阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)多電平單元（MLC）的阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法。所述阻變存儲(chǔ)器件包括：下電極，與開關(guān)器件連接，并且包括形成在下電極的頂部上的第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)以分隔開固定的間隔；相變材料圖案，形成在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)上；上電極，形成在相變材料圖案上；導(dǎo)電材料層，形成在上電極的頂部和外側(cè)壁上；第一接觸插塞，形成在上電極的一個(gè)邊緣，以與上電極和導(dǎo)電材料層連接；以及第二接觸插塞，形成在上電極的另一個(gè)邊緣，以與上電極和導(dǎo)電材料層連接。
【專利說明】阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年6月19日向韓國(guó)專利局提交的申請(qǐng)?zhí)枮?0-2012-0065802的韓國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過引用合并于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明構(gòu)思涉及一種半導(dǎo)體器件，更具體而言，涉及一種阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0004]非易失性存儲(chǔ)器件，其中以相變存儲(chǔ)器件、快閃存儲(chǔ)器件、磁性存儲(chǔ)器件等為代表，易于基于多電平單元技術(shù)以低成本高度集成。
[0005]針對(duì)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的縮放限制和快閃存儲(chǔ)器件的可靠性，非易失性存儲(chǔ)器件之中的相變存儲(chǔ)器件成為實(shí)用的替代物。具體地，相變存儲(chǔ)器件具有非易失特性、高速操作、穩(wěn)定、不擦除操作、持久以及以字節(jié)為單位來訪問這些優(yōu)點(diǎn)，因此可以被稱作最適用于儲(chǔ)存類型存儲(chǔ)器(SCM)的下一代存儲(chǔ)器件。
[0006]SCM被應(yīng)用為儲(chǔ)存裝置和/或主存儲(chǔ)裝置，相變存儲(chǔ)器件必須以低功耗快速并準(zhǔn)確地執(zhí)行編程和讀取操作以便執(zhí)行功能。
[0007]另外，相變存儲(chǔ)器件已經(jīng)從單電平單元(SLC)結(jié)構(gòu)研究到多電平單元(MLC)結(jié)構(gòu)，以便被高度地集成。主要使用對(duì)施加到結(jié)構(gòu)與SLC相同的存儲(chǔ)器單元的脈沖進(jìn)行控制的方法來實(shí)現(xiàn)MLC。
[0008]圖1是說明相變存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)的圖。
[0009]如圖1中所示，開關(guān)器件103形成在其中形成有底部結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底101上，下電極105形成為與開關(guān)器件103電連接。相變材料圖案107和上電極109形成在下電極105上，上電極109經(jīng)由接觸插塞111與位線(未示出)電連接。
[0010]圖2是說明為了引起具有圖1結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器件操作成MLC而施加的脈沖的一個(gè)實(shí)例的圖。
[0011]首先，圖2 (a)示出單脈沖模式，并且經(jīng)由寫入-讀取過程來實(shí)現(xiàn)MLC。在這種脈沖施加方法中，施加的脈沖類型簡(jiǎn)單，但是“ 10”狀態(tài)和“01”狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換狀態(tài)不準(zhǔn)確。
[0012]圖2 (b)示出第一雙脈沖模式，并且經(jīng)由復(fù)位電流施加-寫入-讀取過程來實(shí)現(xiàn)MLC0在這種脈沖施加方法中，在施加編程脈沖之前預(yù)先施加復(fù)位脈沖，以便編程“10”狀態(tài)和“01”狀態(tài)。因此，除了如圖2 (a)中所示的單脈沖模式以外，需要額外的脈沖，并且需要三種脈沖電平。然而，容易形成諸如“01”和“ 10 ”的中間電平。
