專(zhuān)利名稱(chēng)：具有寬廣相變化元素與小面積電極接點(diǎn)的存儲(chǔ)器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高密度存儲(chǔ)器裝置，該裝置采用相變化材料，包含硫?qū)倩?chalcogenide)材料與其他材料，同時(shí)包括制造上述裝置的方 法。
背景技術(shù)：
相變化存儲(chǔ)器材料，已廣泛運(yùn)用于可讀寫(xiě)光盤(pán)之中。這種材料至 少具有兩種固態(tài)相，例如，包含通常的非晶(generally amorphous) 固態(tài)相與通常的結(jié)晶(crystalline)固態(tài)相?？勺x寫(xiě)光盤(pán)利用激光脈 沖(laser-pulse)以改變相態(tài)，同時(shí)由此讀取相變化后的材料光學(xué) 性質(zhì)。采用硫?qū)倩锘蚱渌嗨撇牧系南嘧兓鎯?chǔ)器材料，也可通過(guò)集 成電路施以適當(dāng)強(qiáng)度的電流，來(lái)改變相位。通常的非晶態(tài)的電阻率高 于通常的結(jié)晶態(tài)；這種電阻差異易于檢測(cè)，即可代表不同數(shù)據(jù)內(nèi)容。 這種物質(zhì)特性引發(fā)研究動(dòng)機(jī)，希望利用可控制的電阻材料，制作非易 失、并且可隨機(jī)讀寫(xiě)的存儲(chǔ)器電路。非晶態(tài)轉(zhuǎn)換至結(jié)晶態(tài)的過(guò)程，通常采用較低的操作電壓。由結(jié)晶 態(tài)轉(zhuǎn)換為非晶態(tài)的過(guò)程，則通常需要較高的操作電壓；因?yàn)檫@一過(guò)程 需要短時(shí)間且高密度的電流脈沖，以熔化或破壞結(jié)晶結(jié)構(gòu)，隨后快速 冷卻相變化材料，經(jīng)淬火處理，將至少一部分的相變化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定為非 晶態(tài)。此后稱(chēng)此過(guò)程為"重置"(reset)。這一過(guò)程，通過(guò)重置電流 將相變化材料由結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，而人們希望盡量降低重置電流 的強(qiáng)度。重置電流的強(qiáng)度可以通過(guò)降低存儲(chǔ)器單元中的相變化材料元 件尺寸，或者降低電極與相變化材料的接觸區(qū)域大小來(lái)減少，因此較 高的電流密度可以在較小的絕對(duì)電流值穿過(guò)相變化材料元件的情況 下實(shí)現(xiàn)。
在集成電路結(jié)構(gòu)中制作小孔洞(pores)，為此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展方向之 一；同時(shí)，還采用少量的程序可控電阻材料填充該小孔洞。公開(kāi)該小 孔洞發(fā)展的專(zhuān)利包括Ovshinsky, "Multibit Single Cell Memory Element Having Tapered Contact" ， U.S. Pat， No. 5， 687， 112，專(zhuān) 利發(fā)證日期1997年11月11日；Zahorik et al. ， "Method of Making Chalogenide [sic] Memory Device" ， U.S. Pat. No. 5， 789， 277， 專(zhuān)利發(fā)證日期1998年8月4日；Doan et al., "Controllable Ovonic Phase—Change Semiconductor Memory Device and Methods of Gabracting the Same, " U. S， Pat. No. 6,150,253，專(zhuān)利發(fā)證日期 2000年11月21曰。然而，為制造極小尺寸的上述裝置，并促使工藝參數(shù)的變化能符 合大型存儲(chǔ)器裝置所需的嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)格，衍生出許多問(wèn)題。因此必須發(fā)展 具有小尺寸、與低重置電流的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，同時(shí)發(fā)展此種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 的制作方法。發(fā)明內(nèi)容一般而言，本發(fā)明的特征，包括一種可利用能量，促使可變存儲(chǔ) 器材料改變電的存儲(chǔ)器單元裝置，該材料位于第一與第二("底部" 與"頂部")電極之間。本發(fā)明就存儲(chǔ)器單元裝置的實(shí)施例中，頂部 電極包括較大的主體部分與一個(gè)作用部。存儲(chǔ)器材料層沉積于底部電 極層之上，同時(shí)頂部電極的一個(gè)作用部基底，與存儲(chǔ)器材料表面的小 區(qū)域產(chǎn)生電接觸。電接觸區(qū)域由靠近基底的電極作用大小所決定，而 并非由尺寸顯然較大的存儲(chǔ)器材料大小所決定。電極頂部的作用部大 小，以及作用底部與存儲(chǔ)器材料接觸區(qū)域的大小，得依據(jù)本發(fā)明變得 非常小，且不需依賴(lài)掩模技術(shù)。本發(fā)明的一個(gè)目的為提供一種存儲(chǔ)器單元裝置，包含底部電極、 底部電極之上的存儲(chǔ)器材料元件、以及頂部電極，其中包括主體部分 與作用部；如此，頂部電極的作用部基底與存儲(chǔ)器材料的表面的小區(qū) 域產(chǎn)生電接觸。