專利名稱：以一次可編程熔斷器/抗熔斷器組合為基礎(chǔ)的存儲單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及可編程存儲單元。具體而言，本發(fā)明涉及一次可編程存儲單元。
背景技術(shù)：
近年來對半導(dǎo)體裝置的需求驚人地增加。人們極易發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代世界上消費性電子產(chǎn)品的急劇擴張。大多數(shù)甚至全部消費性電子產(chǎn)品均因半導(dǎo)體裝置的發(fā)展而獲得成功。隨著消費性電子產(chǎn)品愈來愈小、愈來愈復(fù)雜和愈來愈便宜，今天市場要求用較低成本獲得密度愈來愈高的包括存儲器在內(nèi)的半導(dǎo)體裝置。
在存儲器領(lǐng)域內(nèi)，對密度愈來愈高、成本愈來愈低的要求是個特別現(xiàn)實的問題。對于非易失性存儲器一即在無供應(yīng)電源時數(shù)據(jù)不致丟失的存儲器尤其如此。
非易失性存儲器可為一次可編程(“OTP”)或可重編程的。正如名稱所意味的那樣，OTP存儲器一旦編程后，在所有的實踐中均是永久性的。大多數(shù)OTP存儲器可分為4類1)抗熔斷器；2)熔斷器；3)電荷存儲器(EPROM可擦除編程只讀存儲器)和4)掩模只讀存儲器。
上述的現(xiàn)有OTP存儲技術(shù)是以比4λ2一交叉點存儲器的最小單元尺寸一大得多的單元尺寸為基礎(chǔ)的。此外在每種情況下，存儲單元包括由單晶硅基體構(gòu)成的存儲元件一個單獨的平面，讀出和編程電子器件位于存儲陣列的外圍。由于在先有技術(shù)中單晶硅晶體管是存儲元件中的集成零件，所以為了增加密度而把存儲層互相疊加是不可能的，結(jié)果便難以制成高密度和低成本的OTP存儲器。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，一個存儲單元的實施例可能包括一個在第一方向上伸展的上導(dǎo)體和一個在第二方向上伸展的下導(dǎo)體。該上導(dǎo)體和下導(dǎo)體在兩個導(dǎo)體的交會處構(gòu)成一個重疊區(qū)。上、下導(dǎo)體是電連接的。該存儲單元也可包括一個在上、下導(dǎo)體之間重疊區(qū)內(nèi)形成的熔斷器。該熔斷器也可和上、下導(dǎo)體成電連接。此外，存儲單元可以包括一個同熔斷器電串聯(lián)的抗熔斷器。該抗熔斷器也在上、下導(dǎo)體之間形成。熔斷器可以是垂直取向的，即電流基本上垂直地在熔斷器內(nèi)流動。
另一方面，一個制造存儲單元的方法實例可以包括制成一個在第一方向上伸展的上導(dǎo)體和一個在第二方向上伸展的下導(dǎo)體，從而在上、下導(dǎo)體的交會處構(gòu)成一個重疊區(qū)。上、下導(dǎo)體互相間有電連接。該方法亦可包括在上、下導(dǎo)體的交叉點上制成一個熔斷器。該方法還可進一步包括制成一個和熔斷器電學(xué)串聯(lián)的抗熔斷器。
上述公開的實施例能夠達到一定目的。例如，存儲單元的尺寸得以大大減小，這樣便能以低得多的成本提供高密度的OTP存儲單元。此外，該存儲單元也可以用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體加工過程和材料制造，因此除了現(xiàn)有近代化的生產(chǎn)設(shè)備以外，只需很少甚至無需投資。再則，電流在存儲單元內(nèi)的流動基本上垂直于基體平面，這樣能將單元塞入毗鄰導(dǎo)體之間，特別是該單元可以置于導(dǎo)體交叉點陣列的交會處，形成交叉點OTP存儲陣列。該交叉點存儲陣列可以制成其每個存儲單元的平面面積為4λ2。這些陣列的平面可以互相疊加，從而使密度大大增加。


通過下述參照附圖的說明，將使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員清楚了解本發(fā)明的特點，附圖中圖1A為按照本發(fā)明原理的存儲單元第一實施例的橫截面；圖1B為圖1A第一實施例的頂視圖，表示存儲單元的交叉點性質(zhì)；圖1C-1D示出圖1A第一實施例的變型；圖2A-2G為存儲單元第一實施例制造方法實例的橫截面；圖2A-2、2D-2、2A-3和2D-3示出為了制造圖1C-1D所示的變型而對存儲單元第一實施例的制造方法所作的改進；圖3A為按照本發(fā)明原理的存儲單元第二實施例的橫截面；圖3B為圖3A第二實施例的頂視圖，表示存儲單元的交叉點性質(zhì)；圖3C-3E為圖3A第二實施例的變型；圖4A-4G為存儲單元第二實施例制造方法實例的橫截面；
