專利名稱：以低功率操作的具有高讀取裕量的相變存儲單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相變存儲器。具體地，為主體材料與相變材料相鄰 的相變存儲單元設(shè)置系統(tǒng)和方法，使得減小了相變材料中的熱量泄 漏。相變材料可呈現(xiàn)出至少兩種不同的狀態(tài)。從而，相變材料可用 在存儲單元中以存儲數(shù)據(jù)位?？蓪⑾嘧儾牧系臓顟B(tài)稱作非晶態(tài)和晶 態(tài)。由于非晶態(tài)通常比晶態(tài)呈現(xiàn)更大的電阻率，因此可以區(qū)分這兩 種狀態(tài)。通常，非晶態(tài)涉及更加無序的原子結(jié)構(gòu)，而晶態(tài)涉及更加 有序的晶格。
背景技術(shù)：
可以可逆地感應(yīng)相變材料中的相變。這樣，響應(yīng)于溫度的變化， 存儲器可從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)以及從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。相變材料 的溫度變化能夠以多種方式實(shí)現(xiàn)。例如，可將激光指向相變材料、 可4吏電流通過相變材并+ 、或者可以輸送電流或電壓通過與相變材泮牛
相鄰的電阻加熱器。通過這些方法中的任意一種，相變材料的可控 加熱都將可I起相變材料內(nèi)的可控相變。
當(dāng)相變存儲器包括具有由相變材料制成的多個存儲單元的存 據(jù)。在這種相變存儲器件中讀取和寫入數(shù)據(jù)的 一種方法是控制施加
給相變材料的電流和/或電壓脈沖。電流和電壓的水平一舶:對應(yīng)于在 每個存儲單元中的相變材料內(nèi)感應(yīng)的溫度。為了使在每個存儲單元 中所需的功率最小，應(yīng)該使從相變材料中泄漏的熱量最小。
由于上述以及其^也原因，存在著只于本發(fā)明的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實(shí)施例提供了一種存儲單元器件。存儲單元器件 包括第一電4及、相鄰于第一電^^的加熱器、相鄰于加熱器的相變材 料、相鄰于相變材料的第二電極、以及相鄰于相變材料的用于熱隔 離相變材料的隔離材料。


附圖是為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，并且并入并構(gòu)成本說明書的一 部分。附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且與描述一起用于解釋本發(fā) 明的原理。由于參考以下詳細(xì)描述更好地了解本發(fā)明，所以將會容 易地理解本發(fā)明的其他實(shí)施例和本發(fā)明的許多預(yù)期優(yōu)點(diǎn)。附圖中的 元件不 一 定相對于彼此按比例繪制。相似的參考標(biāo)號表示相應(yīng)的類 似部件。
圖1示出了存儲單元器件的框圖。 圖2示出了相變材料單元的截面圖。
圖3示出了具有在重置操作期間示出的溫度等高線的相變存儲 單元的截面圖。
圖4示出了才艮據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的、具有才黃向環(huán)繞的隔離材 料的相變存儲單元的截面圖。
圖5示出了才艮據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的、具有橫向環(huán)繞的隔離 材料的相變存儲單元的截面圖。
圖6示出了將在讀取操作期間獲得的單元電阻繪作重置脈沖電 壓和電流的函凄t的曲線圖。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的、具有橫向環(huán)繞擴(kuò)散屏 阻擋和隔離材料的加熱器相變存儲單元的截面圖。
圖8示出了預(yù)處理晶片的一個實(shí)施例的截面圖。
圖9示出了預(yù)處理晶片、第一隔離材料層、停止層、以及第二 隔離材料層的 一個實(shí)施例的截面圖。