本發(fā)明的另一目的為提供一種制造存儲(chǔ)器單元裝置的方法，利用在襯底表面上形成一層底部電極層；在底部電極層上形成存儲(chǔ)器 材料層；在存儲(chǔ)器材料層上形成一覆蓋層；將底部電極層、存儲(chǔ)器材 料層、與覆蓋層圖案化，以界定存儲(chǔ)器元件下方的底部電極；在存儲(chǔ) 器材料上形成金屬間電介質(zhì)填充層；電介質(zhì)填充層上形成蝕刻終止 層；在蝕刻終止層與電介質(zhì)填充層之間形成通孔，以令覆蓋層表面裸 露，而該通孔穿越蝕刻終止層；由通孔內(nèi)壁去除相當(dāng)數(shù)量的電介質(zhì)填 充材料，造成空洞，同時(shí)在蝕刻終止層的開(kāi)口邊緣處，形成下方側(cè)削 區(qū)；在存儲(chǔ)器材料表面的空洞，沉積一層絕熱材料，由此即可在絕熱 材料之中造成空隙；各向異性蝕刻該絕熱材料與覆蓋層，使一小部分 的存儲(chǔ)器材料表面裸露，以形成孔隙在絕熱材料與鄰近存儲(chǔ)元素的覆 蓋層中，以及絕熱材料中更大的空洞；以及在孔隙中沉積電極材料， 同時(shí)擴(kuò)展空洞以形成頂部電極。
依據(jù)本發(fā)明，掩模階段可在存儲(chǔ)器單元通孔上方的氮化硅層建立 開(kāi)口。其余的工藝即屬自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，并具高度重復(fù)性。頂部電極與存儲(chǔ) 器材料之間的接觸區(qū)域，由頂部電極的作用部寬度所決定，而該寬度 又受到各向異性蝕刻的條件、以及絕熱材料空隙的尺寸與形狀所影 響，前述條件均可輕易地重復(fù)控制。


圖1為依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，顯示一種存儲(chǔ)器單元裝置的示 意圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、與圖10，為 依據(jù)本發(fā)明所的一種實(shí)施例，顯示一種相變化存儲(chǔ)器單元工藝步驟的 剖面示意圖IIA與圖IIB為依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，顯示一種存儲(chǔ)器陣 列的一部分的剖面圖；圖IIB顯示編程電流的流動(dòng)路徑； 圖12為采用相變化存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)器陣列示意圖； 圖13顯示存儲(chǔ)器陣列的布局圖或平面圖，其顯示采用相變化存 儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)器陣列的一部分。
具體實(shí)施例方式
此處將依據(jù)附圖，更詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容，同時(shí)展示本發(fā)明的 另一實(shí)施例。此附圖僅為概略圖，顯示本發(fā)明的特征與這種特征和其 他特征與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，故也未按比例制作。為使說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容更加容 易明了，顯示本發(fā)明實(shí)施例的附圖中，對(duì)應(yīng)其他附圖中特征的特征元 件，即使可輕易在所有附圖中辨別，均未加以重新編號(hào)。
請(qǐng)參閱圖1，為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)10 的示意圖。存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)10包括重疊在存儲(chǔ)元素14之下的底部電 極12、與內(nèi)含主體部分19及作用部17的頂部電極18。頂部電極18 的作用部17經(jīng)由小面積接點(diǎn)13與存儲(chǔ)器材料層14的表面15接觸。 此外還可選擇在電極頂部加入一核心部分21與一內(nèi)襯(加熱)部分 23。頂部電極18的周?chē)山^熱材料16所包圍。頂部電極與周邊的絕
熱材料，形成在層間電介質(zhì)填充層的通孔中，或形成在分隔層 (s印aration layer)ll中，而分隔層11，為電絕緣層20所覆蓋。
存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)10形成在半導(dǎo)體襯底之上，包含存取晶體管、以及 頂部電極18的電連結(jié)表面22，均由圖案金屬化制造，如下列參考圖 IIA的例子。
存儲(chǔ)器單元中的傳導(dǎo)路徑，由頂部電極18的表面22穿過(guò)頂部電 極的主體部分19與頂部電極的作用部17，隨后穿越作用部17底部 的接觸區(qū)域13，至存儲(chǔ)元素14，再穿越該存儲(chǔ)元件，達(dá)到底部電極 12。
本發(fā)明的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)提供幾種優(yōu)勢(shì)特征。頂部電極與周邊電介 質(zhì)填充物的絕熱良好，頂部電極與存儲(chǔ)器材料的接觸區(qū)域甚小，故可 降低重置程序的電流。頂部電極與存儲(chǔ)器材料的接觸區(qū)域由頂部電極 的作用部寬度決定，而該寬度乃受到各向異性蝕刻條件、與絕熱層中 的空隙尺寸及形狀的影響。絕熱層空隙的大小，由電絕緣層開(kāi)口邊緣 的下方側(cè)削區(qū)域320寬度決定，前述條件均可輕易地重復(fù)控制。
存儲(chǔ)單元裝置10的實(shí)施例，利用包括硫?qū)倩镌趦?nèi)的材料與其 他的材料，作為存儲(chǔ)器材料14。相變化合金可在兩種結(jié)構(gòu)狀態(tài)間進(jìn) 行變換，第一結(jié)構(gòu)狀態(tài)通常為非晶固態(tài)相，而第二結(jié)構(gòu)則通常為結(jié)晶
