的 热量提供到处理室400'中。
在执行选择性淀积工序中，衬底支撑单元470可以被安装在内管 460中。详细地，衬底支撑单元470可以被安装在板465上，板465可 以被安装在法兰450底部上，以便密封处理室400'。在衬底支撑单元 470上可以同时装载多个衬底100。结合图4描述的选择性淀积工序可 以使用图7的淀积设备来执行。
参考图2， 4和7，在衬底支撑单元470上可以装载其中具有各个 孔110的多个衬底100。此后，衬底支撑单元470可以被安装在内管 470中，然后衬底100可以被装载到处理室400，中。此后，淀积气体可 以通过进气管480注入到处理室400'中，以便在被孔IIO露出的下电 极106上有选择地淀积相变材料层112。
在执行选择性淀积工序中，淀积气体的寿命被定义为处理室400， 中存在淀积气体的时间，以及淀积气体的热反应时间被定义为淀积气 体借助于热能起反应的时间。淀积气体的寿命短于热反应时间，该淀 积气体不通过热能反应。由此，相变材料层112可以被有选择地淀积， 以便它从下电极106的露出表面向上生长，如上所述。淀积气体的寿 命可以长于电子反应时间。在形成相变材料层112之后，可以从处理 室400'卸载衬底100。
图7的淀积设备是分批式淀积设备，其配置为在多个衬底100上 同时执行选择性淀积工序。通过使用该分批式淀积设备来执行选择性 淀积工序，可以显著地提高相变存储器件的生产率。此外，衬底支撑
单元470以及外管和内管450和460可以由石英形成。由于石英是绝 缘材料，相变材料层112不可能形成在衬底支撑单元470、外管450以 及内管460的表面上。因此，该分批式淀积设备的清洗周期可以被延 长，由此提高生产率。图7的分批式淀积设备可以对应于其中依次层 叠衬底100的纵向淀积设备。在另一实施方式中，该选择性淀积工序 可以使用分批式水平淀积设备来执行。
再次参考图4，在该选择性淀积方法中，多种源气体可以被同时 注入到处理室中。在另一实施方式中，可以交替地执行选择性淀积工 序，如将结合图5描述。在此情况下，也可以使用图6的淀积设备来 执行该选择性淀积工序。
图5图示了根据本发明第三实施例形成相变存储器件的方法流程 图。参考图2、 5和6，在处理室400中可以装载具有露出下电极106 的孔110的衬底100 (S300)。在此，衬底100可以被装载在卡盘405 的顶表面上。
参考图5，淀积气体可以被提供作为多种源气体，该多种源气体 集合成多个气体组，每个具有至少一种源气体。在该实施例中，该淀 积气体可以包含第一、第二和第三气体组。在其他实施方式中，该淀 积气体可以包括两个气体组、四个气体组或更多。若相变材料层112 是GST，在第一气体组中可以是GeH (i-Bu) 3、 Sb (i-Pr) 3和Te (t-Bu) 2之一，在第二气体组中可以是它们的另一种，以及在第三气体组中可 以是它们的剩余一种。淀积气体的第一气体组可以被注入到处理室400 中(S310)。随后，可以执行第一清洗，以清洗该处理室400 (S320)。 第一清洗(S320)可以使用包含惰性气体的净化气体来执行。
处理室400中的第一气体组的寿命可以短于热反应时间。由此，
第一气体组可以通过下电极106的过剩电子起反应。第一气体组可以
通过过剩电子起反应，例如，通过过剩电子分解，以便它仅仅淀积在
下电极106的露出表面上，而不淀积在层间绝缘层108的表面上。第 一气体组的寿命可以长于电子反应时间。
通过控制，例如，第一气体组的和/或流入速率或第一气体组的寿 命，或处理室400中的气体的流出量和/或流出速率，可以决定第一气 体组的寿命。此外，可以通过控制处理温度来决定第一气体组的寿命。 此外，第一气体组的寿命可以使用第一清洗时(S320)的净化气体的 流入量和流入速率以及第一气体组的注入(S310)和第一清洗(S320) 之间的时间间隔来决定。当然，第一气体组的寿命可以通过结合上述 控制方法来决定。