圖10示出了在蝕刻第二隔離材料層、停止層、以及第一隔離 材料層之后的預(yù)處理晶片、第一隔離材料層、停止層、以及第二隔 離材料層的 一 個實(shí)施例的截面圖。
圖11示出了預(yù)處理晶片、第一隔離材料層、停止層、第二隔 離材料層、以及隔離材料層的一個實(shí)施例的截面圖。
圖12示出了在蝕刻隔離材料層之后的預(yù)處理晶片、第一隔離 材料層、停止層、第二隔離材料層、以及隔離材料層的一個實(shí)施例 的截面圖。
圖13示出了在蝕刻擴(kuò)散阻擋層之后預(yù)處理晶片、第一隔離材 料層、停止層、第二隔離材料層、隔離材料層、以及擴(kuò)散阻擋層的 一個實(shí)施例的截面圖。
圖14示出了預(yù)處理晶片、第一隔離材料層、停止層、第二隔 離材料層、隔離材料層、擴(kuò)散阻擋層、以及加熱器材料層的一個實(shí) 施例的截面圖。
圖15示出了在平坦化之后的預(yù)處理晶片、第一隔離材料層、 停止層、隔離材料層、擴(kuò)散阻擋層、以及加熱器材料層的一個實(shí)施 例的截面圖。
圖16示出了預(yù)處理晶片、第一隔離材料層、停止層、隔離材 料層、擴(kuò)散阻擋層、加熱器材料層、相變材料層、以及電極材料層 的 一 個實(shí)施例的截面圖。
圖17示出了在蝕刻電極材料層和相變材料層之后的預(yù)處理晶 片、第一隔離材料層、停止層、隔離材料層、擴(kuò)散阻擋層、加熱器 材料層、相變材料層、第二電極、以及掩模層的一個實(shí)施例的截面 圖。
圖18示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的、具有橫向環(huán)繞的擴(kuò) 散阻擋和隔離材料的加熱器相變存儲單元的截面圖。
圖19示出了預(yù)處理晶片的一個實(shí)施例的截面圖。
圖20示出了在蝕刻預(yù)處理晶片的插塞(plug )之后的預(yù)處理晶 片的一個實(shí)施例的截面圖。
圖21示出了在蝕刻插塞的襯里之后的預(yù)處理晶片的一個實(shí)施 例的截面圖。
圖22示出了預(yù)處理晶片和隔離材料層的一個實(shí)施例的截面圖。
圖23示出了在蝕刻隔離材料層之后的預(yù)處理晶片和隔離材料 層的 一個實(shí)施例的截面圖。
圖24示出了在蝕刻擴(kuò)散阻擋層之后的預(yù)處理晶片、隔離材料 層、以及擴(kuò)散阻擋層的一個實(shí)施例的截面圖。
圖25示出了預(yù)處理晶片、隔離材料層、擴(kuò)散阻擋層、以及加 熱器材料層的一個實(shí)施例的截面圖。
圖26示出了在平坦化之后的預(yù)處理晶片、隔離材料層、擴(kuò)散 阻擋層、以及加熱器材并+層的一個實(shí)施例的截面圖。
圖27示出了預(yù)處理晶片、隔離材料層、擴(kuò)散阻擋層、加熱器 材料層、相變材料層、以及電極材料層的一個實(shí)施例的截面圖。
片、隔離材料層、擴(kuò)散阻擋層、加熱器材料層、相變材料層、第二 電極、以及掩模層的一個實(shí)施例的截面圖。
具體實(shí)施例方式
在以下的詳細(xì)描述中，參考構(gòu)成本文一部分的附圖，其中，通 過可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的示例性具體實(shí)施例示出了附圖。對此，參考所 描述圖的方向4吏用方向術(shù)語(例如，"頂部"、"底部"、"正面"、 "背面"、"前端"、"尾部，，等)。由于本發(fā)明實(shí)施例中的元件可以 定^立于i午多不同的方向，因》匕，方向術(shù)i吾是用來i兌明而不是用來限 制的。可以理解，可利用其他實(shí)施例，并且在不背離本發(fā)明范圍的 情況下，可對結(jié)構(gòu)或邏輯進(jìn)4于改變。因此，以下詳細(xì)的描述不是用 來限制本發(fā)明的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。