圖5A示出本發(fā)明一個方面的抗熔斷器實例的電阻特性；圖5B示出本發(fā)明一個方面的熔斷器實例的電阻特性；圖5C示出本發(fā)明一個方面的熔斷器/抗熔斷器串聯(lián)組合實例的電阻特性和電流特性。
具體實施例方式
為了簡單和直觀起見，本發(fā)明的原理將主要參考實施例予以說明。但是，業(yè)內(nèi)人士極易認識到同樣的原理適用于許多型式的存儲單元及其制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一些方面，存儲單元一般位于兩個導(dǎo)體例如交叉點的重疊區(qū)內(nèi)。存儲單元一般包括同一個抗熔斷器串聯(lián)的一個熔斷器。抗熔斷器為一初始電阻高的元件，在加上臨界電壓和臨界電流后，電阻變成較低。
圖5A示出本發(fā)明一個方面的抗熔斷器實例的電阻特性。如圖所示，該抗熔斷器的初始電阻較高，為R1AF。在t0時間加上臨界電壓VC后，電流開始流過抗熔斷器。在t1時間，該抗熔斷器擊穿而達到較低的電阻R2AF。如果繼續(xù)施加電壓VC，則在t1時間后，將有大電流流過抗熔斷器。
構(gòu)成抗熔斷器的絕緣材料有被導(dǎo)電材料分隔開的多層疊積絕緣材料、含有彌散摻雜導(dǎo)體的絕緣材料結(jié)合體、非晶態(tài)和晶態(tài)半導(dǎo)體材料、相變材料、多層疊積Si和硅化物生成金屬的組合材料等等。一般，抗熔斷器夾在兩種導(dǎo)電材料之間，以便施加能跨越抗熔斷器的電壓。絕緣材料包括類如碳、SiOx、SiNx、SiOxNy、AlOx、TaOx、TiOx和AlNx等的金剛石；非晶態(tài)和晶態(tài)半導(dǎo)體材料包括Si、Ge、Si和Ge的合金、GaAs等等；相變材料包括下述元素中至少兩種元素的合金Si、Ge、As、Se、In、Sn、Sb、Te、Pb和Bi等。硅化物生成金屬包括W、Pt、Pd、Co、Ni、Ti等和它們的合金。
如果絕緣材料用作抗熔斷器。則抗熔斷器的厚度最好為0.5-50nm。但是，該厚度可以根據(jù)情況設(shè)定在任意范圍內(nèi)，例如，如果要求較大電流在擊穿前條件下流過抗熔斷器，則絕緣體的厚度可以選為小于5nm，因而有適度電壓的較大量子力學(xué)隧道電流流過。如果使用非晶態(tài)和晶態(tài)半導(dǎo)體材料，則厚度最好為1～100nm。另外，厚度可為變化的。
如上所述，該抗熔斷器是一個初始電阻高的元件，然而當(dāng)加上臨界電壓時，電阻便變得較低。達到不同電阻狀態(tài)的機理因材料而異。例如由相變材料構(gòu)成的抗熔斷器，當(dāng)非晶態(tài)時，則電阻高；晶態(tài)時則電阻低。還有，由多層Si和硅化物生成金屬構(gòu)成的抗熔斷器，當(dāng)多層尚未變?yōu)楣杌飼r，電阻便高；當(dāng)所述多層變成硅化物時，電阻便低。在兩種情況下，電阻狀態(tài)高和低之間有許多量級存在。
另舉一例，如果采用一絕緣體型抗熔斷器，電流在臨界電壓VC前靠電子隧道效應(yīng)通過金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)的絕緣勢壘，其單元比電阻可能甚大，例如大到107Ω-μm2的量級。但當(dāng)超過臨界電壓VC后，勢壘由于金屬通過絕緣體的遷移而擊穿，單元比電阻可以跌至100Ω-μm2以下。在層狀絕緣體和含有滲雜導(dǎo)體的絕緣體內(nèi)，有相同的電流傳輸和擊穿機理在起作用。
和抗熔斷器不同，熔斷器為一初始電阻低的元件，然而當(dāng)加上臨界電流后，便變成高電阻，大多數(shù)變成開路。該熔斷器可為一薄膜電阻器，并可由類如半導(dǎo)體(如Si、Ge)、導(dǎo)體(如Al、Cu、Ag、Au、Pt)、低熔點材料(如Zn、Sn、Pb、In)、耐火材料(如Ta、W)、過渡金屬(Ni、Cr)等和它們的合金構(gòu)成。如果該熔斷器為垂直取向的—即熔斷器內(nèi)的電流流動方向基本上垂直—甚至更有利，因為采用垂直取向的熔斷器可以使存儲元件做得極小。
圖5B為本發(fā)明一個方面熔斷器實例的電阻特性。如圖所示，該熔斷器的初始電阻較低，為R1F。該低電阻一直維持到t1時間臨界電流IC開始流過時，此時熱效應(yīng)I2R促使熔斷器的電阻升高，造成熱逸出，即電阻增加導(dǎo)致額外的I2R熱效應(yīng)，進一步又增加電阻等等。最后，該I2R熱效應(yīng)使熔斷器熔化，在t2時間變成開路R2F。因此，擁有一熔斷器的存儲元件表現(xiàn)出兩種狀態(tài)第一或初始狀態(tài)的電阻為R1F，可以通過熔斷器材料和幾何尺寸的選擇而控制在特定值上；第二或最終狀態(tài)的電阻為R2F，此時為一開路。
