專利名稱：非易失存儲(chǔ)元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電可改寫非易失存儲(chǔ)元件和制造該元件的方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及具有包含相變材料的記錄層的電可改寫非易失存儲(chǔ)元件和制造該元件的方法。
背景技術(shù)：
個(gè)人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器等都使用分級(jí)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。存在便宜并且提供高存儲(chǔ)容量的低級(jí)(lower-tier)存儲(chǔ)器，而比該級(jí)別高的存儲(chǔ)器能提供高速操作。最低級(jí)別通常由磁性存儲(chǔ)器例如硬盤和磁帶構(gòu)成。除了非易失存儲(chǔ)器，磁性存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)比固體器件例如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的信息存儲(chǔ)量大很多的便宜方式。然而，和磁性存儲(chǔ)器的依序訪問(wèn)操作相比，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器更快，并且可以隨機(jī)訪問(wèn)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。由于這些原因，通常使用磁性存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)程序和檔案信息等，并且當(dāng)需要時(shí)，將該信息傳輸?shù)郊?jí)別更高的主系統(tǒng)存儲(chǔ)器。
主存儲(chǔ)器通常使用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)，其以比磁性存儲(chǔ)器更高的速度工作，并且以每位(per-bit)為基礎(chǔ)，比更快的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器例如靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)更便宜。
占據(jù)最頂級(jí)的存儲(chǔ)器級(jí)別的是系統(tǒng)微處理器單元(MPU)的內(nèi)部高速緩沖存儲(chǔ)器。內(nèi)部高速緩沖存儲(chǔ)器是通過(guò)內(nèi)部總線與MUP芯連接的極高速存儲(chǔ)器。內(nèi)部高速緩沖存儲(chǔ)器具有非常小的容量。在某些情況下，在內(nèi)部高速緩沖存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器之間使用第二甚至第三高速緩沖存儲(chǔ)器。
DRAM用于主存儲(chǔ)器，這是因?yàn)樗峁┝怂俣群臀怀杀?bit cost)之間的良好平衡。此外，現(xiàn)在有些具有大容量的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。近年來(lái)，已經(jīng)開發(fā)了容量超過(guò)千兆字節(jié)的存儲(chǔ)芯片。DRAM是如果其電源斷電則丟失存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的易失存儲(chǔ)器。這使得DRAM不適合于存儲(chǔ)程序和檔案信息。而且，甚至當(dāng)電源接通時(shí)，存儲(chǔ)器也必須周期地進(jìn)行刷新操作，以便保持存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，因此在能夠降低多少器件電功耗方面存在限制，其它的問(wèn)題是控制器進(jìn)行控制的復(fù)雜性。
半導(dǎo)體閃存是高容量和非易失的，但是需要用于寫和擦除數(shù)據(jù)的高電流，并且寫和擦除時(shí)間(times)緩慢。這些缺陷使得閃存不適合取代主存儲(chǔ)器應(yīng)用中的DRAM。還存在其它的非易失存儲(chǔ)器，例如磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)和鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)，但是它們不能容易地實(shí)現(xiàn)DRAM能夠?qū)崿F(xiàn)的存儲(chǔ)容量。
期望成為DRAM的可能的替代品的另一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(PRAM)，其使用相變材料來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在PRAM器件中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)基于記錄層中包含的相變材料的相狀態(tài)。具體地說(shuō)，在晶態(tài)的材料的電阻率和非晶態(tài)的電阻率之間存在大的差異，可以利用該差異存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
