專利名稱：利用選擇性生長的可逆電阻切換元件的存儲(chǔ)器單元以及形成該存儲(chǔ)器單元的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種非易失性存儲(chǔ)器，特別涉及一種利用選擇性生長的可逆電阻切換 元件的存儲(chǔ)器單元以及形成該存儲(chǔ)器單元的方法。
背景技術(shù)：
由可逆電阻切換元件形成的非易失性存儲(chǔ)器是眾所周知的。例如，2005 年5月9日提交的名稱為"REWRITEABLE MEMORY CELLCOMPRISING A DIODE AND A RESISTANCE-SWITCHINGMATERIAL"的美國專利申請第11/125， 939號(下文中稱其為'939 申請)，通過參考整體合并于本文以用于全部目的，其中描述了一種可重復(fù)寫入的非易失性 存儲(chǔ)器單元，該存儲(chǔ)器單元包括與可逆電阻切換材料例如金屬氧化物或者金屬氮化物串聯(lián) 的二極管。 然而，利用可重復(fù)寫入的電阻切換材料制造存儲(chǔ)器件是困難的；希望有利用可逆 電阻切換材料制造存儲(chǔ)器件的改進(jìn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一方面，提供一種形成存儲(chǔ)器單元的方法，該方法包括(1)在襯底上方形成控向元件；(2)利用選擇性生長工藝形成耦連到控向元件的可逆電阻切換元件。
在本發(fā)明的第二方面，提供一種形成存儲(chǔ)器單元的方法，該方法包括(1)在襯底 上方形成第一導(dǎo)體；(2)利用選擇性生長工藝在第一導(dǎo)體上方形成可逆電阻切換元件；(3) 在第一導(dǎo)體上方形成二極管；(4)在二極管和可逆電阻切換元件上方形成第二導(dǎo)體。
在本發(fā)明的第三方面，提供一種形成存儲(chǔ)器單元的方法，該方法包括(1)在襯底 上方形成第一導(dǎo)體；(2)在第一導(dǎo)體上方形成氮化鈦層；(3)通過氧化氮化鈦層選擇性地形 成可逆電阻切換元件；(4)在可逆電阻切換元件上形成垂直多晶二極管；(5)在豎直多晶二 極管上方形成第二導(dǎo)體。 在本發(fā)明的第四方面，提供一種形成存儲(chǔ)器單元的方法，該方法包括(1)形成具 有源極區(qū)和漏極區(qū)的薄膜晶體管；(2)形成耦連到薄膜晶體管的源極區(qū)或漏極區(qū)的第一導(dǎo) 體；(3)在第一導(dǎo)體上形成氮化鈦層；(4)通過氧化氮化鈦層選擇性地形成可逆電阻切換元 件；(5)在可逆電阻切換元件上方形成第二導(dǎo)體。 在本發(fā)明的第五方面，提供一種存儲(chǔ)器單元，該存儲(chǔ)器單元包括(1)控向元件； (2)可逆電阻切換元件，該可逆電阻切換元件耦連到該控向元件并且是利用選擇性生長工 藝形成的。 在本發(fā)明的第六方面，提供一種存儲(chǔ)器單元，該存儲(chǔ)器單元包括(1)第一導(dǎo)體；
(2)形成于第一導(dǎo)體上方的第二導(dǎo)體；(3)形成于第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體之間的二極管；(4)
利用選擇性生長工藝形成于第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體之間的可逆電阻切換元件。
在本發(fā)明的第七方面，提供一種存儲(chǔ)器單元，該存儲(chǔ)器單元包括(1)第一導(dǎo)體；
(2)在第一導(dǎo)體上方形成氮化鈦層；(3)通過氧化氮化鈦層選擇性形成可逆電阻切換元件；
(4) 在可逆電阻切換元件上形成的垂直多晶硅二極管；(5)形成于豎直多晶二極管上方的 第二導(dǎo)體。 在本發(fā)明的第八方面，提供一種存儲(chǔ)器單元，該存儲(chǔ)器單元包括(1)具有源極區(qū) 和漏極區(qū)的薄膜晶體管；(2)耦連到薄膜晶體管的源極區(qū)或漏極區(qū)的第一導(dǎo)體；(3)形成于 第一導(dǎo)體上的氮化鈦層；(4)通過氧化氮化鈦層而選擇性地形成的可逆電阻切換元件；和
(5) 形成于可逆電阻切換元件上方的第二導(dǎo)體。 在本發(fā)明的第九方面，提供多個(gè)非易失性存儲(chǔ)器單元，該存儲(chǔ)器單元包括(1)沿 第一方向延伸的大致平行、大致共面的多個(gè)第一導(dǎo)體；(2)多個(gè)二極管；(3)多個(gè)可逆電阻 切換元件；(4)沿不同于第一方向 的第二方向延伸的大致平行、大致共面的多個(gè)第二導(dǎo)體。 在每個(gè)存儲(chǔ)器單元中，二極管中的一個(gè)與可逆電阻切換元件中的一個(gè)串聯(lián)，并設(shè)置在第一 導(dǎo)體中的一個(gè)和第二導(dǎo)體中的一個(gè)之間。每個(gè)可逆電阻切換元件都是利用選擇性生長工藝 形成的。 在本發(fā)明的第十方面，提供一種包括形成于襯底上方的第一存儲(chǔ)器級的單片三維 存儲(chǔ)陣列，其中第一存儲(chǔ)級具有多個(gè)存儲(chǔ)器單元。第一存儲(chǔ)器級的每個(gè)存儲(chǔ)器單元含有(1) 控向元件；(2)可逆電阻切換元件，該可逆電阻切換元件耦連到該控向元件并且是利用選 擇性生長工藝形成的。單片三維存儲(chǔ)器陣列還包括單片地形成于第一存儲(chǔ)器級上方的至少 一個(gè)第二存儲(chǔ)器級。提供了很多的其它方面。 本發(fā)明的其它特征和方面通過下文的具體描述、權(quán)利要求以及附圖得以更清楚地 體現(xiàn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提供的示例性存儲(chǔ)器單元的示意圖。 圖2A是根據(jù)本發(fā)明提供的存儲(chǔ)器單元的第一實(shí)施例的簡化透視圖。 圖2B是由多個(gè)圖2A中的存儲(chǔ)器單元形成的第一存儲(chǔ)器級的一部分的簡化透視圖。 圖2C是根據(jù)本發(fā)明提供的第一示例性三維存儲(chǔ)器陣列的一部分的簡化透視圖。 圖2D是根據(jù)本發(fā)明提供的第二示例性三維存儲(chǔ)器陣列的一部分的簡化透視圖。 圖3是圖2A的存儲(chǔ)器單元的示例性實(shí)施例的截面圖。 圖4A-4D是根據(jù)本發(fā)明制造單個(gè)存儲(chǔ)器級期間的襯底的一部分的截面圖。 圖5是根據(jù)本發(fā)明提供的可替代的存儲(chǔ)器單元的截面圖。
具體實(shí)施例方式
如上所述，利用可重復(fù)寫入的電阻率切換材料來制造存儲(chǔ)器件是困難的。例如，很 多可重復(fù)寫入的電阻率切換材料很難被化學(xué)刻蝕，由此增加了制造的成本和將其用于集成 電路的復(fù)雜性。 根據(jù)本發(fā)明，難以被化學(xué)刻蝕的可重復(fù)寫入的電阻率切換材料可以用于存儲(chǔ)器單 元而不需要被刻蝕。例如，在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種存儲(chǔ)器單元，該存儲(chǔ)器單元包 括利用選擇性生長工藝形成的可逆電阻率切換材料，從而可逆電阻率切換材料可以用于存 儲(chǔ)器單元而不被刻蝕。 在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，利用氧化鈦?zhàn)鳛榭赡骐娮杪是袚Q材料來形成可逆 電阻切換元件。如上文中合并的'939申請中所記載的，氧化鈦膜已經(jīng)表現(xiàn)出適用于存儲(chǔ)器 單元。 氧化鈦的膜如TiO、T叫、TiO"TiO，y等都難以被化學(xué)刻蝕。在至少一個(gè)實(shí)施例中， 通過利用選擇性生長工藝，氧化鈦層可以用于存儲(chǔ)器單元的可逆電阻切換元件中而不需要 對氧化鈦層進(jìn)行刻蝕。例如，可以通過氧化含鈦層，如氮化鈦這樣比氧化鈦更容易被圖案化 和刻蝕的氧化物，來形成可逆電阻切換元件。通過這種方式，在含鈦層的氧化之前，只有下 層的含鈦層(如氮化鈦或者鈦)被圖案化和刻蝕而不是氧化鈦層。 在一些實(shí)施例中，通過在有氧環(huán)境，如02、臭氧或者它們的結(jié)合，或者便用其它任 何合適的氧化空間中對含鈦層實(shí)施快速熱氧化而選擇性地形成氧化鈦。在其它的實(shí)施例 中，在含有臭氧或者其它氧源的化學(xué)氣相沉積腔中通過氧擴(kuò)散，通過氣相或者液相的臭氧 清洗，或者通過任何其它合適的氧化處理氧化含鈦層以形成氧化鈦。在所有的例子中，都不 需要對氧化鈦進(jìn)行刻蝕，這樣就現(xiàn)出簡化了存儲(chǔ)單元的制造。 根據(jù)本發(fā)明，其它的材料也可以被選擇性地氧化以形成可逆的或者是一次性可編 程的電阻率切換材料以用于存儲(chǔ)器單元。例如，可在襯底上沉積Ta、 TaN、 Nb、 NbN、 Al、 A1N、 Hf 、 H預(yù)、V、 VN等層，并與含鈦層相似地被圖案化、刻蝕和/或氧化，以形成可逆電阻率切換 材料如Ta205， Nb205， A1203， Hf02， V205等。