圖1示出了存儲單元器件5的框圖。存儲單元器件5包括寫脈 沖發(fā)生器6、分酉己電路7、存4諸單元8a、 8b、 8c和8d、以及讀出i文 大器9。在一個實(shí)施例中，存儲單元8a 8d是基于存儲材料的非晶 態(tài)到晶態(tài)相變的相變存儲單元。在一個實(shí)施例中，寫脈沖發(fā)生器6 生成的電流或電壓脈沖通過分配電路7被可控制地導(dǎo)入存儲單元 8a ~ 8d。在一個實(shí)施例中，分配電路7是可孚皮控制地將電流或電壓 脈沖導(dǎo)入存儲器的多個晶體管，以及在另一個實(shí)施例中，其是可被 控制將電流或電壓脈沖導(dǎo)入靠近相變存儲單元的加熱器的多個晶 體管。
在一個實(shí)施例中，存儲單元8a-8d由相變材料制成，在溫度 變化的影響下，該相變材料可由非晶態(tài)變?yōu)榫B(tài)或者從晶態(tài)變?yōu)榉?晶態(tài)的。因此，結(jié)晶程度定義了用于在存儲單元器件5內(nèi)存儲數(shù)據(jù) 的至少兩個存^f渚器狀態(tài)，其可一皮分配纟會位值"0"和"1"。存4諸單 元8a 8d的位狀態(tài)在它們的電阻率方面顯著不同。在非晶態(tài)下， 相變材料會顯示出顯著高于靜態(tài)下的電阻率。這樣，讀出方欠大器9 可讀取單元電阻，乂人而可以確定出分配給特定存^f諸單元8a 8d的位值。
為了對存儲單元器件5中的存儲單元8a ~ 8d進(jìn)行編程，寫脈 沖發(fā)生器6產(chǎn)生用于加熱目標(biāo)存儲單元中的相變材料的電流或電壓 脈沖。在一個實(shí)施例中，寫脈沖發(fā)生器6產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娏骰螂妷好} 沖，該電流或電壓脈沖被輸送到分配電路7中并分配給適當(dāng)?shù)哪繕?biāo) 存儲單元8a ~ 8d。根據(jù)是否設(shè)定或重置存儲單元來控制電流或電壓 脈沖幅值和持續(xù)時間。一i&地，存儲單元的"i殳定"纟喿作是將目標(biāo) 存儲單元的相變材料加熱到高于其結(jié)晶溫度(但低于其熔化溫度) 足夠長的時間，以達(dá)到晶態(tài)。 一般地，存儲單元的"重置"操作是 目標(biāo)存4諸單元的相變材^H夬速加熱到其熔化溫度以上，然后迅速;也 淬火冷卻該材料，從而達(dá)到非晶態(tài)。
圖2示出了通孔有源(active-in-via )型的示例性相變存儲單元 IO的截面圖。相變存儲單元10包括第一電極12、相變材料14、第 二電才及16、以及隔離材沖牛18。才目變才才泮牛14碎黃向^皮隔離才才泮牛18完 全包圍，其中，隔離材料18定義電流通^各，并因此定義相變材料 14中相變區(qū)域的位置。諸如有源器件(如晶體管或二極管)的選擇 器件可耦合至第一電極12,以控制對第一電極12的電流或電壓的 施加，并因此控制只t相變材^牛14的電流或電壓的施加，以i殳定和 重置相變材沖牛14。
這樣，在相變存儲單元10的設(shè)定操作期間，選擇性地將設(shè)定 電流或電壓脈沖施加給相變材料14，從而將其加熱到其結(jié)晶溫度以 上(但低于其熔化溫度)。這樣，相變材料14在該設(shè)定操作期間達(dá) 到其晶態(tài)。在相變存儲單元10的重置操作期間，通過選擇器件選 擇性地施加重置電流和/或電壓脈沖，并通過第 一 電極發(fā)送至相變材 料14。重置電流或電壓迅速地將相變材料14加熱到其熔化溫度之 上，然后相變材料纟皮迅速淬火冷卻，以實(shí)現(xiàn)其非晶態(tài)。
在重置操作期間，由于相變材料14的熱量自隔離，相變材料 14典型地/人單元的中心開始加熱和改變相位(熔化)。然而，生成 的熱量還可擴(kuò)散到隔離材料18 (其典型地為如二氧化硅的隔離材 料)中。因此，在避免中心的過分加熱的低功率重置才乘作期間，由 于不完全的熔化而4f留在晶態(tài)的相變材^l" 14的邊1纟彖處存在晶態(tài) 的環(huán)形容積。在圖3中示出這種不完全的熔化區(qū)22環(huán)繞在相變材 料14中的充分熔化區(qū)20的周圍。以這種結(jié)構(gòu)在重置之后采耳又的讀 取操作在區(qū)域22中提供了低阻分路電流通路。這將在高阻狀態(tài)中 掩蔽由讀出放大器9檢測的讀出信號。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的示例性相變存儲單元30 的截面圖。相變存儲單元30包括第一電極32、相變材料34、第二 電才及36、以^J鬲離才才泮+38。 at匕夕卜，才目變4^f諸，it 30包4舌對目4卩于^目