該相變通過(guò)當(dāng)施加寫電流時(shí)加熱相變材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)給材料施加讀電流和測(cè)量電阻來(lái)讀取數(shù)據(jù)。將讀電流設(shè)定在足夠低而不會(huì)引起相變的水平。這樣，相不會(huì)改變，除非加熱到高溫，因此即使切斷電源也能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)。
為了有效地利用寫電流加熱相變材料，希望使用不容易使由寫電流產(chǎn)生的熱散發(fā)的結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)該目的，在一種結(jié)構(gòu)中，用具有低熱導(dǎo)率的上電極覆蓋記錄層的上表面，以切斷向具有大熱容和高熱導(dǎo)率的位線的散熱。參見美國(guó)專利USP5,536,947，“Writing CurrentReduction for High-density Phase-change RAM”，Y.N.Hwang，S.H.Lee，S.J.Ahn，S.Y.Lee，K.C.Ryoo，H.S.Hong，H.C.Koo，F(xiàn).Yeung，J.H.Oh，H.J.Kim，W.C.Jeong，J.H.Park，H.Horii，Y.H.Ha，J.H.Yi，G.H.Hoh，G.T.Jeong，H.S.Jeong和Kinam Kim”，IEEE 20003，和“An Edge Contact Type Cell for Phase Change RAM Featuring VeryLow Power Consumption”，Y.H.Ha，J.H.Yi，H.Horii，J.H.Park，S.H.Joo，S.O.Park，U-In Chung和J.T.Moon，2003 Symposium onVLSI Technology Digest of Technical Papers。
然而，由于在上述文獻(xiàn)所描述的結(jié)構(gòu)中，平的記錄層夾在上電極和下電極之間，因此必須極大地增加記錄層的厚度，以便充分地降低向位線的散熱。增加記錄層的厚度意味著花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)形成該層，除此以外，還需要更強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)引起相變，尤其是從高阻態(tài)到低阻態(tài)的改變。由于因此用于引起相變的電壓必須增加，所以該結(jié)構(gòu)不適合于低壓器件。
因此，利用具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的器件難以適當(dāng)?shù)厣呒訜嵝?。這使其難以減小寫電流，而且使其難以加速寫操作。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的電可改寫非易失存儲(chǔ)元件及制造該存儲(chǔ)元件的方法，該存儲(chǔ)元件具有包含相變材料的記錄層。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有高加熱效率電可改寫非易失存儲(chǔ)元件及制造該存儲(chǔ)元件的方法，所述存儲(chǔ)元件具有包含相變材料的記錄層。
通過(guò)具有下列結(jié)構(gòu)的非易失存儲(chǔ)元件可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述和其它目的，該非易失存儲(chǔ)元件包括下電極；設(shè)置在下電極上的上電極；和包含相變材料、連接在下電極和上電極之間的記錄層，其中上電極與記錄層的初始生長(zhǎng)表面接觸。
這樣，本發(fā)明的存儲(chǔ)元件具有一種結(jié)構(gòu)，其中上電極與記錄層的初始生長(zhǎng)表面接觸。該結(jié)構(gòu)可以通過(guò)在記錄層之前形成上電極而實(shí)現(xiàn)，得到不同于現(xiàn)有技術(shù)的三維結(jié)構(gòu)。這樣降低向位線的熱擴(kuò)散而不增加記錄層的厚度。
優(yōu)選，該存儲(chǔ)元件進(jìn)一步包括連接到上電極的位線和設(shè)置在下電極和位線之間的層間絕緣層，至少部分上電極形成在設(shè)置在層間絕緣層中的通孔內(nèi)。這樣使其更易于形成三維結(jié)構(gòu)的記錄層。
可以使用一種結(jié)構(gòu)，其中位線具有通過(guò)布圖形成的、與上電極的初始生長(zhǎng)表面接觸的蝕刻表面。在這種情況下，優(yōu)選存儲(chǔ)元件進(jìn)一步包括設(shè)置在位線上的第二蝕刻停止層，通孔穿過(guò)層間絕緣層、位線和第二蝕刻停止層。
該存儲(chǔ)元件可以進(jìn)一步包括埋在通孔中的絕緣材料，位線形成在絕緣材料上。
本發(fā)明的上述和其它目的也可以通過(guò)下述非易失存儲(chǔ)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，該非易失存儲(chǔ)元件包括下電極；設(shè)置在下電極上的上電極；和包含相變材料、連接在下電極和上電極之間的記錄層，其中上電極至少與記錄層的側(cè)表面接觸。
該結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)在記錄層之前形成上電極來(lái)實(shí)現(xiàn)，得到不同于現(xiàn)有技術(shù)的三維結(jié)構(gòu)，減少在位線輻射的熱量。在這種情況下，優(yōu)選記錄層至少與上電極的側(cè)表面接觸。