對于由一個熔斷器和抗熔斷器組合構(gòu)成的存儲元件，其編程方式為下述兩種之一如果要求第二種狀態(tài)，則加電壓VC，造成臨界電流IC；如果要求第一種狀態(tài)，則聽其自然。第一和第二狀態(tài)的檢測方法是加輸入電壓VR和檢查是否存在電流。有電流表示該存儲單元處于第一狀態(tài)，無電流則為第二狀態(tài)。
如上所述，存儲單元一般包括串聯(lián)的一個熔斷器和一個抗熔斷器。圖5C示出本發(fā)明一個方面串聯(lián)熔斷器/抗熔斷器組合實例的電阻(實線表示)和電流(虛線表示)特性。開始時，組合的電阻以抗熔斷器的高電阻R1AF為主，但當(dāng)t0時間加上足夠大的電壓一VC—時，該抗熔斷器按前文所述在t1時間擊穿。
此時如圖所示在t1時間附近，電阻曲線劇降說明熔斷器和抗熔斷器兩者的電阻均低。由于電阻低，流過熔斷器/抗熔斷器組合的電流變成極高，即產(chǎn)生臨界電流IC，使熔斷器如前文所述熔化。
熱逸出過程使該組合的電阻升高，最后使熔斷器在t2時間擊穿而變?yōu)殚_路。此時，該組合的電阻以開路R2F為主。結(jié)果如圖5C中的虛線所示，電流在t2時間變?yōu)榱?。t0和t2的時間間隔可能極短，但能使快速編程實現(xiàn)。
這樣一來，由串聯(lián)的熔斷器和抗熔斷器構(gòu)成的存儲單元有兩種狀態(tài)第一或初始狀態(tài)的電阻值是有限的(一般以R1AF為主)，在此第一狀態(tài)下，由于電阻值有限，故流過某個數(shù)量的電流；第二狀態(tài)的電阻值是無限的(開路R2F)，結(jié)果可能無電流流過單元(見圖5C中的虛線)。
注意存儲單元并非絕對需要抗熔斷器。但是在一個不包括同存儲單元串聯(lián)的二極管或晶體管的交叉點存儲陣列內(nèi)，抗熔斷器為特殊存儲單元編程提供了選擇性。此外，該抗熔斷器的初始電阻高也能使熔斷器的單獨電阻降到任意值，同時不致?lián)p害讀出陣列中單獨存儲單元的能力。
此外，抗熔斷器的電阻可因加在存儲單元上的電壓水平不同而變化。此一特性能被用來提高存儲裝置內(nèi)抗熔斷器所提供的存儲單元選擇功能。
圖1A示出按照本發(fā)明原理的存儲單元100的第一實施例的橫截面。如圖1A所示，存儲單元100第一實施例可以包括一下導(dǎo)體110和一位于下導(dǎo)體110上的第一絕緣體120。該第一絕緣體120在一封閉區(qū)185的周界周圍形成。如下文所述，該封閉區(qū)185一般占據(jù)由存儲器交叉點限定的區(qū)域。
為了形成下導(dǎo)體110，可以采用的材料有類如鋁、銅、金、鎢等和它們的任何合金。多晶硅亦可用于制造下導(dǎo)體110。為了制造第一絕緣體120，可以采用類如氧化硅和氮化硅、氧化鋁和氮化鋁、氮氧化硅等等的材料。
該存儲單元100亦可包括一個基本上占據(jù)封閉區(qū)185的抗熔斷器180。如前所述，制造該抗熔斷器180的材料可為絕緣體材料、被導(dǎo)電材料分隔開的多層疊積絕緣材料、含有彌散摻雜導(dǎo)體的絕緣材料結(jié)合體、非晶態(tài)和晶態(tài)半導(dǎo)體材料、相變材料、多層疊積Si和硅化物生成金屬的組合材料等等。圖1A表明該抗熔斷器被圖案化成一薄的晶片。但是這并非絕對必需。
該存儲單元100還可包括一熔斷器130和一絕緣塞140。該熔斷器130和該絕緣塞140可以分別基本上占據(jù)抗熔斷器180上方封閉區(qū)185的邊緣和中心。絕緣體120、熔斷器130和絕緣塞140的頂部可以共面。
為了制造熔斷器130，可以采用的材料有類如半導(dǎo)體(如Si、Ge)、導(dǎo)體(如Al、Cu、Ag、Au、Pt)、低熔點材料(如Zn、Sn、Pb、In)、耐火材料(如Ta、W)、過渡金屬(Ni、Cr)等和它們的任何合金。此外，用于制造第一絕緣體120的材料一般亦可用于制造絕緣塞140，雖然在某些實施例中，要求將絕緣塞140刻蝕留下一個空穴。
注意絕緣塞140并非絕對必需。絕緣塞140有助于控制平行于基體平面的平面內(nèi)的熔斷器130的橫截面積，例如同抗熔斷器180接觸的熔斷器130的面積。可以設(shè)想，如果制成的存儲單元具有合適的表面積，則絕緣塞140并非必需。