[0013]接著，圖2 (C)示出第二雙脈沖模式。這種脈沖施加方法與第一雙脈沖模式的相似之處在于:在施加編程脈沖之前預(yù)先施加復(fù)位脈沖，以便編程“10”狀態(tài)和“01”狀態(tài)。然而，該脈沖施加方法與第一雙脈沖模式的不同之處在于:為了形成中間電平而施加的脈沖被配置成慢消隱類型。這種脈沖施加方法使用一種脈沖電平，因而可以簡(jiǎn)化用于電壓泵浦電路的配置。
[0014]圖2 (d)示出第三雙脈沖模式，并且經(jīng)由設(shè)定電流施加-寫入-讀取過程來實(shí)現(xiàn)MLC0這種脈沖施加方法與圖2 (b)的方法相似。然而，該脈沖施加方法與圖2 (b)的方法的不同之處在于要首先施加設(shè)定電流。
[0015]圖2 (e)示出經(jīng)由編程和驗(yàn)證模式(PNV)來實(shí)現(xiàn)MLC。該脈沖施加方法將驗(yàn)證脈沖加入單脈沖模式，是形成期望電阻狀態(tài)的最佳模式。然而，由于編程和驗(yàn)證過程的重復(fù)而使編程周期的時(shí)間變長(zhǎng)。
[0016]如上所述，目前，通過應(yīng)用與應(yīng)用到SLC的單元結(jié)構(gòu)相同的單元結(jié)構(gòu)并且僅改變脈沖類型來實(shí)現(xiàn)MLC。因此，數(shù)據(jù)電平可能根據(jù)電阻漂移或相變材料中的部分成分變化而改變，因此，由于存儲(chǔ)器件的使用壽命增加的原因而難以保證可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)示例性實(shí)施例提供一種能夠?qū)嵤┒嚯娖絾卧?MLC)的阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法。
[0018]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的一個(gè)方面，提供了一種阻變存儲(chǔ)器件。所述阻變存儲(chǔ)器件可以包括:下電極，所述下電極與開關(guān)器件連接，并且包括形成在下電極的頂部上的第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)以分隔開固定的間隔；相變材料圖案，所述相變材料圖案形成在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)上；上電極，所述上電極形成在相變材料圖案上；導(dǎo)電材料層，所述導(dǎo)電材料層形成在上電極的頂部和外側(cè)壁上；第一接觸插塞，所述第一接觸插塞形成在上電極的一個(gè)邊緣，以與上電極和導(dǎo)電材料層連接；以及第二接觸插塞，所述第二接觸插塞形成在上電極的另一個(gè)邊緣，以與上電極和導(dǎo)電材料層連接。
[0019]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的另一個(gè)方面，提供了一種制造阻變存儲(chǔ)器件的方法。所述方法可以包括以下步驟:提供形成有開關(guān)器件的半導(dǎo)體襯底；形成下電極，所述下電極的底部與開關(guān)器件連接，所述下電極的頂部包括以固定的間隔分隔開的第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)；形成相變材料層和上電極材料并且將相變材料層和上電極材料圖案化，使得第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)與相變材料圖案連接；在上電極的頂部和外側(cè)壁上形成導(dǎo)電材料層；在包括導(dǎo)電材料層的半導(dǎo)體襯底上形成層間絕緣層，并且形成上電極接觸孔，上電極接觸孔中的一個(gè)暴露出上電極的一個(gè)邊緣和導(dǎo)電材料層的一個(gè)邊緣，上電極接觸孔中的另一個(gè)暴露出上電極的另一個(gè)邊緣和導(dǎo)電材料層的另一個(gè)邊緣；以及形成沉積在上電極接觸孔中的接觸插塞。
[0020]在以下標(biāo)題為“【具體實(shí)施方式】”的部分描述這些和其他的特點(diǎn)、方面以及實(shí)施例。【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]從如下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述將更加清楚地理解本發(fā)明主題的以上和其他的方面、特征和其他的優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0022]圖1是說明一般的相變存儲(chǔ)器件的截面圖；