接下来，淀积气体的第二气体组可以被注入到处理室400中。可 以使用包含惰性气体的净化气体来执行第二清洗，以清洗处理室400。 第二气体组的寿命也可以短于热反应时间。第二气体组的寿命可以长 于电子反应时间。由此，第二气体组可以仅仅在下电极106的露出表 面反应。因此，在下电极106的露出表面上，可以存在由第一和第二 气体组形成的中间化合物。
第二气体组的寿命可以用和控制第一气体组的寿命一样的方法来 控制。亦即，第二气体组的寿命可以通过控制第二气体组的流入量和/ 或流入速率、处理室400中的气体的流出量和/或流出速率、处理温度、 第二清洗(S340)时的净化气体的流入量和流入速率以及第二气体组 的注入(S330)和第二清洗(S340)之间的时间间隔等来控制。第二 气体组的寿命可以通过结合上述控制方法来控制。
接下来，第三气体组可以被注入到处理室400中(S350)，以及
可以执行第三清洗，以清洗该处理室400。第三气体组的寿命可以短于 热反应时间。此外，第三气体组的寿命可以长于电子反应时间。由此，
第三气体组可以仅仅在下电极106的露出表面上反应。因此，相变材 料层112可以在下电极106的露出表面上形成。控制第三气体组的寿 命可以用和第一和第二气体组相同的方法执行。
通过上述工序(S310至S360)形成的相变材料层112可以具有接 近原子层厚度的厚度。因此，为了将相变材料层U2填充到孔IIO中， 上述工序(S310至S360)可以被重复地执行。
在形成相变材料层112以填充孔110之后，可以从处理室400卸 载衬底100。
由于根据图5的流程图所示的选择性淀积方法的淀积气体寿命可 以短于热反应时间，相变材料层112可以从下电极106的露出表面向 上生长，以及不从层间绝缘层108的表面生长。由此，该相变材料层 112可以填充孔110，而没有空隙或裂缝，这可以得到比通常制备的层 显著地更均匀和无缺陷的相变材料层。
再次参考图2，相变材料层112可以形成为它向上突出高于层间 绝缘层108的顶表面。亦即，相变材料层112可以形成有填充孔110 的下部和突出高于层间绝缘层108的顶表面的上部。参考图3，可以执 行平整，以除去相变材料层112的突出，以便相变材料层112转变为 相变图形112a，其仅仅形成为填充孔110。相变材料层112的突出的去 除可以通过例如，深腐蚀或化学机械抛光(CMP)工序来执行。在另 一实施方式中，相变材料层112可以被淀积为其顶表面高达层间绝缘 层108的顶表面。在此情况下，该平整工序可以被省略，因此，相变 材料层112可以被用作相变图形112a。
在层间绝缘层108上可以形成上电极114。上电极114可以与相变图形112a接触。上电极114可以由导电材料形成。例如，上电极114 可以由过渡金属、导电的过渡金属氮化物、导电的三元氮化物的一种 或多种材料等形成。该过渡金属可以包括例如，钛(Ti)、锆(Zr)、 铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、或鸽(W)的一种或多种。 该导电的过渡金属氮化物可以包括例如，氮化钛、氮化铪、氮化钒、 氮化铌、氮化钽或氮化钨的一种或多种。该导电的三元碳氮化物铝可 以包括例如，钛氮化铝、钛氮化碳、碳氮化钽、氮硅化钛或氮硅化钽 的一种或多种。