存儲單元100還可包括一個第二絕緣體150和一個上導(dǎo)體160，兩者均位于第一絕緣體120、熔斷器130和絕緣塞140的上方。上導(dǎo)體160可以采用和下導(dǎo)體110相似的材料制造。第二絕緣體150可以采用和第一絕緣體120及絕緣塞140相似的材料制造。
圖1A還表明絕緣塞140以熔斷器130的內(nèi)壁為界，而第一絕緣體120以其外壁為界。此種構(gòu)形使熔斷器130具有橫向絕熱性能，因而在加上電流后使熔斷器130的熱效應(yīng)更有效。但是熔斷器的壁亦非須由絕緣塞140和第一絕緣體120嚴(yán)格決定。
熔斷器130可以垂直取向，即熔斷器130內(nèi)的電流方向基本上垂直，雖然此亦非絕對必需。這樣可使存儲單元插入毗鄰導(dǎo)體之間。特別是該單元可以置于導(dǎo)體交叉點陣列的交會處，從而構(gòu)成一個交叉點OTP存儲陣列。這些陣列的平面可以互相重疊，從而大大增加密度。該熔斷器130的垂直高度可以等于或大于-在某些情況下，甚至大大大于-熔斷器130的寬度。
此外，雖然圖1A表明上導(dǎo)體160覆蓋封閉區(qū)185頂部的整個熔斷器130，但這并非實施本發(fā)明的要求。同樣，圖1A也表示下導(dǎo)體110覆蓋封閉區(qū)185底部的整個抗熔斷器180。雖然圖中表明全部覆蓋，但是要求的只是在上、下導(dǎo)體160和110之間存在一條導(dǎo)體途徑。因此，在下導(dǎo)體110、熔斷器130、抗熔斷器180和上導(dǎo)體160之間應(yīng)存在電連接，而下導(dǎo)體110、熔斷器130、抗熔斷器180和上導(dǎo)體160互相之間并非必須物理接觸。
圖1B為圖1A第一實施例的頂視圖，表明熔斷器130和絕緣塞140基本上占據(jù)位于上、下導(dǎo)體160和110的交叉點115內(nèi)封閉區(qū)185的邊緣和中心，抗熔斷器180(圖1B中未示出)的形狀可能和絕緣塞140與熔斷器130相同，或者可能超出熔斷器130而具有別的形狀。上、下導(dǎo)體160和110分別在其相應(yīng)的方向上伸展，構(gòu)成交叉點115(為示意起見用以虛線框起的區(qū)域表示)。雖然整個封閉區(qū)185位于交叉點115內(nèi)，但這并非絕對必需，如上所述，封閉區(qū)185內(nèi)上、下導(dǎo)體160和110之間保持貫通結(jié)構(gòu)的電連接才是唯一必需的。
為了簡化起見，圖1B不包括第一、第二絕緣體120和150。此外，為了示意起見，在交叉點上示出熔斷器130和絕緣塞140。但是該上導(dǎo)體160可以覆蓋整個熔斷器130和絕緣塞140。即使圖1B中表示交叉點115，但也僅需在上、下導(dǎo)體160和110之間建立起重疊區(qū)，即第一和第二方向不一定需要不一樣。
此外，在圖1B中，該封閉區(qū)185呈圓柱形，且熔斷器130基本上占據(jù)封閉區(qū)185的外環(huán)，而絕緣塞140基本上占據(jù)封閉區(qū)185的中心。但是，封閉區(qū)185的形狀不限，其可包括長方形、正方形和橢圓等其他封閉形狀。還有，絕緣塞140亦可僅占封閉區(qū)185內(nèi)部的一部分。
圖1C-1D示圖1A第一實施例的變型。圖1C示出的一薄導(dǎo)體190的位置能提高存儲單元的性能。圖1D示出兩個薄導(dǎo)體190和190b的位置可能達到同樣的目的。該薄導(dǎo)體190和/或190b能獨立控制毗鄰抗熔斷器180的材料，并為熔斷器130和抗熔斷器180之間提供較大的接觸面積。構(gòu)成該薄導(dǎo)體的材料可為鋁、銅、鎳、鈦、鎢、金、金屬氮化物、摻雜硅、鉭等和它們的合金。
在圖1C中，該薄導(dǎo)體190位于封閉區(qū)185內(nèi)抗熔斷器180和熔斷器130之間。如果只含一個單獨的薄導(dǎo)體，這是增加抗熔斷器180的上表面面積的優(yōu)選位置。在圖1D中，第一薄導(dǎo)體190同圖1C一樣位于抗熔斷器180和熔斷器130之間，但也包括位于下導(dǎo)體110和抗熔斷器180之間的第二薄導(dǎo)體190b。
包括薄導(dǎo)體190和/或190b的一個理由是為了加入比上導(dǎo)體160或下導(dǎo)體110的導(dǎo)熱性低的材料。導(dǎo)熱性較低的一層可能有助于存儲單元同上導(dǎo)體160或下導(dǎo)體110的隔熱。隔熱可更有效地利用由I2R過程產(chǎn)生的熱效應(yīng)。