本發(fā)明的上述和其它目的也可以通過(guò)下述非易失存儲(chǔ)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，該非易失存儲(chǔ)元件包括上電極；設(shè)置在下電極上的上電極；包含相變材料、連接在下電極和上電極之間的記錄層；和與上電極連接的位線，其中位線具有通過(guò)布圖形成的蝕刻表面，所述蝕刻表面與上電極的初始生長(zhǎng)表面接觸。
該結(jié)構(gòu)還可以通過(guò)在記錄層之前形成上電極而實(shí)現(xiàn)，得到不同于現(xiàn)有技術(shù)的三維結(jié)構(gòu)，減少在位線處輻射的熱量。
本發(fā)明的上述和其它目的還可以通過(guò)非易失存儲(chǔ)元件的制造方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該非易失存儲(chǔ)元件包括形成下電極的第一步驟；依次在下電極上形成蝕刻停止層和層間絕緣層的第二步驟；通過(guò)在層間絕緣層中形成通孔從而露出部分蝕刻停止層的第三步驟；在通孔的至少側(cè)表面上形成上電極的第四步驟；和通過(guò)在通孔底部露出的蝕刻停止層中形成開口從而至少露出部分下電極的第五步驟；在通孔中形成包含相變材料、與下電極和上電極接觸的記錄層的第六步驟。
根據(jù)本發(fā)明的該方面，在記錄層之前形成上電極，在通孔中形成記錄層，得到具有高熱效率的三維結(jié)構(gòu)。
如上所述，電可改寫非易失存儲(chǔ)元件具有改進(jìn)的熱效率，并且可以提供一種該元件的制造方法。因此，不僅可以減小寫電流，而且可以增強(qiáng)寫速度。


通過(guò)參考下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。
圖1是使用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的非易失存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的平面圖；圖3是沿著圖2所示的線B-B的截面圖；圖4A是說(shuō)明由開口位置在x方向偏離設(shè)計(jì)位置而產(chǎn)生的效果的附圖；圖4B是說(shuō)明由開口位置在Y方向偏離設(shè)計(jì)位置而產(chǎn)生的效果的附圖；圖5是說(shuō)明包含硫?qū)僭鼗锊牧系南嘧儾牧系南酄顟B(tài)的控制方法的曲線圖；圖6是具有n線m行的矩陣結(jié)構(gòu)的非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的電路圖；圖7A是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的制造工藝的平面圖；圖7B是沿著圖7A所示的線C-C的截面圖；圖7C是沿著圖7A所示的線D-D的截面圖；圖8A是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的制造工藝的平面圖；圖8B是沿著圖8A所示的線E-E的截面圖；圖8C是沿著圖8A所示的線F-F的截面圖；圖9A是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的制造工藝的平面圖；圖9B是沿著圖9A所示的線G-G的截面圖；圖9C是沿著圖9A所示的線H-H的截面圖；圖10A是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的制造工藝的平面圖；圖10B是沿著圖10A所示的線I-I的截面圖；圖10C是沿著圖10A所示的線J-J的截面圖；圖11和12是用于說(shuō)明通過(guò)保護(hù)絕緣層布圖記錄層的方法的附圖；圖13是其中開口和通孔的平面形狀在X方向是細(xì)長(zhǎng)形的存儲(chǔ)元件的例示平面圖；圖14A是其中所有留下的記錄層都是開口和通孔側(cè)壁上的部分的存儲(chǔ)元件的平面圖；圖14B是沿著圖14A所示的線K-K的截面圖；圖14C是沿著圖14A所示的線L-L的截面圖；圖15是使用根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的非易失存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的截面圖；圖16A是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的制造工藝的平面圖；圖16B是沿著圖16A所示的線M-M的截面圖；圖16C是沿著圖16A所示的線N-N的截面圖；圖17A是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的制造工藝的平面圖；圖17B是沿著圖17A的線O-O的截面圖；圖17C是沿著圖17A的線P-P的截面圖；圖18A是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的制造工藝的平面圖；圖18B是沿著圖18A所示的線Q-Q的截面圖；圖18C是沿著圖18A所示的線R-R的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1是使用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的非易失存儲(chǔ)元件10的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)的截面圖。圖2是存儲(chǔ)元件10的平面圖。沿著圖2所示的線A-A的截面圖示于圖1。圖3是沿著圖2所示的線B-B的截面圖。