下电极106的电阻率可以不同于上电极114的电阻率。相变图形 112a中的编程区可以对应于邻近于下电极106的第一区域和邻近于上 电极114的第二区域之间的区域。当编程区被减小时，相变存储器件 的编程和/或擦除操作需要的电流量可以被减小。当下电极106具有比 上电极114更高的电阻率时，该编程区可以是邻近于下电极的第一区， 而当下电极106具有比上电极114更低的电阻率时，该编程区可以是 邻近于上电极114的第二区。
在下面的描述中，将描述形成相变存储器件的方法，其中下电极 形成为具有不同于上述下电极106的形状。该方法可以类似于如上所 述的方法，因此相同的参考标记表示相同的元件。
图8至10图示了根据本发明的第四实施例形成下电极的方法中的 载物台的剖面图。参考图8，在衬底IOO上可以形成下绝缘层102，以 及通过下绝缘层102可以形成下栓塞104。在下绝缘层102上可以形成 缓冲层105。缓冲层105可以由导电材料形成。
层间绝缘层108可以形成在衬底100的表面上，并可以被构图， 以便形成露出缓冲层105的区域的孔110。缓冲层105可以允许增加孔 IIO和下栓塞104之间的对准余量。由此，根据特定器件和制造工序的 需要，缓冲层105可以被省略，而在这样情况下，孔IIO可以露出下 栓塞104。
如图8所示，可以以栓塞的形状形成初步下电极107，以便填充 孔110。参考图9，初步下电极107可以被刻蚀，以便形成填充孔110 的下电极107a，并具有低于层间绝缘层108的顶表面的顶表面。下电 极107a上面的孔110的上部可以是空的。下电极107a可以包括过渡金 属、导电的过渡金属氮化物或导电的三元氮化物的一种或多种。该过 渡金属可以包括，例如， 一个或多个钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、 钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、或钩(W)。该导电的过渡金属氮化 物可以包括，例如，氮化钛、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽或氮 化钩的一种或多种。该导电的三元碳氮化物铝可以包括，例如，钛氮 化铝、钛氮化碳、碳氮化钽、氮硅化钛或氮硅化钽的一种或多种。缓 冲层105可以由具有比下电极107a更低电阻率的导电材料形成。例如， 缓冲层105可以由钨形成。
参考图10，在下电极107a之上，可以形成填充孔IIO的相变构图 112a'。通过选择性淀积方法，如上面结合图4和5所述，可以形成相 变图形112a'。因此，相变图形112a'可以被有选择地形成，以便它从 下电极107a的露出表面向上生长。当形成相变图形112a'时，可以附 加地执行平整工序，如上面结合图2所述。在层间绝缘层114上可以 形成上电极114，以便它与相变图形112a'接触。
下电极107a的电阻率可以不同于上电极114的电阻率。具体，下 电极107a的电阻率可以高于上电极114的电阻率。由此，相变图形112a' 中的编程区可以是邻近于下电极107a的区域。在编程和/或擦除操作 中，由于下电极107a被布置在孔110的下部中，焦耳加热可能主要产 生在下电极107a和相变图形112a'之间的界面处，该界面可以被布置 在孔110中。因此，通过使编程和/或擦除操作中产生的焦耳热损失最 小化，可以使相变存储器件的功耗最小化。此外，下电极107a可以填 充孔110的下部，以便孔IIO的高宽比可以被减小。
下面将参考附图描述根据本发明实施例的相变存储器件。
图11图示了根据本发明第一实施例的相变存储器件的剖面图。参
考图11，在衬底100上可以布置下绝缘层102，以及下栓塞104可以 贯穿下绝缘层102以与衬底100接触。下电极106可以被布置在下绝 缘层102上。下电极106可以与下栓塞104接触。