固態(tài)相，并在存儲(chǔ)器單元的主動(dòng)通道區(qū)域，按其局部晶向排列。這種 合金區(qū)域至少有兩種穩(wěn)定態(tài)；"非晶"指較之單晶而言，較無(wú)固定晶 向的結(jié)構(gòu)，例如較結(jié)晶相具有更高的電阻率等特性。"結(jié)晶"則指相 對(duì)于非晶結(jié)構(gòu)而言，較有固定晶向的結(jié)構(gòu)，例如較非晶相具有更低的 電阻率等特性。通常而言，可在完全非晶態(tài)與完全結(jié)晶態(tài)之間，禾擁 電流變換相變化材料的相態(tài)。非晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)換所影響的其他材料 性質(zhì)，還包含原子排列、自由電子密度與活化能。這種材料可轉(zhuǎn)換為 兩種相異的固態(tài)相，還可轉(zhuǎn)換為兩種固態(tài)相的組合，故可在大致非晶 相與大致結(jié)晶相之間，形成灰色地帶，材料的電子性質(zhì)亦將隨之轉(zhuǎn)換。
相變化合金可利用電脈沖改變相態(tài)。就過(guò)去的觀察，得知波長(zhǎng)較 短、振幅較大的脈沖，較傾向?qū)⑾嘧兓牧限D(zhuǎn)為通常的非晶態(tài)。波長(zhǎng) 較長(zhǎng)、而振幅較低的脈沖，則易將相變化材料轉(zhuǎn)為通常的結(jié)晶態(tài)。波 長(zhǎng)短、振幅高的脈沖，能量較高，足以破壞結(jié)晶態(tài)的鍵合，同時(shí)短波 長(zhǎng)可防止原子重新排列為結(jié)晶態(tài)。無(wú)須大量實(shí)驗(yàn)，即可獲得適當(dāng)?shù)拿} 沖參數(shù)，以應(yīng)用于特定的相變化合金。就此公開(kāi)的，相變化材料指 GST等，同時(shí)應(yīng)理解仍可采用其他相變化材料。在此，供存儲(chǔ)器裝置 制作所用的材料，為Ge2SbJes。
再度參照?qǐng)D1，可運(yùn)用如圖12所示的存取電路(access circuitry),將其與第一電極12和第二電極18連結(jié)，利用各種組態(tài) 設(shè)定的變化，控制存儲(chǔ)器單元的運(yùn)作；由此即可利用電腦程序，控制 相變化材料14，重復(fù)在存儲(chǔ)器材料中進(jìn)行兩種固態(tài)相之間的轉(zhuǎn)換。 例如，利用硫?qū)倩锵嘧兓鎯?chǔ)器材料，可將存儲(chǔ)器單元設(shè)定在相對(duì) 高電阻的狀態(tài)；其中，至少一部分的電流路徑橋(bridge)屬于結(jié)晶態(tài)。 又例如， 一種電脈沖的應(yīng)用，具有適當(dāng)?shù)亩滩ㄩL(zhǎng)高振幅特性，即可能 造成相變化材料14局部改變(locally change)為通常非晶態(tài)，如圖 1的29所示。
存儲(chǔ)器單元裝置10的工藝說(shuō)明，請(qǐng)參考圖2至圖10，其中說(shuō)明 示范工藝的各個(gè)階段代表圖。
參考圖2， 一種適于作為底部電極的材料層212形成在襯底210 的表面211之上；底部電極材料層212之上，形成一層相變化存儲(chǔ)器
材料214;以及，相變化存儲(chǔ)器材料層214之上，形成一層保護(hù)覆蓋層材料226。底部電極材料層212，可采用薄膜沉積等技術(shù)制作，例如，以濺 射法或原子層沉積法，令其附著在襯底210的表面211上。適當(dāng)?shù)牡?部電極層212可能包括兩層以上的材料，并依據(jù)其性質(zhì)，選擇附著在 連接層的材料上。例如，底部電極層212可能包含一層鈦薄膜，再在 鈦薄膜的表面形成一層氮化鈦薄膜。鈦與下方的半導(dǎo)體襯底(例如硅 化物)具有良好的附著性，同時(shí)氮化鈦與上方的GST相變化材料也具 良好附著性。此外，氮化鈦可作為優(yōu)良的擴(kuò)散屏障。底部電極可采用 多種材料，例如，包含Ta、 TaN、 TiAIN、 TaAIN;至于底部電極的材 料，則可由Ti、 W、 Mo、 Al、 Ta、 Cu、 Pt、 Ir、 La、 Ni、與Ru等元 素族與合金中選擇搭配，也可加入陶瓷。沉積工藝的條件，必須得以 提供電極層材料所需的適當(dāng)厚度與涵蓋范圍(coverage),同時(shí)提供良 好的絕熱性質(zhì)。襯底表面的底部電極厚度范圍約在200 rnn至400 nm 之間。底部電極層212上的相變化存儲(chǔ)器材料層214，可采用濺射法或 原子沉積法等薄膜沉積工藝制作。沉積工藝的條件，需要提供底部電 極上方相變化材料層足夠的厚度。襯底上的底部電極表面的相變化材 料層，厚度范圍約在20-200 nm之間。保護(hù)覆蓋層226在隨后的工藝中保護(hù)下方的相變化存儲(chǔ)器材料。 適于保護(hù)覆蓋層226的材料包含，例如氮化硅、Si02、 A1203、 Ta205， 而該覆蓋層可能采用CVD或PVD工藝制作。保護(hù)覆蓋層226的厚度范 圍約為5 nm至50 nm。底部電極層、相變化存儲(chǔ)器層、與保護(hù)覆蓋 層的結(jié)構(gòu)種類(lèi)，即如圖2。隨后，利用掩模與蝕刻工藝，在存儲(chǔ)器單元30上制作如圖3所 示的結(jié)構(gòu)，其中底部電極12的上方，還有相變化材料14與覆蓋層 326。覆蓋層326的表面315，可在光刻膠與蝕刻工藝中保護(hù)相變化 材料元件；此外，更可在某些實(shí)施例中，在除去(剝除)光刻膠步驟中 保護(hù)相變化材料元件。此時(shí)，層間電介質(zhì)填充層形成在襯底表面之上，同時(shí)亦形成在圖