存儲(chǔ)器單元的示例性發(fā)明 圖1是根據(jù)本發(fā)明提供的示例性存儲(chǔ)器單元100的示意圖。存儲(chǔ)器單元100包括
9耦連到控向元件104的可逆電阻切換元件102。 可逆電阻切換元件102包括可逆電阻率切換材料(未單獨(dú)示出)，該可逆電阻率 切換材料具有可在兩個(gè)或更多個(gè)的狀態(tài)之間可逆地切換的電阻。例如，元件102的可逆電 阻率切換材料可以在制造時(shí)處于初始低電阻率狀態(tài)，而在施加第一電壓和/或電流后就被 切換成高電阻率狀態(tài)。施加第二電壓和/或電流可以使該可逆電阻率切換材料變回到低電 阻率狀態(tài)。可替代地，可逆電阻切換元件102可以在制造時(shí)處于初始高阻狀態(tài)，而在施加適 當(dāng)?shù)?多個(gè))電壓和/或(多個(gè))電流后就被可逆地切換成低阻狀態(tài)。當(dāng)用于存儲(chǔ)器元件 時(shí)， 一種電阻狀態(tài)可表示二進(jìn)制的"0 "而另 一種電阻狀態(tài)可以表示二進(jìn)制的"1 "，盡管可以 使用多于兩個(gè)的數(shù)據(jù)/電阻狀態(tài)。許多可逆電阻率切換材料和利用可逆電阻切換元件的存 儲(chǔ)器單元的操作被記載在例如之前合并的'939申請文件中。 在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，可逆電阻切換元件102是利用選擇性生長工藝形 成的。本文中下面將會(huì)記載，利用選擇性生長工藝可以在可逆電阻切換元件102中提供可 逆電阻率切換材料而不需要對該可逆電阻率切換材料進(jìn)行刻蝕。因此可逆電阻切換元件 102的制造變得簡化。 控向元件104可以包括薄膜晶體管、二極管或者通過選擇性地限制可逆電阻切換 元件102兩端的電壓和/或穿過可逆電阻切換元件102的電流而表現(xiàn)為非歐姆導(dǎo)通的其它
合適的控向元件。通過這種方式，存儲(chǔ)器單元ioo可用作二維或三維存儲(chǔ)器陣列的一部分，
數(shù)據(jù)可以寫入存儲(chǔ)器單元100和/或從存儲(chǔ)器單元100中讀取而不影響陣列中其它存儲(chǔ)器 單元的狀態(tài)。 存儲(chǔ)器單元100、可逆電阻切換元件102和控向元件104的示例性實(shí)施例將參考附
圖2A-圖5在下文進(jìn)行描述。 存儲(chǔ)器單元的第一優(yōu)選實(shí)施例 圖2A是根據(jù)本發(fā)明提供的存儲(chǔ)器單元200第一實(shí)施例的簡化透視圖。參考圖2A， 存儲(chǔ)器單元200包括在第一導(dǎo)體206和第二導(dǎo)體208之間與二極管204串聯(lián)的可逆電阻切 換元件202(如虛線所示)。在一些實(shí)施例中，在可逆電阻切換元件202和二極管204之間 還形成有阻擋層209 ，例如氮化鈦、氮化鉭、氮化鎢等。 如下文中將要提到的，可逆電阻切換元件是選擇性形成的，這樣可以簡化存儲(chǔ)單 元200的制造。在至少一個(gè)實(shí)施例中，可逆電阻切換元件202包括通過氧化含鈦層，如氮化 鈦，而形成的至少部分的氧化鈦層。例如，氮化鈦層或者其它相似形態(tài)的鈦可被沉積在二極 管204的上面或者下面，然后被圖案化和刻蝕(例如，和第一導(dǎo)體206 —起)。氮化鈦(或 者其它物質(zhì))層然后被氧化形成氧化鈦(例如，通過快速熱氧化或者其它的氧化工藝)。
在圖2A的實(shí)施例中，氮化鈦或者類似的層210被形成后，與第一導(dǎo)體一起被圖案 化和刻蝕。氮化鈦或者類似的層然后被氧化形成氧化鈦層212。與二極管204垂直重疊和 /或?qū)R的氧化鈦層的一部分作為位于存儲(chǔ)單元200的二極管204和第一導(dǎo)體206之間的 可逆電阻切換元件202。在一些實(shí)施例中，只有可逆電阻切換元件202的一部分，如一個(gè)或 者幾個(gè)細(xì)絲，可被切換和/或是可切換的。氧化鈦層可包括例如TiO、 Ti02、 TiOx、 TiOxNy者 類似物。雖然在圖2A中所示的可逆電阻切換元件202位于二極管204的下方，可以理解， 在可替代的實(shí)施例中，可逆電阻切換元件202可位于二極管204的上方。關(guān)于可逆電阻切 換元件202的更多的細(xì)節(jié)將在下文中參考圖3給予說明。
二極管204可以包括任何合適的二極管，例如垂直多晶p-n或p-i_n 二極管，其可以是朝上的，即二極管的n區(qū)在p區(qū)的上面，也可以是朝下的，即二極管的p區(qū)在n區(qū)的上面。二極管204的示例性實(shí)施例在下文中參考圖3進(jìn)行說明。 第一和/或第二導(dǎo)體206、208可以包括任何合適的導(dǎo)電材料，如鎢、任何合適的金屬、重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電的硅化物、導(dǎo)電的硅-鍺化物、導(dǎo)電的鍺化物等。在圖2A的實(shí)施例中，第一和第二導(dǎo)體206、208是軌道形狀的并沿著不同的方向延伸(例如，大體上互相垂直)。其它的導(dǎo)體形狀和/或結(jié)構(gòu)也是可用的。在一些實(shí)施例中，阻擋層、粘合層、抗反射涂層和/或類似物(未示出)可以與第一和/或第二導(dǎo)體206、208結(jié)合使用來提高器件的性能和/或有利于器件的制造。 如上所述，其它材料也可以用于形成可逆電阻切換元件202。例如，如Ta、TaN、Nb、NbN、 Al、 A1N、 Hf 、 H預(yù)、V、 VN等材料，可相似地被沉積(和/或被圖案化和刻蝕)到第一導(dǎo)體206上，然后被氧化形成層212，其中包括可逆電阻切換材料202。 圖2B是利用多個(gè)圖2A中的存儲(chǔ)器單元形成的第一存儲(chǔ)器級214的一部分的簡化透視圖。為了簡化，含鈦的層210和氧化鈦層212只示于底部導(dǎo)體206中的一個(gè)之上。存儲(chǔ)器陣列214是一個(gè)"交叉點(diǎn)"陣列，該陣列包括多個(gè)位線(第二導(dǎo)體208)和字線(第一導(dǎo)體206)，多個(gè)存儲(chǔ)器單元被耦連到這些線上(如圖所示)。其它的存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)也是可用的，例如也可以有多個(gè)存儲(chǔ)器層級。例如，圖2C是單片三維陣列216的一部分的簡化透視圖，該陣列包括位于第二存儲(chǔ)器級220下面的第一存儲(chǔ)器級218。在圖2C所示的實(shí)施例中，每個(gè)存儲(chǔ)器級218、220包括位于交叉點(diǎn)陣列中的多個(gè)存儲(chǔ)器單元200?？梢岳斫?，在第一和第二存儲(chǔ)器級218和220之間可以存在一個(gè)或多個(gè)另外的層(例如層間電介質(zhì))，但是為了簡化，在圖2C中沒有示出。其它存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)也是可用的，也可以有更多的存儲(chǔ)器層級。在圖2C所示的實(shí)施例中，根據(jù)所有的二極管可以"指向"同一個(gè)方向，例如根據(jù)使用具有在二極管底部或頂部上的P摻雜區(qū)域的p-i-n 二極管來決定朝上或者朝下，以此來簡化二極管的制造。 在一些實(shí)施例中，存儲(chǔ)器級可以如例如美國專利第6， 952， 030號"High-densitythree-dimensional memory cell"中所記載的那樣形成，該專利通過參考全文合并于此。