层间绝缘层108可以覆盖衬底100的表面。孔UO可以贯穿层间 绝缘层108，以露出下电极106的区域。下电极106的露出表面可以高 达或低于围绕孔110的层间绝缘层108的底表面。相变图形112a可以 填充孔IIO，而没有空隙或裂缝。借助于根据本发明的实施例的选择性 淀积方法，如上所述，相变图形112a可以从被孔IIO露出的下电极106 的表面向上生长。相变图形U2a的底表面可以与下电极106接触。上 电极114可以被布置在层间绝缘层108上。上电极114可以与相变图 形112a接触。
上绝缘层120可以覆盖衬底100和上电极114的表面。上栓塞122 可以贯穿上绝缘层120以与上电极114接触。在上绝缘层120上可以 布置互连124。互连124可以与上栓塞122接触。互连124可以对应于 位线。互连124和上栓塞122可以由导电材料形成。
在另一实施方式(未示出)中，互连124和上栓塞122可以被省 略。在此情况下，上电极114可以具有互连形状，延伸至任意侧边， 以及可以对应于位线。
现在将参考图12描述下电极具有不同形状的相变存储器件，图 12图示了根据本发明的第四实施例的相变存储器件的剖面图。参考图 12，下绝缘层102可以被布置在衬底100上，以及下栓塞104可以贯 穿下绝缘层102以与衬底100接触。在绝缘层102上可以布置缓冲层
105，以及层间绝缘层108可以覆盖衬底IOO和缓冲层105的表面。孔 IIO可以贯穿层间绝缘层IOS，以及可以露出部分缓冲层105。
下电极107a可以填充孔110的下部，即，它可以被限制在孔IIO 的下部。下电极107a的底表面可以与缓冲层105接触。相变图形112a' 可以填充下电极107a上面的孔UO，而没有空隙或裂缝。相变图形112a' 可以从下电极107a的顶表面向上生长。
上电极114可以形成在层间绝缘层108上。上电极114可以与相 变图形112a'接触。上绝缘层120可以覆盖衬底IOO和上电极114的表 面，以及上栓塞122可以贯穿上绝缘层120，以与上电极114接触。互 连124可以被布置在上绝缘层120上，以便它与上栓塞122接触。该 互连可以对应于例如位线。在另一实施方式中(不示出)，互连124 和上栓塞122可以被省略，而在这样情况下，上电极114可以延伸至 任意侧边，以便形成位线。
如上所述，该相变存储器件可以包括在衬底的预定区域上布置的 下电极、覆盖衬底的表面并具有露出下电极的孔的层间绝缘层、没有 空隙和裂缝地填充下电极的露出表面上的孔的相变图形、以及布置在 该层间绝缘层上并与该相变图形接触的上电极。通过根据本发明实施 例的选择性淀积方法，该相变图形可以从被孔露出的下电极的表面向 上生长。通过注入气体到其中执行淀积工序的处理室中，可以执行该 选择性淀积方法，处理室中的淀积气体的寿命可以短于淀积气体通过 热能反应的时间，以及该淀积气体可以通过下电极中的过剩电子反应， 以便形成相变材料层。
该层间绝缘层可以覆盖下电极，该孔可以露出部分下电极，以及 下电极的露出表面可以高达或低于孔周围的层间绝缘层的底表面。上 电极可以由具有不同于上电极的电阻率的导电材料形成。该下电极可 以填充孔的下部，以及相变材料层可以填充下电极之上的孔。该相变
存储器件还可以包括下电极和衬底之间以及衬底和邻近于下电极的层 间绝缘层之间的缓冲图形。该缓冲图形可以与上电极接触，以及该缓 沖图形可以由具有低于上电极的电阻率的导电材料形成。该上电极可 以由具有不同于下电极的电阻率的导电材料形成，例如，下电极的电 阻率可以高于上电极的电阻率。该层间绝缘层可以由包含的硅基绝缘
层或金属基绝缘层形成。该相变材料层可以包括例如，Te或Se，以及 Ge、 Sb、 Bi、 Pb、 Sn、 Ag、 As、 S、 Si、 P、 0或N的一种或多种。