案化的底部電極、存儲(chǔ)元件、與覆蓋層之上，而層間電介質(zhì)填充層之 上又再形成蝕刻停止層。層間電介質(zhì)填充層可能包括如低電介質(zhì)常數(shù)的電介質(zhì)材料，例如二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、A1203、或其他低 電介質(zhì)常數(shù)的電介質(zhì)物質(zhì)。此外，層間電介質(zhì)填充層的材料亦可能包 括Si、 Ti、 Al、 Ta、 N、 0與C等族群中的一種或多種元素組合。蝕 刻終止層的材料，則可能包含氮化硅等。通孔，則利用掩模與蝕刻工 藝制作，穿越蝕刻停止層與電介質(zhì)填充物。圖4展示依此制作的存儲(chǔ) 器單元通孔200，其位于蝕刻停止層20與電介質(zhì)填充物層211之上。 該通孔直達(dá)覆蓋層326的表面315，而該覆蓋層位于相變化材料元件 14之上。此時(shí)，可利用諸如氫氟酸浸漬等濕蝕刻技術(shù)，以在下方側(cè) 削電介質(zhì)填充材料，同時(shí)在電介質(zhì)填充物11中擴(kuò)大空洞300，如圖5 所示。完成存儲(chǔ)器單元的尺寸，將受到存儲(chǔ)器單元通孔尺寸的部分影 響，尤其受到下方側(cè)削程度的影響，諸如圖6與圖7所示。層間電介質(zhì)填充層的厚度可能約為100 nm至300 nm，而氮化硅 層的厚度范圍則約為10 nm至40 nm。通孔200的寬度范圍約為30 nm 至300 nm。穿越氮化硅層的開(kāi)口 220，則可能隨通孔200所采用的 特定光刻工藝設(shè)計(jì)方式，而有所變化(通常+/- 20 nm)。氮化硅層上 的開(kāi)口直徑220通常為環(huán)狀，例如直徑220約為200 nm +/-約20 nm。 蝕刻終止層20的材料，需選用相對(duì)于電介質(zhì)填充材料具有蝕刻選擇 性的；亦即，用以去除電介質(zhì)材料，以形成下方側(cè)削區(qū)域320的濕蝕 刻工藝，不可對(duì)蝕刻終止層20產(chǎn)生影響。其中二氧化硅為電介質(zhì)填 充材料，例如氮化硅即為適當(dāng)?shù)奈g刻終止層材料。下方削除的程度， 可由濕蝕刻的時(shí)間控制，例如，其通常變化范圍為+/-1.5nm。濕蝕 刻的條件，必須能在氮化硅層的開(kāi)口邊緣下方，提供寬度321范圍約 為5 nm至50 nm的下方側(cè)削區(qū)，造成寬度為311的空缺300，其寬 度約為氮化硅層的開(kāi)口寬度總值220加上下方側(cè)削區(qū)320的寬度321 的兩倍。保護(hù)覆蓋層326，可在制作通孔200的蝕刻工藝與拓展電介質(zhì)填 充物空洞300所運(yùn)用的濕蝕刻工藝中，保護(hù)下方的相變化存儲(chǔ)元件14。此時(shí)可在圖5的結(jié)構(gòu)上形成適合的絕熱材料，并在通孔中利用如 化學(xué)氣相沉積(CVD)等順形沉積工藝，形成如圖6所示的結(jié)構(gòu)。下方 側(cè)削的幾何結(jié)構(gòu)，以及沉積工藝的條件，均會(huì)影響絕熱材料600中空 洞610的種類(lèi)。空洞610大概位于存儲(chǔ)器單元通孔的中心位置?？斩?的形狀與寬度613(或直徑，因空洞通常為圓形，例如環(huán)狀)與下方側(cè) 削區(qū)域320的寬度相關(guān)；例如，若蝕刻終止層20的開(kāi)口通常為環(huán)狀， 通常則可預(yù)期空洞亦為環(huán)狀，同時(shí)可預(yù)測(cè)其直徑613約為下方側(cè)削區(qū) 321寬度的兩倍。適當(dāng)?shù)慕^熱材料600，包括電介質(zhì)材料，也可能為氧化物，如二 氧化硅?？赡苡衅渌训慕^熱材料，而絕熱材料的選擇，同時(shí)需將 層間電介質(zhì)填充層的材料納入部分考量；尤其，較之層間電介質(zhì)填充 層ll，絕熱材料600為更佳的絕熱材料，效能至少提升10%。因此， 若層間電介質(zhì)層包括二氧化硅，絕熱層600的導(dǎo)熱數(shù)"k即pa"最好 小于該二氧化硅的0.014J/cm*K*sec。低介電常數(shù)材料屬于絕熱層 600所需的代表性材料之一，其中包括由硅(Si)、碳(C)、氧(O)、氟 (F)、與氫(H)所構(gòu)成的組合。其他適于絕熱材料600的選擇，包含 SiCOH、聚亞酰胺(polyimide)、聚酰胺(polyamide)以及氟碳聚合物。 至于其他可用在絕熱層600的材料例子則為氟化Si02、硅酸鹽、芳香 醚、聚對(duì)二甲苯(parylene)、聚合氟化物、非晶氟化碳、類(lèi)金剛石 碳、多孔二氧化硅、中孔二氧化硅(mesoporous silica)、多孔硅酸 鹽、多孔聚亞酰胺與多孔芳香醚。單一層或多層結(jié)構(gòu)的組合，均可提 供絕熱功能。其他具體實(shí)施例中，絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)均需小于非晶 態(tài)的相變化材料GST，即小于0.003 J/cm*K*sec。稍后施以各向異性蝕刻(例如反應(yīng)離子蝕刻)，以去除部分的絕熱 材料。蝕刻工藝需持續(xù)至覆蓋層316的表面暴露為止，并需暴露相變 化元素14的表面15上的區(qū)域13，方可停止。某些具體實(shí)施例中， 第一次蝕刻條件為去除絕熱材料，而第二次蝕刻條件則為除去覆蓋層 部分(例如，可能利用不同的蝕刻化學(xué)品)。圖7顯示由此建立的結(jié)構(gòu)。 蝕刻停止層20上的所有絕熱材料均遭去除；同時(shí)，部分存儲(chǔ)器單元 空隙的絕熱材料亦遭去除，并在相變化材料表面附近形成孔隙712; 該孔隙界定出頂部電極的作用部；此外，較寬的空缺710將劃分頂部 電極的主體部分。下方側(cè)削區(qū)320保護(hù)其下的絕熱材料，留下剩余部 分720，鄰近于空隙側(cè)壁與空隙側(cè)壁旁的相鄰相變化材料。當(dāng)相變化 材料表面的小區(qū)域13暴露在孔隙712的底部時(shí)，蝕刻即停止；蝕刻 停止后仍保留剩余部分722，而此部分將決定孔隙712的形狀與大小。 頂部電極作用部的大小，以及頂部電極與相變化材料接觸面積的大 小，均有部分受到空隙位置和尺寸的影響，以及受到絕熱材料600的 的沉積均勻程度影響。尤其，孔隙712底部的相變化材料14上，所 露出的小區(qū)域13的寬度(例如，若為環(huán)狀則為直徑)，即與蝕刻條件 一樣，也受到空隙形狀和尺寸的影響。