專利名稱：相變存儲器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相變存儲器件和制造相變存儲器件的方法。
背景技術(shù)：
相變存儲器件在它們的存儲單元中采用相變層(硫族化物半導(dǎo)體薄膜等等)，相變層的電阻依據(jù)其狀態(tài)而變化。硫族化物半導(dǎo)體是包括硫族元素的非晶半導(dǎo)體。
圖1示出了部分元素周期表的附圖，是硫族元素的示例。如圖1所示，在元素周期表中的6族中硫族元素包括S(硫)、Se(硒)以及Te(碲)。硫族化物半導(dǎo)體一般用于兩個(gè)領(lǐng)域，光盤和電存儲器。電存儲器領(lǐng)域中使用的硫族化物半導(dǎo)體包括GeSbTe(以下稱為，“GST”)、AsSbTe、SeSbTe等，其中GeSbTe是Ge(鍺)、Te(碲)以及Sb(銻)的化合物。
附圖的圖2A和2B是說明相變存儲器的原理的示圖。
如圖2A所示，硫族化物半導(dǎo)體可以獲得兩種穩(wěn)定的狀態(tài)，即，非晶態(tài)10和晶態(tài)30。對于從非晶態(tài)10至晶態(tài)30的轉(zhuǎn)換，硫族化物半導(dǎo)體需要提供超過能量勢壘20的熱量。
如圖2B所示，顯示出較高電阻的非晶態(tài)對應(yīng)于數(shù)字值“1”，以及顯示出較低電阻的晶態(tài)對應(yīng)于數(shù)字值“0”。這允許硫族化物半導(dǎo)體存儲數(shù)字信息。流過硫族化物半導(dǎo)體的電流量或硫族化物半導(dǎo)體兩端的電壓降被檢測，以決定硫族化物半導(dǎo)體中存儲的信息是否是“1”或“0”。
被提供從而導(dǎo)致硫族化物半導(dǎo)體中的相位變化的熱量是焦耳熱。具體地，具有不同峰值和不同脈沖持續(xù)時(shí)間的脈沖被施加到硫族化物半導(dǎo)體，以在電極和硫族化物半導(dǎo)體的接觸表面附近產(chǎn)生焦耳熱，以及該焦耳熱引起相位變化。
具體地，在硫族化物半導(dǎo)體被提供有其熔點(diǎn)附近的溫度的熱量之后，當(dāng)該硫族化物半導(dǎo)體被迅速地冷卻時(shí)，它轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。在硫族化物半導(dǎo)體被長時(shí)間提供有低于熔點(diǎn)的晶化溫度的熱量之后，當(dāng)該硫族化物半導(dǎo)體被冷卻時(shí)，它變?yōu)榫B(tài)。例如，在GST被短期提供有接近熔點(diǎn)(約610℃)的溫度的熱量(1至10ns)之后，當(dāng)GST被迅速地冷卻約1ns時(shí)，它變?yōu)榉蔷B(tài)。在GST被長時(shí)間(30至50ns)提供晶化溫度(約450℃)的熱量之后，當(dāng)GST被冷卻時(shí)，它變?yōu)榫B(tài)。
如圖2B所示，從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)被稱為“置位”(晶化工序)以及用來置位硫族化物半導(dǎo)體的脈沖被稱為“置位脈沖”。假定晶化硫族化物半導(dǎo)體需要的最低溫度(晶化溫度)由Tc表示，以及晶化硫族化物半導(dǎo)體需要的最小時(shí)間(晶化時(shí)間)由tr表示。相反，從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)稱為“復(fù)位”(非晶化工序)，以及用于復(fù)位該硫族化物半導(dǎo)體的脈沖被稱為“復(fù)位脈沖”。施加到硫族化物半導(dǎo)體用于復(fù)位該硫族化物半導(dǎo)體的熱量是接近熔點(diǎn)Tm附近的溫度下的熱量。在硫族化物半導(dǎo)體被熔融之后，它被迅速地淬火。
附圖的圖3A至3D是說明相變存儲器件的基本結(jié)構(gòu)和其中置位和復(fù)位相變存儲器件的方法。
如圖3A所示，相變存儲器件具有一基本結(jié)構(gòu)，具有夾在上下電極48，42之間的硫族化物半導(dǎo)體層(相變層)46。下電極42被安裝在襯底40上并通過電絕緣膜44與上電極48隔離。上電極48被連接到端子P，端子P將被施加一組脈沖。下電極42被連接到地線(參考電極)。
如圖3B所示，圖3A所示的相變存儲器件相當(dāng)于電阻器R1。電阻器R1的電阻依據(jù)硫族化物半導(dǎo)體層46是否處于非晶態(tài)或晶態(tài)而改變。置位脈沖S1，即，具有超過閾值Vth的峰值的脈沖，復(fù)位脈沖S2，即，具有大于置位脈沖S1的峰值和短于置位脈沖S1的較短脈沖持續(xù)時(shí)間的脈沖，以及讀脈沖S3，即，具有小于閾值Vth的峰值和長于置位脈沖S1的較長脈沖持續(xù)時(shí)間的脈沖，被有選擇地施加到端子P。閾值Vth表示能夠產(chǎn)生晶化需要的焦耳熱的下限電壓。
圖3C示出了置位脈沖S1和由置位脈沖S1被施加到端子P時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱所引起的溫度上升之間的關(guān)系。在圖3C中，上曲線表示置位脈沖S1的電壓波形，以及下曲線51表示其中由于焦耳熱溫度增加的方式。
置位脈沖S1的電壓值超過閾值Vth，置位脈沖S1的脈沖持續(xù)時(shí)間由tcry表示。脈沖持續(xù)時(shí)間tcry等于或長于晶化時(shí)間tr，即，晶化硫族化物半導(dǎo)體需要的最小時(shí)間。由于焦耳熱而上升的溫度顯著地低于熔點(diǎn)Tm和高于晶化需要的最低溫度Tc(晶化溫度)。
類似地，圖3D示出了復(fù)位脈沖S2和由復(fù)位脈沖S2被施加到端子P時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱所引起的溫度上升之間的關(guān)系。在圖3D中，上曲線表示復(fù)位脈沖S2的電壓波形，以及下曲線53表示其中由于焦耳熱溫度增加的方式。
如圖3D所示，復(fù)位脈沖S2具有大大高于閾值Vth的峰值和足夠小的脈沖持續(xù)時(shí)間。由于焦耳熱而上升的溫度超過硫族化物半導(dǎo)體的熔點(diǎn)Tm。在足夠地短的時(shí)間Tamo內(nèi)，溫度從峰值下降到晶化溫度Tc。因此，在硫族化物半導(dǎo)體被熔融之后，它被淬火，以便它返回到非晶態(tài)。
圖3A至3B所示的相變存儲器件具有用于從端子P提供置位脈沖S1和復(fù)位脈沖S2的電路布置。但是，該相變存儲器件可以具有如附圖的圖4所示的電路布置。
圖4是相變存儲器件的電路布置的電路圖。
在圖4中，電阻器R1等效于相變存儲器件，以及具有連接到端子P的一端，端子P連接到電源電位VDD。電阻器R1具有連接到尺寸-調(diào)整的MOS晶體管M1，M2，M3的另一端，MOS晶體管M1，M2，M3分別具有連接到置位脈沖端子P1、復(fù)位脈沖端子P2以及讀脈沖端子P3的各個(gè)柵極。
置位、復(fù)位以及讀脈沖信號分別被有選擇地施加到置位脈沖端子P1、復(fù)位脈沖端子P2以及讀脈沖端子P3，以選擇哪一個(gè)MOS晶體管M1，M2，M3將被導(dǎo)通，以及控制所選MOS晶體管M1，M2，M3的導(dǎo)通時(shí)間。以此方式，該相變存儲器件以置位、復(fù)位和讀方式工作。
附圖的圖5示出了其中相變存儲器件(相變存儲器IC)以讀方式工作的方式的電路圖。圖5所示的與圖3A至3D和4所示相同的那些部件由相同的參考符號表示。
在圖5中，字線由W表示，接地線由G表示，位線(連接到用于輸入置位脈沖S1、復(fù)位脈沖S2以及讀脈沖S3的端子P的脈沖輸入線)由B表示，電阻器由R1表示，相當(dāng)于用作存儲單元的相變存儲器件(包括硫族化物半導(dǎo)體層60)。
用于選擇存儲單元的NMOS晶體管(開關(guān)器件)由M4表示，電流-至-電壓轉(zhuǎn)換電阻器由R2表示，讀出放大器由A1表示，用于讀出放大器A1的基準(zhǔn)電壓源由62表示，在讀方式中流過存儲單元的電流由11表示，讀出放大器A1(讀出電路)的輸出電壓由Vout表示。
在置位模式中(在復(fù)位模式和讀取模式中也一樣)，字線W被激活，以導(dǎo)通NMOS晶體管M4。此后，從端子P提供脈沖S1、S2、S3之一。在讀取模式中，從端子P提供讀脈沖S3。
電阻器R1的電阻改變，因此流過的電流量11取決于存儲單元的硫族化物半導(dǎo)體層60是否處于非晶態(tài)或晶態(tài)而改變。通過將電流量11轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉妥x取該電壓，可以決定存儲單元中存儲的信息是“1”或“0”。
附圖的圖6是不完全的剖面圖，示出了由相變存儲器件(相變存儲器IC)提供的存儲單元的特定結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
在圖6中，p-型半導(dǎo)體襯底70具有在其中布置的n-型源極層71和n-型漏極層72，以及在柵絕緣膜73上布置的柵電極74，柵電極74連接到字線W，柵絕緣膜73布置在p-型半導(dǎo)體襯底70上。
在柵絕緣膜73上布置層間絕緣膜75，79。連接到n-型源極層71的電極包括貫穿層間絕緣膜75和柵絕緣膜73的接觸栓塞76和連接到接觸栓塞76的電極78，以及包括布置在層間絕緣膜79中的第一導(dǎo)電層。該電極被連接到接地線G。
由鎢(W)構(gòu)成的接觸栓塞77，貫穿層間絕緣膜75，并被連接到n-型漏極層72。用作加熱器電極的接觸栓塞80貫穿層間絕緣膜79并被連接到接觸栓塞77。
在層間絕緣膜79上布置包括硫族化物半導(dǎo)體的相變層82，具有在其間以薄金屬膜形式插入的粘結(jié)層81。粘結(jié)層81被插入，以保持相變層82和層間絕緣膜79緊密地在一起，因?yàn)橄嘧儗?2和層間絕緣膜79將不互相緊密地粘結(jié)。
在相變層82上布置包括第二導(dǎo)電層的上電極83，并在其上表面上延伸。在上電極83上布置層間絕緣膜84。連接到上電極83的接觸栓塞85貫穿層間絕緣膜84。在層間絕緣膜84上布置包括第三導(dǎo)電層的電極86，并連接到接觸栓塞85。電極86用作脈沖提供端子P。接觸栓塞85和電極86共同地構(gòu)成接觸電極。
相變層82包括被粗虛線X圍繞的區(qū)域，該區(qū)域發(fā)生相位變化。在層間絕緣膜79中嵌入由氮化鈦(TiN)構(gòu)成的電極80。電極80限制電流流過相變層82，以增加電流密度，用于在相變區(qū)X中有效地產(chǎn)生焦耳熱。因此，電極80被稱作加熱器電極(加熱電極)，以及下面將稱為加熱器電極80。
