專利名稱：相變化存儲裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以相變化存儲材料為基礎(chǔ)的高密度存儲裝置，以及用以制造這種裝置的方法，其中相變化存儲材料包括硫?qū)倩锊牧吓c其他材料。
背景技術(shù)：
相變化存儲材料廣泛地用于讀寫光盤中。這些材料包括有至少兩種固態(tài)相，包括如大致為非晶態(tài)的固態(tài)相，以及大致為結(jié)晶態(tài)的固態(tài)相。激光脈沖用于讀寫光盤片中，以在二種相中切換，并讀取此種材料于相變化后的光學(xué)性質(zhì)。
如硫?qū)倩锛邦愃撇牧系倪@種相變化存儲材料，可通過施加其幅度適用于集成電路中的電流，而引起晶相變化。大致非晶態(tài)的特征為其電阻高于結(jié)晶態(tài)，此電阻值可輕易測量得到而用以作為指示。這種特性則引發(fā)使用可編程電阻材料以形成非易失性存儲器電路等興趣，此電路可用于隨機存取讀寫。
從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變至結(jié)晶態(tài)一般為低電流步驟。從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變至非晶態(tài)(以下指稱為重置(reset))一般為高電流步驟，其包括短暫的高電流密度脈沖以融化或破壞結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其后此相變化材料會快速冷卻，抑制相變化的過程，使得至少部份相變化結(jié)構(gòu)得以維持在非晶態(tài)。理想狀態(tài)下，引起相變化材料從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變至非晶態(tài)的重置電流幅度應(yīng)越低越好。欲降低重置所需的重置電流幅度，可通過減低在存儲器中的相變化材料元件的尺寸、以及減少電極與此相變化材料的接觸面積而實現(xiàn)，因此可針對此相變化材料元件施加較小的絕對電流值而實現(xiàn)較高的電流密度。
此領(lǐng)域發(fā)展的一種方法致力于在集成電路結(jié)構(gòu)上形成微小孔洞，并使用微量可編程的電阻材料填充這些微小孔洞。致力于這種微小孔洞的專利包括于1997年11月11日公告的美國專利No.5,687,112，題為“Multibit Single Cell Memory Element Having Tapered Contact”、發(fā)明人為Ovshinky；于1998年8月4日公告的美國專利No.5,789,277，題為“Method of Making Chalogenide[sic]Memory Device”、發(fā)明人為Zahorik等；于2000年11月21日公告的美國專利No.6,150,253，題為“Controllable Ovonic Phase-Change Semiconductor Memory Deviceand Methods of Fabricating the Same”、發(fā)明人為Doan等。
當(dāng)以非常微小尺寸制造這種裝置且工藝參數(shù)必須符合大尺寸存儲裝置所要求的嚴格工藝規(guī)范時，會遭遇到問題。因此，較佳地能提供一種存儲單元結(jié)構(gòu)與制造這種結(jié)構(gòu)的方法，其具有微小尺寸與低重置電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的涉及相變化存儲裝置，其包括存儲單元存取層、與選擇性地連接至存儲單元存取層的存儲單元層，其包括以平板印刷(photolithograph)方式形成的相變化存儲單元。此存儲單元包括第一與第二電極，其分別具有相對且分隔的第一與第二接觸元件，以及位于第一與第二接觸元件間的相變化元件，其可將第一與第二接觸元件彼此電連接。相變化元件具有寬度、長度與厚度，長度測量于第一與第二接觸元件間的方向，且寬度測量與長度垂直的方向。長度、厚度與寬度小于用以形成相變化存儲單元的工藝的最小平板印刷特征尺寸。在某些實施例中，此最小平板印刷特征尺寸約為200納米，而此長度為約10至100納米，寬度為約10至50納米，且厚度為約10至50納米。
本發(fā)明的另一目的涉及一種用以制造相變化存儲裝置的方法。形成存儲單元存取層于襯底上，此存儲單元存取層包括存取裝置以及上表面。形成存儲單元層，其選擇性地連接至存儲單元存取層，此存儲單元層包括以平板印刷方式形成的相變化存儲單元。此存儲單元包括第一與第二電極，其分別具有相對且分隔的第一與第二接觸元件，以及相變化元件，其置于此第一與第二接觸元件間，并將此第一與第二接觸元件彼此電連接。相變化元件包括寬度、長度、以及厚度。此存儲單元層形成步驟包括縮減用于存儲單元層形成步驟中的光阻掩模的尺寸，使得相變化元件的長度與寬度小于用以形成相變化存儲單元的工藝的最小平板印刷特征尺寸。
本發(fā)明所述的方法用以形成相變化元件，其用于相變化隨機存取存儲裝置(PCRAM)的存儲單元中，此方法可用以其他裝置中的制造微小的相變化柵極、導(dǎo)橋、或其他類似結(jié)構(gòu)。