例如，第一存儲(chǔ)器級的上導(dǎo)體可用作位于第一存儲(chǔ)器級上面的第二存儲(chǔ)器級的下導(dǎo)體，如圖2D所示。在這樣的實(shí)施例中，相鄰存儲(chǔ)器級的二極管優(yōu)選指向相對的方向，如2007年3月27日提交的名稱為"LARGE ARRAY OF UPWARD POINTINGP-I-N DIODES HAVING LARGEAND UNIFORM CURRENT"的美國專利申請第11/692， 151號(下文中被稱為'151申請)中記載的那樣，該申請通過參考全文合并于此。例如，第一存儲(chǔ)器級218中的二極管如箭頭A所示朝上(例如，P區(qū)在二極管的底部)，同時(shí)第二存儲(chǔ)器級220的二極管如箭頭A2所示朝下(例如，n區(qū)在二極管的底部)，反之亦然。 單片三維存儲(chǔ)器陣列就是這樣的一種存儲(chǔ)器陣列，其中多個(gè)存儲(chǔ)器級形成在單個(gè)襯底例如晶片上而沒有介于其間的襯底。形成第一存儲(chǔ)器級的層直接沉積或者生長在一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)有級的層上。相反，堆疊的存儲(chǔ)器是通過在分離的襯底上形成多個(gè)存儲(chǔ)器級并將這些存儲(chǔ)器級在頂部彼此粘合在一起而構(gòu)建成的，如Leedy的美國專利第5， 915， 167號"Three dimensional structure memory"中記載的那樣。襯底在鍵合之前被減薄或者從存儲(chǔ)器級上去除，但是因?yàn)榇鎯?chǔ)器級最初形成于分離的襯底上，所以這樣的存儲(chǔ)器并不是真正的單片三維存儲(chǔ)器陣列。 圖3是圖2A中的存儲(chǔ)器單元200的示例性實(shí)施例的截面圖。參考圖3，存儲(chǔ)器單元200包括可逆電阻切換元件202(例如，可逆電阻切換材料層的一部分，在該實(shí)施例中也就是氧化鈦層212) ， 二極管204和第一以及第二導(dǎo)體206， 208?？赡骐娮枨袚Q元件202可以是與二極管204垂直重疊和/或交迭的氧化鈦層212的部分。 在圖3的實(shí)施例中可逆電阻切換元件202是通過選擇生長工藝形成的。例如，通過氧化含鈦層210，在含鈦層210上選擇性地形成氧化鈦層212。通過這種方式，只有含鈦層210，而不是氧化鈦層212被蝕刻，如在第一導(dǎo)體206的圖案化和刻蝕步驟。
含鈦層210可通過任何合適的工藝被氧化。例如，可在氧、臭氧、氧和臭氧共存或者其它氧源的環(huán)境下被熱氧化(例如，通過快速熱氧化)。可替代地或者額外地，含有鈦的層210可在含有臭氧或者其它氧源的化學(xué)氣相沉積(CVD)腔中通過氧擴(kuò)散，通過氣相或者液相的臭氧清洗，或者通過任何其它合適的氧化工藝氧化含鈦層以形成氧化鈦。如上文記載，其它的可逆電阻切換材料也可以通過對Ta、 TaN、 Nb、 NbN、 Al 、 A1N、 Hf 、 H預(yù)、V、 VN等進(jìn)行氧化來相似地形成。 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，快速熱氧化是在大約300到大約800°C的溫度范圍內(nèi)，在氧氣流的流速為大約2sccm到大約40sccm的條件下持續(xù)大約1秒到大約5分鐘，其取決于需要氧化的厚度和/或其它性質(zhì)。其它的氧化物質(zhì)種類、溫度、時(shí)間和/或流速也是可用的。
在CVD腔中通過臭氧擴(kuò)散的氧化過程可在大約300到大約800°C的溫度范圍內(nèi)，優(yōu)選在大約350到大約45(TC的溫度范圍內(nèi)，持續(xù)大約2分鐘到大約4小時(shí)，優(yōu)選大約15到25分鐘，在合適的臭氧流速下，如在大約10到60sccm之間，取決于需要氧化的厚度和/或其它性能。其它的氧化物質(zhì)種類，溫度，時(shí)間和/或流速也是可用的。 在上述各個(gè)實(shí)施例中，只有含有鈦的層210被圖案化和刻蝕，不需要對氧化鈦層進(jìn)行刻蝕。因此存儲(chǔ)單元的制造被顯著地簡化。進(jìn)一步的，可形成任何希望的氧化鈦層的厚度。在一些實(shí)施例中，厚度為大約500?；蛘吒。瑑?yōu)選大約300?；蛘吒〉难趸亴佑糜诳赡骐娮枨袚Q元件202中(雖然其它的厚度范圍也是可用的)。 如上所述，二極管204可以是垂直的p-n或者p-i-n 二極管，方向可以朝上或者朝下。在圖2D所示的實(shí)施例中，相鄰的存儲(chǔ)器級共用導(dǎo)體，相鄰的存儲(chǔ)器級優(yōu)選具有指向相對方向的二極管，例如第一存儲(chǔ)器級中的p-i-n 二極管朝下，相鄰的第二存儲(chǔ)器級的p-i-n二極管朝上(反之亦然)。 在一些實(shí)施例中，二極管204可以由多晶半導(dǎo)體材料形成，例如多晶硅、多晶硅_鍺合金、多晶鍺或者其它合適的材料。舉例來說，二極管204可以包括重?fù)诫s的n+多晶硅區(qū)域302、n+多晶硅區(qū)域302上方的輕摻雜或者本征(非有意摻雜的)多晶硅區(qū)域304和本征區(qū)域304上方的重?fù)诫s的p+多晶硅區(qū)域306。在一些實(shí)施例中，在n+多晶硅區(qū)域302上形成薄的(例如幾百?；蛘吒俚?鍺和/或硅_鍺合金層(未示出)，當(dāng)使用硅_鍺合金時(shí)其中鍺的含量為大約10at% (原子數(shù)百分比為10% )或者更多，以阻擋和/或減少從n+多晶硅區(qū)域302到本征區(qū)域304的摻雜遷移，如2005年12月9日提交的發(fā)明名稱為"DEPOSITEDSEMICONDUCTOR STRUCTURE TO M頂頂IZE N-TYPE DOPANTDIFFUSION AND METHODOF MAKING"的美國專利申請第11/298,331號(下文中被稱為'331申請)中記載的那樣，該申請通過參考全文合并于此。可以理解，n+區(qū)和p+區(qū)的位置是可以互換的。
在一些實(shí)施例中，阻擋層308，如氮化鈦、氮化鉭、氮化鎢等，可形成于氧化鈦層212和n+區(qū)域302之間(例如用來阻擋和/或減小金屬原子遷移到多晶硅區(qū)域中)。使用這樣一個(gè)金屬阻擋層可在阻擋層308和氧化鈦層212之間形成不希望的整流接觸。因此，在一些實(shí)施例中，可在氧化鈦層212和阻擋層308之間形成一個(gè)薄的導(dǎo)體層(圖中未示出)，如鈦、鎳、其它導(dǎo)體材料等(例如，為了功函數(shù)調(diào)諧)，來降低或者阻止整流接觸的形成。
當(dāng)通過沉積硅(例如無定形硅或多晶硅)形成二極管204時(shí)，在制造過程中二極管204上可以形成硅化物層310以使沉積硅處于低電阻率狀態(tài)。這樣的低電阻率狀態(tài)允許存儲(chǔ)器單元200更容易被編程，因?yàn)椴恍枰蟮碾妷簛韺⒊练e硅切換到低電阻率狀態(tài)。例如，硅化物形式金屬(silicide-forming metal)層312如鈦或鈷可以被沉積在p+多晶硅區(qū)域306上。在隨后為了使形成二極管204的沉積硅結(jié)晶而采用的退火步驟中(下面將詳述)，硅化物形式金屬層312和二極管204的沉積硅相互作用形成硅化物層310，消耗掉所有的或者一部分硅化物形式金屬層312。 如美國專利第7， 176， 064號"Memory Cell Comprising aSemiconductorJunction Diode Crystallized Adjacent to a Silicide，，中記載的(該專禾腿過參考全文合并于此)，硅化物形成材料例如鈦和/或鈷在退火過程中與沉積硅反應(yīng)形成硅化物層。硅化鈦和硅化鈷的晶格間距大小與硅相近，很明顯這樣的硅化物層在沉積硅結(jié)晶時(shí)可作為鄰近的沉積硅的"結(jié)晶模版"或者"籽晶"(例如，硅化物層310在退火時(shí)增強(qiáng)硅二極管204的晶體結(jié)構(gòu))。由此提供低電阻率的硅。在硅-鍺合金二極管和/或鍺二極管中也可以得到類似的結(jié)果。 在硅化物形式金屬層312形成以后，形成頂部導(dǎo)體208。在一些實(shí)施例中，在沉積導(dǎo)體層315之前，在硅化物形式金屬層312上形成一個(gè)或者多個(gè)的阻擋層和/或粘合層314。導(dǎo)體層315、阻擋層314和硅化物形式金屬層312可一起被圖案化和/或刻蝕，以形成頂部導(dǎo)體208。 