當(dāng)加熱器電極80和相變層82之間的接觸面積減小時(shí)，流過相變層82的電流的電流密度增加，并產(chǎn)生焦耳熱。因此，加熱器電極80和相變層82之間的接觸面積被設(shè)為足夠小的面積，例如，由光刻設(shè)計(jì)的最小尺寸決定的面積。
例如，在日本特許-公開專利公報(bào)號2003-332529中公開了一種相變存儲器件，具有夾在上下電極之間的相變層。該公報(bào)還公開了下電極(加熱器電極)具有一尖端，以使該電極和相變層之間的接觸面積最小化，以便防止相變存儲器件的相變工序中熱效率被降低。
本發(fā)明的發(fā)明人研究了圖6所示的相變存儲器件并發(fā)現(xiàn)它存在如下所述的各種缺點(diǎn)。
圖6所示的相變存儲器件具有用于通過加熱器電極80將相變層82的相變區(qū)X中產(chǎn)生的熱量向下傳遞到接觸栓塞77以及用于輻射來自接觸栓塞77的熱量的散熱路徑。因?yàn)樵撓嘧兇鎯ζ骷慕Y(jié)構(gòu)，必然發(fā)生該散熱路徑。
應(yīng)當(dāng)注意，接觸栓塞77和加熱器電極80由不同的材料制成，以及由于不同的材料，接觸栓塞77的散熱能力是高的。
具體地，接觸栓塞77由低電阻的材料制成，例如，由鎢制成，用于減小接觸栓塞77的電阻，以及加熱器電極80由高電阻的材料制成，例如，由氮化鈦制成，用于有效地產(chǎn)生焦耳熱。由于具有較高導(dǎo)電率(比電阻的倒數(shù))的金屬材料具有較高的導(dǎo)熱率，具有較低的電阻，即，較高的導(dǎo)電率的接觸栓塞77，具有比加熱器電極80更高的導(dǎo)熱率，加熱器電極80具有較高的電阻，即，較低的導(dǎo)電率。因此，用作熱沉(散熱片)的接觸栓塞77具有良好的散熱能力。
由于硫族化物半導(dǎo)體的相變由流過電流時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱所引起，通過加熱器電極和接觸栓塞以及位于加熱器電極底下的互連輻射焦耳熱不是優(yōu)選的，因?yàn)樵摕彷椛鋵?dǎo)致熱效率減小。
當(dāng)單相變存儲器件或低集成度的相變存儲器IC被制造作為原型時(shí)，這種熱效率的減小不造成重要的難題。但是，當(dāng)根據(jù)微制造工藝實(shí)際上批量制造高度集成的相變存儲器IC時(shí)，它可能是大的問題。
具體地，對于制造具有高儲存容量的相變存儲器件，必須減小存儲單元的尺寸，重要的是減小復(fù)位電流，即，將相變層從晶態(tài)改變到非晶態(tài)需要的電流。其中接觸電極層保持與用作具有良好散熱能力的熱沉(散熱片)的相變層的下表面接觸的結(jié)構(gòu)是造成減小熱效率和阻止復(fù)位電流量被減小的原因。
另一方面，如果接觸栓塞由高電阻的材料制成，以減小來自接觸栓塞的熱輻射，即，增加熱效率，那么接觸栓塞和半導(dǎo)體襯底之間的接觸電阻增加，以及流過的電流減小。在此情況下，用于選擇存儲單元的晶體管的尺寸(寬度/長度)需要被增加，對于減小元件尺寸造成障礙，即，對于增加相變存儲器件的儲存容量造成障礙。
因此設(shè)計(jì)一種抑制加熱器電極下面的熱輻射和減小加熱器電極和半導(dǎo)體襯底之間的接觸電阻的相變存儲器件是困難的。
一種解決辦法是使保持與NMOS晶體管的漏極層接觸的鎢接觸栓塞77通過由與加熱器電極80相同的材料(TiN)構(gòu)成的新接觸栓塞與加熱器電極80接觸，而不是與加熱器電極80直接接觸。
具體地，對于將半導(dǎo)體襯底和加熱器電極互相電連接，提供一種由鎢構(gòu)成的低電阻接觸栓塞，在其本身和半導(dǎo)體襯底之間具有減小的接觸電阻，在該具有低電阻的接觸栓塞上布置由與加熱器電極相同材料構(gòu)成的另一接觸栓塞，例如，氮化鈦。在該具有高電阻的接觸栓塞上布置由氮化鈦構(gòu)成的加熱器電極。
但是，由于在半導(dǎo)體襯底和加熱器電極之間存在在各個(gè)不同的層中布置的兩個(gè)接觸栓塞，相變存儲器件的層數(shù)目增加，制造相變存儲器件需要的工時(shí)數(shù)目也增加。此外，兩個(gè)接觸栓塞可能互相錯(cuò)位。由此，在該設(shè)計(jì)的批量制造的大規(guī)模相變存儲器件中產(chǎn)生困難。
日本特許-公開專利公報(bào)號2003-332529中公開的發(fā)明解決了相變層和加熱器電極之間的接觸界面中的熱輻射，不涉及或暗示如本發(fā)明解決的通過加熱器電極從下電極傳遞的散熱。上述公報(bào)的公開不存在上面涉及的散熱的任意解決辦法。根據(jù)上述公報(bào)的公開，加熱器電極的端部需要以銳角削尖。但是，制造具有尖端的加熱器電極的需要，易于使制造相變存儲器件的方法變復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是可以批量制造具有良好電性能和良好熱性能的大規(guī)模相變存儲器件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種相變存儲器件包括，相變層，具有與相變層保持接觸的一端的加熱器電極，不同種材料的接觸栓塞，具有由第一導(dǎo)電材料制成并與該加熱器電極的另一端保持接觸的第一導(dǎo)電材料栓塞，以及由具有小于第一導(dǎo)電材料的比電阻的第二導(dǎo)電材料構(gòu)成的第二導(dǎo)電材料栓塞，第一導(dǎo)電材料栓塞和第二導(dǎo)電材料栓塞至少通過其相應(yīng)側(cè)表面保持互相接觸，加熱器電極和第二導(dǎo)電材料栓塞互相不是重疊關(guān)系，以及電連接到第二導(dǎo)電材料栓塞的導(dǎo)電層。
不同種材料的接觸栓塞用來減小熱輻射和實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電性。接觸栓塞是用來將電路元件電連接到另一電路元件的電極，以及一般被嵌入電絕緣膜中。不同種材料的接觸栓塞指由至少兩個(gè)導(dǎo)電材料層(導(dǎo)電栓塞)構(gòu)成的復(fù)合接觸栓塞，至少兩個(gè)導(dǎo)電材料層通過其表面保持互相接觸。一種常規(guī)接觸栓塞具有通過淀積薄的金屬阻擋層，例如輔助的鈦層，以提供與下硅襯底的良好電連接，此后在絕緣膜中嵌入具有小比電阻的金屬，例如，鎢，而形成的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的常規(guī)接觸栓塞不對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的“不同種材料的接觸栓塞”。原因是積極地用作用于互連電子電路元件的常規(guī)接觸栓塞的部分，即，提供電流通路的部分，僅僅由具有小比電阻的金屬構(gòu)成，例如，由鎢構(gòu)成，置位該金屬阻擋層，僅僅用于更好的制造半導(dǎo)體器件。根據(jù)本發(fā)明的“不同種材料的接觸栓塞”包括積極地用作用于互連電子電路元件的電極的至少兩個(gè)部分，即用作接觸栓塞的部分，該兩個(gè)接觸栓塞由不同的導(dǎo)電材料制成，以及被集成地結(jié)合為復(fù)合接觸栓塞。根據(jù)本發(fā)明的“不同種材料的接觸栓塞”的導(dǎo)電材料也可以用作上面所指的金屬阻擋層。根據(jù)本發(fā)明的“不同種材料的接觸栓塞”用來電互連加熱器電極和導(dǎo)電層，即，擴(kuò)散層、金屬電極、互連或硅襯底其它接觸栓塞。根據(jù)本發(fā)明的部分“不同種材料的接觸栓塞”以第一導(dǎo)電材料栓塞的形式接觸加熱器電極，第一導(dǎo)電材料栓塞由具有比第二導(dǎo)電材料更大的比電阻(較小導(dǎo)電率和較小導(dǎo)熱率)的第一導(dǎo)電材料制成，由此減小來自第一導(dǎo)電材料栓塞的熱輻射。因此，當(dāng)在相變存儲器件中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，即，當(dāng)相變存儲器件被復(fù)位時(shí)，提高熱效率。第二導(dǎo)電材料栓塞的第二導(dǎo)電材料比第一導(dǎo)電材料更小的比電阻(更大的導(dǎo)電率和更大的導(dǎo)熱率)。在足夠地減小不同種材料的接觸栓塞的總體電阻中，第二導(dǎo)電材料栓塞是有效的。第一和第二導(dǎo)電材料栓塞至少通過其側(cè)表面保持互相接觸，以及加熱器電極和第二導(dǎo)電材料栓塞互相不重疊。由于第二導(dǎo)電材料栓塞由具有高導(dǎo)電率的材料制成，電子電路的電阻是足夠低的。因?yàn)榧訜崞麟姌O不重疊第二導(dǎo)電材料栓塞，通過加熱器電極傳遞的熱量被傳遞到第一導(dǎo)電材料栓塞，而不是被直接傳遞到其下的第二導(dǎo)電材料栓塞。與加熱器電極保持接觸的部分由具有低導(dǎo)熱率的材料制成，用于減小散熱。因此，其他電極和互連可以由低比電阻的金屬材料制成，如由基于硅的LSI電路中使用的鎢(W)或鋁(Al)或銅(Cu)制成。由此，可更大地選擇可以被使用的材料，使之可以制造大規(guī)模相變存儲器件。該比電阻(ρ)也被稱作電阻率或體電阻率，以及其倒數(shù)(1/ρ)被稱為導(dǎo)電率，也被稱為比導(dǎo)電率。根據(jù)本發(fā)明，將使用術(shù)語“比電阻”和“導(dǎo)電率”。
在根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件中，不同種材料的接觸栓塞具有一平面形狀，包括由第二導(dǎo)電材料栓塞構(gòu)成的較寬主體和從該主體凸出并比該主體更窄的突出，該突出由第一導(dǎo)電材料制成，該加熱器電極被連接到該突出。
上述措詞指不同種材料的接觸栓塞的平面形狀的特定細(xì)節(jié)，即，層間絕緣膜中限定的接觸孔的平面形狀。具體地，該接觸孔具有包括較寬主體和較窄突出的平面形狀。該較窄的突出用第一導(dǎo)電材料完全填充，以及該較寬的主體用第二導(dǎo)電材料填充。填充較窄突出的第一導(dǎo)電材料層用作第一接觸栓塞。根據(jù)接觸孔填充技術(shù)，如CVD等等，通過調(diào)整平面圖形的寬度和第一和第二導(dǎo)電材料的薄膜的薄膜厚度，可以容易地形成不同種材料的接觸栓塞。在批量制造相變存儲器件中這些是有效的。
在該相變存儲器件中，不同種材料的接觸栓塞的平面形狀是P-形、L-形或T-形。
通過改變用來形成接觸孔的掩模的形狀，可以容易地實(shí)現(xiàn)不同種材料的接觸栓塞或用不同材料填充的層間絕緣膜中限定的接觸孔的P-形、L-形或T-形平面形狀。在批量制造相變存儲器件中這些也是有效的。