參考圖1，根據(jù)本發(fā)明該實(shí)施例的非易失存儲(chǔ)元件10包含層間絕緣層11；掩埋在層間絕緣層11中的下電極12；在下電極12上依次形成的第一蝕刻停止層13、層間絕緣層14、位線15和第二蝕刻停止層16；設(shè)置在通孔14a內(nèi)側(cè)壁上的上電極17；和與下電極12和上電極17接觸的記錄層18。
例如硅氧化物或硅氮化物的材料可以用于層間絕緣層11和14以及蝕刻停止層13和16。用于層間絕緣層14和第一蝕刻停止層13的材料必須具有不同的蝕刻率，用于第一蝕刻停止層13和第二蝕刻停止層16的材料也必須具有不同的蝕刻率。還優(yōu)選(但不是必須)用于層間絕緣層11和第一蝕刻停止層13的也具有不同的蝕刻率。例如，如果利用硅氧化物形成層間絕緣層11和14以及第二蝕刻停止層16，則優(yōu)選使用硅氮化物形成第一蝕刻停止層13。
下電極12以圓筒形(cylinder)形成在通孔11a的內(nèi)側(cè)壁周圍，所述通孔11a形成在層間絕緣層11中。這樣，如圖2所示，下電極12的上表面12a是環(huán)形的。用絕緣材料11b填充由下電極12限定的區(qū)域，該絕緣材料11b優(yōu)選是與層間絕緣層11相同的材料。
如圖2所示，下電極12的上表面12a具有在X方向延伸的帶狀區(qū)域12x和在Y方向延伸的帶狀區(qū)域12y。在該實(shí)施例中，帶狀區(qū)域12y比帶狀區(qū)域12x長(zhǎng)。
使用下電極12作為加熱器插塞，構(gòu)成寫數(shù)據(jù)過(guò)程中的加熱器部分。為此，下電極12優(yōu)選由具有相對(duì)高電阻的材料形成，例如金屬硅化物、金屬氮化物和金屬硅化物的氮化物。這些包含TiAlN、TiSiN、TiCN和其它這樣的材料，但不限于此。
第一蝕刻停止層13設(shè)置有在露出下電極12的帶狀區(qū)域12y的位置設(shè)置的開口13a。用記錄層18填充開口13a，使得在開口13a的底部，記錄層18與帶狀區(qū)域12y接觸。相對(duì)于帶狀區(qū)域12y設(shè)置開口13a，以便減小記錄層18和下電極12之間的接觸面積變化。
具體地說(shuō)，如圖4A所示，定位開口13a，使得露出帶狀區(qū)域12y，從而更難以出現(xiàn)露出的帶狀區(qū)域12y的面積S1的變化，即使開口13a的實(shí)際位置在x方向或在如圖4B所示的Y方向偏離設(shè)計(jì)位置13ai。在某種程度上，當(dāng)開口13a與帶狀區(qū)域12x相對(duì)定位時(shí)，也得到了相同的效果。然而，對(duì)于偏離，通過(guò)相對(duì)于更長(zhǎng)的帶狀區(qū)域12y定位開口13a，可以更加減小面積S1的變化。
在通孔14a中設(shè)置由層間絕緣層14、位線15和第二蝕刻停止層16構(gòu)成的疊層體。上電極17形成在通孔14a的內(nèi)側(cè)壁上。通過(guò)在整個(gè)表面上形成上電極17然后回蝕可以實(shí)現(xiàn)，如下所述。開口13a形成在未被上電極17覆蓋的通孔14a的底部。
上電極17優(yōu)選由具有相對(duì)低熱導(dǎo)率的材料構(gòu)成，使得由加熱電流產(chǎn)生的熱不容易擴(kuò)散。如下電極12的情況，具體的例子是TiAlN、TiSiN、TiCN。
記錄層18設(shè)置在其中內(nèi)側(cè)壁由此被上電極17覆蓋的通孔14a的內(nèi)部。記錄層18與由開口13a露出的下電極12的帶狀區(qū)域12y接觸，并且也與圓筒狀上電極17的內(nèi)側(cè)壁接觸。據(jù)此，上電極17與記錄層18的初始生長(zhǎng)表面18a接觸。
記錄層18由相變材料構(gòu)成。雖然沒(méi)有具體限定相變材料，但是可以是呈現(xiàn)兩個(gè)或者更多個(gè)狀態(tài)并且其中每個(gè)狀態(tài)都具有不同電阻的任何材料，優(yōu)選硫?qū)僭鼗锊牧稀Ａ驅(qū)僭鼗锊牧弦馕吨环N或多種例如鍺、銻、碲、銦和硒元素的合金。例子包含二元體系合金例如GaSb、InSe、Sb2Te3和GeTe；三元體系合金例如Ge2Sb2Te5、InSbTe、GaSeTe、SnSb2Te4和InSbGe；和四元體系合金例如AgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)和Te81Ge15Sb2S2。
包含硫?qū)僭鼗锊牧系南嘧儾牧峡梢猿尸F(xiàn)非晶態(tài)或結(jié)晶態(tài)。在非晶態(tài)，電阻相對(duì)高，在結(jié)晶態(tài)，電阻相對(duì)低。
圖5是用于說(shuō)明包含硫?qū)僭鼗锊牧系南嘧儾牧系南酄顟B(tài)的控制方法的曲線圖。
通過(guò)加熱到熔融溫度Tm或者熔融溫度Tm以上、然后冷卻將相變材料改變到非晶態(tài)，如圖5中的曲線a所示。為了將材料改變到結(jié)晶態(tài)，將其加熱到至少高達(dá)結(jié)晶溫度Tx并且在熔融溫度Tm以下的溫度，如圖5中的曲線b所示。通過(guò)控制加熱過(guò)程中的時(shí)間段和每單位時(shí)間流過(guò)該材料的電流量來(lái)控制加熱溫度。
當(dāng)記錄層18經(jīng)受寫電流時(shí)，記錄層18和下電極12之間的接觸區(qū)變?yōu)榧訜釁^(qū)P。即，可以通過(guò)給記錄層18施加寫電流轉(zhuǎn)換加熱區(qū)P附近的硫?qū)僭鼗锏南酄顟B(tài)。這樣做改變上電極17和下電極12之間的電阻。
如圖1所示，記錄層18設(shè)置在通孔14a內(nèi)，上電極17形成在通孔14a的內(nèi)側(cè)壁上。因此，初始生長(zhǎng)表面18a與通過(guò)回蝕工藝形成的上電極17的蝕刻表面17c接觸。據(jù)此，圓筒形上電極17的內(nèi)側(cè)壁和記錄層18的側(cè)壁之間存在接觸。