如前述，空隙的寬度(或直徑) 與下方側(cè)削區(qū)的寬度有關(guān)，而并非受到通孔寬度的影響；通常空隙的 寬度，大約為下方側(cè)削區(qū)寬度的兩倍?？障兜奈恢?以及孔隙712)大 約位于通孔的中央，同時(shí)由在存儲(chǔ)器材料元素具有一較大的區(qū)域，故 無(wú)須將通孔精確對(duì)準(zhǔn)于存儲(chǔ)器材料元素。暴露的小區(qū)域13不須為任何特定形狀，例如，通常可能為圓形 (如環(huán)狀)、或其他形狀、亦可能為不規(guī)則形狀。若該小區(qū)域?yàn)榄h(huán)狀， 小區(qū)域13半徑約可為10 nm至100 nm，例如20 nm至50 nm，或約 30 nm。利用此處所記載的條件，就下方側(cè)削區(qū)的寬度的估計(jì)的尺寸 大小約為5 nm至50 nm，例如10nm至25nm，或約15nm。此時(shí)可在存儲(chǔ)器單元空洞中，形成頂部電極。如圖示的實(shí)施例中， 頂部電極包含由內(nèi)襯(加熱)部分所包圍的核心。就本實(shí)施例而言，該 內(nèi)襯在圖7的構(gòu)造上，沉積適當(dāng)?shù)膬?nèi)襯材料，形成如圖8的構(gòu)造。內(nèi) 襯材料可填充孔隙712，形成頂部電極的作用部17;同時(shí)也在其他結(jié) 構(gòu)表面上形成薄膜723。適當(dāng)?shù)膬?nèi)襯材料包含氮化鉭、氮化鈦、氮化 鎢、TiW。沉積工藝的條件必須能夠提供電極層材料適當(dāng)?shù)暮穸扰c足 夠的覆蓋率。隨后即可在圖7的結(jié)構(gòu)上，沉積適當(dāng)?shù)牟牧显诳杖敝校?形成頂部電極的核心，如圖9中的900所示。該核心材料可采用化學(xué) 器相沉積(CVD)等沉積方法。而頂部電極900，則可能為鴇等材料。 此外尚有其他適合作為頂部電極核心的材料，就金屬而言，可采用銅、
白金、釕、銥、以及其合金。頂部電極可采用多種材料，例如包含Ta、 TaN、 TiAIN、 TaAIN; 或者，頂部電極材料亦可包括由Ti、 W、 Mo、 Al、 Ta、 Cu、 Pt、 Ir、 La、 Ni與Ru等族群中，選擇一種或多種元素，制成合金，或加入陶 瓷。隨后，以平坦化工藝去除上方材料，直達(dá)氮化硅層20的表面922， 以形成完整的存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)如圖10。圖11A顯示本發(fā)明的二相變化隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元100、 102的 代表圖。該單元100、 102形成在半導(dǎo)體襯底110之上。諸如淺溝槽 絕緣(STI)電介質(zhì)溝槽112等絕緣結(jié)構(gòu)，作為兩行存儲(chǔ)器單元存取晶 體管的絕緣體。存取晶體管由襯底110上的共同源極區(qū)域116與襯底 112上的漏極區(qū)域115與117所形成。多晶硅中布有字線113與114， 此二者組成存取晶體管的柵極。共同源極線119形成在源極區(qū)域116 之上，而第一電介質(zhì)層111則沉積在襯底110之上，并覆蓋前述多晶 硅字線與共同源極線。接觸拴塞103、 104(例如鎢)形成在填充層111 的通孔中，而該通孔位于存儲(chǔ)器單元100與102的漏極區(qū)域115、 117 之上。 一般而言，存儲(chǔ)器單元100與102的制作，通常可依據(jù)前述圖 2至圖10的方法；同時(shí)存儲(chǔ)器單元101與102的結(jié)構(gòu)，通常會(huì)與第 一圖中的存儲(chǔ)器單元IO相同。隨后，底部電極材料層沉積在第一電 介質(zhì)填充層之上，存儲(chǔ)器材料層沉積在底部電極材料層之上，而保護(hù) 覆蓋材料層也沉積在底部電極材料層之上。上述各層均已圖案化 (patterned),以形成底部電極，用以連接底部電極上的接觸插座、 存儲(chǔ)元件、和存儲(chǔ)元件上的覆蓋層。第二電介質(zhì)填充層121則沉積在 前述結(jié)構(gòu)之上，而第二電介質(zhì)填充層之上又沉積蝕刻停止層，蝕刻停 止層與第二電介質(zhì)填充層再經(jīng)過(guò)掩模與蝕刻工藝，形成通孔，之后再 利用濕蝕刻技術(shù)，制作空洞；該空洞位于蝕刻終止層的開(kāi)口邊緣處， 并具有下方側(cè)削區(qū)域。此時(shí)在空洞之中沉積絕熱材料(形成空隙)，并 在該絕熱材料與覆蓋層之上施以各向異性蝕刻，形成空缺，并暴露存 儲(chǔ)元素表面的一塊小區(qū)域，而頂部電極則形成在該空洞之中。該結(jié)構(gòu) 的上層表面經(jīng)平坦化程序，同時(shí)位線(bit line) 141形成在存儲(chǔ)器
單元之上，與頂部電極的上層表面產(chǎn)生接觸。圖IIB顯示編程的電流路徑(箭頭129)，如本發(fā)明的圖1與圖11A 所述，穿越存儲(chǔ)器單元。該電流由Ml共同源極線119流向源極區(qū)域 116，隨后進(jìn)入漏極區(qū)域115，再由漏極區(qū)域115穿越接觸拴塞103， 進(jìn)入存儲(chǔ)器單元110，并穿越存儲(chǔ)器單元100至位線141。圖12為存儲(chǔ)器陣列的代表圖，其操作方法如下。依據(jù)圖2所示， 一共同源極線128、 一字線123、與一字線124以通常的Y軸平行方 向排列；位線141與142則以通常的X軸平行方向排列。因此，區(qū)塊 145中的一 Y解碼器(decoder)與一排線驅(qū)動(dòng)器即與字線123和124 耦合。區(qū)塊146中的一 X解碼器與一組感應(yīng)擴(kuò)大器(sense amplif ier) 即與位線141和142耦合。共同源極導(dǎo)線128與存取晶體管150、151、 152、和153的源極終端(source terminals)耦合，存取晶體管150 的柵極與字線123耦合、存取晶體管151與字線124耦合、存取晶體 管152與字線123耦合、而存取晶體管153則與字線124耦合。