在該相變存儲器件中，第二導(dǎo)電材料栓塞的體積大于第一導(dǎo)電材料栓塞。
第一導(dǎo)電材料栓塞主要被置位用于減小從加熱器電極傳遞的熱輻射。第一導(dǎo)電材料栓塞的電阻易于略微地增加。但是，如果具有良好導(dǎo)電性的第二導(dǎo)電材料栓塞的體積大于第一導(dǎo)電材料栓塞的體積，那么不同種材料的接觸栓塞的電阻取決于第二導(dǎo)電材料栓塞。因此，不同種材料的接觸栓塞的總體電阻可以足夠地低，使得沒有電路工作問題。
在該相變存儲器件中，第一導(dǎo)電材料栓塞的第一導(dǎo)電材料包括主要是加熱器元件的主要成分的金屬材料，以及第二導(dǎo)電材料栓塞包括是地電位電極或相變存儲器件的互連的主要成分的金屬材料。
上述段落表明第一導(dǎo)電材料栓塞包括是加熱器元件的主要成分的金屬材料，即，第一導(dǎo)電材料栓塞由與加熱器電極相同的金屬材料制成，以及第二導(dǎo)電材料栓塞包括是接地電極和接地互連的主要成分的金屬材料，接地電極和接地互連要求具有低電阻。由于特定的金屬材料不需要用于散熱，在制造相變存儲器件中沒有問題發(fā)生。
在該相變存儲器件中，第一導(dǎo)電材料栓塞的第一導(dǎo)電材料包括與加熱器元件的金屬材料相同的金屬材料，以及第二導(dǎo)電材料栓塞包括是地電位電極或相變存儲器件的互連的主要成分的金屬材料。
上述段落表明第一導(dǎo)電材料栓塞由與加熱器元件相同的金屬材料制成，即，第一導(dǎo)電材料栓塞由與加熱器電極相同的金屬材料制成，以及第二導(dǎo)電材料栓塞由與接地電極和接地互連相同的材料制成，該接地電極和接地互連要求具有低電阻，即，第二導(dǎo)電材料栓塞由與接地電極和接地互連相同的材料制成。由于特定的金屬材料不需要用于散熱，在制造相變存儲器件中沒有問題發(fā)生。
在該相變存儲器件中，第一導(dǎo)電材料栓塞的第一導(dǎo)電材料包括金屬或該金屬的氮化物或金屬的硅化物，該金屬是鈦(Ti)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鋯(Zr)或鎢(W)。
上述材料是可以被用作第一導(dǎo)電材料栓塞的主要成分的金屬材料。這些金屬材料可以被用作加熱器電極的材料。該金屬材料的任何一種具有低于基于硅的LSI電路中使用的鋁(Al)或銅(Cu)的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率。但是，這些金屬材料包括可以被用作第二導(dǎo)電材料栓塞的材料。
在該相變存儲器件中，第一導(dǎo)電材料栓塞的第一導(dǎo)電材料包括氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鉬(MoN)、氮化鈮、氮化鈦硅、氮化鈦鋁、氮化鈦硼、氮化鋯硅、氮化鎢硅、氮化鎢硼、氮化鋯鋁、氮化鉬硅、氮化鉬鋁、氮化鉭硅、氮化鉭鋁、氮氧化鈦、氮氧化鈦鋁、氮氧化鎢、氮氧化鉭、硅化鉭(TaSi)、硅化鎢(WSi)或硅化鉬(MoSi)。
上述金屬材料是可以被用作第二導(dǎo)電材料栓塞的材料的金屬材料。這些金屬材料主要可以被用作加熱器電極的材料。但是，這些金屬材料包括可以被用作第二導(dǎo)電材料栓塞的材料。
在該相變存儲器件中，第二導(dǎo)電材料栓塞的第二導(dǎo)電材料包括金屬或該金屬的硅化物，該金屬是鎢(W)、鋁(Al)、鉬(Mo)或(Cu)。
上述金屬材料是可以被用作第二導(dǎo)電材料栓塞的材料的金屬材料。這些金屬材料可以主要被用作接地電極和接地互連的材料。但是，這些金屬材料包括可以被用作第一導(dǎo)電材料栓塞的材料。
在該相變存儲器件中，第一導(dǎo)電材料栓塞的第一導(dǎo)電材料的比電阻至少是第二導(dǎo)電材料栓塞的第二導(dǎo)電材料的比電阻10倍。
上述段落表明第一和第二導(dǎo)電材料栓塞的材料的比電阻之間的差異，即，第一和第二導(dǎo)電材料的比電阻之間的差異。第一和第二導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱率應(yīng)該優(yōu)選，但是不必，互相差別約10倍。
在該相變存儲器件中，第一導(dǎo)電材料栓塞包括通過在層間絕緣膜中限定的接觸孔的內(nèi)部和下表面上布置的鈦(Ti)薄膜上淀積氮化鈦(TiN)形成的栓塞，以及第二導(dǎo)電材料栓塞包括通過在氮化鈦(TiN)被淀積之后剩下的空腔中淀積鎢(W)形成的栓塞。
窄溝槽可以用具有一定厚度的薄膜完全地填充，以及寬溝槽不能用這種薄膜完全填充?；谶@種現(xiàn)象，窄溝槽用作為第一導(dǎo)電材料的氮化鈦(TiN)完全地填充，由此形成第一導(dǎo)電材料栓塞，即，部分第一導(dǎo)電材料栓塞接觸該加熱器電極，以及具有在其中剩下的空腔的寬溝槽，用作為第二導(dǎo)電材料的鎢(W)填充，由此形成第二導(dǎo)電材料栓塞。根據(jù)接觸孔填充技術(shù)，如CVD等等，通過調(diào)整平面圖形的寬度和接觸孔的溝槽以及通過調(diào)整第一和第二導(dǎo)電材料的薄膜的薄膜厚度，可以容易地形成不同種材料的接觸栓塞。在批量制造相變存儲器件中這些是有效的。
該相變存儲器件還包括用于選擇存儲單元的開關(guān)元件，以及用于將地電位交接到開關(guān)元件的一個(gè)電極(pole)的地電位連接栓塞，開關(guān)元件的一個(gè)電極通過地電位連接栓塞，被連接到地電位，以及開關(guān)元件的另一電極被電連接到不同種材料的接觸栓塞的第二導(dǎo)電材料栓塞。
用于選擇一個(gè)存儲單元的開關(guān)元件的一個(gè)電極，例如，絕緣柵場效應(yīng)晶體管、雙極性晶體管、P-N結(jié)二極管、肖特基勢壘二極管等等的一個(gè)電極通過地電位栓塞連接到地電位，其另一電極通過不同材料的接觸孔電連接到加熱器電極?！暗仉娢弧北淮笾碌亟忉尀楸硎続C地線電位，即，DC，基準(zhǔn)電位。
在該相變存儲器件中，地電位連接栓塞包括作為不同種材料的接觸栓塞的第一導(dǎo)電材料栓塞和第二導(dǎo)電材料栓塞。
地電位栓塞和不同種材料的接觸栓塞的結(jié)構(gòu)互相相同，以便它們可以在公共制造步驟中制造。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種相變存儲器件，包括用于選擇存儲單元的開關(guān)元件，在半導(dǎo)體襯底中或半導(dǎo)體襯底上布置的開關(guān)元件，不同種材料的接觸栓塞，具有第一導(dǎo)電材料栓塞和第二導(dǎo)電材料的第二導(dǎo)電材料栓塞，第二導(dǎo)電材料栓塞的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率大于第一導(dǎo)電材料栓塞，第一導(dǎo)電材料栓塞和第二導(dǎo)電材料栓塞至少通過其相應(yīng)側(cè)表面保持互相接觸，連接到第一導(dǎo)電材料栓塞的加熱器電極，該加熱器電極和第二導(dǎo)電材料栓塞互相沒有重疊關(guān)系，連接到加熱器電極的相變層，以及連接到相變層的電極層。
根據(jù)半導(dǎo)體制造工序，通過連續(xù)地形成開關(guān)元件、不同種材料的接觸栓塞、加熱器電極、相變層、以及電極端子，制造具有如上所述的基礎(chǔ)總體結(jié)構(gòu)的相變存儲器件(相變存儲器IC)。
在該相變存儲器件中，該相變層包括硫族化物半導(dǎo)體層。具體地，包括硫族化物的薄半導(dǎo)體薄膜被用作相變層。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，還提供一種制造如上所述的相變存儲器件的不同種材料的接觸栓塞的方法，包括以下步驟，有選擇地構(gòu)圖布置在半導(dǎo)體襯底上的部分層間絕緣膜，以形成具有一平面形狀的接觸孔，該平面形狀包括較寬的主體和從該主體凸出并比主體更窄的突出。用第一導(dǎo)電材料填充接觸孔，以在僅僅該突出被完全地填充的條件下形成第一導(dǎo)電材料栓塞，以及用第二導(dǎo)電材料完全地填充該接觸孔的主體，以形成第二導(dǎo)電材料栓塞。
窄溝槽可以用具有一定厚度的薄膜完全地填充，以及寬溝槽不能用這種薄膜完全填充?；谶@種現(xiàn)象，接觸孔具有一平面形狀，具有主體和突出，以及窄溝槽用第一導(dǎo)電材料完全填充，由此形成第一導(dǎo)電材料栓塞，以及具有在其中剩下的空腔的寬溝槽用第二導(dǎo)電材料填充，由此形成第二導(dǎo)電栓塞。根據(jù)接觸孔填充技術(shù)，如CVD等等，通過調(diào)整溝槽(接觸孔)和溝槽的平面圖形的寬度，以及通過調(diào)整第一和第二導(dǎo)電材料的薄膜的薄膜厚度，可以容易地形成不同種材料的接觸栓塞。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供一種制造相變存儲器件的方法，該方法包括以下步驟，在半導(dǎo)體襯底中或在半導(dǎo)體襯底上形成用于選擇存儲單元的開關(guān)元件，形成不同種材料的接觸栓塞，第二導(dǎo)電材料栓塞與開關(guān)元件的一個(gè)電極電保持接觸，形成加熱器電極，以便加熱器電極具有與第一導(dǎo)電材料栓塞的上表面保持接觸的下表面，形成相變層，以便相變層具有與加熱器電極的上表面保持接觸的下表面，以及形成連接到相變層的至少部分上表面的電極層。
根據(jù)半導(dǎo)體制造工序，通過連續(xù)地形成開關(guān)元件、不同種材料的接觸栓塞、加熱器電極、相變層、以及電極端子，制造該相變存儲器件(相變存儲器IC)。通過產(chǎn)生上面涉及的不同種材料的接觸栓塞的方法制造不同種材料的接觸栓塞。根據(jù)上述制造方法，可以制造大規(guī)模變存儲器件，同時(shí)滿足使用一般制造技術(shù)減小散熱和減小電阻的矛盾需要，即，沒有特定的制造工序。
在制造相變存儲器件的以上方法中，形成不同種材料的接觸栓塞的以上步驟包括當(dāng)形成不同種材料的接觸栓塞時(shí)，形成地電位栓塞的步驟用于保持開關(guān)元件的另一電極在地電位。
通過公共制造工序，可以同時(shí)制造不同種材料的接觸栓塞和地電位栓塞。因此，可以減小制造步驟的數(shù)目。
在該制造相變存儲器件的以上方法中，該開關(guān)元件包括絕緣-柵場效應(yīng)晶體管，以及當(dāng)形成絕緣柵場效應(yīng)晶體管的柵電極時(shí)，在柵電極的導(dǎo)電材料層的上和側(cè)表面上形成電絕緣層。