以下詳細說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與方法。本發(fā)明內(nèi)容說明書部分的目的并非在于限定本發(fā)明。本發(fā)明由權(quán)利要求書所限定。凡本發(fā)明的實施例、特征、目的及優(yōu)點等將可通過下列說明書、權(quán)利要求書及附圖獲得充分了解。


圖1及圖2為本發(fā)明所制造的相變化存儲裝置的各元件立體圖與簡化剖面圖。
圖3-25示出用以制造如圖1與2中所示的相變化存儲裝置的方法。
圖3-4示出了用以制造圖2的存儲單元存取層的最后步驟。
圖4A示出了圖4的存儲單元存取層的替代實施例。
圖5示出了沉積相變化材料層與第一阻擋層于圖4的存儲單元存取層上的結(jié)果。
圖6與7為位于第一阻擋層上的第一光阻掩模的側(cè)視與俯視圖。
圖8與9示出了圖6與7的掩模經(jīng)過修剪的結(jié)果。
圖10與11示出了圖8的第一阻擋層經(jīng)過蝕刻、并接著移除圖8的掩模后的結(jié)果。
圖12示出了圖10的結(jié)構(gòu)進行相變化材料層蝕刻的結(jié)果。
圖13示出了圖12的結(jié)構(gòu)沿著13-13線的剖面圖。
圖13A為類似于圖13的替代實施例的剖面圖，其為在相變化元件的側(cè)壁蝕刻后的結(jié)果。
圖13B為圖13A結(jié)構(gòu)進行阻擋層沉積而形成鄰近于相變化元件的空洞后的結(jié)果。
圖14與15示出了多個工藝步驟的結(jié)果，以生成三個由第二光阻掩模所定義的開口區(qū)域。
圖16示出了氧化物蝕刻步驟穿透開口區(qū)域的結(jié)果。
圖17示出了圖16的結(jié)構(gòu)進行掩模移除的結(jié)果。
圖18與19示出了側(cè)壁修剪步驟的結(jié)果。
圖20示出了對圖18的相變化元件結(jié)構(gòu)進行蝕刻的結(jié)果。
圖21示出了圖20的結(jié)構(gòu)進行電接觸加強層沉積、接著沉積導(dǎo)電體的結(jié)果。
圖22與22A示出了圖1的結(jié)構(gòu)進行化學(xué)機械研磨步驟后的結(jié)果。
圖22B與22C示出了圖22的結(jié)構(gòu)的替代實施例，其中相變化材料用以協(xié)助將相變化元件與電極熱隔離。
圖23示出了施加第二分隔層于圖22的結(jié)構(gòu)上的結(jié)果。
圖24與25為側(cè)視圖與俯視圖，示出栓塞通過第二分隔層中的通孔。
圖26-38示出了用以制造本發(fā)明的替代實施例的步驟，其中圖26示出了類似于圖5的結(jié)構(gòu)，但在相變化材料層之上與之下包括了分隔層。
圖27示出了在圖26的結(jié)構(gòu)上沉積掩模。
圖28為將圖27的掩模進行修剪。
圖29類似于圖10，且示出了蝕刻并將圖28的掩模移除后的結(jié)果。
圖30示出了另一蝕刻步驟后、接著移除圖29的經(jīng)蝕刻阻擋層的結(jié)果。
圖31示出了在圖30的結(jié)構(gòu)上沉積阻擋層的結(jié)果。
圖32示出了在圖31的結(jié)構(gòu)上形成掩模的結(jié)果。
圖33示出了蝕刻并移除圖32的掩模的結(jié)果。
圖34示出了在圖33的開口區(qū)域向下蝕刻材料至存儲單元存取層的上表面所形成的堆迭結(jié)果。
圖35示出了沉積電接觸加強層于圖34的結(jié)構(gòu)上的結(jié)果。
圖36示出了圖35的結(jié)構(gòu)在化學(xué)機械研磨步驟后的結(jié)果。
圖37示出了沉積分隔層于圖36的結(jié)構(gòu)上的結(jié)果。
圖38示出了生成通孔向下穿透至電接觸加強層，以導(dǎo)電材料填充此通孔，并以金屬層覆蓋此結(jié)構(gòu)，而生成圖1與2的相變化存儲裝置的替代實施例。
主要元件符號說明10 相變化裝置12 存取層14 襯底16 存儲單元層18，20 存取晶體管21 摻雜層22，24 漏極26，28 源極30，32 柵極34 共同源極線35，36 栓塞35A，36A栓塞延伸部分38 上表面40 介質(zhì)薄膜層40A 介質(zhì)填充層42 第一電極44 第二電極46 第三電極48、50 溝槽
52、54相變化元件56相變化元件長度58相變化元件厚度60相變化元件寬度62導(dǎo)電位線64分隔層65主體部分66通孔67導(dǎo)電栓塞68源極栓塞69電接觸加強材料70介質(zhì)材料70A 相變化材料層71經(jīng)蝕刻的阻擋層72第一阻擋層73厚度74第一光阻掩模76較小掩模78第一尺寸80第一相變化元件結(jié)構(gòu)80A 經(jīng)蝕刻的側(cè)壁結(jié)構(gòu)81水平尺寸82第一阻擋層結(jié)構(gòu)84第二阻擋層86第一分隔層87經(jīng)蝕刻的第一分隔層88第二光阻掩模90、92、94開口區(qū)域95側(cè)壁尺寸102 電接觸加強材料
104導(dǎo)電材料105上表面106金屬導(dǎo)體元件108電接觸加強元件110相變化材料層112襯底分隔層114上分隔層116經(jīng)蝕刻的襯底分隔層118經(jīng)蝕刻的阻擋層120深度蝕刻上分隔層124經(jīng)蝕刻的襯底分隔層128上表面132氧化物134表面136氧化物138通孔140接觸栓塞具體實施方式