采用非晶態(tài)或晶態(tài)半導(dǎo)體作抗熔斷器是包括薄導(dǎo)體190和/或190b的額外原因。首先，選擇和半導(dǎo)體接觸的導(dǎo)體材料決定著是形成整流接觸還是歐姆接觸。此接觸的性質(zhì)能影響抗熔斷器180的功能。其次在某些半導(dǎo)體的抗熔斷器中，低電阻狀態(tài)是靠通過半導(dǎo)體層的金屬遷移造成的。此過程取決于毗鄰半導(dǎo)體的金屬。薄導(dǎo)體190和/或190b為選擇導(dǎo)體110和160以及毗鄰半導(dǎo)體或抗熔斷器的金屬層提供了靈活性。
如前所述，絕緣塞140的部分或全部可以通過刻蝕而在絕緣塞140的區(qū)域內(nèi)留下一個空穴。此種構(gòu)形使毗鄰熔斷器130的熱傳導(dǎo)性減至極低，并為熔化的或蒸發(fā)的熔斷器材料的流入提供一個空間。這些特點減小了燒毀熔斷器130所必需的功率。
圖2A-2G示出制造圖1A存儲單元第一實施例方法實例的橫截面。如圖2A所示，將導(dǎo)電材料沉積和圖案化以形成下導(dǎo)體110。然后可在下導(dǎo)體110上如圖所示沉積抗熔斷材料180’。作為圖案化過程的一部分，下導(dǎo)體110可以在沉積抗熔斷材料180’前采用類如化學(xué)-機械拋磨(“CMP”)等的熟悉方法進行平面加工。類似地，抗熔斷材料180’亦能進行平面加工。
隨后可在抗熔斷材料180’上沉積一層介電膜140’。接著如圖2B所示，將該介電膜140’進行刻蝕以制成絕緣塞140?？梢圆捎霉饪谭ê涂涛g方法制成該絕緣塞140。
再往后如圖2C所示，在抗熔斷材料180’上沉積熔斷材料130’，甚至在絕緣塞140之上?？梢圆捎妙惾缭訉映练e(ALD)的沉積方法保證共形涂覆和精確控制熔斷材料130’的厚度。接著如圖2D所示，熔斷材料130’可通過刻蝕主要在絕緣塞140的壁上留下熔斷器130。此種方法極宜制造垂直取向的熔斷器130?？梢圆捎秒x子腐蝕、活性離子刻蝕或其他刻蝕方法通過對熔斷材料130’進行各向異性刻蝕而制成熔斷器130。
注意該熔斷器130-在此情況下為垂直取向熔斷器—一般在封閉區(qū)185內(nèi)制成。也應(yīng)注意刻蝕過程可以將抗熔斷材料180’刻蝕而留下抗熔斷器180，使下導(dǎo)體110暴露于封閉區(qū)185的周邊區(qū)域。在絕緣抗熔斷器的特殊情況下，不一定需要圖案化抗熔斷材料180’，因為在膜平面內(nèi)無導(dǎo)電性。還要注意垂直取向熔斷器130的垂直高度“h”和封閉區(qū)185的寬度“W”之比可能較大，例如5∶1或5∶1以上。當(dāng)采用各向異性刻蝕時，該過程本身便能將熔斷器130主要留在絕緣塞140的垂直側(cè)壁上。因此橫向面積的消耗可以減至最小，這樣便能精確控制熔斷器130的橫向厚度“t”。注意垂直高度“h”和熔斷器130橫向厚度“t”之比可能極大，例如30∶1或30∶1以上。此外，由于熔斷器130僅位于封閉區(qū)185的周界上，而抗熔斷器180則至少覆蓋封閉區(qū)185的整個底部，故抗熔斷器面積和熔斷器面積之比也較大。
然后如圖2E所示，將絕緣材料120’沉積在下導(dǎo)體110之上，覆蓋封閉區(qū)185周界外的區(qū)域。接著如圖2F所示圖案化絕緣材料120’以形成第一絕緣體120。該第一絕緣體120可以再采用CMP和/或其他一種或數(shù)種平面化方法通過對絕緣材料120’進行平面加工而露出熔斷器130和絕緣塞140而被圖案化。第一絕緣體120、熔斷器130和絕緣塞140確實決定了一個平面。此時，該垂直取向熔斷器130以絕緣體所有的垂直壁為界。此種構(gòu)形減少了熔斷器向其周圍的熱傳導(dǎo)。
接著為了完成該過程，可以在熔斷器130、絕緣塞140和第一絕緣體120上方的第一方向上沉積和圖案化上導(dǎo)體160。如果需要，可以在上導(dǎo)體160和第一絕緣體120上沉積第二絕緣體150，并采用CMP或其他平面化方法進行平面化。形成的結(jié)構(gòu)如圖2G(與圖1A同)所示。
如果要求在絕緣塞140區(qū)域內(nèi)有一空穴，則可在限定上導(dǎo)體160后采用濕的或干的刻蝕法除去絕緣材料。當(dāng)上導(dǎo)體160并不完全覆蓋絕緣塞140時，可以接近絕緣塞140。易言之，為了產(chǎn)生一個空穴區(qū)，可以將上導(dǎo)體160和絕緣塞140互相錯開，露出絕緣塞140以進行刻蝕的部分。當(dāng)制成空穴后，可以沉積和圖案化第二絕緣體150，從而完成存儲單元。