利用根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件，由于靠近用于選擇存儲單元的絕緣柵場效應(yīng)晶體管(MOS晶體管)布置不同種材料的接觸栓塞，如果相變存儲器件被高度地集成，那么在不同種材料的接觸栓塞和MOS晶體管的柵電極之間可能發(fā)生短路。為了避免這種短路，用絕緣膜覆蓋柵電極的導(dǎo)電材料層(摻雜的多晶硅層等等)的上和側(cè)表面。根據(jù)CVD，柵電極的導(dǎo)電材料層的側(cè)表面可以用側(cè)壁以絕緣膜的形式覆蓋。當(dāng)形成柵電極時(shí)，可以在導(dǎo)電材料層的上表面上淀積氮化物膜，然后被構(gòu)圖，由此覆蓋導(dǎo)電材料層的上表面。


圖1是示出了部分元素周期表的示圖，說明硫族元素；圖2A和2B是說明相變存儲器原理的示圖；圖3A至3D是說明相變存儲器件的基本結(jié)構(gòu)和其中置位和復(fù)位相變存儲器件的方法的示圖。
圖4是相變存儲器件的電路布置的電路圖；圖5示出了其中相變存儲器件(相變存儲器IC)以讀方式工作的方式的電路圖；
圖6示出了相變存儲器IC的存儲單元的特定結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的不完全剖面圖和其說明的問題；圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件的基本結(jié)構(gòu)的視圖；圖7B示出了作為比較例子的常規(guī)結(jié)構(gòu)的視圖，其加熱器電極和接觸栓塞互相連接；圖8是示出了不同種材料的接觸栓塞和地電位栓塞的平面形狀以及具有那些栓塞的相變存儲器件的基本截面結(jié)構(gòu)的視圖；圖9A至9D是在每個(gè)主工序步驟下器件的剖面圖，說明制造圖8所示的相變存儲器件的基本結(jié)構(gòu)的方法；圖10A至10D示出了不同種材料的接觸栓塞的平面形狀的視圖；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件(相變存儲器IC)的總體電路布置的電路圖；圖12通過例子示出了圖11所示的相變存儲器件(相變存儲器IC)的存儲單元區(qū)中的元件和互連布局的平面圖；圖13是器件沿圖12的線A-A的剖面圖；圖14通過例子示出了圖11所示的相變存儲器件(相變存儲器IC)的存儲單元區(qū)中的元件和互連的另一布局的平面圖；圖15是步驟1中的剖面圖，說明沿圖14的線A-A的器件的截面結(jié)構(gòu)的制造方法；圖16是步驟2中的剖面圖，說明沿圖14的線A-A的截面結(jié)構(gòu)的制造方法；圖17是步驟3中的剖面圖，說明沿圖14的線A-A的截面結(jié)構(gòu)的制造方法；圖18是步驟4中的剖面圖，說明沿圖14的線A-A的截面結(jié)構(gòu)的制造方法；圖19是步驟5中的剖面圖，說明沿圖14的線A-A的截面結(jié)構(gòu)的制造方法；圖20是步驟6中的剖面圖，說明沿圖14的線A-A的截面結(jié)構(gòu)的制造方法；圖21是沿圖14的線B-B的器件剖面圖；
圖22通過舉例示出了圖11所示的相變存儲器件(相變存儲器IC)的存儲單元區(qū)中的元件和互連的再一布局的平面圖；以及圖23示出了根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件的另一截面結(jié)構(gòu)的剖面圖，其中接觸電極與NMOS晶體管的源極-漏極層保持接觸，以及不同種材料的接觸栓塞與該接觸電極保持接觸。
具體實(shí)施例方式
(第一實(shí)施例)在隨后的描述中，術(shù)語“接觸栓塞”指用來使一電子電路元件和另一電子電路元件互相電連接的電極，以及一般通過嵌入電絕緣膜中而形成。
術(shù)語“不同種材料的接觸栓塞”指由至少兩個(gè)導(dǎo)電材料層(導(dǎo)電栓塞)制成的復(fù)合接觸栓塞，至少兩個(gè)導(dǎo)電材料層通過其表面保持互相接觸。
一種常規(guī)接觸檢塞具有通過淀積薄的金屬阻擋層，例如輔助的鈦層，以提供與下硅襯底的良好電連接，此后在絕緣膜中嵌入具有小比比電阻的金屬，例如，鎢，而形成的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的常規(guī)接觸栓塞不對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的“不同種材料的接觸栓塞”。原因是積極地用作用于互連電子電路元件的電極的常規(guī)接觸栓塞的一部分，即，提供電流通路的部分，僅僅由具有小比電阻的金屬構(gòu)成，例如，由鎢構(gòu)成，僅僅用于更好的制造半導(dǎo)體器件設(shè)置金屬阻擋層。
根據(jù)本發(fā)明的“不同種材料的接觸栓塞”至少包括積極地用作用于互連電子電路元件的電極的兩個(gè)部分，即，用作接觸栓塞的部分，該兩個(gè)接觸栓塞由不同的導(dǎo)電材料制成，以及集成地結(jié)合為復(fù)合接觸栓塞。
根據(jù)本發(fā)明的“不同種材料的接觸栓塞”的導(dǎo)電材料也可以用作上面所指的金屬阻擋層。
根據(jù)本發(fā)明的“不同種材料的接觸栓塞”用來電互連加熱器電極和導(dǎo)電層，即，硅襯底上的擴(kuò)散層、金屬電極、互連或其它接觸栓塞。
下面將描述根據(jù)第一實(shí)施例的相變存儲器件的具體細(xì)節(jié)。
圖7A和7B示出了根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件的特性結(jié)構(gòu)。圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件的基本結(jié)構(gòu)，以及圖7B示出了作為比較例子的常規(guī)結(jié)構(gòu)的視圖，其加熱器電極和接觸栓塞互相連接。
如圖7A所示，NMOS晶體管，即，N-溝道絕緣-柵場效應(yīng)晶體管，M是用于選擇存儲單元的開關(guān)元件，以及具有連接到字線WL1的柵極。
NMOS晶體管M的源極被連接到由材料β制成的地電位金屬栓塞100并且通過地電位互連102連接到地電位(基準(zhǔn)電位)GND，地電位互連102是由材料β制成的接地互連。
NMOS晶體管M的漏極被電連接到不同種材料的接觸栓塞104的第二導(dǎo)電材料栓塞108。
不同種材料的接觸栓塞104包括由第一導(dǎo)電材料α制成的第一導(dǎo)電材料栓塞和由第二導(dǎo)電材料β制成的第二導(dǎo)電材料栓塞108。栓塞106，108保持通過其相應(yīng)側(cè)表面互相接觸，導(dǎo)致栓塞106，108之間導(dǎo)電。第一導(dǎo)電材料栓塞106具有比電阻R11，以及第二導(dǎo)電材料栓塞108具有比電阻R10。比電阻R11，R10互相相關(guān)，以致R11＞R10。
該比電阻(ρ)也被稱作電阻率或體電阻率，以及其倒數(shù)(1/p)被稱為導(dǎo)電率，也被稱為比導(dǎo)電率。根據(jù)本發(fā)明，將使用術(shù)語“比電阻”和“導(dǎo)電率”。允許電流容易流過的金屬材料也允許熱量被容易傳遞。因此，具有較大比電阻的材料具有較小的導(dǎo)電率和較小的導(dǎo)熱率。第一導(dǎo)電材料α和第二導(dǎo)電材料β互相相關(guān)，以便關(guān)于它們的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率，α＜β。
加熱器電極110是由材料α制成的下電極，具有與第一導(dǎo)電材料栓塞106的上表面保持接觸的下表面。
加熱器電極110具有與由GST制成的相變層114的底面保持接觸的上表面。接近加熱器電極110以和相變層114橫穿其互相接觸的接觸表面112的區(qū)域，用作發(fā)生相變的相變區(qū)。
在相變層114的上表面上布置用作電極層的上電極116。上電極116通過接觸栓塞118連接到電極端子119。
具有以上結(jié)構(gòu)的根據(jù)第一實(shí)施例的相變存儲器件，當(dāng)在該相變存儲器件中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，即，當(dāng)該相變存儲器件被復(fù)位時(shí)，具有提高的熱效率，以及具有低電阻的電路。這些優(yōu)點(diǎn)通過不同種材料的接觸栓塞104提供。
下面列出不同種材料的接觸栓塞104的優(yōu)選方面和它們的特點(diǎn)(1)不同種材料的接觸栓塞104由第一導(dǎo)電材料栓塞106和第二導(dǎo)電材料栓塞108構(gòu)成。第一導(dǎo)電材料栓塞106的第一導(dǎo)電材料α和第二導(dǎo)電材料栓塞108的第二導(dǎo)電材料β互相相關(guān)，以便關(guān)于比電阻，α＞β，以及關(guān)于導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率，α＜β。
例如，如果使用鈦(Ti2.34×106/Ω·m的導(dǎo)電率，以及21.9W/m·K的導(dǎo)熱率)作為第一導(dǎo)電材料α，那么使用其導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率大于鈦的鎢(W18.9×106/Ω·m的導(dǎo)電率和17.4W/m·K的導(dǎo)熱率)作為第二導(dǎo)電材料β。
下面，在(2)和(3)中，將列舉可以被用作第一和第二導(dǎo)電材料的特定材料。在(2)和(3)中列出了某些金屬材料，例如，鎢和鉬。另外陳述，鎢和鉬可以被用作第一和第二導(dǎo)電材料。本發(fā)明不在于材料本身，但是其組合。根據(jù)本發(fā)明重要的是關(guān)于比電阻，滿足關(guān)系α＞β，以及關(guān)于導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率，滿足關(guān)系α＜β。
(2)第一導(dǎo)電材料栓塞106由第一導(dǎo)電材料α制成，例如，由根據(jù)導(dǎo)熱率比導(dǎo)電率更重要以及減小導(dǎo)熱率的觀點(diǎn)選擇的氮化鈦(TiN)制成。第一導(dǎo)電材料α應(yīng)該優(yōu)選是與加熱器電極110相同的材料或類似于加熱器電極110的材料，即其主要成分與加熱器電極110相同的材料。