后續(xù)的發(fā)明說明將參照特定結(jié)構(gòu)實施例與方法?？梢岳斫獾氖?，本發(fā)明的范疇并非限制于特定所揭露的實施例，且本發(fā)明可利用其他特征、元件、方法與實施例進行實施。在各實施例中的類似元件將以類似標(biāo)號指定。
圖1與2為本發(fā)明的一個實施例的相變化裝置10的二個視圖。裝置10大致包括形成于襯底14上的存儲單元存取層12，以及形成于存取層12上的存儲單元層16。在本實施例中，存取層12包括第一與第二存取晶體管18、20。存取晶體管18、20包括了第一與第二漏極22、24、第一與第二源極26、28、第一與第二多晶硅字線作為第一與第二柵極30、32、以及共同源極線34。共同源極線34接觸至第一與第二源極26、28。若有需要，可提供給第一與第二源極26、28各自獨立的源極線。存取晶體管18、20大致上為傳統(tǒng)的配置，但并不必然如此。同時，存取層12可包括存取晶體管以外的存取裝置。第一與第二栓塞35、36從存儲存取層12的上表面開始，延伸通過介質(zhì)薄膜層40而到達摻雜層21。
存儲單元層16包括接觸至上表面38及第一栓塞35的第一電極42、接觸至上表面38的第二電極44、以及接觸至上表面38及第二栓塞36的第三電極46。第一與第二電極42、44由溝槽48所分隔，而第二與第三電極44、46則由溝槽50所分隔。第一與第二相變化元件52、54形成于第一與第二溝槽48、50中，介于上表面38之間并與其接觸，同時接觸至側(cè)壁，側(cè)壁定義電極42、44、46。如圖2所示，第一與第二相變化元件52、54具有長度56與厚度58。如圖1所示，每一第一與第二相變化元件52、54具有寬度60。二個相變化元件的長度56、厚度58、以及寬度60，典型地相等，但不必然如此。如下所詳述，相變化元件52、54的尺寸被最小化，以減少在二相態(tài)之間變化所需要的電流，此二相態(tài)包括電阻較低的大致結(jié)晶態(tài)以及電阻較高的大致非晶態(tài)。
存儲單元層16包括導(dǎo)電位線62，其由分隔層64而與電極42、44、46分隔，分隔層典型地由如二氧化硅等介質(zhì)材料所構(gòu)成。通孔形成于第二分隔層64中，而導(dǎo)電栓塞67延伸穿過此通孔66，以電連接位線62與第二電極44。
存儲裝置10實質(zhì)上與美國專利臨時申請No.60/736,722的圖1與2所示的存儲裝置相似，但具有以下例外。本發(fā)明的電極42、44、46均包括被電接觸加強材料69所包覆的主體部分65。材料69做為接觸元件而與相變化元件52、54接觸，以加強在電極42、44、46與相變化元件之間的電接觸。主體部分65典型地由鎢所構(gòu)成，而電接觸加強材料69典型地為氮化鈦，雖然亦可使用其他如TaAlN、WAIN、TiAlN等電接觸加強材料。
接著參照圖3-2詳述一種用以制造相變化存儲裝置的方法。存儲單元存取層12典型地由公知技術(shù)所制造。圖3與4說明了用以制造存儲單元存取層12的最后步驟。源極栓塞68從上表面38延伸到摻雜層21、介于第一與第二柵極30，32之間。源極栓塞68鄰接于上表面38的部分被移除(典型地以蝕刻方式移除)，且被蝕刻移除的區(qū)域以介質(zhì)材料70填充。之后，上表面38受到化學(xué)機械研磨，以使得上表面適合進行存儲單元層16的沉積。
圖4A示出存儲單元存取層12的替代實施例，其中蝕刻源極栓塞68的步驟被取代，而是沉積另一介質(zhì)填充層40A、接著形成栓塞35、36的延伸部分35A、36A穿過介質(zhì)填充層40A。圖5示出了圖4的存儲單元存取層12沉積相變化材料層70A于上表面38上，并沉積第一阻擋層72(也稱為覆蓋層)的結(jié)果，層72典型地為氮化硅氧氣阻擋層。相變化材料層70具有厚度73，其對應(yīng)圖1的厚度58。層70較佳越薄越好，但仍能維持相變化導(dǎo)橋52、54的功能特性。在本實施例中，層70、72的厚度均為約20納米。當(dāng)由下述的公知相變化材料所構(gòu)成時，厚度73較佳地介于約10至50納米之間，且更佳地不大于約20納米，其遠小于用以形成掩模74(下述)所使用的最小平板印刷特征尺寸，典型為200納米。
圖6與示出了形成第一光阻掩模74于第一阻擋層72上的結(jié)果。掩模74典型地由蝕刻方式所制成，且為用以形成相變化元件52、54的第一道掩模。圖8與9示出了光阻氧氣等離子體修剪步驟，以生成較小掩模76，其具有第一尺寸78，此第一尺寸對應(yīng)圖1的寬度60。在本實施例中，第一尺寸78為約40納米，遠小于用以形成掩模74的最小平板印刷特征尺寸，其典型為200納米。第一尺寸78較佳為約10至50納米之間，且更加不大于約40納米。
圖10與11示出了蝕刻層72不被較小掩模76所覆蓋的部分，接著移除掩模76。圖12示出了蝕刻相變化材料層70A的結(jié)果。這些步驟以及用以減少側(cè)壁尺寸的選擇性側(cè)壁蝕刻步驟，造成了第一相變化元件結(jié)構(gòu)80以及第一阻擋層結(jié)構(gòu)82，其形狀與圖11所示出的較小掩模76相同。