可以改變圖2A-2G所示步驟以制造圖1C-1D的變型。例如為了制造圖1C所示抗熔斷器180和熔斷器130之間的薄導(dǎo)體190，圖2A所示的制造步驟可以改替為圖2A-2。如圖2A-2所示，可以在抗熔斷材料180’上沉積和圖案化薄導(dǎo)電材料，隨后在薄導(dǎo)電材料190’頂部沉積介電材料140’。以后的制造過程便按圖2B-2G所述進行。注意當(dāng)采用刻蝕方法形成熔斷器130時，該薄導(dǎo)體190和抗熔斷器180應(yīng)如圖2D-2通過刻蝕露出下導(dǎo)體110。
為了制造圖1D所示的第一和第二薄導(dǎo)體190和190b，圖2A所示的制造步驟可以改替為圖2A-3。如圖所示，可以在下導(dǎo)體110上沉積薄導(dǎo)電材料以形成第二薄導(dǎo)電材料190b’，然后按如前述制成抗熔斷器180，接著可以沉積另一種薄導(dǎo)電材料以形成第一薄導(dǎo)電材料190’。然后可在第一薄導(dǎo)電材料190’頂部沉積介電材料140’。制造過程可按上述圖2B-2G進行。注意當(dāng)進行刻蝕形成熔斷器130，第一、第二薄導(dǎo)體190和190b時抗熔斷器180通過刻蝕露出下導(dǎo)體110如圖2D-3所示。
除了圖1C和1D所示的變型外，還可能有其他未用圖示出的變型。例如為了擴大熔斷器130和/或抗熔斷器180的性能，可以采用更多的薄導(dǎo)體或其他的薄導(dǎo)體位置。
圖3A示出本發(fā)明一個方面的存儲單元300的第二實施例的橫截面。如圖所示，該存儲單元300可能包括一個熔斷器330和在熔斷器330每側(cè)形成的一個絕緣體320。正如下文所述，該熔斷器330的內(nèi)部可能完全充填或不完全充填。
存儲單元300亦可包括一個下導(dǎo)體310。注意該熔斷器330的垂直部分和下導(dǎo)體310構(gòu)成一“U”形區(qū)385。圖3D較好地表達了該“U”形區(qū)的概念，其中熔斷器330的兩個垂直部分和下導(dǎo)體310構(gòu)成“U”形區(qū)385，亦即熔斷器330無水平部。圖3A所示熔斷器330的水平部對實施本發(fā)明并非必需。
存儲單元300還可包括占據(jù)“U”形區(qū)385部分或基本上全部的一個絕緣塞340。該存儲單元300在“U”形區(qū)385和絕緣體320上方又可包括一個抗熔斷器380和一個上導(dǎo)體360。注意該熔斷器330和絕緣塞340可以決定一個平面。
用以形成存儲單元各零件的材料已如上述，茲不重復(fù)。此外，根據(jù)上文所述理由，絕緣塞340并非絕對必需。當(dāng)存在絕緣塞340時，絕緣體320、熔斷器330和絕緣塞340可能共面。
圖3B為圖3A第二實施例的頂視圖。如圖所示，上導(dǎo)體360可在一第一方向上伸展。注意抗熔斷器380(圖3B中不可見)亦可在第一方向上伸展。該抗熔斷器380亦可在熔斷器330和絕緣塞340頂部的第二方向上伸展。如果抗熔斷材料380’為一絕緣體，則抗熔斷器380并不要求圖案化，因為按照定義該抗熔斷器在膜平面內(nèi)已經(jīng)是絕緣。熔斷器330和因而包括絕緣塞340和下導(dǎo)體310的“U”形區(qū)385(圖3B中未示出)可以在第二方向上伸展，從而在交會處構(gòu)成交叉點。
圖3C-3E示出圖3A的第二實施例的變型。在圖3C中，薄導(dǎo)體390可位于熔斷器330和抗熔斷器380之間，以便如前文所述提高與第一實施例變型相比較的存儲單元300的性能。注意該薄導(dǎo)體390的位置是可變的，故不限于圖3C所示的安放位置。
此外，該薄導(dǎo)體390不像上導(dǎo)體360那樣在第一方向上伸展，而是可以占據(jù)熔斷器330之上和上導(dǎo)體360之下的部分“U”形區(qū)385。易言之，該薄導(dǎo)體390基本上限于由交叉點315所規(guī)定的一個區(qū)域。
圖3D除了明確“U”形區(qū)385以外，還表示圖3A第二實施例的一個變型。如上所述，熔斷器330的水平部對于實施本發(fā)明并非必需。圖3D說明了此概念。
還有在圖3E中，薄導(dǎo)體390無須覆蓋整個“U”形區(qū)385。在此變型中，該薄導(dǎo)體390基本上在“U”形區(qū)385內(nèi)部形成，而熔斷器330和抗熔斷器380接觸。注意還有許多屬于本發(fā)明范圍的其他變型的可能。