存取 晶體管150的漏極與存儲(chǔ)器單元135的底部電極單元(member) 132 耦合，而其頂部電極單元?jiǎng)t為134，與位線141耦合。同樣地，存取 晶體管151的漏極與存儲(chǔ)器單元136的底部電極單元133耦合，其頂 部電極137則與位線141耦合。存取晶體管152與153的相對(duì)應(yīng)存儲(chǔ) 器單元，同樣地與位線142進(jìn)行耦合。在此示意圖中，共同源極線 128由兩排存儲(chǔ)器單元所共享，其中一排的排列方式即如圖所示，為 Y軸方向。其他實(shí)施例中，可以二極體取代存取晶體管，而如有其他 可在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)陣列之中控制電流流向的結(jié)構(gòu)，亦可適用。圖13圖13圖13為依據(jù)圖12存儲(chǔ)器陣列示意圖，所展示之一布 局圖或平面圖，其內(nèi)容顯示圖11A中，半導(dǎo)體襯底層110之下的結(jié)構(gòu)。 其中省略某些特征，或以空白代表。字線123與124與源極導(dǎo)線28 平行排列，金屬位線141與142則布置在其上，與字線垂直。存儲(chǔ)器 單元裝置135的位置，位于所述金屬位線之下，但未顯示在本圖之中。存儲(chǔ)器單元10的實(shí)施例，包含相變化存儲(chǔ)器材料，該存儲(chǔ)器材 料14所采用的內(nèi)容物包含硫?qū)倩锊牧吓c其他材料。硫?qū)倩锟赡?包括氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)等四種元素，為元素周期表第六
族的一部分。硫?qū)倩锇蜃逶氐幕衔?，以及一種正電性較強(qiáng)的元素或化合物基(radical);硫?qū)倩锖辖饎t包括硫族元素與其他 元素的組合，例如過(guò)渡金屬。硫?qū)倩锖辖鹜ǔ０ㄒ环N以上的元素 周期表第六族元素，例如鍺(Ge)和錫(Sn)。通常，硫?qū)倩锖辖鹬邪?括一種以上的銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、與銀.(Ag)元素。文獻(xiàn)中已有 許多種類(lèi)的相變化存儲(chǔ)器材料，例如下列合金Ga/Sb、 In/Sb、 In/Se、 Sb/Te、 Ge/Te、 Ge/Sb/Te、 In/Sb/Te、 Ga/Se/Te、 Sn/Sb/Te、 In/Sb/Ge、 Ag/In/Sb/Te、Ge/Sn/Sb/Te、Ge/Sb/Se/Te、以及Te/Ge/Sb/S 。Ge/Sb/Te 的合金家族中，許多合金組合均可作為相變化存儲(chǔ)器材料，此類(lèi)組合 可特定為T(mén)eaGebSh。。-(a+b)。已有研究人員指出，效能最佳的合金，其沉 積材料中的Te平均濃度均低于70%，通常低于60%，而其范圍多為 23%至58%之間，最佳濃度又為48%至58%的Te。 Ge的濃度則為5%以 上，范圍約為8%至30%之間，通常低于50%。最優(yōu)選實(shí)施例中，Ge的 濃度范圍約為8%至40%。該組成中，最后一項(xiàng)主要組成元素為Sb。 上述百分比，指原子百分比，而總原子百分比100%即為組成元素的 總禾口。 (Ovshinsky' 112 patent, columns 10-11)。另一研究人員 所評(píng)估的特定合金包括Ge2Sb2Te5、 GeSb2Te4、與GeSb4Te7 (Noboru Tamada， "Potential of Ge-Sb-Te Phase-Change Optical Disks for High-Data—Rate—Recording" ， SPIE v. 3109， pp. 28-37 (1997))。 就更為普遍的面向，過(guò)渡金屬，例如鉻(Cr)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈮 (Nb)、鈀(Pd)、鉑(Pt)，與上述元素的合金，均可能與Ge/Sb/Te組 成相變化合金，并使其具備程序可編程電阻的性質(zhì)?？勺鳛榇鎯?chǔ)器材 料的特定例子，見(jiàn)于Ovshinsky， 112 at column 11-13，此處的所 記載的例子即為參考上述文獻(xiàn)所作出的組合。本發(fā)明的說(shuō)明如上，并附帶說(shuō)明相變化材料。然而，仍有其他可 編程材料，可作為存儲(chǔ)器材料。就本應(yīng)用而言，存儲(chǔ)器材料指可施加 能量以改變電性(例如電阻)的材料，而此種改變可為階梯狀區(qū)間、 或?yàn)檫B續(xù)變化、亦可為兩者的組合。其他實(shí)施例中，還可采用他種可 編程電阻存儲(chǔ)器材料，包含摻雜N2的GST、 GexSby、或其他利用晶相 變化決定電阻的；也可采用PrxCayMn03、 PrSrMnO、 ZrO,或其他以電脈
沖改變電阻的材料；7， 7， 8, 8-tetracyanoquinodimethane(TCNQ)、 methanofullerene 6， 、 6—phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM)、 TCNQ-PCBM、 Cu-TCNQ、 Ag-TCNQ、 C60-TCNQ、 TCNQ摻雜其他 金屬、或其他具有雙重或多種穩(wěn)定電阻狀態(tài)，并可由電脈沖控制的高 分子材料。其他可編程電阻存儲(chǔ)器材料的例子，包含GeSbTe、 GeSb、 NiO、 Nb_SrTi03、 Ag-GeTe、 PrCaMnO、 Zn0、歸5、 Cr-SrTi03。若需更多關(guān)在制造、組成材料、使用與操作相變化隨^L存取存儲(chǔ) 器裝置的信息，請(qǐng)見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1/155,067，申請(qǐng)日2005年， 專(zhuān)禾U申i青名為 "Thin film fuse phase change RAM and manufacturing method"。其他實(shí)施例也屬于本發(fā)明的范疇。