圖13為沿著線13-13所做的簡化剖面圖。圖13A示出了圖13的結(jié)構(gòu)，針對相變化元件結(jié)構(gòu)80所進行的選擇性側(cè)壁蝕刻步驟，以生成經(jīng)蝕刻側(cè)壁結(jié)構(gòu)80A，其水平尺寸81小于結(jié)構(gòu)82的水平尺寸，結(jié)構(gòu)82的水平尺寸典型地為約40納米。圖13B示出圖13A的結(jié)構(gòu)進行一阻擋層84B的沉積以生成空洞85的結(jié)果?？斩?5加強了相變化元件結(jié)構(gòu)80A的絕熱效果，而有助于減少所需要的相變化電流，進而改善元件性能。
圖14與15示出了數(shù)個工藝步驟的結(jié)果。典型由氮化硅所構(gòu)成的第二阻擋層84，沉積于結(jié)構(gòu)82、80以及上表面38的外露部分之上。典型地由如二氧化硅等氧化物所構(gòu)成的第一分隔層86，沉積于第二阻擋層84之上，在本實施例中層86的厚度為約300納米。典型地由平板印刷方式形成的第二光阻掩模88，形成于第一分隔層86之上。掩模88具有第一、第二、第三開口區(qū)域90、92、94，其向下延伸至第一分隔層86。
圖16示出了氧化物蝕刻步驟的結(jié)果，其中第一分隔層86的部分被移除，以將開口區(qū)域90、92、94向下延伸到第二阻擋層84，留下經(jīng)蝕刻的第一分隔層87。圖17示出了掩模88移除后的結(jié)果。
圖18與19示出了圖17的結(jié)構(gòu)在適當(dāng)?shù)膫?cè)壁修剪步驟后的結(jié)果，以減少經(jīng)蝕刻第一分隔層87的側(cè)壁尺寸95。此步驟生一薄且經(jīng)蝕刻的第一分隔層89，其厚度實質(zhì)上小于最小平板印刷特征尺寸，較佳為約20至150納米，且更佳為約60納米。此工藝可利用包括氫氟酸浸沾或193納米步進機而進行類似于公知的掩模修剪工藝。尺寸95對應(yīng)相變化元件52、54的長度56。
圖20示出了以適用于各層的成分的適當(dāng)蝕刻技術(shù)，蝕刻第二阻擋層84、第一阻擋層結(jié)構(gòu)82、以及第一相變化元件結(jié)構(gòu)80的結(jié)果。在本實施例中，薄且經(jīng)蝕刻的第一分隔層89作用為蝕刻層84、82、80的掩模。此步驟造成了第一與第二相變化元件52、54的生成。
圖21示出了圖20的結(jié)構(gòu)在沉積電接觸加強材料102(典型為氮化鈦)、接著沉積導(dǎo)電材料104(典型為鎢)的結(jié)果。層1 02用以加強在電極42、44、46與相變化元件52、54之間的電接觸?；瘜W(xué)機械研磨步驟接著用以生成如圖22與22A所示的結(jié)構(gòu)，包括表面105以及電極42、44、46。每一電極42、44、46包括從導(dǎo)電材料104所形成的金屬導(dǎo)體元件106、以及從電接觸加強層102所形成的電接觸加強元件108。
圖22B示出了替代實施例，其中相變化材料層110沉積于經(jīng)蝕刻結(jié)構(gòu)的側(cè)壁112上，從元件89到表面38，同時請參照圖20。之后，電接觸加強層102與導(dǎo)電材料104沉積于開口區(qū)域90、92、94中，如圖21與22所述。圖22C的實施例類似于圖22B的實施例，但層110同時覆蓋了表面38。在二個實施例中，層110有助于改善相變化元件52、54與電極間的絕熱效果。此步驟有助于減少相變化元件52、54所需要的轉(zhuǎn)換電流，進而改善元件性能。
如圖23所示，第二分隔層64施加至表面105之上，且通孔66形成且穿過層64，以接觸至第二電極44。第二導(dǎo)電材料層接著施加于層64之上，以生成位線62于層64之上。所生成的相變化裝置10如圖1與圖所示。
栓塞35、36、37典型地由鎢所構(gòu)成，而共同源極線34與位線62典型地由銅金屬化所構(gòu)成；其他類型的金屬化如鋁、氮化鈦、以及含鎢材料等，也可被使用。
另一替代實施例將參照圖26-38而進行討論。此實施例的初始制造步驟與圖1-4相同。圖26示出了與圖5類似的結(jié)構(gòu)，但同時包括了襯底分隔層112(位于上表面38與相變化材料層70之間)以及上分隔層114(位于層70與72之間)。二分隔層112、114典型地由二氧化硅所構(gòu)成。其他如SiN等材料也可被用于二分隔層112、114之中。圖27類似于圖6，并包括掩模74沉積于層72之上。圖27的俯視圖與圖7相同。圖28類似于圖8，示出掩模74的修剪步驟以或的較小掩模76，其俯視圖與圖9相同。圖29類似于圖10，示出蝕刻阻擋層72的結(jié)果，以生成經(jīng)蝕刻的阻擋層71，并移除掩模76。圖29的俯視圖與圖11相同。圖30類似于圖12，并示出蝕刻分隔層114與相變化材料層70的結(jié)果，接著移除經(jīng)蝕刻阻擋層71。此步驟造成了經(jīng)蝕刻的襯底分隔層116以及第相變化元件結(jié)構(gòu)80。