雖然上述參考圖3A-3E所作的說明表示熔斷器330、絕緣塞340和“U”形區(qū)385同下導(dǎo)體310一道在第二方向上伸展，但此種取向并非實施本發(fā)明的要求。實際上，熔斷器330可以和上導(dǎo)體360一同在第一方向上伸展。在此情況下，熔斷器330的垂直部和上導(dǎo)體360便構(gòu)成一個倒“U”形區(qū)385。絕緣塞340還是可能再占據(jù)倒“U”形區(qū)385的部分或基本上全部。該存儲單元300還可包括基本上占據(jù)下導(dǎo)體310上方的倒“U”形區(qū)385底部的一個抗熔斷器380。
圖4A-4G示出制造圖3A存儲單元300的第二實施例方法實例的橫截面。如圖4A所示，可以將絕緣材料沉積和圖案化以形成絕緣體320。該絕緣體320可以被圖案化制成一條其中形成“U”形區(qū)385的槽。此外，封閉區(qū)385的高一寬比可能較大(5∶1或5∶1以上)。
然后如圖4B所示，將熔斷材料330’沉積入該槽內(nèi)，甚至覆蓋在絕緣體320之上。該沉積過程自然而然地形成熔斷器330的“U”形。采用類如ALD等的沉積方法對包括垂直壁在內(nèi)的第一絕緣體320進行共形涂覆，接著在熔斷材料330’上沉積導(dǎo)電材料310’，包括形成“U”形區(qū)385。
再往后如圖4C所示，采用類如CMP的標(biāo)準(zhǔn)方法對熔斷材料330’和導(dǎo)電材料310’進行平面化。此時，絕緣體320、下導(dǎo)體310和熔斷器330可以共面。
于是如圖4D所示，最好采用類如濕刻蝕、活性離子刻蝕、離子銑等的刻蝕技術(shù)將下導(dǎo)體310刻蝕到規(guī)定深度，從而使下導(dǎo)體310形成“U”形區(qū)385的橫向部。
接著如圖4E所示，可將絕緣塞材料340’沉積填充“U”形區(qū)385的內(nèi)部，并對造成的表面進行平面加工。此時，該絕緣塞340、絕緣體320以及熔斷器330可以如圖4F所示共面。
最后，為了完成該過程，可將抗熔斷材料和別的導(dǎo)電材料沉積并圖案化以形成圖4G(和圖3A相同)所示的抗熔斷器380和上導(dǎo)體360。注意在沉積導(dǎo)體360之前，可對抗熔斷器380進行平面加工。此外，對上導(dǎo)體360進行平面化亦為制造過程的一部分。
一個普通業(yè)內(nèi)人士均能改變圖4A-4G的步驟制造出圖3C-3E所示的變型。再者，也可仿照第一實施例所述制成一個空穴。
雖然本發(fā)明已參考其實施例加以說明，但業(yè)內(nèi)人士能對本發(fā)明的實施例進行各種改進而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。文中使用的術(shù)語和描述僅用于說明而不意味限制。特別是，雖然采用實例說明本發(fā)明的方法，但方法的步驟可以不同于所述的順序完成或同時完成。業(yè)內(nèi)人士將認識到在不偏離下述權(quán)利要求書及其等效文件所界定的發(fā)明精神和范圍情況下可以有這樣和那樣的變化。
權(quán)利要求
1.一種存儲單元(100，300)，其包括一個在第一方向上伸展的上導(dǎo)體(160、360)；一個在第二方向上伸展的下導(dǎo)體(110、310)，從而在所述上導(dǎo)體(160、360)和下導(dǎo)體(110、310)之間限定一個重疊區(qū)(115、315)，所述下導(dǎo)體(110、310)同所述上導(dǎo)體(160、360)成電連接；一個在所述重疊區(qū)(115、315)內(nèi)形成、并同所述上導(dǎo)體(160、360)和下導(dǎo)體(110、310)成電連接的熔斷器(130、330)；以及一個同所述熔斷器(130、330)電學(xué)串聯(lián)形成的抗熔斷器(180、380)。
2.按照權(quán)利要求1所述的存儲單元(100、300)，其特征是使所述熔斷器(130、330)的形狀成在所述熔斷器(130、330)內(nèi)有一空穴，基本上在所述熔斷器的中心。
3.按照權(quán)利要求1所述的存儲單元(100、300)，其特征是所述熔斷器(130、330)基本上占據(jù)靠近所述重疊區(qū)(115、315)的封閉區(qū)(185、385)，所述存儲單元(100、300)還包括一個基本上占據(jù)所述封閉區(qū)(185、385)中心的絕緣塞(140、340)，使所述絕緣塞(140，340)以所述熔斷器(130、330)的內(nèi)壁為界；一個圍繞所述封閉區(qū)(185、385)周界形成的絕緣體(120、320)，使所述絕緣體(120、320)以所述熔斷器的外壁為界。