頂部導(dǎo)體208形成后，可以使存儲(chǔ)器單元200退火，以使二極管204的沉積半導(dǎo)體材料結(jié)晶(和/或形成硅化物層310)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，退火是在氮?dú)獾臍夥障略诖蠹s600-80(TC之間且更優(yōu)選地在大約650-75(TC之間的溫度下持續(xù)大約10秒至大約2分鐘。也可以采用其它的退火時(shí)間、溫度和/或環(huán)境。如前所述，硅化物層310可在退火過程中作為下面沉積的半導(dǎo)體材料的"結(jié)晶模板"或者"籽晶"，該半導(dǎo)體材料形成二極管204。由此提供低電阻率的二極管材料。 根據(jù)本發(fā)明用于制造存儲(chǔ)器單元的示例性工藝在下文中結(jié)合附圖4A-D進(jìn)行說明。 存儲(chǔ)器單元的示例性制造工藝 附圖4A-D圖示說明根據(jù)本發(fā)明制造第一存儲(chǔ)器級過程中襯底400的一部分的截面圖。如下文中將要說明的，第一存儲(chǔ)器級包括多個(gè)存儲(chǔ)器單元，每個(gè)存儲(chǔ)器單元包括利用選擇性生長工藝形成的可逆電阻切換元件?？梢栽诘谝淮鎯?chǔ)器級上方制造另外的存儲(chǔ)器級(如之前結(jié)合附圖2C-2D所述)。 參考圖4A，所示的襯底400已經(jīng)經(jīng)歷了若干工藝步驟。襯底400可以是任何合適的襯底，如硅、鍺、硅-鍺、非摻雜的、摻雜的、塊狀的(bulk)、絕緣體上的硅(SOI)或者其它帶有或不帶有額外電路的襯底。例如，襯底400可以包含有一個(gè)或更多個(gè)n-阱或者p-阱區(qū)域(未示出)。 在襯底400上方形成隔離層402。在一些實(shí)施例中，隔離層402可以是一層氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者其它任何合適的絕緣層。在其它的實(shí)施例中，絕緣層402是淺的溝槽絕緣(STI)區(qū)域，其通過在襯底400內(nèi)蝕刻溝槽，在襯底400上沉積如氧化硅、氮化硅或者其它電介質(zhì)以填充溝槽，并對襯底400進(jìn)行平坦化以重新露出襯底400的頂表面403而形成。注意到在一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例中，在絕緣區(qū)形成之前在襯底400的有源區(qū)(圖中未示出)上形成氮化硅或者類似的保護(hù)層(例如為了保護(hù)有源區(qū))(圖中未示出)。作為一個(gè)可替代的選擇，可使用硅的局部氧化(LOCOS)工藝或者任何其它的合適工藝限定絕緣層402。 形成隔離層402后，在隔離層402上方形成粘合層404 (例如，通過物理氣相沉積或者其它方法)。例如，粘合層404可以是厚度大約為20埃至大約500埃且優(yōu)選為大約100埃的氮化鈦，或者其它合適的粘合層如氮化鉭、氮化鎢、一個(gè)或更多個(gè)粘合層的結(jié)合等?？梢圆捎闷渌恼澈蠈硬牧虾?或厚度。在一些實(shí)施例中，粘合層404是可選的。
形成粘合層后，在粘合層404上方沉積導(dǎo)電層406。導(dǎo)電層406可以包括通過任何合適的方法沉積(例如化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等)的任何合適的導(dǎo)電材料如鎢或者其它合適的金屬、重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電的硅化物、導(dǎo)電的硅-鍺化物、導(dǎo)電的鍺化物等。在至少一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電層406可能包括大約200埃至大約2500埃的鴇。也可以采用其它的導(dǎo)電材料和/或厚度。 導(dǎo)電層406形成后，在導(dǎo)電層406上形成含鈦層407，如氮化鈦(例如通過物理氣相沉積或者其它的方法)。在一些實(shí)施例中，含有鈦的層407包括大約20到大約1200埃厚度的鈦。其它的含鈦層材料，如鈦、鈦合金、TiSi2、TiW等和/或厚度也是可用的。
形成含鈦層407后，對粘合層404、導(dǎo)電層406和含鈦層407進(jìn)行圖案化和刻蝕。例如，通過傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，利用軟掩?；蛘哂惭谀?，濕蝕刻或者干刻蝕工藝，對粘合層404、導(dǎo)電層406和含鈦層407進(jìn)行圖案化和刻蝕。在至少一個(gè)實(shí)施例中，對粘合層404和導(dǎo)電層406以及含鈦層407進(jìn)行圖案化和刻蝕，以形成基本平行、基本共面的導(dǎo)體408 (如圖4A中所示)。導(dǎo)體408和/或?qū)w408之間的空隙的優(yōu)選寬度范圍在200到2500埃之間，盡管其它的導(dǎo)體寬度和/或空隙寬度也是可用的。 形成導(dǎo)體408后，在襯底400上方形成介電層410來填充導(dǎo)體408之間的間隙。例如，可以在襯底400上沉積大約3000-7000埃的氧化硅，并利用化學(xué)機(jī)械拋光或回刻工藝將其平坦化以形成平坦表面412。平坦表面412包括暴露在外的由介電材料410隔開的含鈦層材料407的不連續(xù)的區(qū)域407a-f (如圖所示)。不連續(xù)的含鈦層區(qū)域407a_f可用于為在襯底400上形成的每個(gè)存儲(chǔ)單元選擇形成氧化鈦可逆電阻切換元件(如下文中將要說明的)。 其它的介電材料如氮化硅，硅的氮氧化物，低K電介質(zhì)等，和/或其它的介電層的
厚度也是可用的。優(yōu)選的低K電介質(zhì)包括碳摻雜的氧化物，碳化硅層，或者類似物。 當(dāng)通過氧化一種材料而不是含鈦的材料來形成可逆電阻切換元件時(shí)，可使用要被
氧化的材料如Ta、TaN、Nb、NbN、Al、AlN、Hf、H預(yù)、V、VN、等來代替含鈦層407。 參考圖4B，平坦化后，在每一個(gè)含鈦層區(qū)域407a-f上形成一個(gè)可逆電阻切換元件
413a-f 。例如，通過將含有鈦的層區(qū)域407a-f氧化而在每個(gè)含有鈦的層區(qū)域407a_f上選
14擇形成氧化鈦層。 一些或者所有的含有鈦的層區(qū)域407a-f將在氧化過程中被消耗而產(chǎn)生 可逆電阻切換元件413a_f 。如上文中所述的，任何合適的方法都可以用于氧化含鈦層區(qū)域 407a-f，如在氧氣、臭氧或者二者共存的氧環(huán)境中快速熱氧化或者使用其它合適的氧化物 質(zhì)來進(jìn)行的快速熱氧化。在其它的實(shí)施例中，在含有臭氧或者其它氧源的化學(xué)氣相沉積腔 中通過氧擴(kuò)散，通過氣相或者液相的臭氧清洗，或者通過任何其它合適的氧化處理氧化含 鈦層區(qū)域以形成氧化鈦。 參考圖4C，當(dāng)可逆電阻切換元件413a-f形成以后，每個(gè)存儲(chǔ)單元的二極管結(jié)構(gòu)被 形成。在氧化鈦層區(qū)域上可形成可選的薄金屬層(圖中未示出)，如大約10埃到大約300 埃厚度的鈦、鎳等(例如為了工作函數(shù)調(diào)節(jié))。在一些實(shí)施例中，在二極管形成之前，可在氧 化鈦層區(qū)域上形成如氮化鈦，氮化鉭，氮化鎢等的阻擋層(例如，為了阻止或者減小金屬原 子到多晶硅區(qū)域的遷移)。阻擋層414在薄導(dǎo)電層之上的層，除薄導(dǎo)電層之外的層或代替薄 導(dǎo)電層的層，并且其可以是厚度為大約20埃至大約500埃且優(yōu)選為大約100埃的氮化鈦或 者其它合適的阻擋層如氮化鉭、氮化鎢、一個(gè)或多個(gè)阻擋層的結(jié)合、阻擋層與其它層的結(jié)合 如鈦/氮化鈦、鉭/氮化鉭或者鴇/氮化鴇堆疊等。也可以采用其它的阻擋層材料和/或 厚度。 在沉積薄導(dǎo)電層(如果采用)和/或阻擋層414后，開始沉積用于形成每個(gè)存儲(chǔ) 器單元中的二極管(例如圖2A-3的二極管204)的半導(dǎo)體材料。如前所述，每個(gè)二極管可 以是垂直的p-n或者p-i-n 二極管。在一些實(shí)施例中，每個(gè)二極管是由多晶半導(dǎo)體材料如 多晶硅、多晶硅-鍺合金、鍺或者其它合適的材料形成的。為了敘述方便，本文描述了一利 多晶硅的朝下的二極管的制造過程?？梢岳斫猓渌牟牧虾?或二極管結(jié)構(gòu)也是可用的。