圖31示出了第二阻擋層84(典型為氮化硅)沉積于層116、結(jié)構(gòu)80、與層112上的結(jié)果。之后，如圖32所示，掩模88(典型地為氮化硅)形成于層84之上，其中形成有開口區(qū)域90、92、94。俯視圖與圖15相同。如圖33所示，層84以及層116位于開口區(qū)域90、92、94下的部分被移除，且接著移除掩模88，留下經(jīng)蝕刻的阻擋層118以及深度蝕刻上分隔層120。圖34示出了堆迭蝕刻在開口區(qū)域90、92、94下的材料、穿過襯底分隔層112而到達層40的上表面38的結(jié)果。此步驟生成經(jīng)蝕刻襯底分隔層124，而相變化元件52、54彼此分隔于上表面38上，且因此于存儲單元存取層12上分隔。阻擋層118位于相變化元件52、54上的部分，在蝕刻襯底分隔層112時作用為保護覆蓋層。
圖35示出了電接觸加強層126(典型為氮化鈦)沉積于圖34結(jié)構(gòu)的上表面128、側(cè)壁130、以及上表面38上的結(jié)果。圖36示出了沉積氧化物132(例如SiO2)、接著進行化學(xué)機械研磨以生成表面134的結(jié)果。之后，氧化物或其他分隔層136沉積于上表面134上，如圖37所示。通孔138形成且穿過氧化物層136與132，接著進行金屬化，典型地形成鎢栓塞140于通孔138之中。金屬層142覆蓋了氧化物層136以及接觸栓塞140。所生成的相變化存儲裝置10如圖38所示。
存儲單元的實施例，包括了在相變化元件52、54中使用相變化存儲材料，包括硫?qū)倩锊牧吓c其他材料。硫?qū)倩锇ㄏ铝兴脑刂械娜我环N氧(O)、硫(S)、硒(Se)、以及碲(Te)，形成元素周期表上第VI族的部分。硫?qū)倩锇▽⒁涣驅(qū)僭嘏c一更為正電性的元素或自由基結(jié)合而得。硫?qū)倩衔锖辖鸢▽⒘驅(qū)倩衔锱c其他物質(zhì)如過渡金屬等結(jié)合。硫?qū)倩衔锖辖鹜ǔ０ㄒ粋€以上選自元素周期表第六欄的元素，例如鍺(Ge)以及錫(Sn)。通常，硫?qū)倩衔锖辖鸢ㄏ铝性刂幸粋€以上的復(fù)合物銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、以及銀(Ag)。許多以相變化為基礎(chǔ)的存儲材料已在技術(shù)文件中進行了描述，包括下列合金鎵/銻、銦/銻、銦/硒、銻/碲、鍺/碲、鍺/銻/碲、銦/銻/碲、鎵/硒/碲、錫/銻/碲、銦/銻/鍺、銀/銦/銻/碲、鍺/錫/銻/碲、鍺/銻/硒/碲、以及碲/鍺/銻/硫。在鍺/銻/碲合金家族中，可以嘗試大范圍的合金成分。此成分可以下列特征式表示TeaGebSb100-(a+b)。
一位研究員描述了最有用的合金為，在沉積材料中所包括的平均碲濃度遠低于70％，典型地低于60％，并在一般類型的合金中的碲含量范圍從最低23％至最高58％，且最佳為介于48％至58％得到碲含量。鍺的濃度高于約5％，且其在材料中的平均范圍從最低8％至最高30％，一般低于50％。最佳地，鍺的濃度范圍介于8％至40％。在此成分中所剩下的主要成分則為銻。上述百分比為原子百分比，其為所有組成元素總和為100％。(Ovshinky‘112專利，欄10～11)由另一研究者所評估的特殊合金包括Ge2Sb2Te5、GeSb2Te4、以及GeSb4Te7。(Noboru Yamada，”Potential of Ge-Sb-Te Phase-changeOptical Disks for High-Data-Rate Recording”，SPIE v.3109，pp.28-37(1997))更一般地，過渡金屬如鉻(Cr)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈮(Nb)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、以及上述的混合物或合金，可與鍺/銻/碲結(jié)合以形成相變化合金，其包括有可編程的電阻性質(zhì)?？墒褂玫拇鎯Σ牧系奶厥夥独鏞vshinsky‘112專利中欄11-13所述，其范例在此列入?yún)⒖肌?br> 相變化合金能在此單元活性通道區(qū)域內(nèi)依其位置順序在材料為一般非晶態(tài)的第一結(jié)構(gòu)狀態(tài)與為一般結(jié)晶固體狀態(tài)的第二結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間切換。這些材料至少為雙穩(wěn)定態(tài)的?！胺蔷А币辉~指相對較無次序的結(jié)構(gòu)，其比單晶更無次序性，而帶有可檢測的特征，如比結(jié)晶態(tài)更高的電阻值。“結(jié)晶態(tài)”指相對較有次序的結(jié)構(gòu)，其比非晶態(tài)更有次序，因此包括有可檢測的特征，例如比非晶態(tài)更低的電阻值。典型地，相變化材料可電切換至完全結(jié)晶態(tài)與完全非晶態(tài)之間所有可檢測的不同狀態(tài)。其他受到非晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)的改變而影響的材料特中包括，原子次序、自由電子密度、以及活化能。此材料可切換成為不同的固態(tài)、或可切換成為由兩種以上固態(tài)所形成的混合物，提供從非晶態(tài)至結(jié)晶態(tài)之間的灰階部分。此材料中的電性質(zhì)也可能隨之改變。