權(quán)利要求
1、 一種存儲(chǔ)器裝置，包括-底部電極；存儲(chǔ)元素，其位于所述底部電極之上；以及 頂部電極，包括主體部分與作用部，其中所述頂部電極的所述 作用部的基底，與所述存儲(chǔ)元素的表面的一小區(qū)域電接觸。
2、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述存儲(chǔ)元件包括至少具有 兩種以上固態(tài)相的存儲(chǔ)器材料。
3、 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述至少兩種以上固態(tài)相的 存儲(chǔ)器材料，可利用施加穿越所述頂部電極與底部電極的電壓，可逆 地改變相態(tài)。
4、 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述至少兩種以上固態(tài)相的 存儲(chǔ)器材料，包括通常的非晶相與通常的結(jié)晶相。
5、 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述至少具有兩種以上固態(tài) 相的所述存儲(chǔ)器材料，包括合金，所述合金的材料包括Ge、 Sb、 Te 組成的組合。
6、 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述至少具有兩種以上固態(tài) 相的存儲(chǔ)器材料，包括合金，所述合金的材料包括由兩種或以上Ge、 Sb、 Te、 Se、 In、 Ti、 Ga、 Bi、 Sn、 Cu、 Pd、 Pb、 Ag、 S與Au等元 素組成的組合。
7、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電接觸的所述小區(qū)域具 有約為10nm至100nm的寬度范圍。
8、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電接觸的所述小區(qū)域具 有約為20nm至50nm的寬度范圍。
9、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電接觸的所述小區(qū)域具 有約為30nm的寬度。
10、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述頂部電極材料包括Ta、 TaN、 TiAIN、 TaAIN等材料之一。
11、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述頂部電極材料包括Ti、 W、 Mo、 Al、 Ta、 Cu、 Pt、 Ir、 La、 Ni與Ru等材料之一，或上述材 料合金之一。
12、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述頂部電極材料包括陶瓷。
13、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述頂部電極包括內(nèi)襯與核心。
14、 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述內(nèi)襯包括從氮化鉭、 氮化鈦與氮化鎢所選擇的合金。
15、 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述核心包括從W、 Cu、 Pt、 Ru、 Ir與其合金所選擇的材料。
16、 存儲(chǔ)器裝置，包括 襯底；電極，其位于所述襯底之上； 存儲(chǔ)元素，其與所述電極有電接觸；電介質(zhì)填充層，其位于所述存儲(chǔ)元素、所述電極、與所述襯底之 上，所述電介質(zhì)填充層包括空洞，所述空洞延伸穿越所述存儲(chǔ)元素，并具有一寬度；蝕刻停止層，其位于所述電介質(zhì)填充層上，所述蝕刻停止層具有 一開(kāi)口，穿越所述電介質(zhì)填充層空洞，所述開(kāi)口具有一寬度，所述寬 度小于所述電介質(zhì)填充層空洞寬度，所以一開(kāi)口邊緣上方突出在所述 電介質(zhì)填充層空洞之外；以及第二電極，其位于所述電介質(zhì)填充層空洞中，所述第二電極包括 主體部分與作用部，其中所述作用部的基底與所述存儲(chǔ)元素的表面的 一小區(qū)域電接觸。
17.如權(quán)利要求16所述的存儲(chǔ)器裝置，其中所述電接觸區(qū)域具有 約為在所述蝕刻停止層中所述開(kāi)口邊緣上方突出部分寬度的兩倍的 寬度。
18、 如權(quán)利要求16所述的存儲(chǔ)器裝置，其中所述第二電極位于 所述電介質(zhì)填充層空洞中，并為絕熱材料所包圍。
19、 如權(quán)利要求18所述的存儲(chǔ)器裝置，其中所述第二電極的所 述作用部位于所述絕熱材料的孔隙之中。
20、 如權(quán)利要求19所述的存儲(chǔ)器裝置，其中所述孔隙具有約為 在所述蝕刻停止層中所述開(kāi)口邊緣上方突出部分寬度的兩倍的寬度。
21、 一種形成存儲(chǔ)器單元的電極的方法，包括 在存儲(chǔ)元素上提供電介質(zhì)填充層； 在所述電介質(zhì)填充層上提供蝕刻停止層；形成通孔穿越所述電介質(zhì)填充層與開(kāi)口穿越所述蝕刻停止層，其 中所述蝕刻停止層開(kāi)口的邊緣，突出一刃邊在所述電介質(zhì)填充通孔之 外；在所述通孔中沉積電介質(zhì)種類(lèi)材料，其中在所述電介質(zhì)種類(lèi)材料 中形成空洞；各向異性蝕亥,述種類(lèi)材料以在所述種類(lèi)材料中形成孔隙，且暴露所述存儲(chǔ)元素的表面的一小區(qū)域；以及 在所述孔隙中沉積電極材料。
22、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述種類(lèi)的材料包括絕熱 材料。