具體地，第一導(dǎo)電材料α可以是包含以下金屬的任意一種的材料，這些金屬包括鈦(Ti)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鋯(Zr)或鎢(W)，或該任意一種金屬的氮化物或該任意一種金屬的硅化物。更具體地說，第一導(dǎo)電材料α可以是包括氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鉬(MoN)、氮化鈮、氮化鈦硅、氮化鈦鋁、氮化鈦硼、氮化鋯硅、氮化鎢硅、氮化鎢硼、氮化鋯鋁、氮化鉬硅、氮化鉬鋁、氮化鉭硅、氮化鉭鋁、氮氧化鈦、氮氧化鈦鋁、氮氧化鎢、氮氧化鉭、硅化鉭(TaSi)、硅化鎢(WSi)或硅化鉬(MoSi)的材料。
(3)第二導(dǎo)電材料栓塞108由第二導(dǎo)電材料β制成，例如，由根據(jù)導(dǎo)電率比導(dǎo)熱率更重要以及減小電路電阻的觀點(diǎn)選擇的鎢(W)制成。
第二導(dǎo)電材料β優(yōu)選應(yīng)該是與需要低電阻的地電位栓塞100和地電位互連102相同的材料，或類似于地電位栓塞100和地電位互連102的材料，即，其主要成分由與地電位栓塞100和地電位互連102相同的材料構(gòu)成。具體地，第二導(dǎo)電材料β可以是包括鎢(W)、鋁(Al)、鉬(Mo)或銅(Cu)的該任意一種金屬或該任意一種金屬的硅化物。
(4)第一和第二導(dǎo)電材料α，β的主要金屬材料的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率應(yīng)該優(yōu)選，但不是必然，具有如下近似的數(shù)值第一導(dǎo)電材料栓塞106的主要金屬材料(第一導(dǎo)電材料α)優(yōu)選應(yīng)該具有1.0×106/Ω·m數(shù)量級的導(dǎo)電率和10.0W/m·K數(shù)量級的導(dǎo)熱率，以及第二導(dǎo)電材料栓塞108的主要金屬材料(第二導(dǎo)電材料β)優(yōu)選應(yīng)該具有10.0×106/Ω·m數(shù)量級的導(dǎo)電率和100.0W/m·K數(shù)量級的導(dǎo)熱率。所希望的是第一導(dǎo)電材料α的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率與第二導(dǎo)電材料β的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率的差異約10倍，優(yōu)選超過10倍。
可以考慮用于第一和第二導(dǎo)電材料α，β的主要成分的候選材料的金屬材料的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率如下導(dǎo)電率由C表示，以及導(dǎo)熱率由P表示。(用于第一導(dǎo)電材料α的候選材料)Ti(鈦)C＝2.34×106/Ω·m，P＝21.9W/m·KNb(鈮)C＝6.93×106/Ω·m，P＝53.7W/m·KTa(鉭)C＝7.61×106/Ω·m，P＝57.5W/m·KZr(鋯)C＝2.36×106/Ω·m，P＝22.7W/m·KTiN(氮化鈦)由于金屬的氮化物具有從金屬帶來的性能，TiN被考慮具有類似于Ti的性能。
(用于第二導(dǎo)電材料β的主要成分的候選材料)Al(鋁)C＝37.7×106/Ω·m，P＝237W/m·KMo(鉬)C＝18.7×106/Ω·m，P＝138W/m·KCu(銅)C＝59.6×106/Ω·m，P＝401W/m·KW(鎢)C＝18.9×106/Ω·m，P＝174W/m·K由金屬材料的導(dǎo)電率(和薄膜比電阻)以及導(dǎo)熱率的數(shù)值可以看到，可以是第一導(dǎo)電材料α的主要成分的金屬材料具有1.0×106/Ω·m數(shù)量級的導(dǎo)電率和10.0W/m·K數(shù)量級的導(dǎo)熱率，可以是第二導(dǎo)電材料β的主要成分的金屬材料具有10.0×106/Ω·m數(shù)量級的導(dǎo)電率和100.0W/m·K數(shù)量級的導(dǎo)熱率，第一導(dǎo)電材料α的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率與第二導(dǎo)電材料p的導(dǎo)電率的差異可以約為10倍。
(5)優(yōu)選的導(dǎo)電材料的例子是氮化鈦(TiN)和鎢(W)。具體地，氮化鈦(TiN)薄膜可以被用作第一導(dǎo)電材料α，以及鎢薄膜(W)可以被用作第二導(dǎo)電材料β。
下面將互相比較氮化鈦(TiN)薄膜和鎢(W)薄膜的比電阻。
如果通過CVD形成金屬氮化物的薄膜，那么薄膜的比電阻取決于原材料氣體而改變，以及薄膜的比電阻改變的范圍也取決于原材料氣體而不同。根據(jù)由本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，如果使用TiCl4作為原材料氣體，那么TiN薄膜的比電阻可以在500×10-8/Ω·m至900×10-8/Ω·m的范圍內(nèi)變化。根據(jù)MOCVD工序，如果使用Ti[N(C2H5)2]4作為原材料氣體，那么TiN薄膜的比電阻可以在1000×10-8/Ω·m至600×10-8/Ω·m的范圍內(nèi)變化。不論那一種情況，TiN薄膜的比電阻是相當(dāng)大的。
本發(fā)明的發(fā)明人根據(jù)CVD工序制造鎢(W)的薄膜并測量該薄膜的比電阻。該薄膜的測量比電阻是10×10-8/Ω·m。很清楚鎢薄膜的比電阻小于TiN薄膜的比電阻的1/10。
(6)第二導(dǎo)電材料栓塞108的體積優(yōu)選應(yīng)該大于第一導(dǎo)電材料栓塞106的體積。具體地，提供第一導(dǎo)電材料栓塞106主要用于減小從加熱器電極110傳遞的熱輻射。第一導(dǎo)電材料栓塞106的電阻易于略微地增加。但是，如果由良導(dǎo)體制成的第二導(dǎo)電材料栓塞108的體積大于第一導(dǎo)電材料栓塞106的體積，那么不同種材料的接觸栓塞104的電阻取決于第二導(dǎo)電材料栓塞108。因此，不同種材料的接觸栓塞104的總體電阻可以足夠地低，不會引起電路工作問題。
(7)第一導(dǎo)電材料栓塞106和第二導(dǎo)電材料栓塞108至少通過其相應(yīng)側(cè)表面保持互相接觸。加熱器電極110和第二導(dǎo)電材料栓塞108互相不重疊。另外陳述，第二導(dǎo)電材料栓塞108不直接存在于加熱器電極110的下面。措詞“第一和第二導(dǎo)電材料栓塞106，108至少通過其相應(yīng)側(cè)表面互相接觸”意味著第一和第二導(dǎo)電材料栓塞106，108可以通過其任意表面互相接觸，但是這種表面將必然包括其側(cè)表面。
(8)各種材料104的接觸包括主體X1和突出X2，主體X1主要由第二導(dǎo)電材料栓塞108構(gòu)成，突出X2主要由第一導(dǎo)電材料栓塞106構(gòu)成，突出X2從主體X1凸出。為了不同種材料的接觸栓塞104的制造工序的利益，選擇不同種材料的接觸栓塞104的平面形狀，該平面形狀包括主體X1和突出X2。具體地，在層間絕緣膜中形成的接觸孔具有包括較寬主體和較窄突出的平面形狀。當(dāng)在層間絕緣膜上形成第一導(dǎo)電材料的薄膜時(shí)，用第一導(dǎo)電材料完全填充較窄的突出，以制造突出X2，以及用第一導(dǎo)電材料不完全地填充較寬的主體，留下大的空腔。然后用第二導(dǎo)電材料的薄膜完全地填充該大空腔，以制造主體X1。以此方式，容易制造不同種材料的接觸栓塞104。之后將參考圖8至10D描述不同種材料的接觸栓塞104的制造。
(第二實(shí)施例)在第二實(shí)施例中，下面將參考圖8至10D描述不同種材料的接觸栓塞的平面形狀、所使用的材料的例子以及不同種材料的接觸栓塞(以及地電位栓塞)的制造方法。
圖8示出了不同種材料的接觸栓塞和地電位栓塞的平面形狀以及具有那些栓塞的相變存儲器件的基本截面結(jié)構(gòu)的視圖。在圖8中，上面部分示出了不同種材料的接觸栓塞和地電位栓塞的平面形狀，中間部分示出了該器件沿上面部分的線A-B的的截面，以及下面部分示出了該器件沿上面部分的線A-C的截面。
地電位栓塞100和不同種材料的接觸栓塞104包括各自的TiN/Ti膜217a，217b，每個(gè)具有下薄鈦膜和在其上布置的氮化鈦膜，由第一導(dǎo)電材料制成，即，為導(dǎo)熱率而選擇的材料，以及包括各自的W(鎢)膜212a，212b，由第二導(dǎo)電材料制成，即，為導(dǎo)電率選擇的材料。
在圖8的上面部分中，TiN/Ti膜217a，217b被認(rèn)為是單個(gè)膜。在圖8的中間和下面部分中，TiN/Ti膜217a，217b被顯示為包括各自的鈦(Ti)膜216a，216b和各自的氮化鈦(TiN)膜214a，214b。薄的鈦(Ti)膜216a，216b用作用于保持TiN/Ti膜217a，217b與下硅襯底200良好電接觸的薄膜，因?yàn)樗鼈円鹋c硅襯底200硅化物反應(yīng)，以提供良好的歐姆接觸。因此，鈦(Ti)膜216a，216b不是TiN/Ti膜217a，217b的基本薄膜。相反，氮化鈦(TiN)膜214a，214b提供用作第一導(dǎo)電材料的要素。
如由圖8的上面部分可以看到，地電位栓塞100具有圓形(橢圓形)形狀。通過用TiN/Ti膜217a填充層間絕緣膜210中的接觸孔的外圍部分，形成地電位栓塞100，TiN/Ti膜217a包括下薄鈦膜216a和其上的氮化鈦膜214a，以及用W(鎢)膜212a填充接觸孔的中心部分。
如圖7A所示，不同種材料的接觸栓塞104具有由主體和突出的組合提供的L形狀。之后將參考圖10A至10D描述不同種材料的接觸栓塞104的平面形狀的特定例子。
通過用TiN/Ti膜217b填充層間絕緣膜210中的接觸孔的較窄部分，以及用W(鎢)膜212b填充接觸孔的較寬的中心部分，形成不同種材料的接觸栓塞104，TiN/Ti 217b包括下薄鈦膜216b和其上的氮化鈦膜214b。突出，是接觸孔的填充較窄部分的一部分，具有寬度L1，以及主體，包括接觸孔的填充較寬中心部分，具有寬度L2。由氮化鈦(TIN)制成的加熱器電極218在其遠(yuǎn)端附近被連接到該突出。
如由圖8的中間部分可以看到，p-型半導(dǎo)體襯底200包括被STI(淺溝槽隔離)204a，204b圍繞的場效應(yīng)區(qū)和具有在其中布置的NMOS晶體管。NMOS晶體管包括n-型擴(kuò)散層(源極層和漏極層)202a、202b，柵絕緣膜206以及柵電極(摻雜的多晶硅層)208。層間絕緣膜210具有在其中限定的接觸孔，用Ti、TiN和W連續(xù)地填充，以提供地電位栓塞100和不同種材料的接觸栓塞104。