相變化合金可通過施加電脈沖而從一種相態(tài)切換至另一相態(tài)。先前觀察指出，較短、較大幅度的脈沖傾向于將相變化材料的相態(tài)改變成大體為非晶態(tài)。較長、較低幅度的脈沖傾向于將相變化材料的相態(tài)改變成大體為結(jié)晶態(tài)。在較短、較大幅度脈沖中的能量夠大，因此足以破壞結(jié)晶結(jié)構(gòu)的鍵結(jié)，同時夠短因此可以防止原子再次排列成結(jié)晶態(tài)。在沒有不適當(dāng)實驗的情形下，可決定特別適用于特定相變化合金的適當(dāng)脈沖量變曲線。在本文的后續(xù)部分，此相變化材料以GST代稱，同時應(yīng)該了解，也可使用其他類型的相變化材料。在本文中所描述的一種適用于PCRAM中的材料，為Ge2Sb2Te5。
本發(fā)明參照相變化材料而說明。然而，也可使用其他存儲材料(有時稱為可編程材料)。如本發(fā)明中所使用的，存儲材料為其電性質(zhì)如電阻等，可以通過施加能量而改變者。此改變可為階梯性改變或連續(xù)性改變，或為二者的組合。
可用于本發(fā)明其它實施例中的其它可編程的存儲材料包括，摻雜N2的GST、GexSby、或其它以不同結(jié)晶態(tài)變化來決定電阻的物質(zhì)；PrxCayMnO3、PrSrMnO、ZrOx、TiOx、NiOx、WOx、經(jīng)摻雜的SrTiO3或其它利用電脈沖以改變電阻狀態(tài)的材料；或其它使用電脈沖以改變電阻狀態(tài)的物質(zhì)；四氰代二甲基苯醌(7，7，8，8-tetracyanoquinodimethane，TCNQ)、甲烷富勒烯66苯基C61丁酸甲酯(methanofullerene 6，6-phenyl C61-butyric acid methyl ester，PCBM)、TCNQ-PCBM、Cu-TCNQ、Ag-TCNQ、C60-TCNQ、以其它物質(zhì)摻雜的TCNQ、或任何其它聚合物材料其包括有以電脈沖而控制的雙穩(wěn)態(tài)或多穩(wěn)態(tài)電阻態(tài)?？删幊屉娮璐鎯Σ牧系钠渌独℅eSbTe、GeSb、NiO、Nb-SrTiO3、Ag-GeTe、PrCaMnO、ZnO、Nb2O5、Cr-SrTiO3。
關(guān)于相變化隨機存取存儲裝置的制造、元件材料、使用、操作等額外信息，請參照美國專利申請案No.11/155,067，申請日為2005/1/17，發(fā)明名稱為“Thin Film Fuse Phase Change Ram andManufacturing Method”。
本發(fā)明所述的實施例的優(yōu)點包括，在電極與相變化元件間的較佳電接觸。此外，使用一熱絕緣材料于電極與相變化材料之間，加強了電極與相變化元件間的熱絕緣效果。相變化元件的長度、寬度、與厚度的限制，確保相變化元件的體積小于用以形成相變化存儲單元的最小平板印刷特征尺寸的三次方。因此，用于重置與編程的電流被限制于微小體積內(nèi)，允許了以較低重置電流位階與較低重置能量位階，而實現(xiàn)較高電流密度以及局部加熱效果。
雖然本發(fā)明已參照較佳實施例加以描述，應(yīng)該所了解的是，本發(fā)明并不受限于其詳細描述的內(nèi)容。替換方式及修改方式已在先前描述中建議，并且其他替換方式及修改方式將為本領(lǐng)域的技術(shù)人員可想到的。特別是，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與方法，所有具有實質(zhì)上相同于本發(fā)明的構(gòu)件結(jié)合而實現(xiàn)與本發(fā)明實質(zhì)上相同結(jié)果的，皆不脫離本發(fā)明的精神范疇。因此，所有這些替換方式及修改方式意欲落在本發(fā)明所附的權(quán)利要求書及其等價物所界定的范疇中。
任何在前文中提及的專利申請以及公開文本，均列為本申請的參考。
權(quán)利要求
1.一種相變化存儲裝置，包括存儲單元存取層；以及存儲單元層，其選擇性地連接至該存儲單元存取層，該存儲單元層包括以平板印刷方式形成的相變化存儲單元，該存儲單元包括第一與第二電極，其分別具有相對且分隔的第一與第二接觸元件；相變化元件，其位于該第一與第二接觸元件之間，并將該第一與第二接觸元件彼此電連接；該相變化元件包括寬度、長度、以及厚度，該長度測量于該第一與第二接觸元件間，且該寬度測量與該長度垂直的方向；以及每一該長度、厚度、與寬度小于用以形成該相變化存儲單元的最小平板印刷特征尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該第二電極包括金屬栓塞元件，其連接至該第二接觸元件并與該第二接觸元件分隔。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中該接觸元件包括一氮化鈦層，其延伸于該相變化元件與該金屬栓塞元件之間。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該相變化元件設(shè)置于鄰接至該存儲單元存取層處。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該相變化元件設(shè)置于與該存儲單元存取層分隔之處。