23、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中形成所述通孔的步驟，包 括去除一部分位于所述蝕刻停止層開(kāi)口邊緣之下的所述電介質(zhì)填充 材料。
24、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述空洞的寬度約為所述 開(kāi)口邊緣寬度的兩倍。
25、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述存儲(chǔ)元素的所述表面 的所述小區(qū)域的寬度，約為所述開(kāi)口邊緣寬度的兩倍。
26、 一種制造存儲(chǔ)器單元裝置的方法，包括 提供襯底；在所述襯底的表面上形成底部電極層； 在所述底部電極層之上形成存儲(chǔ)器材料層； 將所述存儲(chǔ)器材料層與所述底部電極層圖案化以形成存儲(chǔ)元素 與底部電極；在所述存儲(chǔ)元素、所述底部電極與所述襯底之上形成金屬間電介 質(zhì)填充層；形成通孔，所述通孔穿越所述蝕刻停止層與所述電介質(zhì)填充層， 以暴露所述存儲(chǔ)元素的一區(qū)域，而所述通孔還包括在所述蝕刻停止層 中的開(kāi)口；去除一定數(shù)量的所述電介質(zhì)填充材料(層)以形成所述通孔的內(nèi) 壁，形成空洞，以及在所述蝕刻停止層的所述開(kāi)口邊緣下方生成下方側(cè)削區(qū)；在所述空洞中的所述存儲(chǔ)器材料之上沉積絕熱材料，其中在所述 絕熱材料之中形成空隙；各向異性蝕刻所述絕熱材料以暴露所述存儲(chǔ)元素的表面的一小 區(qū)域，并形成孔隙在所述絕熱材料中鄰近所述存儲(chǔ)元素處，以及較寬 空洞在所述絕熱材料中；以及在所述孔隙與所述較寬空洞中沉積電極材料以形成頂部電極。
27、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中形成所述存儲(chǔ)器材料層的 步驟，包括沉積至少具有兩種固態(tài)相的材料。
28、 如權(quán)利要求27所述的方法，其中形成所述存儲(chǔ)器材料層的 步驟，包括沉積至少具有兩種固態(tài)相的材料，所述固態(tài)相可通過(guò)施加 穿越所述底部電極與頂部電極的電壓，可逆地改變相態(tài)。
29、 如權(quán)利要求27所述的方法，其中形成所述存儲(chǔ)器材料層的 步驟，包括沉積至少具有兩種固態(tài)相的材料，所述固態(tài)相包括通常的 非晶態(tài)與通常的結(jié)晶態(tài)。
30、 如權(quán)利要求27所述的方法，其中形成所述存儲(chǔ)器材料層的 步驟，包括沉積合金，所述合金的材料包括Ge、 Sb、 Te組成的組合。
31、 如權(quán)利要求27所述的方法，其中形成所述存儲(chǔ)器材料層的 步驟，包括沉積合金，所述合金的材料包括由兩種或以上Ge、 Sb、 Te、 Se、 In、 Ti、 Ga、 Bi、 Sn、 Cu、 Pd、 Pb、 Ag、 S與Au等元素組 成的組合。
32、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中形成所述通孔穿越所述蝕 刻停止層與所述電介質(zhì)填充層的步驟，包括掩模與蝕刻步驟。
33、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中去除一定數(shù)量所述電介質(zhì) 填充材料(層)的步驟，包括濕蝕刻工藝。
34、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中形成所述頂部電極的步驟， 包括在所述孔隙與所述較寬空洞中形成內(nèi)襯，同時(shí)包括在所述內(nèi)襯之 上形成核心。
35、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中從所述通孔內(nèi)壁去除一定 數(shù)量所述電介質(zhì)填充材料(層)的步驟，包括形成下方側(cè)削區(qū)，其具有 約為5nm至50nm的寬度。
36、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中從所述通孔內(nèi)壁去除一定 數(shù)量所述電介質(zhì)填充材料(層)的步驟，包括形成下方側(cè)削區(qū)，其具有 約為10nm至25nm的寬度。
37、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中從所述通孔內(nèi)壁去除一定 數(shù)量所述電介質(zhì)填充材料(層)的步驟，包括形成下方側(cè)削區(qū)，其具有 約為15nm的寬度。
38、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述空洞的寬度約為所述 下方側(cè)削區(qū)寬度的兩倍。
39、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述存儲(chǔ)元素的所述表面 的所述小區(qū)域的寬度，約為所述下方側(cè)削區(qū)的寬度的兩倍。
全文摘要
一種存儲(chǔ)器單元裝置，這種裝置包括存儲(chǔ)材料，可通過(guò)施加能量在第一與第二(頂部與底部)電極，改變電性；其中該頂部電極包括較大的主體部分與作用部。該存儲(chǔ)材料以層狀沉積在底部電極層之上，同時(shí)頂部電極的作用部基底與存儲(chǔ)材料的表面小區(qū)域具有電接觸。制作上述裝置的方法也在其中描述。
文檔編號(hào)H01L45/00GK101145599SQ20071014728
公開(kāi)日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月11日
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