如由圖8的下面部分可以看到，不同種材料的接觸栓塞104的突出包括鈦(Ti)膜216b和氮化鈦(TiN)膜214b，完全地填充層間絕緣膜210中的相應(yīng)接觸孔。由TiN制成的加熱器電極218保持與突出接觸。
圖8示出了相變存儲器件的基本結(jié)構(gòu)的制造方法。
圖9A至9D是在每個(gè)主要的工序步驟下器件的剖面圖，說明圖8所示的相變存儲器件的基本結(jié)構(gòu)的制造方法。圖9A至9D的剖面圖沿圖8的線A-C。
如圖9A所示，在p-型半導(dǎo)體襯底200中形成STI(淺溝槽隔離)204a，204b。器件形成區(qū)(場效應(yīng)區(qū))被STI 204a，204b圍繞。然后，在半導(dǎo)體襯底200的表面上淀積柵絕緣膜206至7nm的厚度。然后，連續(xù)地淀積摻雜硅薄膜和硅化鎢薄膜，每個(gè)具有100nm的厚度，此后形成光刻掩模。然后，通過各向異性刻蝕來刻蝕摻雜硅薄膜和硅化鎢薄膜，形成柵電極208。然后，使用柵電極208作為掩模，磷(P)離子被引入半導(dǎo)體襯底200。然后，加熱該組件，以形成n-型擴(kuò)散層(源極和漏極層)202a，202b。然后，以TEOS氧化膜的形式淀積層間絕緣膜210至700nm的厚度，此后通過CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)平整該組件。
層間絕緣膜210被構(gòu)圖，以形成具有圓形平面形狀和200nm寬度的接觸孔(開口)218，例如，用于形成地電位栓塞100，以及形成具有L-形平面形狀的接觸孔(參見圖8，右邊上的上面部分)，用于形成不同種材料的接觸栓塞104。在圖9A中，參考數(shù)字220表示對應(yīng)于該突出的接觸孔的窄溝槽。例如，溝槽220的寬度具有100nm的寬度。
然后，如圖9B所示，Ti膜216被淀積至15nm的厚度，以及TiN膜214被淀積至50nm的厚度。此時(shí)，用TiN/Ti膜完全填充該窄溝槽。在較寬的接觸孔218中，僅僅底部和側(cè)表面用TiN/Ti膜覆蓋。盡管未示出，但是在部分接觸孔220中，僅僅用TiN/Ti膜覆蓋底部和側(cè)表面，該部分接觸孔220對應(yīng)于不同種材料的接觸栓塞104的主體。
然后，如圖9C所示，在至此形成的表面上淀積鎢層(W)至約250nm的厚度。此后，如圖9D所示，通過CMP連續(xù)地平整該淀積的鎢層(W)和TiN/Ti膜214，216，由此形成地電位栓塞100和不同種材料的接觸栓塞104。在圖9D中，薄膜214a，214b共同地由217a表示，以及薄膜214b，216b由217b表示。
之后將參考圖10A至10D描述不同種材料的接觸栓塞104的平面形狀的特定例子。
圖10A至10D示出了不同種材料的接觸栓塞的平面形狀。圖10A示出了不同種材料的P-形接觸栓塞。圖10B示出了不同種材料的L-形接觸栓塞。圖10C示出了第一突出型(T-形)接觸栓塞。圖10D示出了第二突出型(I-形)接觸栓塞。
如圖10A至10D所示，不同種材料的接觸栓塞的每一個(gè)包括主體X1和突出X2。主體X1具有寬度L2以及突出X2具有寬度L1，寬度L1足夠地小于寬度L2。
在圖10A至10D中，用TiN/Ti膜217填充的部分用作第一導(dǎo)電材料栓塞，以及用鎢(W)膜212填充的部分用作第二導(dǎo)電材料栓塞。因此，不同種材料的接觸栓塞是包括通過其表面保持互相接觸的第一和第二導(dǎo)電材料栓塞的復(fù)合接觸栓塞。
(第三實(shí)施例)在第三實(shí)施例中，下面將描述相變存儲器件(相變存儲器IC)的電路布置、存儲單元的布局、存儲單元組件的特定截面結(jié)構(gòu)及其制造方法。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件(相變存儲器IC)的總體電路布置的電路圖。
如圖11所示，相變存儲器IC具有在其中心區(qū)中布置的存儲單元組件。存儲單元組件具有存儲單元的矩陣，每個(gè)存儲單元包括用于選擇元件的MOS晶體管M和根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件(表示為等效的電阻器R)。
相變存儲器IC還具有接地線G1至G3、字線WL1至WL4以及位線B1至B3。
X解碼器120，121和Y解碼器122，123聯(lián)合地構(gòu)成尋址電路。X解碼器120，121激勵(lì)字線WL1至WL4，以及Y解碼器122，123激勵(lì)位線B1至B3。
控制電路124通常控制相變存儲器IC的工作。控制電路124分別提供控制信號S5至S8到X解碼器120，121以及Y解碼器122，123，以便分別地控制X解碼器120，121和Y解碼器122，123的工作。
脈沖發(fā)生電路125基于來自控制電路124的控制信號S10產(chǎn)生各種脈沖信號(置位、復(fù)位和讀脈沖信號)S20，以及提供產(chǎn)生的脈沖信號S20到Y(jié)解碼器122，123。
相變存儲器IC還具有作為讀出放大器的運(yùn)算放大器A10a，A10b，以及電流-至-電壓轉(zhuǎn)換電阻器R10a，R10b，用于將電流I(由圖11中的粗實(shí)線表示)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸；鶞?zhǔn)電壓Vref被施加到運(yùn)算放大器A10a，A10b，運(yùn)算放大器A10a，A10b輸出相變存儲器IC的各個(gè)檢測的信號Vout1，Vout2。
圖12通過例子示出了圖11所示的相變存儲器件IC的存儲單元區(qū)中的元件和互連的布局的平面圖。與圖9A至9d所示部件相同的圖12中的那些部件由相同的參考符號表示。
在圖12中，地電位栓塞100包括TiN/Ti的第一導(dǎo)電材料栓塞217a以及鎢(W)的第二導(dǎo)電材料栓塞212a。
不同種材料的接觸栓塞104包括TiN/Ti的第一導(dǎo)電材料栓塞217b以及鎢(W)的第二導(dǎo)電材料栓塞212b。不同種材料的接觸栓塞104具有L-形平面形狀(參見圖10B)。
在圖12中，被粗實(shí)線圍繞的區(qū)域F是場效應(yīng)區(qū)(器件形成區(qū))。四個(gè)垂直互連DP貫穿存儲單元區(qū)。這些垂直互連DP用作各個(gè)字線WL1至WL4及兼作MOS晶體管的柵電極的各個(gè)摻雜硅層。
用作相變層的GST膜300水平地貫穿存儲單元區(qū)。加熱器電極218被連接到結(jié)點(diǎn)區(qū)Q中的GST膜300，結(jié)點(diǎn)區(qū)Q中沒有絕緣膜。
圖13是器件沿圖12的線A-A的剖面圖。與圖9A至9D所示部件相同的圖13中的那些部件由相同的參考符號表示。
圖13所示的器件結(jié)構(gòu)基本上與圖8，9A至9D所示的不同種材料的接觸栓塞的結(jié)構(gòu)相同。
具體地，不同種材料的接觸栓塞104包括由鎢(W)制成的第二導(dǎo)電材料栓塞212b和由TiN/Ti(氮化鈦/鈦)制成的第一導(dǎo)電材料栓塞217b，由TiN/Ti(氮化鈦/鈦)制成的第一導(dǎo)電材料栓塞217b用于減小來自熱電極218的散熱，由鎢(W)制成的第二導(dǎo)電材料栓塞212b控制整個(gè)栓塞的導(dǎo)電率。Ti的加熱器電極218具有與第一導(dǎo)電材料栓塞217b的上表面保持接觸的下表面，第一導(dǎo)電材料栓塞217b由TiN/Ti(氮化鈦/鈦)制成。
第一和第二導(dǎo)電材料栓塞212b，217b通過其相應(yīng)側(cè)表面保持互相接觸。加熱器電極218和由鎢(W)制成的第二導(dǎo)電材料栓塞212b互相不重疊。因此，在加熱器電極218下面不直接存在鎢(W)的第二導(dǎo)電材料栓塞212b。
在圖13中，NMOS晶體管的柵電極包括具有100nm厚度的摻雜硅層232、具有100nm厚度的硅化鎢層234以及具有100nm厚度的氮化物膜236的層疊組件，被氮化硅膜(SJ3N4)的側(cè)壁230圍繞。該結(jié)構(gòu)不同于圖8所示的相變存儲器件的結(jié)構(gòu)。
柵電極的導(dǎo)電材料層232，234具有用絕緣層230，236覆蓋的側(cè)面和上表面，以防止在其本身和不同種材料的接觸栓塞104之間發(fā)生短路，不同種材料的接觸栓塞104位于柵電極附近。
圖13所示的器件包括層疊的層間絕緣膜238，240，該層疊的層間絕緣膜238，240包括TEOS氧化膜；以及絕緣膜264，絕緣膜264包括在層間絕緣膜240上布置的氧化膜。絕緣膜264具有在其中限定的開口Q，以露出層間絕緣膜240中布置的加熱器電極218的上表面。在絕緣膜264上淀積用作相變層的GST膜300。
(第四實(shí)施例)圖14通過舉例示出了圖11所示的相變存儲器件(相變存儲器IC)的存儲單元區(qū)中的元件和互連的另一布局的平面圖。與圖12所示部件相同的圖14中的那些部件由相同的參考符號表示。
在圖14中，地電位栓塞100包括由TiN/Ti制成的第一導(dǎo)電材料栓塞217a以及由鎢(W)制成的第二導(dǎo)電材料栓塞214a。
不同種材料的接觸栓塞104包括由TiN/Ti制成的第一導(dǎo)電材料栓塞217b以及由鎢(W)制成的第二導(dǎo)電材料栓塞212b。不同種材料的接觸栓塞104具有P-形平面形狀(參見圖10A)。
在圖14中，區(qū)域F是場效應(yīng)區(qū)(器件形成區(qū))。四個(gè)垂直互連DP貫穿存儲單元區(qū)。這些垂直互連DP用作各個(gè)字線WL1至WL4及兼作MOS晶體管的柵電極的各個(gè)摻雜硅層。
用作相變層的GST膜300水平地貫穿該存儲單元區(qū)。加熱器電極218被連接到結(jié)點(diǎn)區(qū)Q中的GST膜300，結(jié)點(diǎn)區(qū)Q中沒有絕緣膜。結(jié)點(diǎn)區(qū)Q在兩個(gè)相鄰的加熱器電極218之間延伸，以提供寬定位余量，如之后將描述。
對應(yīng)于圖5中的接地線G1至G3的地電位互連260由鎢(W)制成和將地電位栓塞100連接到地線。
下面將參考圖15至20描述沿圖14的線A-A的器件的截面結(jié)構(gòu)的制造方法。圖15至20是在主要制造步驟的每一個(gè)下的剖面圖，說明沿圖14的線A-A的器件的截面結(jié)構(gòu)的制造方法。圖21是沿圖14的線B-B的器件的剖面圖。