雖然對(duì)記錄層18的厚度沒(méi)有特別限制，但是在本實(shí)施例中，作為一個(gè)例子，記錄層18的厚度設(shè)定在不完全填充通孔14a的厚度。然而，也可以使用完全填充通孔14a的厚度。在本實(shí)施例中，除了在通孔14a的內(nèi)側(cè)設(shè)置，記錄層18的一部分設(shè)置在通孔14a的外部。
位線15形成在層間絕緣層14上，與記錄層17的側(cè)壁接觸。具體地說(shuō)，位線15的蝕刻表面15c與上電極17的初始生長(zhǎng)表面17a接觸。據(jù)此，在圓筒形上電極17的外側(cè)壁和位線15的內(nèi)側(cè)壁之間存在接觸。
對(duì)于位線15，選擇具有低電阻的金屬材料。例子包括鋁(Al)、鈦(Ti)和鎢(W)或其合金、氮化物、硅化物?？梢砸玫木唧w例子包含W、WN和TiN。通常，具有低電阻的金屬材料具有高的導(dǎo)熱率，而且由于位線15具有大的熱容，在加熱區(qū)P附近與上電極17接觸導(dǎo)致熱量很容易散發(fā)到位線15，降低熱效率。然而，由于在存儲(chǔ)元件10的情況下，記錄層18具有三維結(jié)構(gòu)，因此能夠增加加熱區(qū)P和位線15之間的距離，而不增加記錄層18的厚度。
第二蝕刻停止層16設(shè)置在位線15上。如圖3所示，第二蝕刻停止層16也設(shè)置在沒(méi)有位線15的區(qū)域上。絕緣層19設(shè)置在第二蝕刻停止層16上。記錄層18的所有生長(zhǎng)終結(jié)表面18b都被絕緣層19(或由下面描述的保護(hù)絕緣層19a)覆蓋。
如此構(gòu)成的非易失存儲(chǔ)元件10可以以矩陣的形式形成在半導(dǎo)體襯底上，以構(gòu)成電可改寫非易失存儲(chǔ)器。
圖6是作為n行和m列矩陣構(gòu)成的非易失存儲(chǔ)器的電路圖。
圖6所示的非易失存儲(chǔ)器具有n條字線W1-Wn、m條位線B1-Bm和存儲(chǔ)單元MC(1，1)-MC(n，m)，每個(gè)存儲(chǔ)單元都位于字線和位線的交叉點(diǎn)。字線W1-Wn連接到行解碼器101，位線B1-Bm連接到列解碼器102。每個(gè)存儲(chǔ)單元MC都由存儲(chǔ)元件10和串連在相應(yīng)的位線和地之間的晶體管103構(gòu)成。晶體管103的控制端連接到相應(yīng)的字線。
存儲(chǔ)元件10的結(jié)構(gòu)如參考圖1所描述的。這樣，下電極12連接到相應(yīng)的晶體管103。
由存儲(chǔ)元件10使用的每個(gè)存儲(chǔ)單元MC的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1顯示了共享公用位線Bj(15)的兩個(gè)存儲(chǔ)單元MC(i，j)和MC(i+1，j)。
如圖1所示，字線Wi和Wi+1連接到晶體管103的柵極。由元件隔離區(qū)104限定的有源區(qū)105包括3個(gè)擴(kuò)散區(qū)106，從而在單個(gè)有源區(qū)105中形成兩個(gè)晶體管103。兩個(gè)晶體管103共享通過(guò)層間絕緣層107中的接觸插塞108連接到地線109的公用源。每個(gè)晶體管103的漏通過(guò)接觸插塞110連接到相應(yīng)的存儲(chǔ)元件10的下電極12。兩個(gè)存儲(chǔ)元件10的每一個(gè)的上電極17都連接到公用位線Bj。
在如此構(gòu)成的非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，可以通過(guò)使用行解碼器101激活字線W1-Wn之一、然后電流流過(guò)位線B1-Bm中的至少一條來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。即，激活的字線的存儲(chǔ)單元中的晶體管103導(dǎo)通，將相應(yīng)的位線通過(guò)存儲(chǔ)元件10連接到地。在這種狀態(tài)下，可以通過(guò)使寫電流流過(guò)由列解碼器102選擇的位線，在記錄層18中實(shí)現(xiàn)相變。
具體地說(shuō)，當(dāng)使用規(guī)定量的電流使記錄層18的相變材料的溫度升高到至少熔融溫度Tm時(shí)，如圖5所示，那么電流突然關(guān)斷，快速冷卻確保材料轉(zhuǎn)換到非晶相。當(dāng)使用小于規(guī)定量的電流量將記錄層18的相變材料加熱到至少高達(dá)如圖5所示的結(jié)晶溫度Tx但是低于熔融溫度Tm的溫度時(shí)，那么逐漸減小電流，這樣產(chǎn)生的逐漸冷卻促進(jìn)晶體生長(zhǎng)，材料轉(zhuǎn)換到結(jié)晶相。
可以通過(guò)使用行解碼器101激活字線W1-Wn之一并且讀電流流過(guò)位線B1-Bm中的至少一條來(lái)讀取數(shù)據(jù)。其中記錄層18處于非晶相的存儲(chǔ)單元MC具有高阻，其中記錄層18處于結(jié)晶相的存儲(chǔ)單元MC具有低阻，因此使用讀出放大器(未示出)檢測(cè)就可以知道記錄層18的相狀態(tài)。
記錄層18的相狀態(tài)可以與存儲(chǔ)的邏輯值相關(guān)。如果將非晶相狀態(tài)定義為“0”，結(jié)晶相狀態(tài)定義為“1”，例如，一個(gè)二進(jìn)制位信息可以存儲(chǔ)在單個(gè)存儲(chǔ)單元中。而且，當(dāng)從非晶相移動(dòng)到結(jié)晶相時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)間線性控制結(jié)晶率，或者將結(jié)晶率控制在多個(gè)水平，使記錄層18保持在不比結(jié)晶溫度Tx低而比熔融溫度Tm低的溫度。利用非晶相結(jié)晶相之間比率的多級(jí)控制，可以在單個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)兩位或多位數(shù)據(jù)，而利用線性控制，可以將信息存儲(chǔ)為模擬數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在將描述非易失存儲(chǔ)元件10的制造方法。