參考圖4C，形成阻擋層414后，在阻擋層414上方沉積重?fù)诫s的n+硅層416。在 一些實(shí)施例中，n+硅層416是以無定形狀態(tài)沉積的。在其它的實(shí)施例中，n+硅層416是以 多晶狀態(tài)沉積的。可以采用化學(xué)氣象沉淀或者其它合適的工藝來沉積n+硅層416。在至 少一個(gè)實(shí)施例中，n+硅層416可以由例如厚度在大約100埃到大約1000埃之間且使用磷 或砷摻雜的硅形成，摻雜濃度為大約1021cm—3。其它的厚度、摻雜劑和摻雜濃度也是可用的。 n+硅層416可以是原位摻雜，例如在沉積過程中通入施主氣體。其它的摻雜方法也是可用 的(例如，離子注入)。 沉積n+硅層416后，在n+硅層416上方形成輕摻雜的、本征的和/或非有意摻雜 的硅層418。在一些實(shí)施例中，本征硅層418是以無定形狀態(tài)沉積的。在其它的實(shí)施例中， 本征硅層418是以多晶狀態(tài)沉積的。可以采用化學(xué)氣象沉淀或者其它合適的工藝來沉積本 征硅層418。在至少一個(gè)實(shí)施例中，本征硅層418的厚度可以為大約500埃到大約4800埃， 優(yōu)選為大約2500埃。其它的本征層厚度也是可以采用的。 在沉積本征硅層418之前，可以在n+硅層416上方形成薄的(例如幾百埃或者更 薄)的鍺和/或硅-鍺合金層(未示出)，用來阻止和/或減小從n+硅層416到本征硅層 418的摻雜劑擴(kuò)散(如之前合并'331申請中所記載)。 重?fù)诫s的p型硅被沉積并通過離子注入摻雜或者在沉積過程中原位摻雜來形成 p+硅層420。例如，可以采用表面均勻p+注入將硼注入到本征硅層418內(nèi)一個(gè)預(yù)定的深度。 示例性可注入分子離子包括BFyBFyB等。在一些實(shí)施例中，可以采用大約1X10"離子/ cm2至5X 1015離子/cm2的注入劑量。也可以采用其它的注入種類和注入劑量。進(jìn)一步地，在一些實(shí)施例中，可采用擴(kuò)散工藝。在至少一個(gè)實(shí)施例中，最終的P+硅層420的厚度為大 約100埃-700埃，盡管其它的p+硅層尺寸也是可用的。 形成p+硅層420后，在p+硅層420上方沉積硅化物形式金屬層422。示例性硅化 物形式金屬包括濺射的或沉積的鈦或鈷。在一些實(shí)施例中，硅化物形式金屬層422具有大 約10埃到大約200埃的厚度，優(yōu)選為大約20埃到大約50埃，且更優(yōu)選為大約20埃。其它 的硅化物形式金屬層材料和/或厚度也是可用的。 在硅化物形式金屬層422上方沉積阻擋層424。阻擋層424可以是厚度為大約20 埃到大約500埃且優(yōu)選為大約100埃的氮化鈦或者其它合適的阻擋層如氮化鉭、氮化鴇、一 個(gè)或者多個(gè)阻擋層的結(jié)合、阻擋層與其它層的結(jié)合如鈦/氮化鈦、鉭/氮化鉭、鎢/氮化鎢 堆疊等。也可以采用其它的阻擋層材料和/或厚度。 形成阻擋層424后，在阻擋層424上方形成導(dǎo)電層426。導(dǎo)電層426是厚度為大約 50埃到大約1000埃且優(yōu)選為大約500埃的導(dǎo)電材料，如鎢或者其它合適的金屬。
然后阻擋層414、硅區(qū)域416、418和420、硅化物形式金屬層422、阻擋層424和導(dǎo) 電層426被圖案化并被刻蝕成柱428。例如，最開始時(shí)，導(dǎo)電層426和阻擋層424被刻蝕。 然后刻蝕繼續(xù)進(jìn)行，刻蝕硅化物形式金屬層422、硅區(qū)域420、418和416以及阻擋層414。在 對硅進(jìn)行刻蝕的時(shí)候，導(dǎo)電層426和阻擋層424作為硬掩膜。硬掩膜是一個(gè)刻蝕過的層，其 用于對下面的層進(jìn)行圖案化刻蝕；如果導(dǎo)電層426上的所有光刻膠都被消耗掉的話，硬掩 膜可以代替其提供圖案。以這種方法，只用一次光刻步驟就可以形成柱428?？梢圆捎脗鹘y(tǒng) 的光刻技術(shù)以及濕法或干法刻蝕工藝來形成柱428。每個(gè)柱428包括p-i-n型的朝下的二 極管430。類似地可以形成朝上的p-i-n二極管。 形成柱428后，在柱428上方沉積介電層432，用于填充柱428之間的空隙。例如， 大約200-7000埃的氧化硅可以被沉積，然后利用化學(xué)機(jī)械拋光或回蝕工藝進(jìn)行平坦化以 形成平坦表面434。平坦表面434包括被介電材料432分隔開的柱428的裸露頂表面(如 圖所示)。其它的介電材料如氮化硅、氮氧化硅、低K介電材料等和/或其它的介電層厚度 也是可用的。優(yōu)選的低K介電材料包括碳摻雜的氧化物、碳化硅層等。
形成平坦表面434后，在每個(gè)柱428上方選擇性地形成可逆電阻切換元件436 (圖 4C)。例如，可以通過選擇性沉積(1)氧化鎳；和/或(2)選擇性沉積鎳然后將鎳氧化的方 式在每個(gè)導(dǎo)電的柱428上方選擇性地形成氧化鎳層。在上述任一種情況下，都可以省去刻 蝕鎳和/或氧化鎳層的步驟，明顯簡化存儲(chǔ)器單元的制造。如上所述，可以使用選擇性沉積 鎳或氧化鎳的任何合適的方法，如化學(xué)沉積、電鍍等。在至少一個(gè)實(shí)施例中，在每個(gè)導(dǎo)電柱 428上方形成的可逆電阻切換元件436都包括氧化鎳層，該氧化鎳層具有1000?；蚋〉?厚度優(yōu)選厚度為500埃或更小?？梢圆捎闷渌趸嚭穸?。氧化鎳層可以包括例如NiO、 NiOx和NiOxPy或者其它類似的材料。其它材料例如Nb、V、Al、Ti、Co、鈷-鎳合金等可以類 似地被選擇性沉積、氧化和/或退火以在每個(gè)柱428上方形成選擇性沉積的可逆電阻率切 換。 參考圖4D，形成可逆電阻切換元件436后，可以以類似于底部的一組導(dǎo)體408的形 成方法在柱428上方形成第二組導(dǎo)體438。例如，如圖4D所示，在一些實(shí)施例中，在沉積用 于形成上部第二組導(dǎo)體438的導(dǎo)電層442之前，可以在可逆電阻切換元件436上方沉積一 個(gè)或更多個(gè)阻擋層和/或粘合層440。
當(dāng)n+硅層416，本征硅層418形成以后，11+硅層416、本征硅層418、阻擋層414和 /或任何導(dǎo)體層(如果需要的話)被圖案化并刻蝕以形成位于導(dǎo)體408上的硅柱420(如 圖)。傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，使用軟掩?；蛴惭谀ひ约皾裎g刻和干刻蝕工藝都可以用于形成硅柱 420。 硅柱420形成以后，沉積介電層422用以填充硅柱420之間的空隙。例如，可以沉 積大約200-7000埃厚度的氧化硅，然后通過化學(xué)機(jī)械拋光或者回蝕工藝將其平坦化以形 成平坦表面424。平坦表面424包括被介電材料422分隔開的硅柱420的裸露的頂面(如 圖所示)。其它的介電材料如氮化硅，氮氧化硅，低K值介電材料等，和/或其它的介電層厚 度也是可用的。優(yōu)選的低K值介電材料包括碳摻雜的氧化物，碳化硅層，或者類似物。
硅柱420形成以后，在每個(gè)硅柱內(nèi)，靠近硅柱420的上表面部分形成一個(gè)p+硅區(qū) 域。例如，可以通過表面P+注入，將硼注入硅柱420內(nèi)預(yù)定的深度。優(yōu)選的注入分子離子 包括B&、B&、B和類似物。在一些實(shí)施例中，采用大約l-5X10"離子/cm2的注入劑量。也 可以采用其它的注入元素和注入劑量。進(jìn)一步地，在一些實(shí)施例中，可采用擴(kuò)散工藝以摻雜 硅柱420的上部部分。在至少一個(gè)實(shí)施例中，p+硅區(qū)域426的厚度為大約100-700埃，盡 管其它的P+硅區(qū)域的厚度也是可用的。(需要提醒的是，如果形成的二極管是朝上的p-n 或者p-i-n 二極管，硅柱420的上部將會(huì)被n型摻雜)。如此，每個(gè)硅柱420上就包括了一 個(gè)朝下的p-i-n二極管428。 參考圖4D，p-i-n 二極管428形成以后，在襯底400上沉積一層硅化物形式金屬層 430。優(yōu)選的硅化物形式金屬包括濺射或者其它方式沉積的鈦或者鈷。在一些實(shí)施例中，硅 化物形式金屬層430具有大約10到大約200埃的厚度，優(yōu)選大約20到大約50埃，更優(yōu)選 大約20埃。其它的硅化物形式金屬層材料和/或厚度也是可用的。如下文中將要說明的， 對結(jié)構(gòu)的退火會(huì)弓I起硅化物形式金屬層430中的金屬與p+硅區(qū)域426中的硅反應(yīng)以在鄰 近每個(gè)p+硅區(qū)域426處形成硅化物區(qū)域432。 硅化物形式金屬層430形成以后，通過與形成底部導(dǎo)體408相似的方法在二極管 428上形成第二組導(dǎo)體436。在一些實(shí)施例中，在沉積導(dǎo)電層440之前，在硅化物形式金屬 層430上形成一個(gè)或者多個(gè)阻擋層和/或粘結(jié)層438，以用于形成上部的第二組導(dǎo)體436。