(1)步驟1(圖15)如圖15所示，在p-型半導(dǎo)體襯底200中形成STI(淺溝槽隔離)204。器件形成區(qū)(場效應(yīng)區(qū))被STI 204圍繞。然后，連續(xù)地淀積摻雜硅的薄膜232和由硅化鎢制成的薄膜234，每個(gè)具有100nm的厚度，此后淀積氮化物膜236。然后，形成光刻掩模。然后，通過各向異性刻蝕，連續(xù)地刻蝕氮化物膜236、硅化鎢的薄膜234以及摻雜硅膜232。
然后，在半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成氮化硅膜，以及通過各向異性刻蝕如RIE(反應(yīng)離子刻蝕)形成側(cè)壁230。然后，有選擇地除去n-型擴(kuò)散層(源極和漏極層)上的柵氧化膜206，由此形成接觸區(qū)。在相對于作為柵電極的最上層的氮化物膜236保持選擇比的選擇條件下，執(zhí)行各向異性刻蝕。在圖11所示的電路中，因此制造的MOS晶體管的柵極用作字線DP(WL1至WL4)。
(2)步驟2(圖16)如圖16所示，以TEOS氧化膜的形式淀積層間絕緣膜238至700nm的厚度，然后通過CMP平整。然后，層間絕緣膜238被構(gòu)圖，以形成具有圓形平面形狀和200nm直徑的接觸孔(開口)239b，例如，用于形成地電位栓塞100，以及具有P-形平面形狀(參見圖14，10A)的接觸孔239a，用于形成不同種材料的接觸栓塞104。在圖16中，參考數(shù)字239a表示對應(yīng)于該突出的接觸孔的窄溝槽。溝槽239a的寬度具有100nm的寬度，例如。
(3)步驟3(圖17)通過圖9b至9D所示的步驟制造圖17所示的器件結(jié)構(gòu)。首先，形成TiN/Ti膜，包括具有15nm厚度的TiN膜和具有50nm厚度的Ti膜。此時(shí)，用該TiN/Ti膜完全地填充溝槽239a。在較寬的接觸孔239b中，僅僅底部和側(cè)表面用TiN/Ti膜覆蓋。然后，鎢(W)膜被淀積至約250nm的厚度。此后，鎢(W)膜和TiN/TN膜被連續(xù)地平整。以此方式，制造包括第一導(dǎo)電材料栓塞217a和第二導(dǎo)電材料212a的地電位栓塞100，包括第一導(dǎo)電材料栓塞217b和第二導(dǎo)電材料栓塞212b的不同種材料的接觸栓塞104。
然后，在包括第一導(dǎo)電材料栓塞217a和第二導(dǎo)電材料栓塞212a的地電位栓塞100上形成地電位互連(地線互連)260。
(4)步驟4(圖18)在圖18中，形成層間絕緣膜，例如，HDP(高密度等離子體)氧化膜262。然后，在層間絕緣膜262中形成具有60nm寬度的接觸孔，該接觸孔將用加熱器電極填充。然后，通過CVD淀積氮化鈦(TiN)膜，以及然后通過CMP平整，由此形成加熱器電極218。
通過塑性CVD，在層間絕緣膜262上淀積氧化膜264，然后構(gòu)圖，以形成沒有絕緣膜264的結(jié)點(diǎn)區(qū)Q。
應(yīng)當(dāng)注意，每個(gè)結(jié)點(diǎn)區(qū)Q在兩個(gè)相鄰的加熱器電極218之間延伸。結(jié)點(diǎn)區(qū)在兩個(gè)相鄰加熱器電極之間延伸必然導(dǎo)致形成細(xì)長的開口圖形。形成這種細(xì)長的開口圖形，即，連續(xù)地制造延伸電極層和絕緣膜，比如果形成單個(gè)圓形開口圖形，即，具有足夠小以僅僅露出加熱器電極的上表面區(qū)域的圖形的更容易。具體地，如果形成單個(gè)圓形開口圖形，然后當(dāng)開口圖形和加熱器電極互相嚴(yán)重錯(cuò)位時(shí)，加熱器電極的上表面將不被露出的概率，即，將發(fā)生接觸故障，往往是高的。另一方面，如果形成單個(gè)細(xì)長開口圖形，然后即使當(dāng)開口圖形和加熱器電極在開口圖形的縱向，嚴(yán)重錯(cuò)位時(shí)，由于該開口橫向地延伸，加熱器電極的上表面將不被露出，即，將發(fā)生接觸故障的概率勢必是低的。因此，當(dāng)形成開口圖形時(shí)，大的掩模定位余量是可用的，因而可以容易形成開口圖形。
(5)步驟5(圖19)在圖19中，在淀積鈦(Ti)膜266作為接近的接觸層至約1nm厚度之后，形成作為相變層的GST膜300，然后在GST膜300上淀積由鎢(W)制成的上電極層268至50nm的厚度。
(6)步驟(6)(圖20)在圖20中，形成層間絕緣膜270，以及在層間絕緣膜270中形成接觸孔。在該接觸孔中淀積接觸栓塞272，然后在至此形成的表面上淀積由鎢(W)制成的層274并構(gòu)圖。由鎢制成的層274將提供圖11所示的電路布置中的位線B1至B3。
以此方式，完成具有不同種材料的接觸栓塞的相變存儲器件(相變存儲器IC)。
圖21是沿圖14的線B-B的器件剖面圖。
圖21示出了，在沿線B-B的截面中，四個(gè)NMOS晶體管、不同材料的四個(gè)接觸栓塞，每個(gè)包括與常規(guī)技術(shù)一樣用作金屬阻擋層的鎢層212b和TiN/Ti膜217b，以及地線互連260。上截面結(jié)構(gòu)僅僅包括層間絕緣膜238，262。
(第五實(shí)施例)圖22通過舉例示出了圖11所示的相變存儲器件(相變存儲器IC)的存儲單元區(qū)中的元件和互連的再一布局的平面圖。與圖12所示部件相同的圖22中的那些部件由相同的參考符號表示。
在圖22中，在一個(gè)場效應(yīng)區(qū)F中布置兩個(gè)地電位栓塞100a，100b，和提供與各個(gè)地電位栓塞100a，100b結(jié)合的兩個(gè)地電位互連(地線互連)250a，250b。
地電位栓塞100a，100b的每一個(gè)包括由TiN/Ti制成的第一導(dǎo)電材料栓塞217a和由鎢(W)制成的第二導(dǎo)電材料栓塞214a。
在圖22中，在一個(gè)場效應(yīng)區(qū)F中提供不同種材料的突出型接觸栓塞104a，104b，該突出型接觸栓塞104a，104b是T-形，如圖10C所示。不同種材料的接觸栓塞104a，104b的每一個(gè)包括由TiN/Ti制成的第一導(dǎo)電材料栓塞217b和由鎢(W)制成的第二導(dǎo)電材料栓塞212b。
由于兩個(gè)地電位栓塞100a，100b可以互相靠近置位，電子電路的接地線的寄生電阻被減小，導(dǎo)致穩(wěn)定的電路工作。
(第六優(yōu)選實(shí)施例)圖23示出了根據(jù)本發(fā)明的相變存儲器件的另一截面結(jié)構(gòu)的剖面圖，其中接觸電極被保持與NMOS晶體管的源極-漏極層接觸，以及不同種材料的接觸栓塞保持與接觸電極接觸。與前一圖所示部件相同的圖23中的那些部件由相同的參考符號表示。
在圖23中，布置NMOS晶體管的區(qū)域、布置加熱器電極218的區(qū)域以及加熱器電極218上面的區(qū)域與先前的實(shí)施例中那些區(qū)域相同。
但是，接觸電極283保持與NMOS晶體管的源極-漏極層202接觸，以及不同種材料的接觸栓塞保持與接觸電極283接觸，每個(gè)接觸栓塞包括TiN/Ti膜217a，217b。在圖23中，參考符號280，282，284，290表示層間絕緣膜，以及參考符號260表示地電位互連(地線互連)。
上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。但是，本發(fā)明不局限于說明的實(shí)施例，而是在不脫離本發(fā)明的范圍的條件下，可以進(jìn)行各種改變和改進(jìn)。
例如，存儲單元的MOS晶體管可以用諸如雙極性晶體管、結(jié)型二極管、肖特基勢壘二極管等等的各種開關(guān)元件代替。相變層可以由除硫族化物半導(dǎo)體之外的材料制成。相變存儲器IC可以具有圖4所示的電路布置，其中不輸入不同波形的脈沖，但是不同尺寸的晶體管被有選擇地導(dǎo)通，以拉動電流。
根據(jù)本發(fā)明，如上所述，使用的不同種材料的接觸栓塞包括第一導(dǎo)電材料栓塞和第二導(dǎo)電材料栓塞，第一導(dǎo)電材料栓塞由具有低導(dǎo)熱率的材料制成，被保持與加熱器電極接觸，以及第二導(dǎo)電材料栓塞由具有低電阻的材料制成，保持與導(dǎo)電層接觸。不同種材料的接觸對于減小加熱器電極附近的熱輻射是有效的，即，當(dāng)在相變存儲器件中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，特別當(dāng)相變存儲器件被復(fù)位時(shí)，提高熱效率，以及減小電路的電阻。
由于加熱器電極與第二導(dǎo)電材料栓塞不重疊，通過加熱器電極傳遞的熱量被傳遞到第一導(dǎo)電材料栓塞，而不是被直接傳遞到其下的第二導(dǎo)電材料栓塞。
與加熱器電極保持接觸的部分由具有低導(dǎo)熱率的材料制成，用于減小熱輻射。因此，其他電極和互連可以由低導(dǎo)電率的金屬材料制成，如由基于硅的LSI電路中使用的鎢(W)或鋁(Al)或銅(Cu)制成。由此，可以獲得被使用的材料的更大選擇，使之可以制造大規(guī)模相變存儲器件。
通過改變用來在層間絕緣膜中形成接觸孔，形成諸如P形接觸孔的接觸孔、L-形接觸孔或T-形接觸類型的掩模圖形，可以容易地制造不同種材料的接觸栓塞，具有較寬的主體和較窄的突出，以及用淀積至調(diào)整厚度的不同材料連續(xù)地填充該接觸孔。不同種材料的接觸栓塞可以被容易地制造，允許相變存儲器件被批量制造。
但是，如果具有良好導(dǎo)電性的第二導(dǎo)電材料栓塞的體積大于第一導(dǎo)電材料栓塞的體積，那么不同種材料的接觸栓塞的電阻取決于第二導(dǎo)電材料栓塞。因此，不同種材料的接觸栓塞的總體電阻可以足夠地低，使得沒有電路工作問題。
第一導(dǎo)電材料栓塞可以由與加熱器電極的材料類似或相同的材料制成，以及第二導(dǎo)電材料栓塞可以由與地電位互連和電極的材料類似或相同的材料制成。因此，可以進(jìn)行本發(fā)明，沒有引起制造工序上的大負(fù)擔(dān)。
第一和第二導(dǎo)電材料栓塞的材料的比電阻，即，第一和第二導(dǎo)電材料互相差10倍以上是合符需要的。該差異主要通過使用TiN(氮化鈦)作為第一導(dǎo)電材料和使用W(鎢)作為第二導(dǎo)電材料來實(shí)現(xiàn)。在選擇材料中沒有問題產(chǎn)生。
此外，根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)接觸孔填充技術(shù)，如CVD等等，通過調(diào)整平面圖形的寬度和接觸孔的溝槽以及通過調(diào)整第一和第二導(dǎo)電材料的薄膜的薄膜厚度，可以容易地形成不同種材料的接觸栓塞。