圖7A、8A、9A和10A是說(shuō)明存儲(chǔ)元件10的制造工藝的平面圖。圖7B和7C分別是沿著圖7A的線C-C和D-D的截面圖，圖8B和8C分別是沿著圖8A的線E-E和F-F的截面圖，圖9B和9C分別是沿著圖9A的線G-G和H-H的截面圖，圖10B和10C分別是沿著圖10A的線I-I和J-J的截面圖。為了便于理解附圖，在每種情況下都省略了關(guān)于晶體管103的部分。
首先參考圖7A-7C，在形成圓筒形下電極12之后，用絕緣材料11b填充如此限定的區(qū)域，按順序形成第一蝕刻停止層13、層間絕緣層14和位線15。在層間絕緣層11中形成通孔11a之后，使用具有良好的臺(tái)階覆蓋性的膜生長(zhǎng)方法在通孔11a的內(nèi)側(cè)壁上形成下電極12，用絕緣材料11b填充如此由下電極12限定的區(qū)域。然后，使用CMP去除不需要的絕緣材料11b和下電極12的部分。CVD是可以使用的提供良好的臺(tái)階覆蓋性的方法。
通過(guò)在層間絕緣層14上形成選擇的金屬材料、然后布圖來(lái)形成位線15。結(jié)果，位線15的初始生長(zhǎng)表面15a與層間絕緣層14的整體接觸。如圖7A所示，從上面觀察，優(yōu)選布圖位線15，使得寬度方向的端部與下電極12的帶狀區(qū)域12y相交。
接著，如圖8A-8C所示，在第二蝕刻停止層16覆蓋位線15之后，蝕刻第二蝕刻停止層16、位線15和層間絕緣層14，以形成通孔14a，露出第一蝕刻停止層13的對(duì)應(yīng)于與下電極12的帶狀區(qū)域12y相對(duì)的部分，利用光刻和干蝕可以形成通孔14a。如圖8A所示，在本實(shí)施例中，在包含寬度方向的位線15的端部的位置形成通孔14a。
為了防止當(dāng)形成通孔14a時(shí)露出下電極12，當(dāng)下電極12仍然由第一蝕刻停止層13覆蓋時(shí)必須終止蝕刻。在本實(shí)施例中，通過(guò)形成具有與第一蝕刻停止層13的材料不同的蝕刻率的材料形成層間絕緣層14，確保在蝕刻步驟適當(dāng)?shù)脑Ａ?。?dāng)如此形成通孔14a時(shí)，在通孔14a的內(nèi)側(cè)壁上露出由蝕刻穿過(guò)位線15產(chǎn)生的蝕刻表面15c。
接著，如圖9A-9C所示，上電極17形成在整個(gè)表面，包含通孔14a的內(nèi)部，從而覆蓋蝕刻表面15c。也就是說(shuō)，由此蝕刻表面15c和初始生長(zhǎng)表面17a具有接觸狀態(tài)。由于通孔14a的底部由第一蝕刻停止層13覆蓋，在上電極17和下電極12之間不存在接觸。
然后回蝕上電極17，如圖10A至10C所示。這樣去除基本上平行于襯底的表面部分上的上電極17的部分，僅留下位于通孔14a內(nèi)側(cè)壁上的上電極17的部分，露出電極17的蝕刻表面17c。
蝕刻上電極17也再次露出了在通孔14a的底部形成的第一蝕刻停止層13的部分。然后，使用在通孔14a內(nèi)側(cè)壁上留下的上電極17的部分作為掩模，蝕刻在通孔14a的底部露出的第一蝕刻停止層13，形成開口13a，從而露出下電極12的部分。
在本實(shí)施例的情況下，由于用于第一蝕刻停止層13和第二蝕刻停止層16的材料具有不同的蝕刻率，因此該步驟不會(huì)導(dǎo)致第二蝕刻停止層16的厚度降低很多。通過(guò)使用具有與第一蝕刻停止層13的材料不同的蝕刻率的材料形成層間絕緣層11和絕緣材料11b，可以減少在形成開口13a過(guò)程中出現(xiàn)的層間絕緣層11和絕緣材料11b的過(guò)蝕刻。
接著，如圖1-3所示，在包含開口13a和通孔14a內(nèi)部的整個(gè)表面上形成由硫?qū)僭鼗锊牧蠘?gòu)成的記錄層18之后，使用布圖除去不需要的部分，在整個(gè)表面上形成絕緣層19，從而完成存儲(chǔ)元件10。對(duì)用來(lái)形成記錄層18的方法沒(méi)有特別的限定。例如，可以使用濺射或CVD。以這種方式，通過(guò)在記錄層18之前形成上電極17，在構(gòu)成上電極17側(cè)表面的蝕刻表面17c和構(gòu)成記錄層18側(cè)表面的初始生長(zhǎng)表面18a之間實(shí)現(xiàn)接觸。
第二蝕刻停止層16覆蓋位線15的整個(gè)上表面(生長(zhǎng)終結(jié)表面)，作為當(dāng)布圖記錄層18時(shí)的蝕刻停止層。因此位線15沒(méi)有暴露于蝕刻氣氛，通過(guò)防止位線15厚度減小，確保了位線具有規(guī)定的電阻。
優(yōu)選，如圖11所示，利用形成在記錄層18整個(gè)上表面(生長(zhǎng)終結(jié)表面18b)上的保護(hù)絕緣層19a和形成在保護(hù)絕緣層19a上的光刻膠19b進(jìn)行記錄層18的布圖。布圖完成之后，如圖12所示，這樣使得能夠當(dāng)使用灰化來(lái)除去光刻膠時(shí)保護(hù)記錄層18不受損傷。