導(dǎo)電層440可使用任何合適的導(dǎo)電材料如鎢、其它合適的金屬、重?fù)诫s的半導(dǎo)體 材料、導(dǎo)電的硅化物、導(dǎo)電的硅化物_鍺化物、導(dǎo)電的鍺化物等通過任何合適的方法(如化 學(xué)氣象沉淀、物理汽相沉淀等)來形成?？梢允褂闷渌鼘?dǎo)電層材料。阻擋層和/或粘合層 438可包括氮化鈦或其它合適的層例如氮化坦、氮化鎢、一個(gè)或幾個(gè)層的結(jié)合或者任何其它 的合適材料。沉積的導(dǎo)電層440和阻擋層和/或粘合層438和/或硅化物形式金屬層430 可被圖案化和/或被刻蝕以形成第二組導(dǎo)體438。在至少一個(gè)實(shí)施例中，上部導(dǎo)體436是大 致平行、大致共面的導(dǎo)體，其與底部導(dǎo)體408沿著不同的方向延伸。 形成上部導(dǎo)體436后，該結(jié)構(gòu)可以被退火以使二極管428的沉積的半導(dǎo)體材料結(jié) 晶(和/或形成硅化物區(qū)域432)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，退火在60(TC到80(rC的溫度下 在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行大約10秒到大約2分鐘，優(yōu)選在65(TC到75(rC的溫度范圍中。可以使 用其它退火時(shí)間、溫度和/或環(huán)境。在每個(gè)硅化物形式金屬區(qū)域422與p+區(qū)域420反應(yīng)時(shí) 形成的硅化物區(qū)域432在退火過程中可以作為下面沉積的形成二極管432的半導(dǎo)體材料的 "結(jié)晶模板"或"籽晶"(例如，將任何無定形半導(dǎo)體材料變?yōu)槎嗑О雽?dǎo)體材料和/或提高二
17極管432的整體結(jié)晶性質(zhì))。由此提供低電阻率的二極管材料。
可替代的示例性存儲(chǔ)器單元 圖5是根據(jù)本發(fā)明提供的示例性存儲(chǔ)器單元500的截面圖。存儲(chǔ)器單元500包括 薄膜晶體管(TFT)，如薄膜金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)502，該晶體管與形成 于襯底505上方的可逆電阻切換元件504耦連。例如，MOSFET 502可以是形成在任何合適 的襯底上的n溝道或p溝道薄膜M0SFET。在圖示的實(shí)施例中，在襯底505上方形成絕緣區(qū) 域506如二氧化硅、氮化硅、氮氧化物等，然后在絕緣區(qū)域506上方形成沉積的半導(dǎo)體區(qū)域 507如沉積的硅、鍺、硅-鍺等。薄膜M0SFET 502形成于沉積的半導(dǎo)體區(qū)域507內(nèi)，并通過 絕緣區(qū)506與襯底505絕緣。 M0SFET 502包括源極/漏極區(qū)508、510和溝道區(qū)512，以及柵介電層514、柵電極 516和間隔區(qū)518a-b。在至少一個(gè)實(shí)施例中，源極/漏極區(qū)508、510可以是p型摻雜，溝道 區(qū)512可以是n型摻雜，而在其它的實(shí)施例中源極/漏極區(qū)508、510可以是n型摻雜，溝道 區(qū)512可以是p型摻雜。任何其它的M0SFET結(jié)構(gòu)或者任何合適的制造技術(shù)都可以用于薄 膜M0SFET 502。在一些實(shí)施例中，通過襯底506內(nèi)形成(如通過使用STI、L0C0S或其它類 似工藝形成)的絕緣區(qū)(未示出)來使M0SFET 502電絕緣?？商娲?，M0SFET 502的柵 極、源極區(qū)和/或漏極區(qū)可以與在襯底506上形成的其它晶體管(未示出)共用。
可逆電阻切換元件504包括下導(dǎo)體520，形成于下導(dǎo)體520上的含鈦層521，在含 鈦層521上選擇生長的氧化鈦層522以及在可逆電阻切換材料(氧化鈦層522)上形成上 導(dǎo)體524。上導(dǎo)體和下導(dǎo)體520,524可包括任何合適的導(dǎo)電材料如鴇、其它的金屬、重?fù)诫s
的半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電的硅化物、導(dǎo)電的硅化物_鍺化物、導(dǎo)電的鍺化物或者類似物。在一些 實(shí)施例中，在上導(dǎo)體和下導(dǎo)體520、524和可逆電阻切換材料(氧化鈦層522)之間還有一個(gè)
或者多個(gè)阻擋層和/或粘合層(圖中未示出)。 在至少一個(gè)實(shí)施例中，可逆電阻切換材料(氧化鈦層522)是通過上文結(jié)合附圖 1-圖4D的實(shí)施例記載的選擇生長工藝形成的。例如，通過在氧環(huán)境中如02、臭氧、或者它 們的結(jié)合，或者使用其它任何合適的氧化空間對含有鈦的層521實(shí)施快速熱氧化而選擇性 地形成氧化鈦層522。在其它的實(shí)施例中，在含有臭氧或者其它氧源的化學(xué)氣相沉積(CVD) 腔中通過氧擴(kuò)散，通過氣相或者液相的臭氧清洗，或者通過任何其它合適的氧化工藝氧化 含鈦層521以形成氧化鈦層522。在任何的實(shí)施例中，都不需要對氧化鈦層進(jìn)行刻蝕，存儲(chǔ) 單元的執(zhí)照得以顯著簡化。根據(jù)本發(fā)明，其它的材料也可以被選擇氧化以形成用于存儲(chǔ)單 元500的可逆電阻切換材料(如Ta、 TaN、 Nb、 NbN、 Al、 A1N、 Hf 、 H預(yù)、V禾口 VN等)。
如圖5所示，可逆電阻切換元件504通過第一導(dǎo)電栓塞526與M0SFET 502的源極 /漏極區(qū)510耦連，并通過第二導(dǎo)電栓塞530(其延伸穿過介電層532)與第一金屬級(Ml) 線528耦連。同樣地，第三導(dǎo)電栓塞534將M0SFET 502的源極/漏極區(qū)508與MI線536耦 連。導(dǎo)電栓塞和/或線可以用任何合適的金屬如鎢、其它金屬、重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電 的硅化物、導(dǎo)電的硅-鍺化物、導(dǎo)電的鍺化物等形成(帶有或不帶有阻擋層)。需要注意的 是，當(dāng)MOSFET為n-溝道器件時(shí)，區(qū)域508作為MOSFET 502的漏極區(qū)而區(qū)域510作為MOSFET 502的源極區(qū)；當(dāng)MOSFET為p-溝道器件時(shí)，區(qū)域508作為MOSFET 502的源極區(qū)而區(qū)域510 作為MOSFET 502的漏極區(qū)。介電層532包括任何合適的介電材料如二氧化硅、氮化硅氮氧 化硅、低K介電材料等。
在存儲(chǔ)器單元500中，薄膜M0SFET 502用作控向元件，其工作方式與圖2A-4D中 的存儲(chǔ)器單元使用的二極管的工作方式類似，選擇性地限制施加到可逆電阻切換元件504 兩端的電壓和/或流過可逆電阻切換元件504的電流。 在至少一個(gè)實(shí)施例中，可逆電阻切換元件504包括厚度為大約500埃或更少的氧
化鈦層，優(yōu)選厚度為大約300埃或更少。可以采用其它的氧化鈦厚度。 前述內(nèi)容只公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。落在本發(fā)明范圍內(nèi)的上面公開的設(shè)備和
方法的修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。例如，盡管本發(fā)明主要描述了選擇性氧