變材料34的隔離材料40。在一個實(shí)施例中，選擇隔離材料40以具 有低導(dǎo)熱性/熱擴(kuò)散率，從而減少了來自相變材料30的邊緣的熱泄漏。
在一個實(shí)施例中，相變存〗諸單元30為通孔有源(AIV)單元， 使得重置脈沖典型地從其中心處開始熔化相變材料34,然后熔化面 向外移動。在相變存儲單元30的一個實(shí)施例中，隔離材料40在相 變材料的外邊緣處環(huán)繞相變材料34。這通過由環(huán)繞的隔離材料40 才是供的改進(jìn)的熱絕緣減少了來自相變材4+ 34邊纟彖的熱泄漏。這樣， 不同于相變存儲器件IO，在低功率重置操作期間，相變材料34的 熔化趨向于到其邊緣完全一致，從而避免了在前一實(shí)施例中出現(xiàn)的 結(jié)晶的、環(huán)形容積。
由于甚至最外部的相變材料34都纟皮熔化(隨后在淬火冷卻期 間被非晶化)，所以總的單元電阻將會更高，并且在重置之后采取 的讀取操作提供了由讀出放大器9檢測的大量讀取信號。這樣，需 要較少的輸入功率就能實(shí)現(xiàn)重置操作期間充足的讀取裕量。與不具 有隔離材料40的單元相比，這允許降低重置脈沖信號，而仍然維 持產(chǎn)生大量讀取信號的完全的單元截面的轉(zhuǎn)換。由于通過需要在重 置操作期間驅(qū)動電流的選擇器件的寬度(由此為面積)周期性地確 定成比例的相變存儲單元的覆蓋區(qū)域，所以該功率減小立刻轉(zhuǎn)化為 更加緊湊的單元尺寸。
才艮據(jù)本發(fā)明可以通過幾種方法制造相變存儲單元30。例如，相 變材料34可被沉積然后被蝕刻，然后相鄰于相變材料34的邊緣形 成隔離材津牛40。此外，可首先沉積一層隔離材^十40，然后在隔離 材料40的層內(nèi)蝕刻一個通孔。然后，可在隔離材料40的層內(nèi)的通 孔中沉積相變材沖+34。
圖5示出了才艮據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的示例性相變存^f諸單元 30的截面圖。相變存儲單元30包括第一電才及32、相變材料34、第 二電才及36、以及隔離才才泮午38。 it匕夕卜，相變存4諸單元30包4舌誶目4卩于 相變材料34的隔離材料40。這里，隔離材料40僅僅被放置于緊鄰 相變材津牛34,并且該凈皮選擇具有^f氐導(dǎo)熱率。因此，通過該實(shí)施例， 使用較少的隔離材料40，但仍然可以有效地減少來自相變材料34 邊緣的熱泄漏。這樣，就需要較少的附加輸入功率來實(shí)現(xiàn)充分重置 才喿作所需溫度的增加。此外，通過該實(shí)施例，改善了制造工藝期間 用于化學(xué)機(jī)械研磨的機(jī)械穩(wěn)定性。
圖6示出了用于三個示例性相變存儲單元的、將在讀取操作期 間獲得的單元電阻繪作重置脈沖電壓和電流的函凄t的曲線圖。由虛 垂直線示出相變單元中心處的熔化的開始。圖6中的線70示出了 在相變材料被作為隔離材料的二氧化硅環(huán)繞的情況下相變存儲單 元的特性。這里，在1.0~ 1.5 V左右的低功率重置期間，單元不會 顯示出劇烈的轉(zhuǎn)換特性，而是替代地顯示出具有相對較低讀取電阻 的長遲滯期。這是由于之前所討i侖的單元中相變材料的部分熔化， 這導(dǎo)致相變材料外邊緣處較高的導(dǎo)電連接。
圖6中的線60示出了在相變材料被具有相對較低介電常數(shù) ("低k，，)的隔熱材料(例如多孔氧化物)環(huán)繞的情況下相變存儲 單元的特性。這里，在重置期間，讀取電阻顯示出比線70改善的 轉(zhuǎn)換特性，并顯示出具有相對較高讀取電阻的較短的遲滯期。