[0023]圖2是為了引起一般的相變存儲(chǔ)器件操作成多電平單元(MLC)而施加的脈沖的示意圖；
[0024]圖3至圖7是說明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示例性實(shí)施例的制造阻變存儲(chǔ)器件的方法的截面圖；以及
[0025]圖8是說明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一個(gè)示例性實(shí)施例的制造阻變存儲(chǔ)器件的方法的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]在下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述示例性實(shí)施例。
[0027]本文參照截面圖描述示例性實(shí)施例,截面圖是示例性實(shí)施例(以及中間結(jié)構(gòu))的示意性圖示。照此，可以預(yù)料到圖示的形狀變化是例如制造技術(shù)和/或公差的結(jié)果。因而，示例性實(shí)施例不應(yīng)被解釋為局限于本文所說明的區(qū)域的特定形狀，而是可以包括例如來自于制造的形狀差異。在附圖中，為了清楚起見，可能對(duì)層和區(qū)域的長(zhǎng)度和尺寸進(jìn)行夸大。相似的附圖標(biāo)記在附圖中表示相似的元件。還要理解當(dāng)提及一層在另一層或襯底“上”時(shí)，其可以直接在另一層或襯底上，或還可以存在中間層。
[0028]圖3至圖7是說明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示例性實(shí)施例的制造阻變存儲(chǔ)器件的方法的截面圖，其中圖3至圖7是沿第一方向、例如字線方向的截面圖。
[0029]參見圖3，在形成有底部結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底201上形成開關(guān)器件203，并且形成與開關(guān)器件203電連接的下電極205。隨后，在下電極205上形成相變材料圖案207和上電極209。
[0030]這里，在一些實(shí)施例中開關(guān)器件可以是二極管。
[0031]另外，下電極205可以形成為使得下電極205可以經(jīng)由單個(gè)節(jié)點(diǎn)與開關(guān)器件203連接，并且下電極205可以經(jīng)由至少兩個(gè)節(jié)點(diǎn)2051和2053與相變材料圖案207連接。此時(shí)，第一節(jié)點(diǎn)2051和第二節(jié)點(diǎn)2053可以被形成為以固定的間隔分隔開。在本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例中，可以確定第一節(jié)點(diǎn)2051和第二節(jié)點(diǎn)2053之間的間隔，使得當(dāng)經(jīng)由第一節(jié)點(diǎn)2051和第二節(jié)點(diǎn)2053來改變相變材料圖案207的結(jié)晶狀態(tài)時(shí)，被第一節(jié)點(diǎn)2051非晶化的區(qū)域與被第二節(jié)點(diǎn)2053非晶化的區(qū)域不重疊。
[0032]參見圖4，在包括相變材料圖案207和上電極209的半導(dǎo)體襯底上形成導(dǎo)電材料層211，然后經(jīng)由間隔件刻蝕來沿字線方向進(jìn)行單元之間的間隔。在一些實(shí)施例中，將導(dǎo)電材料層211沉積在半導(dǎo)體襯底上，以覆蓋上電極209的頂表面和側(cè)壁以及相變材料圖案207的側(cè)壁。然后執(zhí)行刻蝕工藝以去除導(dǎo)電材料層211的一部分，以沿字線方向形成單元之間的間隔。在一些實(shí)施例中，可以在刻蝕工藝之前在上電極209的頂表面上形成掩模。
[0033]參見圖5，在包括導(dǎo)電材料層211的半導(dǎo)體襯底上形成覆蓋層213?？梢岳美绨ǖ锏牟牧蟻硇纬筛采w層213，但是用于覆蓋層213的材料不局限于此。