化氮化鈦，但應(yīng)該理解其它材料也可以被選擇性氧化以用于可逆電阻切換元件，形成例如
Ta、 TaN、 Nb、翻、Al 、 A1N、 Hf 、腳、V禾口 VN等。 因此，雖然已經(jīng)通過其示例性實(shí)施例公開了本發(fā)明，但應(yīng)該理解，如，其它實(shí)施例 也可能落入隨附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的主旨和保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種存儲(chǔ)單元，其包括控向元件；和利用選擇性生長工藝形成的與所述控向元件耦連的可逆電阻切換元件。
2. 如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其中所述控向元件包括二極管。
3. 如權(quán)利要求2所述的存儲(chǔ)單元，其中所述二極管包括垂直多晶二極管。
4. 如權(quán)利要求3所述的存儲(chǔ)單元，其中所述垂直多晶二極管包括處于低電阻率狀態(tài)的 多晶材料。
5. 如權(quán)利要求2所述的存儲(chǔ)單元，其中所述二極管包括p-n 二極管或者p-i-n 二極管。
6. 如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其中所述控向元件包括薄膜晶體管。
7. 如權(quán)利要求6所述的存儲(chǔ)單元，其中所述晶體管包括薄膜金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng) 晶體管，即MOSFET。
8. 如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其中所述可逆電阻切換元件包括TiO、 Ti02、 TiOx和 TiOxNy中的至少一種。
9. 如權(quán)利要求8所述的存儲(chǔ)單元，其中所述可逆電阻切換元件具有大約500?；蛘吒?小厚度的氧化物。
10. 如權(quán)利要求8所述的存儲(chǔ)單元，其中所述可逆電阻切換元件具有大約300埃或者更 小厚度的氧化物。
11. 如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其進(jìn)一步包括TiN層，并且其中通過氧化所述TiN 層形成所述可逆電阻切換元件。
12. 如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其中所述控向元件和所述可逆電阻切換元件是串 聯(lián)的。
13. —種存儲(chǔ)單元，其包括 第一導(dǎo)體；在所述第一導(dǎo)體上方形成的第二導(dǎo)體； 在所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體之間形成的二極管；以及通過選擇性生長工藝在所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體之間形成的可逆電阻切換元件。
14. 如權(quán)利要求13所述的存儲(chǔ)單元，其中所述二極管包括垂直多晶二極管。
15. 如權(quán)利要求14所述的存儲(chǔ)單元，其進(jìn)一步包括與所述垂直多晶二極管的多晶材 料相接觸的硅化物、硅-鍺化物或者鍺化物區(qū)域，從而所述多晶材料處于低電阻率狀態(tài)。
16. 如權(quán)利要求13所述的存儲(chǔ)單元，其中所述可逆電阻切換元件包括TiO、 Ti02、 TiOx 和TiO，y中的至少一種。
17. 如權(quán)利要求13所述的存儲(chǔ)單元，其進(jìn)一步包括在所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體之 間形成的TiN層，并且其中通過氧化所述TiN層形成所述可逆電阻切換元件。
18. —種存儲(chǔ)單元，其包括 第一導(dǎo)體；在所述第一導(dǎo)體上方形成的氮化鈦層；通過氧化所述氮化鈦層而選擇性形成的可逆電阻切換元件； 在所述可逆電阻切換元件上方形成的垂直多晶二極管；以及 在所述垂直多晶二極管上方形成的第二導(dǎo)體。
19. 如權(quán)利要求18所述的存儲(chǔ)單元，其進(jìn)一步包括與所述垂直多晶二極管的多晶材料 相接觸的硅化物、硅-鍺化物或者鍺化物區(qū)域，從而所述多晶材料處于低電阻率狀態(tài)。
20. 如權(quán)利要求18所述的存儲(chǔ)單元，其中所述可逆電阻切換元件包括Ti0、 Ti02、 TiOx 和TiO，y中的至少一種。
21. 如權(quán)利要求20所述的存儲(chǔ)器，其中所述可逆電阻切換元件具有大約500埃或者更 小厚度的氧化物。
22. 如權(quán)利要求20所述的存儲(chǔ)器，其中所述可逆電阻切換元件具有大約300?；蛘吒?小厚度的氧化物。
23. —種存儲(chǔ)單元，其包括 具有源極區(qū)和漏極區(qū)的薄膜晶體管； 與所述源極區(qū)或所述漏極區(qū)耦連的第一導(dǎo)體； 在所述第一導(dǎo)體上方形成的氮化鈦層； 通 過氧化所述氮化鈦層形成的可逆電阻切換元件；以及 在所述可逆電阻切換元件上方形成的第二導(dǎo)體。
24. 如權(quán)利要求23所述的存儲(chǔ)單元，其中所述薄膜晶體管包括n_溝道或者p-溝道的 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
25. 如權(quán)利要求23所述的存儲(chǔ)單元，其中所述可逆電阻切換元件包括TiO、 Ti02、 TiOx 和TiO，y中的至少一種。
26. 如權(quán)利要求25所述的存儲(chǔ)器，其中所述可逆電阻切換元件具有大約500?；蛘吒?小厚度的氧化物。
27. 如權(quán)利要求25所述的存儲(chǔ)器，其中所述可逆電阻切換元件具有大約300?；蛘吒?小厚度的氧化物。
28. 多個(gè)非易失性的存儲(chǔ)單元，其包括 在第一方向延伸的多個(gè)基本平行、基本共面的第一導(dǎo)體； 多個(gè)二極管；多個(gè)可逆電阻切換元件；以及在不同于所述第一方向的第二方向延伸的多個(gè)基本平行、基本共面的第二導(dǎo)體； 其中，在每個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)，所述二極管中的一個(gè)與所述可逆電阻切換元件中的一個(gè)被 布置成串聯(lián)在所述第一導(dǎo)體中的一個(gè)和所述第二導(dǎo)體中的一個(gè)之間；并且 其中每個(gè)可逆電阻切換元件是通過選擇性生長工藝形成的。
29. 如權(quán)利要求28所述的多個(gè)存儲(chǔ)單元，其中每個(gè)二極管是垂直多晶二極管。
30. 如權(quán)利要求29所述的多個(gè)存儲(chǔ)單元，其進(jìn)一步包括與每個(gè)垂直多晶二極管相接觸 的硅化物、硅-鍺化物或者鍺化物區(qū)域，從而所述多晶材料處于低電阻率狀態(tài)。
31. 如權(quán)利要求28所述的多個(gè)存儲(chǔ)單元，其中每個(gè)可逆電阻切換元件包括Ti0、 Ti02、 TiOx和TiOxNy中的至少一種。
32. —種單片三維存儲(chǔ)陣列，其包括 在襯底上方形成的第一存儲(chǔ)級，所述第一存儲(chǔ)級包括多個(gè)存儲(chǔ)單元，其中所述第一存儲(chǔ)級的每個(gè)存儲(chǔ)單元包括控向元件；禾口通過選擇性生長工藝形成的與所述控向元件耦連的可逆電阻切換元件；禾口 在所述第一存儲(chǔ)級上單片形成的至少一個(gè)第二存儲(chǔ)級。
33. 如權(quán)利要求32所述的單片三維存儲(chǔ)陣列，其中每個(gè)控向元件包括垂直多晶二極管。
34. 如權(quán)利要求33所述的單片三維存儲(chǔ)陣列，其中每個(gè)垂直多晶二極管包括垂直多晶 硅二極管。
35. 如權(quán)利要求32所述的單片三維存儲(chǔ)陣列，其中每個(gè)可逆電阻切換元件包括Ti0、 Ti02、 TiOx和TiOxNy中的至少一種。