以這種方式，根據(jù)本實(shí)施例，記錄層18具有形成在開口13a和通孔14a中的三維結(jié)構(gòu)。此外，當(dāng)在記錄層18之前形成了位線15時(shí)，在通孔14a中沒(méi)有形成位線15。此外，在上電極17形成在通孔14a內(nèi)側(cè)壁上的情況下，上電極17和位線15相互接觸。這樣都確保了在加熱區(qū)P和位線15之間存在充足的距離，還使其能夠減小上電極17和位線15之間的接觸面積。這樣減少在位線15處輻射的熱量，從而提供更高的熱效率。此外，由于具有低熱導(dǎo)率的上電極17設(shè)置在位線15和記錄層18之間，因此可以使用具有低電阻的材料例如鋁(Al)、鈦(Ti)或鎢(W)作為位線15的材料。
此外，在下電極12和層間絕緣層14之間設(shè)置第一蝕刻停止層13的情況下，可以將記錄層18設(shè)置在電極12和17之間，而在電極12和15之間不直接接觸。
盡管開口13a和通孔14a的平面形狀基本上是圓形的，但是它也可以是在X方向延伸的細(xì)長(zhǎng)形狀，所述X方向垂直于由帶狀區(qū)域12y構(gòu)成的長(zhǎng)側(cè)。即，如圖13所示，如果開口13a和通孔14a的平面形狀是在X方向延伸的細(xì)長(zhǎng)形狀，則可以增加X(jué)方向的裕量而不增加記錄層18和下電極12之間的接觸面積S1。
取代布圖記錄層18，可以回蝕整個(gè)表面，僅在開口13a和通孔14a的內(nèi)側(cè)壁上留下記錄層18的部分。
圖14A是其中僅在開口13a和通孔14a的內(nèi)側(cè)壁上留下記錄層18的部分的例示平面圖。圖14B和14C分別是沿著圖14A所示的線K-K和L-L的截面圖。
如圖14A至14C所示，蝕刻記錄層18的整個(gè)表面，使得甚至去除了開口13a底部的部分，使記錄層18具有環(huán)狀的較低表面。這樣通過(guò)減小記錄層18和下電極12之間的接觸面積而增加熱效率。而且，盡管在記錄層18和下電極12之間存在兩個(gè)接觸點(diǎn)，在記錄層18中形成兩個(gè)電流通路，但是接觸區(qū)18-1比接觸區(qū)18-2更接近于位線15，使得可以考慮忽略流過(guò)接觸區(qū)18-2的電流。
現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的非易失存儲(chǔ)元件20。
圖15是使用本實(shí)施例的非易失存儲(chǔ)元件20的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的截面圖。
如圖15所示，本實(shí)施例的存儲(chǔ)元件20和圖1所示的第一實(shí)施例的存儲(chǔ)元件10之間的差別在于，存儲(chǔ)元件20沒(méi)有第二蝕刻停止層16，位線15設(shè)置在通孔14a上，用絕緣材料21填充通孔14a。其它部分與存儲(chǔ)元件10相同并用相同的符號(hào)表示，因此省略了對(duì)它們的進(jìn)一步說(shuō)明。
在本實(shí)施例，由于位線15設(shè)置在通孔14a上，位線15和上電極17垂直連接。在位線15和記錄層18之間是填充通孔14a的絕緣材料21，因此在位線15和記錄層18之間不存在直接接觸。
現(xiàn)在描述非易失存儲(chǔ)元件20的制造方法。
圖16A、17A和18A是說(shuō)明存儲(chǔ)元件20的制造工藝的平面圖。圖16B和16C分別是沿著是沿著圖16A所示的線M-M和N-N的截面圖；圖17B和17C分別是沿著圖17A的線O-O和P-P的截面圖；圖18B和18C分別是沿著圖18A所示的線Q-Q和R-R的截面圖。為了便于理解附圖，在每種情況下都省略了關(guān)于晶體管103的部分。
如圖16A至16C所示，在形成圓筒形下電極12之后，用絕緣材料11b填充如此限定的區(qū)域，形成第一蝕刻停止層13，然后形成層間絕緣層14。然后蝕刻層間絕緣層14以形成通孔14a，露出第一蝕刻停止層13的對(duì)應(yīng)于與下電極12的帶狀區(qū)域12y相對(duì)的部分?？梢岳脜⒖嫉谝粚?shí)施例描述的相同方法形成通孔14a。
接著，如圖17A至17C所示，在整個(gè)表面上形成上電極17，包含通孔14a的內(nèi)部，然后回蝕上電極17。這樣去除基本上平行于襯底的表面部分上的上電極17的部分，僅留下位于通孔14a內(nèi)側(cè)壁上的上電極17的部分，露出上電極17的蝕刻表面17c。
蝕刻上電極17也再次露出了在通孔14a的底部形成的第一蝕刻停止層13的部分。然后，使用在通孔14a內(nèi)側(cè)壁上留下的上電極17的部分作為掩模，蝕刻在通孔14a的底部露出的第一蝕刻停止層13，形成開口13a，從而露出下電極12的部分。
接著，如圖18A至18C所示，在整個(gè)表面上形成記錄層18，包含開口13a和通孔14a的內(nèi)部。然后，回蝕記錄層18。這樣去除形成在開口13a和通孔14a外側(cè)的所有記錄層18，僅留下在開口13a和通孔14a中的記錄層18的部分。這里，需要調(diào)整回蝕條件，使得記錄層18的頂部18top低于上電極17的頂部17top(即，在其襯底側(cè))。
然后，如圖15所示，在整個(gè)表面上形成絕緣材料21，包含開口13a和通孔14a的內(nèi)部，然后回蝕以露出上電極17的頂部17top。在形成和布圖位線15之后，在整個(gè)表面上形成絕緣層19，從而完成存儲(chǔ)元件20。需要調(diào)整蝕刻條件以確保當(dāng)蝕刻絕緣材料21時(shí)不露出頂部18top。
以這種方式，可以使上電極17的蝕刻表面17c和記錄層18的初始生長(zhǎng)表面18a接觸。而且，由于在上電極17之后形成位線15，因此蝕刻表面17c也與位線15的初始生長(zhǎng)表面接觸。
這樣，在本實(shí)施例中，在回蝕上電極17和記錄層18以及用絕緣材料21填充通孔14a之后，在通孔14a上形成位線15。因此，可以使位線15具有適當(dāng)?shù)暮穸?，能夠選擇選擇具有較低電阻的材料。同樣，可以降低位線15的線電阻，降低位線15的功率損耗，加速讀和寫操作。