根據(jù)本發(fā)明，可以制造大規(guī)模相變存儲器件，即，具有用于選擇存儲單元的開關(guān)元件、不同種材料的接觸栓塞、加熱器電極以及電極端子的相變存儲器IC，同時(shí)滿足使用一般制造技術(shù)減小散熱和減小電阻的矛盾需求，即，不使用特殊的制造工藝。
通過公共制造工序，可以同時(shí)制造不同種材料的接觸栓塞和地電位栓塞。因此，可以減小制造步驟的數(shù)目。
柵電極的導(dǎo)電材料層(摻雜硅層，等)的上和側(cè)表面覆有電絕緣膜，以防止柵電極和不同種材料的接觸栓塞之間短路。
根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)良好電性能和良好熱性能的相變存儲器件，以及獲得了可用于制造電極和互連的材料的更大選擇，使之可以制造大規(guī)模相變存儲器件。
根據(jù)本發(fā)明，通過使用不同種材料的接觸栓塞，以及可用于制造電極和互連的材料的更大選擇，對于該相變存儲器件，實(shí)現(xiàn)良好的電性能和良好的熱性能，使之可以制造大規(guī)模相變存儲器件。因此，本發(fā)明對于使用硫族化物相變膜提供相變存儲器件(相變存儲器IC)、不同種材料的接觸栓塞的制造方法以及相變存儲器件的制造方法是有用的。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲器件，包括相變層；具有與所述相變層保持接觸的一端的加熱器電極；不同種材料的接觸栓塞，具有由第一導(dǎo)電材料制成并與所述加熱器電極的另一端保持接觸的第一導(dǎo)電材料栓塞，以及由具有小于所述第一導(dǎo)電材料的比電阻的第二導(dǎo)電材料構(gòu)成的第二導(dǎo)電材料栓塞，所述第一導(dǎo)電材料栓塞和所述第二導(dǎo)電材料栓塞至少通過其相應(yīng)側(cè)表面保持互相接觸，所述加熱器電極和所述第二導(dǎo)電材料栓塞互相不是重疊關(guān)系；以及電連接到所述第二導(dǎo)電材料栓塞的導(dǎo)電層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中具有平面形狀的所述不同種材料的接觸栓塞包括由所述第二導(dǎo)電材料栓塞構(gòu)成的較寬主體；以及從所述主體凸出并比所述主體更窄的突出，所述突出由所述第一導(dǎo)電材料制成，所述加熱器電極被連接到所述突出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的相變存儲器件，其中所述不同種材料的接觸栓塞的所述平面形狀是P-形、L-形或T-形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中所述第二導(dǎo)電材料栓塞的體積比所述第一導(dǎo)電材料栓塞的體積更大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中所述第一導(dǎo)電材料栓塞的所述第一導(dǎo)電材料包括是所述加熱器元件的主要成分的金屬材料，以及所述第二導(dǎo)電材料栓塞包括是所述相變存儲器件的地電位電極或互連的主要成分的金屬材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中所述第一導(dǎo)電材料栓塞的所述第一導(dǎo)電材料包括與所述加熱器元件的金屬材料相同的金屬材料，以及所述第二導(dǎo)電材料栓塞包括是所述相變存儲器件的地電位電極或互連的主要成分的金屬材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中所述第一導(dǎo)電材料栓塞的所述第一導(dǎo)電材料包括一金屬或該金屬的氮化物，或該金屬的硅化物，該金屬是鈦(Ti)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鋯(Zr)或鎢(W)的任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中所述第一導(dǎo)電材料栓塞的所述第一導(dǎo)電材料包括氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鉬(MoN)、氮化鈮、氮化鈦硅、氮化鈦鋁、氮化鈦硼、氮化鋯硅、氮化鎢硅、氮化鎢硼、氮化鋯鋁、氮化鉬硅、氮化鉬鋁、氮化鉭硅、氮化鉭鋁、氮氧化鈦、氮氧化鈦鋁、氮氧化鎢、氮氧化鉭、硅化鉭(TaSi)、硅化鎢(WSi)或硅化鉬(MoSi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中所述第二導(dǎo)電材料栓塞的所述第二導(dǎo)電材料包括一金屬或該金屬的硅化物，該金屬是鎢(Ti)、鋁(Al)、鉬(Mo)或銅(Cu)的任意一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中所述第一導(dǎo)電材料栓塞的所述第一導(dǎo)電材料的比電阻至少是所述第二導(dǎo)電材料栓塞的所述第二導(dǎo)電材料的比電阻10倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中所述第一導(dǎo)電材料栓塞包括通過在由層間絕緣膜中限定的接觸孔的內(nèi)部和下表面上布置的鈦(Ti)制成的薄膜上淀積氮化鈦(TiN)形成的栓塞，以及所述第二導(dǎo)電材料栓塞包括在淀積所述氮化鈦(TiN)之后剩下的空腔中淀積鎢(W)形成的栓塞。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，還包括用于選擇存儲單元的開關(guān)元件；以及用于連接地電位到所述開關(guān)元件的一個(gè)電極的地電位連接栓塞；所述開關(guān)元件的所述一個(gè)電極通過所述地電位連接栓塞被連接到地電位，以及所述開關(guān)元件的另一電極被電連接到所述不同種材料的接觸栓塞的所述第二導(dǎo)電材料栓塞。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的相變存儲器件，其中所述地電位連接栓塞包括作為所述不同種材料的接觸栓塞的第一導(dǎo)電材料栓塞和第二導(dǎo)電材料栓塞。
14.一種相變存儲器件，包括用于選擇存儲單元的開關(guān)元件，所述開關(guān)元件被布置在半導(dǎo)體襯底中或半導(dǎo)體襯底上；具有第一導(dǎo)電材料栓塞和第二導(dǎo)電材料栓塞的不同種材料的接觸栓塞，第二導(dǎo)電材料栓塞的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率大于所述第一導(dǎo)電材料栓塞，所述第一導(dǎo)電材料栓塞和所述第二導(dǎo)電材料栓塞至少通過其相應(yīng)側(cè)表面保持互相接觸；連接到所述第一導(dǎo)電材料栓塞的加熱器電極，所述加熱器電極和所述第二導(dǎo)電材料栓塞互相沒有重疊關(guān)系；連接到所述加熱器電極的相變層；以及連接到所述相變層的電極層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件，其中所述相變層包括硫族化物半導(dǎo)體層。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的相變存儲器件，其中所述相變層包括硫族化物半導(dǎo)體層。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件的不同種材料的接觸栓塞的制造方法，包括以下步驟有選擇地構(gòu)圖布置在半導(dǎo)體襯底上的部分層間絕緣膜，以形成具有平面形狀的接觸孔，包括較寬的主體和從主體凸出并比所述主體更窄的突出；用所述第一導(dǎo)電材料填充所述接觸孔，以在僅僅所述突出被完全地填充的條件下形成所述第一導(dǎo)電材料栓塞；以及用所述第二導(dǎo)電材料完全地填充所述接觸孔的所述主體，以形成所述第二導(dǎo)電材料栓塞。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的相變存儲器件的制造方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底中或在半導(dǎo)體襯底上形成用于選擇存儲單元的開關(guān)元件；通過根據(jù)權(quán)利要求17的不同種材料的接觸栓塞的制造方法，形成所述不同種材料的接觸栓塞，以便所述第二導(dǎo)電材料栓塞與所述開關(guān)元件的一個(gè)電極保持電接觸；形成所述加熱器電極，以便所述加熱器電極具有與所述第一導(dǎo)電材料栓塞的上表面保持接觸的下表面；形成所述相變層，以便所述相變層具有與所述加熱器電極的上表面保持接觸的下表面；以及形成連接到所述相變層的上表面的至少一部分的電極層。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的相變存儲器件的制造方法，其中形成所述不同種材料的接觸栓塞的所述步驟包括，當(dāng)形成所述不同種材料的接觸栓塞時(shí)，形成地電位栓塞的步驟，該地電位栓塞用于保持所述開關(guān)元件的另一電極處于地電位。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的相變存儲器件的制造方法，其中所述開關(guān)元件包括絕緣-柵場效應(yīng)晶體管，以及當(dāng)形成所述絕緣-柵場效應(yīng)晶體管的柵電極時(shí)，在所述柵電極的導(dǎo)電材料層的上和側(cè)表面上形成電絕緣層。
全文摘要
一種相變存儲器件，具有相變層，具有與相變層保持接觸的一端的加熱器電極，不同種材料的接觸栓塞，具有由第一導(dǎo)電材料制成并與該加熱器電極的另一端保持接觸的第一導(dǎo)電材料栓塞，以及由具有小于第一導(dǎo)電材料的比電阻的第二導(dǎo)電材料構(gòu)成的第二導(dǎo)電材料栓塞，第一導(dǎo)電材料栓塞和第二導(dǎo)電材料栓塞至少通過其相應(yīng)側(cè)表面保持互相接觸，加熱器電極和第二導(dǎo)電材料栓塞互相不是重疊關(guān)系，以及電連接到第二導(dǎo)電材料栓塞的導(dǎo)電層。
文檔編號H01L21/82GK1983615SQ200610162549
公開日2007年6月20日 申請日期2006年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月26日
發(fā)明者早川努 申請人:爾必達(dá)存儲器株式會社