在此已经公开了本发明的示例性实施例，尽管使用了具体的术语， 但是它们仅仅被普通使用和解释以及理解性描述，而不是为了限制。 由此，所属领域的普通技术人员应当明白，在不脱离下面的权利要求 所阐述的本发明的精神和范围的条件下，可以在形式上和细节上进行 各种改变。
权利要求
1.一种形成相变材料层的方法，包括制备具有绝缘体和导体的衬底；将该衬底装载到处理室中；注入淀积气体到该处理室中，以在导体的露出表面上有选择地形成相变材料层；以及从该处理室卸载衬底，其中该处理室中的淀积气体的寿命短于该淀积气体通过热能起反应的时间。
2. 如权利要求l所述的方法，其中该淀积气体通过导体中的过剩 电子起反应，以形成相变材料层，该相变材料层从导体的露出表面向 上生长。
3. 如权利要求2所述的方法，其中该处理室中的淀积气体的寿命 长于淀积气体通过导体中的过剩电子起反应的时间。
4. 如权利要求l所述的方法，其中 该绝缘体覆盖衬底的整个表面，以及该导体被贯穿绝缘体的孔露出，被该孔露出的导体表面低于绝缘 体的顶表面。
5. 如权利要求l所述的方法，其中 该淀积气体包括多种源气体，以及 该源气体被同时注入到处理室中。
6. 如权利要求l所述的方法，其中该淀积气体包括多种源气体，该多种源气体分为多个气体组，每 个具有至少一种源气体， 该气体组被依次注入到处理室中，以及该方法还包括，在注入各个气体组到处理室中之后，用包含惰性 气体的净化气体清洗该处理室。
7. 如权利要求l所述的方法，其中该绝缘体由选自由包含硅的硅 基绝缘层和包含金属的金属基绝缘层构成的组至少一种形成。
8. 如权利要求l所述的方法，其中该相变材料层包括碲(Te)和 硒(Se)的至少一种，以及选自由Ge、 Sb、 Bi、 Pb、 Sn、 Ag、 As、 S、 Si、 P、 O和N构成的组的至少一种元素。
9. 一种形成相变存储器件的方法，包括形成覆盖衬底的整个表面的层间绝缘层，其中下电极被贯穿层间 绝缘层的孔露出；使用选择性淀积，从下电极的露出表面向上生长相变材料层，以 便形成填充下电极的露出表面之上的孔的相变图形；以及在该层间绝缘层上形成上电极，并与相变图形接触，其中该选择性淀积包括注入淀积气体到其中执行淀积工序的处理室 中，以及该处理室中的淀积气体的寿命短于淀积气体通过热能起反应的时间。
10. 如权利要求9所述的方法，其中该淀积气体通过下电极中的 过剩电子起反应，以形成相变材料层。
11. 如权利要求IO所述的方法，其中该处理室中的淀积气体的寿 命长于淀积气体通过下电极中的过剩电子起反应的时间。
12. 如权利要求9所述的方法，其中形成该层间绝缘层和下电极包括 在衬底的预定区域上形成下电极； 在具有下电极的衬底上形成层间绝缘层；以及构图该层间绝缘层，以形成露出下电极的孔。
13. 如权利要求12所述的方法，其中该下电极由具有不同于上电 极的电阻率的导电材料形成。
14. 如权利要求9所述的方法，其中形成该层间绝缘层和下电极包括在衬底上形成层间绝缘层； 构图该层间绝缘层，以形成孔；以栓塞的形状形成初步下电极，以填充该孔；以及 刻蚀该初步下电极，以形成下电极，该下电极填充该孔的下部。
15. 如权利要求14所述的方法，还包括，在形成层间绝缘层之前， 在衬底的预定区域上形成缓冲图形，其中.-该孔露出该缓冲图形，以及在被该孔露出的缓冲图形上形成下电极，该缓冲图形由具有低于 下电极的电阻率的导电材料形成。
16. 如权利要求14所述的方法，其中该下电极由具有不同于上电 极的电阻率的导电材料形成。
17. 如权利要求9所述的方法，其中在处理室中布置的卡盘上装载一片衬底，以及 该选择性淀积是单晶片型选择性淀积。