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中該相變化元件以氧化物與該存儲單元存取層分隔。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該存儲單元層包括在該些電極與該相變化元件之間的電接觸加強材料，以加強在該些電極與該相變化元件之間的電接觸。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中該接觸加強材料包括氮化鈦。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該存儲單元層包括在該些電極與該相變化元件之間的熱絕緣材料，以加強在該些電極與該相變化元件之間的熱絕緣。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該存儲單元層包括電接觸加強材料、與熱絕緣材料于該些電極與該相變化元件以及該電接觸加強材料之間，以加強在該些電極與該相變化元件之間的熱絕緣與電接觸。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該相變化元件具有通過電流而可逆地誘發(fā)的二個固態(tài)相。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該相變化元件具有通過施加電壓至一個以上的該電極而可逆地誘發(fā)的二個固態(tài)相。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該相變化元件具有至少二固態(tài)相，其包括大致非晶相以及大致結(jié)晶相。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該相變化元件包括存儲材料，該存儲材料包括合金，其包括鍺、銻、與碲的組合。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該相變化元件包括存儲材料其包括合金，該合金包括二個或以上選自下列組的材料的組合鍺、銻、碲、硒、銦、鈦、鎵、鉍、錫、銅、鈀、鉛、銀、硫與金。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該第一與第二電極包括選自下列組的一個元素鈦、鎢、鉬、鋁、鉭、銅、鉑、銥、鑭、鎳、釕、及其合金。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該最小平板印刷特征尺寸約200納米。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該長度介于約10至100納米之間。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該長度不大于約60納米。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該寬度介于約10至50納米之間。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該寬度不大于約40納米。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該厚度介于約10至50納米之間。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該厚度不大于約20納米。
24.一種用以制造相變化存儲裝置的方法，包括形成存儲單元存取層于襯底上，該存儲單元存取層包括存取裝置以及上表面；形成存儲單元層，其選擇性地連接至存儲單元存取層，該存儲單元層包括以平板印刷方式形成的相變化存儲單元，該存儲單元包括第一與第二電極，其分別具有相對且分隔的第一與第二接觸元件；相變化元件，其置于該第一與第二接觸元件之間，并將該第一與第二接觸元件彼此電連接；該相變化元件包括寬度、長度、以及厚度，該長度測量于該第一與第二接觸元件間，且該寬度測量與該長度垂直的方向；以及該存儲單元層形成步驟的進行使得該相變化元件的體積小于用以形成該相變化存儲單元的最小平板印刷特征尺寸的三次方；以及位于該相變化元件與該第一接觸元件之間的接觸區(qū)域，由該相變化元件的寬度與厚度所定義，小于該最小平板印刷特征尺寸的二次方。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中該存儲單元層形成步驟包括減少用于該存儲單元層形成步驟中所使用的掩模尺寸，使得該相變化元件的該長度與寬度的至少一個小于該最小平板印刷特征尺寸。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其中該存儲單元層形成步驟包括進行濕蝕刻工藝以至少定義部份該寬度與該長度的至少一個。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該存儲單元層形成步驟包括，以熱絕緣材料覆蓋該接觸元件的至少一部份。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中該接觸元件覆蓋步驟利用相變化材料而進行。