[0034]參見圖6，在覆蓋層213上形成層間絕緣層215。相對(duì)于每個(gè)單元形成至少兩個(gè)上電極接觸孔217A/219A和217B/219B。可以通過刻蝕層間絕緣層215、覆蓋層213的一個(gè)邊緣、導(dǎo)電材料層211的一個(gè)邊緣、以及上電極209的一個(gè)邊緣到固定的高度來形成每個(gè)單元中的第一上電極接觸孔217A或217B?？梢酝ㄟ^刻蝕層間絕緣層215、覆蓋層213的另一個(gè)邊緣、導(dǎo)電材料層211的另一個(gè)邊緣、以及上電極209的另一個(gè)邊緣到固定的高度來形成每個(gè)單元中的第二上電極接觸孔219A或219B。
[0035]在上電極接觸孔217A/219A和217B/219B內(nèi)沉積導(dǎo)電材料，以形成第一接觸插塞221A/221B和第二接觸插塞223A/223B。這里，接觸插塞221A/223A和221B/223B可以由例如鎢(W)形成，但用于接觸插塞的材料不局限于此。
[0036]在形成接觸插塞221A/223A和221B/223B之后，形成位線(未示出)以分別與接觸插塞 221A/223A 和 221B/223B 連接。
[0037]接觸插塞221A/223A和221B/223B可以形成為被沿著位線方向相鄰的兩個(gè)單元相
互共用。
[0038]圖8是說明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一個(gè)實(shí)施例的制造阻變存儲(chǔ)器件的方法的截面圖。
[0039]圖8是圖7所示的阻變存儲(chǔ)器件沿位線方向的截面圖。相對(duì)于沿位線方向相鄰的一對(duì)單元同時(shí)形成接觸孔，并且在接觸孔中沉積導(dǎo)電材料以形成接觸插塞221。
[0040]當(dāng)如上所述形成位線時(shí)，兩個(gè)接觸插塞形成在每個(gè)單位單元中以沿著字線方向分別與位線連接。在圖7和圖8所示的實(shí)施例中，字線方向應(yīng)與截面圖平行，而位線方向應(yīng)與截面圖垂直。然而，一個(gè)接觸插塞形成在沿著位線方向相鄰的一對(duì)單元中，以與同一位線連接。因此，接觸插塞的總數(shù)目和單元的總數(shù)目相同。
[0041]在根據(jù)以上所述的本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器件中，下電極經(jīng)由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)2051和2053與相變材料圖案電連接，并且相變材料圖案進(jìn)一步經(jīng)由形成在上電極圖案的兩個(gè)邊緣處的接觸插塞對(duì)221A/223A和221B/223B與相應(yīng)的位線連接。
[0042]因此，如圖7中所示，通過經(jīng)由第一節(jié)點(diǎn)2051—相變材料圖案207—上電極209—第一接觸插塞221A—位線的第一電流路徑來形成非晶區(qū)A。類似地，通過經(jīng)由第二節(jié)點(diǎn)2053—相變材料圖案207—上電極209—第二接觸插塞223A—位線的第二電流路徑來形成非晶區(qū)B。
[0043]MLC單元可以通過以下來實(shí)現(xiàn):將非晶區(qū)形成在相變材料圖案207的與第一節(jié)點(diǎn)2051和第二節(jié)點(diǎn)2053連接的一部分中的情況定義為數(shù)據(jù)“11”，將非晶區(qū)未形成在相變材料圖案207的與第一節(jié)點(diǎn)2051和第二節(jié)點(diǎn)2053連接的一部分中的情況定義為數(shù)據(jù)“00”，將非晶區(qū)僅形成在相變材料圖案207的與第一節(jié)點(diǎn)2051連接的一部分中的情況定義為數(shù)據(jù)“ 10”，以及將非晶區(qū)僅形成在相變材料圖案207的與第二節(jié)點(diǎn)2053連接的一部分中的情況定義為數(shù)據(jù)“01”。
[0044]g卩，由于接觸插塞221A/223A和221B/223B與單獨(dú)的位線連接，經(jīng)由對(duì)施加到每個(gè)位線的脈沖的控制來改變相變材料圖案207的電阻值，使得可以儲(chǔ)存三個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)。因此，與經(jīng)由單個(gè)接觸插塞來改變電阻狀態(tài)相比，可以更加容易并且準(zhǔn)確地控制相變材料圖案的電阻狀態(tài)。