18. 如权利要求9所述的方法，其中在处理室中布置的衬底支撑 单元上装载多片衬底，以及该选择性淀积是分批式选择性淀积。
19. 如权利要求9所述的方法，其中该淀积气体包括多种源气体，以及 该源气体被同时注入到处理室中。
20. 如权利要求9所述的方法，其中该淀积气体包括多种源气体，多种源气体分为多个气体组，每个组具有至少一种源气体；气体组被依次注入到该处理室中，以及该方法还包括，在注入各个气体组到处理室中之后，用包含惰性 气体的净化气体清洗处理室。
21. 如权利要求9所述的方法，其中形成相变图形包括在该孔中形成相变材料层，以便该相变材料层的下部填充该孔， 以及在该下部上布置相变材料层的上部，该上部突出高于层间绝缘层的顶表面；以及平整该相变材料层的突出上部，以形成相变图形。
22. 如权利要求9所述的方法，其中该层间绝缘层由选自由包含 硅的硅基绝缘层和包含金属的金属基绝缘层构成的组的至少一种形 成。
23. 如权利要求9所述的方法，其中该相变图形包括碲(Te)和 硒(Se)的至少一种，以及选自由Ge、 Sb、 Bi、 Pb、 Sn、 Ag、 As、 S、 Si、 P、 O和N构成的组的至少一种元素。
24. —种相变存储器件，包括 在衬底的预定区域上布置的下电极；覆盖该衬底的整个表面并具有露出下电极的孔的层间绝缘层； 没有空隙或裂缝地填充该下电极的露出表面之上的孔的相变图 形；以及布置在该层间绝缘层上并与该相变图形接触的上电极。
25. 如权利要求24所述的相变存储器件，其中使用选择性淀积， 该相变图形从被孔露出的下电极的表面向上生长。
26. 如权利要求25所述的相变存储器件，其中 该选择性淀积包括注入淀积气体到其中执行淀积工序的处理室中，该处理室中的淀积气体的寿命短于淀积气体通过热能反应的时 间，以及该淀积气体通过下电极中的过剩电子起反应，以便形成相变图形。
27. 如权利要求24所述的相变存储器件，其中 该层间绝缘层覆盖下电极， 该孔露出下电极的表面，以及该下电极的露出表面高达或低于孔周围的层间绝缘层的底表面。
28. 如权利要求27所述的相变存储器件，其中该下电极由具有不 同于上电极的电阻率的导电材料形成。
29. 如权利要求24所述的相变存储器件，其中 该下电极被限制在孔的下部，以及 该相变图形填充下电极之上的孔。
30. 如权利要求29所述的相变存储器件，还包括在下电极和衬底 之间以及在衬底和邻近于下电极的层间绝缘层之间的缓冲图形，其中.-该缓冲图形与下电极接触，以及该缓冲图形由具有低于下电极的电阻率的导电材料形成。
31. 如权利要求29所述的相变存储器件，其中该下电极由具有不 同于上电极的电阻率的导电材料形成。
32. 如权利要求31所述的相变存储器件，其中该下电极的电阻率 高于上电极的电阻率。
33. 如权利要求24所述的相变存储器件，其中该层间绝缘层由选 自包含硅的硅基绝缘层和包含金属的金属基绝缘层构成的组的至少一 种形成。
34. 如权利要求24所述的相变存储器件，其中该相变图形包括碲 (Te)和硒(Se)的至少一种，以及选自由Ge、 Sb、 Bi、 Pb、 Sn、 Ag、As、 S、 Si、 P、 O和N构成的组的至少一种元素。
全文摘要
一种形成相变材料层的方法，包括制备具有绝缘体和导体的衬底，将该衬底装载到处理室中，注入淀积气体到该处理室中，以在该导体的露出表面上有选择地形成相变材料层，以及从处理室卸载该衬底，其中该处理室中的淀积气体的寿命短于淀积气体通过热能起反应的时间。
文档编号H01L21/00GK101106173SQ20071010102
公开日2008年1月16日 申请日期2007年4月23日 优先权日2006年4月21日
发明者朴惠英, 朴瑛琳, 李忠满, 李琎一, 林尚郁, 赵性来 申请人:三星电子株式会社