36. 如權(quán)利要求35所述的單片三維存儲(chǔ)陣列，其中每個(gè)可逆電阻切換元件具有大約 500?；蚋『穸劝５难趸?。
37. 如權(quán)利要求36所述的單片三維存儲(chǔ)陣列，其中每個(gè)可逆電阻切換元件具有大約 300?；蛘吒『穸鹊难趸铩?br> 38. 如權(quán)利要求32所述的單片三維存儲(chǔ)陣列，其進(jìn)一步包括在每個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)的TiN 層，并且通過氧化各自的TiN層形成每個(gè)可逆電阻切換元件。
39. 如權(quán)利要求32所述的單片三維存儲(chǔ)陣列，其中每個(gè)存儲(chǔ)單元的各自的控向元件和 可逆電阻切換元件串聯(lián)。
40. 如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其中所述可逆電阻切換元件包括1^205、 Nb205、 A1203、 Hf02和V205中的至少一種。
41. 一種形成存儲(chǔ)單元的方法，包括 在襯底上方形成控向元件；利用選擇性生長工藝形成與所述控向元件耦連的可逆電阻切換元件。
42. 如權(quán)利要求41所述方法，其中形成所述控向元件包括形成二極管。
43. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中形成所述控向元件包括形成多晶二極管。
44. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中形成所述控向元件包括形成垂直多晶二極管。
45. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中形成所述控向元件包括形成具有處于低電阻率狀 態(tài)的多晶材料的垂直多晶二極管。
46. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中形成所述控向元件包括形成p-n二極管或者p-i-n 二極管。
47. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中形成所述控向元件包括形成薄膜晶體管。
48. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中形成所述控向元件包括形成薄膜金屬氧化物半導(dǎo) 體場效應(yīng)晶體管，即M0SFET。
49. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中形成所述可逆電阻切換元件包括形成Ti0、 Ti02、 TiOx和TiOxNy中的至少一種。
50. 如權(quán)利要求49所述的方法，其中形成所述可逆電阻切換元件包括形成具有大約為 500?；蛘吒『穸鹊难趸锏目赡骐娮枨袚Q元件。
51. 如權(quán)利要求50所述的方法，其中形成所述可逆電阻切換元件包括形成具有大約為 300埃或者更小于厚度的氧化物的可逆電阻切換元件。
52. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中形成所述可逆電阻切換元件包括 形成含Ti層；以及氧化所述含Ti層。
53. 如權(quán)利要求52所述的方法，其中所述含Ti層包括TiN層。
54. 如權(quán)利要求41所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述控向元件和所述可逆電阻切換元 件串聯(lián)。
55. 使用權(quán)利要求41所述的方法形成的存儲(chǔ)單元。
56. 使用權(quán)利要求49所述的方法形成的存儲(chǔ)單元。
57. —種形成存儲(chǔ)單元的方法，包括 在襯底上方形成第一導(dǎo)體；通過選擇性生長工藝在所述第一導(dǎo)體上方形成可逆電阻切換元件； 在所述第一導(dǎo)體上方形成二極管；以及 在所述二極管和所述可逆電阻切換元件上方形成第二導(dǎo)體。
58. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中形成所述二極管包括形成垂直多晶二極管。
59. 如權(quán)利要求58所述的方法，其進(jìn)一步包括形成與所述垂直多晶二極管的多晶材料 相接觸的硅化物、硅-鍺化物或者鍺化物區(qū)域，從而所述多晶材料處于低電阻率狀態(tài)。
60. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中形成所述可逆電阻切換元件包括選擇性地形成 Ti0、Ti02、Ti0x和TiOxNy中至少一種。
61. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中形成所述可逆電阻切換元件包括 形成含Ti層；以及氧化所述含Ti層。
62. 如權(quán)利要求61所述的方法，其中所述含Ti層包括TiN層。
63. 使用權(quán)利要求57所述的方法形成的存儲(chǔ)單元。
64. 使用權(quán)利要求60所述的方法形成的存儲(chǔ)單元。
65. —種形成存儲(chǔ)單元的方法，包括 在襯底上方形成第一導(dǎo)體； 在所述第一導(dǎo)體上方形成氮化鈦層；通過氧化所述氮化鈦層選擇性地形成可逆電阻切換元件； 在所述可逆電阻切換元件上方形成垂直多晶二極管；以及 在所述垂直多晶二極管上方形成第二導(dǎo)體。
66. 如權(quán)利要求65所述的方法，其進(jìn)一步包括形成與所述垂直多晶二極管上的多晶材 料相接觸的硅化物、硅-鍺化物或者鍺化物區(qū)域，從而所述多晶材料處于低電阻率狀態(tài)。
67. 如權(quán)利要求65所述的方法，其中形成所述可逆電阻切換元件包括選擇性地形成 Ti0、Ti02、Ti0x和TiOxNy中的至少一種。
68. 如權(quán)利要求65所述的方法，其中選擇性地形成所述可逆電阻切換元件包括形成具 有大約300埃或者更小厚度的氧化層的可逆電阻切換元件。
69. 如權(quán)利要求65所述的方法，其中形成所述垂直多晶二極管包括形成垂直多晶硅二 極管。
70. 使用權(quán)利要求65所述的方法形成的存儲(chǔ)單元。
71. —種形成存儲(chǔ)單元的方法，包括 在襯底上方形成含有源極區(qū)和漏極區(qū)的薄膜晶體管；形成與所述晶體管的所述源極區(qū)或所述漏極區(qū)耦連的第一導(dǎo)體； 在所述第一導(dǎo)體上方形成氮化鈦層；通過氧化所述氮化鈦層而選擇性地形成可逆電阻切換元件；以及 在所述可逆電阻切換元件上方形成第二導(dǎo)體。
72. 如權(quán)利要求71所述的方法，其中形成所述薄膜晶體管包括形成n_溝道或者p-溝 道的薄膜金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
73. 如權(quán)利要求71所述的方法，其中形成所述可逆電阻切換元件包括選擇性地形成 Ti0、Ti02、Ti0x和TiOxNy中的至少一種。
74. 使用權(quán)利要求71所述的方法形成的存儲(chǔ)單元。
75. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中形成所述可逆電阻切換元件包括形成1^205、吣205、 A1203、 Hf02和V205中的至少一種。
全文摘要
提供了一種形成存儲(chǔ)器單元的方法，包括(1)在襯底上方形成第一導(dǎo)體(206)；(2)利用選擇性生長工藝在第一導(dǎo)體上方形成可逆電阻切換元件；(3)在第一導(dǎo)體上方形成二極管(204)；以及(4)在二極管和可逆電阻切換元件上方形成第二導(dǎo)體(208)以獲得交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器件。切換元件也可以通過一個(gè)TFT控向。切換元件包含難以刻蝕的材料如TiO2，并且該切換元件不是通過刻蝕該材料形成的，而是通過氧化其它的材料如Ti或者TiN形成的。
文檔編號H01L27/24GK101720508SQ200880022667
公開日2010年6月2日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者A·謝瑞克, M·克拉克, S·B·赫納 申請人:桑迪士克3D公司