圖6中的線50示出了相變材辨"故具有相對4交^f氐k的隔熱材泮牛 (例如氣凝膠)環(huán)繞的情況下相變存儲單元的特性。這里，在重置 期間，讀取電阻顯示出比線60改善的并且劇烈的轉(zhuǎn)4奐特性，并且 線70的遲滯期近乎消失。讀取電阻示出了超過若干幅值等級的劇 烈的轉(zhuǎn)才奐。
在一個實(shí)施例中，隔離材泮+40為T者如具有導(dǎo)熱率在0.1和0.8 W/ (mk)之間的多孔氧化膜的良好隔熱介電材料。在一個實(shí)施例 中，隔離材料40可以是諸如具有導(dǎo)熱率約為0.12-0.18 W/ (mk) 的氣凝膠材料的介電材料，并且在另一實(shí)施例中，其可以是諸如具 有導(dǎo)熱率約為0.13 ~ 0.17 W/(mk)的Philk的模板多孔氧化電介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明，相變材料34可由各種材料制成。 一般地，包括 來自周期表第IV列的一種或多種元素的硫化物合金可用作這種材 料。在一個實(shí)施例中，存儲單元30的相變材料34由諸如GeSbTe 或AglnSbTe的好b屬化物復(fù)合材料制成。
盡管上述低k介電材料被用作這幾種類型的相變材料34的隔 離材料40,但其它低k電介質(zhì)也可被用作可在相對較高溫度下操作 的不同類型的相變材料。這種低k介電材料包括SiLK、 Coral、 LDK-5109、 Orion 2.2、 CF聚合物以及其它。
在相變存儲單元中的相變材料周圍使用低k介電材料使得與在 相變材料周圍不具有低k介電材料的相變單元相比降低了重置脈沖 功率(電流和/或電壓)，同時仍然保持產(chǎn)生大量讀取信號的完全的 單元截面的轉(zhuǎn)換。這使得減小了相變存儲單元的尺寸，由此也減小 了芯片的尺寸，并允許增加芯片密度。
圖7至圖28示出了用于制造相變存儲單元的兩個實(shí)施例。圖7 至圖17以及圖18至圖28示出了用于制造加熱器相變存儲單元的 實(shí)施例。典型的加熱器相變存儲單元起到類似于前面參照圖3描述 的相變存儲單元10的作用。在避免相變材料中心的過分加熱的低 功率重置操作期間，由于不完全的熔化，在接觸保持為晶態(tài)的加熱 器的相變材料的邊緣處存在晶態(tài)容積。以這種結(jié)構(gòu)在重置之后采取 的讀取操作提供了在高阻態(tài)下掩蔽由讀出放大器檢測的讀出信號 的4氐阻分^各電流通^各。
圖7示出了才艮據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的加熱器相變存4諸單元 31的截面圖的一個實(shí)施例。加熱器相變存儲單元31包括第一電極 32、相變材料34、第二電極36、以及隔離材料38。此外，加熱器 相變存々者單元31包括4亭止層48、位于相變材并牛34和第一電才及32 中間并與它們接觸的加熱器49、相鄰于加熱器49的可選擴(kuò)散阻擋 42、以及相鄰于可選擴(kuò)散阻擋42的隔離材沖牛40。在其它實(shí)施例中， 不包括擴(kuò)散阻擋42。相變材料34提供了用于存儲數(shù)據(jù)位的存儲位 置。
擴(kuò)散阻擋42防止加熱器49材料擴(kuò)散進(jìn)隔離材料40。在一個實(shí) 施例中，擴(kuò)散阻擋42包括SiN或另一種適合的阻擋材料。在一個 實(shí)施例中，選擇隔離材料40以具有低導(dǎo)熱率/熱擴(kuò)散率，從而減小 了來自接近力。熱器49的相變材料34邊緣的熱泄漏。在一個實(shí)施例 中，加熱器相變存儲單元31是隔離的加熱器相變存儲單元。在圖8 至圖17的流程圖中示出用于制造加熱器存儲單元31的該實(shí)施例的 過程。
圖8示出了預(yù)處理晶片39的一個實(shí)施例的截面圖。預(yù)處理晶 片39包4舌隔離才才泮牛38、第一電才及32、以及下晶片層(未示出)。 在一個實(shí)施例中，第一電極32是鎢插塞、銅插塞、或另一種合適 的電才及。