[0045]本發(fā)明的以上實(shí)施例是說明性的，而不是限制性的。各種替換和等同形式是可能的。本發(fā)明不局限于本文描述的實(shí)施例。本發(fā)明也不局限于任何特定類型的半導(dǎo)體器件。其他增加、刪減或修改結(jié)合本公開是明顯的，并且意在落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種阻變存儲(chǔ)器件，包括: 下電極，所述下電極與開關(guān)器件連接，并且包括形成在所述下電極的頂部上的第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)，所述第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)分隔開固定的間隔； 相變材料圖案，所述相變材料圖案形成在所述第一節(jié)點(diǎn)和所述第二節(jié)點(diǎn)上； 上電極，所述上電極形成在所述相變材料圖案上； 導(dǎo)電材料層，所述導(dǎo)電材料層形成在所述上電極的頂部和外側(cè)壁上； 第一接觸插塞，所述第一接觸插塞形成在所述上電極的頂部的一個(gè)邊緣，以與所述上電極和所述導(dǎo)電材料層連接；以及 第二接觸插塞，所述第二接觸插塞形成在所述上電極的頂部的另一個(gè)邊緣，以與所述上電極和所述導(dǎo)電材料層連接。
2.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器件，還包括: 第一位線，所述第一位線與所述第一接觸插塞連接；以及 第二位線，所述第二位線與所述第二接觸插塞連接。
3.如權(quán)利要求2所述的阻變存儲(chǔ)器件，其中，所述第一接觸插塞被沿著所述第一位線的方向延伸的一對(duì)相鄰的存儲(chǔ)器單元共用。
4.如權(quán)利要求2所述的阻變存儲(chǔ)器件，其中，所述第二接觸插塞被沿著所述第二位線的方向延伸的一對(duì)相鄰的存儲(chǔ)器單元共用。
5.如權(quán)利要求1所述的阻`變存儲(chǔ)器件，其中，所述導(dǎo)電材料與所述相變材料圖案的側(cè)壁接觸。
6.一種制造阻變存儲(chǔ)器件的方法，所述方法包括以下步驟: 提供形成有開關(guān)器件的半導(dǎo)體襯底； 形成下電極，所述下電極的底部與所述開關(guān)器件連接，所述下電極的頂部包括以固定的間隔分隔開的第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)； 形成相變材料層和上電極材料并將所述相變材料層和所述上電極材料圖案化，使得所述第一節(jié)點(diǎn)和所述第二節(jié)點(diǎn)與相變材料圖案連接； 在所述上電極的頂部和外側(cè)壁上形成導(dǎo)電材料層； 在包括所述導(dǎo)電材料層的所述半導(dǎo)體襯底上形成層間絕緣層，并且形成上電極接觸孔，所述上電極接觸孔中的一個(gè)暴露出所述上電極的一個(gè)邊緣和所述導(dǎo)電材料層的一個(gè)邊緣，所述上電極接觸孔中的另一個(gè)暴露出所述上電極的另一個(gè)邊緣和所述導(dǎo)電材料層的另一個(gè)邊緣；以及 形成沉積在所述上電極接觸孔中的接觸插塞。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，形成接觸插塞包括以下步驟: 將導(dǎo)電材料沉積在暴露出所述上電極的一個(gè)邊緣和所述導(dǎo)電材料層的一個(gè)邊緣的第一上電極接觸孔內(nèi)，以形成第一接觸插塞；以及 將導(dǎo)電材料沉積在暴露出所述上電極的另一個(gè)邊緣和所述導(dǎo)電材料層的另一個(gè)邊緣的第二上電極接觸孔內(nèi)，以形成第二接觸插塞。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括以下步驟: 形成與所述第一接觸插塞連接的第一位線；以及 形成與所述第二接觸插塞連接的第二位線。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，沿所述第一位線的延伸方向相鄰的一對(duì)存儲(chǔ)器單元共用所述第一接觸插塞，沿所述第二位線的延伸方向相鄰的一對(duì)存儲(chǔ)器單元共用所述第 ?接觸插塞。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中`，所述導(dǎo)電材料與所述相變材料圖案的側(cè)壁接觸。
【文檔編號(hào)】H01L45/00GK103515532SQ201310188800
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】吳在敏 申請(qǐng)人:愛思開海力士有限公司