4.按照權(quán)利要求1所述的存儲單元(100、300)，其特征是所述熔斷器(130、330)基本上占據(jù)靠近重疊區(qū)(115、315)的封閉區(qū)(185、385)，所述存儲單元(100、300)還包括一個在所述熔斷器(130、330)和抗熔斷器(180、380)之間的所述封閉區(qū)(185、385)內(nèi)形成的薄導(dǎo)體(190、390)。
5.按照權(quán)利要求4所述的存儲單元(100、300)，其特征是薄導(dǎo)體(190、390)為第一薄導(dǎo)體(190、390)，所述存儲單元(100、300)還包括一個在介于所述抗熔斷器(180、380)和所述下導(dǎo)體(110、310)及所述上導(dǎo)體(160、360)之一中間的所述封閉區(qū)(185、385)內(nèi)形成的第二薄導(dǎo)體(190b，390b)。
6.一種形成存儲單元(100、300)的方法，其包括形成一個在第一方向上伸展的上導(dǎo)體(160、360)；形成一個在第二方向上伸展的下導(dǎo)體(110、310)，從而在所述上導(dǎo)體(160、360)同下導(dǎo)體(110、310)的交會處限定一個重疊區(qū)(115、315)，所述下導(dǎo)體(110、310)同所述上導(dǎo)體(160、360)成電連接；在所述重疊區(qū)(115、315)內(nèi)形成一個熔斷器(130、330)，同所述上導(dǎo)體(160、360)和下導(dǎo)體(110、310)成電連接；形成一個同所述熔斷器(130、330)電學(xué)串聯(lián)的抗熔斷器(180、380)。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征是所述熔斷器(130、330)基本上占據(jù)靠近所述重疊區(qū)(115、315)的封閉區(qū)(185、385)，所述方法還包括形成一個基本上占據(jù)所述封閉區(qū)(185、385)中心的絕緣塞(140、340)，使所述絕緣塞(140、340)以所述熔斷器(130、330)的內(nèi)壁為界；圍繞所述封閉區(qū)(185、385)周界形成一個絕緣體(120、320)，使所述絕緣體(120、320)以所述熔斷器(130、330)的外壁為界。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其還包括在所述熔斷器(130、330)和抗熔斷器(180、380)之間的所述封閉區(qū)(185、385)內(nèi)形成一個薄導(dǎo)體(190、390)。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征是薄導(dǎo)體(190、390)為一第一薄導(dǎo)體(190、390)，所述方法還包括在所述抗熔斷器(180、380)和所述下導(dǎo)體(110、310)及所述上導(dǎo)體(160、360)之一中間的所述封閉區(qū)(185、385)內(nèi)形成一個第二薄導(dǎo)體(190b、390b)。
10.按照權(quán)利要求1所述的存儲單元(100、300)，其特征是所述抗熔斷器(180、380)的電阻隨著跨越抗熔斷器(180、380)的電壓變化而變化。
全文摘要
一種包括一熔斷器(130，330)和一抗熔斷器(180，380)串聯(lián)的一次可編程存儲單元(100，300)，該存儲單元有兩種狀態(tài)一初始狀態(tài)和一已寫(已編程)狀態(tài)，在初始狀態(tài)中，單元的電阻是有限的，一般以抗熔斷器的較高電阻為主，而在已寫狀態(tài)中，因為熔斷器擊穿而造成開路，故電阻是無限的，對該單元(100，300)的編程是通過跨越單元(100，300)加一個臨界電壓，產(chǎn)生一個臨界電流，促使熔斷器(130，330)斷開。當(dāng)加臨界電壓時，一般將使抗熔斷器(180，380)擊穿，從而在熔斷器上產(chǎn)生一個高電流脈沖，用跨越存儲單元加輸入電壓的方法檢測此狀態(tài)，如果存儲器已經(jīng)編程，則有可以測定數(shù)量的電流流動，否則將無電流流動。
文檔編號H01L27/10GK1409399SQ02143769
公開日2003年4月9日 申請日期2002年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月28日
發(fā)明者T·C·安東尼 申請人:惠普公司