29.如權(quán)利要求24所述的方法，其中該存儲單元層形成步驟包括，在該第一與第二接觸元件以及該相變化元件之間形成電接觸加強材料，以加強與該相變化元件的電接觸。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中該存儲單元層形成步驟包括以熱絕緣材料覆蓋該電接觸材料的至少一部份。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，還包括使用與該相變化元件相同的材料作為該電接觸材料。
32.一種用以制造相變化存儲裝置的方法，包括形成存儲單元存取層于襯底上，該存儲單元存取層包括存取裝置與上表面；沉積相變化材料層于該上表面上；沉積第一阻擋層于該相變化材料層上；形成第一掩模于該第一阻擋層上；縮減該第一掩模的尺寸，以生成第一縮小掩模，其具有第一尺寸，該第一尺寸小于在該第一掩模形成步驟中的最小平板印刷特征尺寸；蝕刻該第一阻擋層未被該第一縮小掩模所覆蓋的部分，以外露該上表面并生成第一阻擋層結(jié)構(gòu)；移除該第一縮小掩模；蝕刻該相變化材料層未被該第一阻擋層結(jié)構(gòu)所覆蓋的部分，以生成第一相變化元件結(jié)構(gòu)；沉積第二阻擋層于該第一相變化元件結(jié)構(gòu)以及該上表面上；沉積第一分隔層于該第二阻擋層上；形成第二掩模于該第一分隔層上；蝕刻該第一分隔層未被該第二掩模所覆蓋的部分；移除該第二掩模；縮減該第一分隔層的尺寸以生成較小的第一分隔層，其具有第二尺寸，該第二尺寸小于該第二掩模形成步驟的該最小平板印刷特征尺寸；針對未被該較小第一分隔層所覆蓋的所有材料向下蝕刻至該上表面，以生成從該上表面延伸的第一與第二材料堆迭，該第一與第二材料堆迭包括彼此分隔的第一與第二相變化元件；以電接觸加強材料覆蓋該些材料堆迭及該上表面；涂布導(dǎo)電體于該電接觸加強層上以生成電極，該些電極通過該電接觸加強材料而接觸至該相變化元件；涂布第二分隔層于該些電極與該些材料堆迭上；形成通孔穿過該第二分隔層以對該些電極中的選定者形成開口；以及涂布第二導(dǎo)電材料于該第二分隔層上與該通孔中。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，還包括在該電接觸加強材料覆蓋步驟之前，沉積相變化材料層于該第一與第二材料堆迭上。
34.如權(quán)利要求32所述的方法，還包括在該電接觸加強材料覆蓋步驟之前，沉積相變化材料層于該第一與第二材料堆迭與該上表面上。
35.一種用以制造相變化存儲裝置的方法，包括形成存儲單元存取層于襯底上，該存儲單元存取層包括存取裝置與上表面；沉積底分隔層于該上表面上；沉積相變化材料層于該底分隔層上；沉積上分隔層于該相變化材料層上；沉積第一阻擋層于該上分隔層上；沉積第一掩模于該第一阻擋層上；縮減該第一掩模以生成第一較小掩模，其具有第一尺寸，該第一尺寸小于該第一掩模形成步驟的最小平板印刷特征尺寸；蝕刻該第一阻擋層未被該較小掩模所覆蓋的部分，以生成第一阻擋層結(jié)構(gòu)；移除該較小掩模；針對該上分隔層與該相變化材料層未被該第一阻擋層結(jié)構(gòu)所覆蓋的部分進行蝕刻，以生成經(jīng)蝕刻的上分隔層與第一相變化元件結(jié)構(gòu)；移除該第一阻擋層結(jié)構(gòu)；沉積第二阻擋層于該經(jīng)蝕刻上分隔層與該第一相變化元件結(jié)構(gòu)及該上表面上；形成第二掩模于該第二阻擋層上；蝕刻該第二阻擋層未被該第二掩模所覆蓋的部分，以生成經(jīng)蝕刻的阻擋層；移除該第二掩模；針對未被該較小第一分隔層所覆蓋的所有材料向下蝕刻至該上表面，以生成從該上表面延伸的第一與第二材料堆迭，該第一與第二材料堆迭包括彼此分隔的第一與第二相變化元件；以電接觸加強材料覆蓋該些材料堆迭與該上表面，使得該電接觸加強材料接觸至該些相變化元件；施加第二分隔層于該電接觸加強材料與該些材料堆迭上；形成通孔穿過該第二分隔層，以對該電接觸加強材料產(chǎn)生開口；以及涂布導(dǎo)電材料于該第二分隔層上以及該通孔中。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中該第二分隔層施加步驟包括沉積第一數(shù)量的分隔材料，接著進行一表面平坦化工藝于該第一數(shù)量的該分隔材料上，以及接著沉積第二數(shù)量的分隔材料。
全文摘要
一種相變化存儲裝置，其包括以光平板印刷方式形成的相變化存儲單元，此單元包括第一與第二電極、以及相變化元件置于此二電極的兩個相對接觸元件之間，并將此二接觸元件彼此連接。相變化元件具有寬度、長度與厚度。此長度、厚度與寬度小于用以形成此相變化存儲單元之工藝的最小光平板印刷特征尺寸。用以形成此存儲單元的光阻掩模尺寸可以被縮小，使得相變化元件的長度與寬度小于上述的最小光平板印刷特征尺寸。
文檔編號G11C13/00GK101075630SQ200710002210
公開日2007年11月21日 申請日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月13日
發(fā)明者龍翔瀾, 陳士弘 申請人:旺宏電子股份有限公司