本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，而是在權(quán)利要求所描述的本發(fā)明范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種修改，自然這些修改包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非易失存儲(chǔ)元件，包括下電極；設(shè)置在下電極上的上電極；和包含相變材料、連接在下電極和上電極之間的記錄層，其中上電極與記錄層的初始生長(zhǎng)表面接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的非易失存儲(chǔ)元件，其中記錄層的生長(zhǎng)終結(jié)表面基本上被絕緣層完全覆蓋。
3.如權(quán)利要求1所述的非易失存儲(chǔ)元件，進(jìn)一步包括位線和位于下電極和位線之間的層間絕緣層，至少部分上電極形成在通孔內(nèi)，所述通孔形成在層間絕緣層中。
4.如權(quán)利要求3所述的非易失存儲(chǔ)元件，其中至少部分上電極設(shè)置在通孔的內(nèi)側(cè)壁上，至少部分記錄層設(shè)置在上電極的內(nèi)側(cè)壁上。
5.如權(quán)利要求4所述的非易失存儲(chǔ)元件，進(jìn)一步包括位于下電極和層間絕緣層之間的第一蝕刻停止層，第一蝕刻停止層在上電極周圍的區(qū)域中形成開口，記錄層的所述部分形成在開口內(nèi)。
6.如權(quán)利要求3所述的非易失存儲(chǔ)元件，其中下電極的上表面是環(huán)狀的。
7.如權(quán)利要求6所述的非易失存儲(chǔ)元件，其中下電極的上表面包含在第一方向延伸的第一帶狀區(qū)域和在基本上垂直于第一方向的第二方向上延伸的第二帶狀區(qū)域，第二帶狀區(qū)域比第一帶狀區(qū)域短，通孔設(shè)置在露出第一帶狀區(qū)域的位置。
8.如權(quán)利要求7所述的非易失存儲(chǔ)元件，其中第一方向上的通孔直徑比第二方向上的通孔直徑小。
9.如權(quán)利要求6所述的非易失存儲(chǔ)元件，其中記錄層的下表面是環(huán)狀的，下電極的上表面和記錄層的下表面在兩點(diǎn)處接觸。
10.如權(quán)利要求3所述的非易失存儲(chǔ)元件，其中位線具有通過(guò)布圖形成的蝕刻表面，所述蝕刻表面和記錄層的初始生長(zhǎng)表面接觸。
11.如權(quán)利要求10所述的非易失存儲(chǔ)元件，進(jìn)一步包含設(shè)置在位線上的蝕刻停止層，其中通孔穿過(guò)層間絕緣層、位線和第二蝕刻停止層。
12.如權(quán)利要求3所述的非易失存儲(chǔ)元件，進(jìn)一步包含埋在通孔中的絕緣材料，其中位線形成在所述絕緣材料上。
13.如權(quán)利要求1所述的非易失存儲(chǔ)元件，進(jìn)一步包括與下電極連接的開關(guān)裝置，所述開關(guān)裝置響應(yīng)于字線上的信號(hào)而開關(guān)。
14.一種非易失存儲(chǔ)元件，包括下電極；設(shè)置在下電極上的上電極；和包含相變材料、連接在下電極和上電極之間的記錄層，其中上電極至少與記錄層的側(cè)表面接觸。
15.如權(quán)利要求14所述的非易失存儲(chǔ)元件，其中記錄層至少與上電極的側(cè)表面接觸。
16.一種非易失存儲(chǔ)元件，包括下電極；設(shè)置在下電極上的上電極；包含相變材料、連接在下電極和上電極之間的記錄層；和連接到上電極的位線；其中位線具有通過(guò)布圖形成的蝕刻表面，所述蝕刻表面與上電極的初始生長(zhǎng)表面接觸。
17.一種非易失存儲(chǔ)元件的制造方法，包括形成下電極的第一步驟；在下電極上依次形成蝕刻停止層和層間絕緣層的第二步驟；通過(guò)在層間絕緣層中形成通孔而露出部分蝕刻停止層的第三步驟；在通孔的至少側(cè)表面上形成上電極的第四步驟；通過(guò)在通孔底部露出的蝕刻停止層中形成開口而露出下電極的至少一部分的第五步驟；和在通孔中形成與下電極和上電極接觸的、包含相變材料的記錄層的第六步驟。
18.如權(quán)利要求17所述的非易失存儲(chǔ)元件的制造方法，其中第六步驟包含在整個(gè)表面上形成記錄層的步驟；在整個(gè)表面上形成覆蓋記錄層的絕緣層的步驟；和布圖絕緣層和記錄層的步驟。
19.如權(quán)利要求17所述的非易失存儲(chǔ)元件的制造方法，進(jìn)一步包括在第二步驟之后和第三步驟之前，在層間絕緣層上形成位線的步驟。
20.如權(quán)利要求17所述的非易失存儲(chǔ)元件的制造方法，進(jìn)一步包括在第六步驟之后，回蝕記錄層的步驟，用絕緣材料填充通孔的步驟和在絕緣材料上形成位線的步驟。
全文摘要
非易失存儲(chǔ)元件，包含下電極12、設(shè)置在下電極12上的上電極17以及包含相變材料并且連接在下電極12和上電極17之間的記錄層18。根據(jù)本發(fā)明，上電極17與記錄層18的初始生長(zhǎng)表面18a接觸。該結(jié)構(gòu)可以通過(guò)在記錄層18之前形成上電極17來(lái)實(shí)現(xiàn)，得到三維結(jié)構(gòu)。這樣減小了向位線的熱擴(kuò)散而不增加記錄層18的厚度。
文檔編號(hào)H01L21/82GK1960019SQ20061014392
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者淺野勇, 泰勒·A·勞里 申請(qǐng)人:爾必達(dá)存儲(chǔ)器株式會(huì)社