圖9示出了預(yù)處理晶片39、第一隔離材料層38a、停止層48a、 以及第二隔離材料層38b的一個實(shí)施例的截面圖。在預(yù)處理晶片39 上的Si02、氟化石圭玻璃(FSG)或另一種合適材并牛的平面沉積提供 了第一隔離材津牛層38a。在一個實(shí)施例中，第一隔離材泮+層38a包 括與預(yù)處理晶片39的隔離材料38相同的材料，從而結(jié)合第一隔離 材料層38a和預(yù)處理晶片39的隔離材料38。在第 一 隔離材料層38a 上的SiN或另一種合適材料的平面沉積提供了停止層48a。停止層 48a上的Si02、 FSG或另一種合適材料的平面沉積提供了第二隔離
材料層38b。使用CVD、 ALD、 MOCVD、 PVD、 JVP或其它合適 的沉積才支術(shù)沉積第一隔離材料層38a、停止層48a、以及第二隔離 材料層38b。
圖10示出了在蝕刻第二隔離材料層38b、停止層48a、以及第 一隔離材料層38a之后的預(yù)處理晶片39、第一隔離材料層38c、停 止層48、以及第二隔離材料層38d的一個實(shí)施例的截面圖。沒有被 掩模層(未示出)掩蔽的第二隔離材料層38b、停止層48a、以及 第 一隔離材料層38a的部分被蝕刻，以形成通孔來露出第 一電極32， 從而提供了第一隔離材料層38c、停止層48、以及第二隔離材料層 38d。在一個實(shí)施例中，該通孔凈皮定位在大約在第一電才及32中心的 上方。
圖11示出了預(yù)處理晶片39、第一隔離材料層38c、停止層48、 第二隔離材料層38d、以及隔離材料層40a的一個實(shí)施例的截面圖。 通過使用CVD、 ALD、 MOCVD、 PVD、 JVP或其它合適的沉積才支 術(shù)在預(yù)處理晶片39、第二隔離材料層38d、停止層48、以及第一隔 離材料層38c的露出部分上共形地沉積具有低導(dǎo)熱率/熱擴(kuò)散率的 材料來設(shè)置隔離層40a。
圖12示出了在蝕刻隔離材料層40a之后的預(yù)處理晶片39、第 一隔離材料層38c、停止層48、第二隔離材料層38d、以及隔離材 料層40b的一個實(shí)施例的截面圖。4吏用各向異性回蝕刻或另一種合 適的方法來去除隔離材^f以暴露出第一電才及32和第二隔離材并+層 38d，從而提供隔離材料層40b。
圖13示出了在蝕刻可選擴(kuò)散阻擋層之后的預(yù)處理晶片39、第 一隔離材料層38c、停止層48、第二隔離材料層38d、隔離材料層 40b、以及可選擴(kuò)散阻擋層42a的一個實(shí)施例的截面圖。在一個實(shí) 施例中，不包括擴(kuò)散阻擋層42a。通過使用CVD、 ALD、 MOCVD、
PVD、 JVP或其它合適的沉積:技術(shù)在預(yù)處理晶片39、隔離材并牛層 40b、以及第二隔離材料層38d的露出部分上共形地沉積SiN或另 一種適合的阻擋材料來設(shè)置擴(kuò)散阻擋層42a。使用各向異性回蝕刻 或另一種合適的方法來去除擴(kuò)散阻擋材料以露出第一電極32和第 二隔離材沖牛層38d。
圖14示出了預(yù)處理晶片39、第一隔離材料層38c、停止層48、 第二隔離材料層38d、隔離材料層40b、擴(kuò)散阻擋層42a、以及加熱 器材料層49a的一個實(shí)施例的截面圖。在第二隔離材料層38d、擴(kuò) 散阻擋層42a、以及第一電才及32的露出部分上沉積諸如TiN、 TaN 或另一種適合的加熱器材料的加熱器材料。使用CVD、 ALD、 MOCVD、 PVD、 JVP或其它合適的沉積技術(shù)來沉積加熱器材料層 493。
圖15示出了在加熱器材并牛層49a、第二隔離材料層38d、隔離 材料層40b、以及擴(kuò)散阻擋層42a的平坦化之后的預(yù)處理晶片39、 第一隔離材料層38c、停止層48、隔離材料層40、擴(kuò)散阻擋層42、 以及加熱器材沖+層49的一個實(shí)施例的截面圖。加熱器才才沖牛層49a、 第二隔離材料層38d、隔離材料層40b、以及擴(kuò)散阻擋層42a被向 下平坦化直到停止層48,以提供加熱器材料層49、擴(kuò)散阻擋層42、 以及隔離材津+層40。使用CMP或另一種適合的平坦化4支術(shù)來平坦 化加熱器材料層49、第二隔離材料層38d、隔離材料層40b、以及 擴(kuò)散阻擋層42a。
圖16示出了預(yù)處理晶片39、第一隔離材料層38c、停止層48、 隔離材泮+層40、擴(kuò)散阻擋層42、加熱器材泮十層49、相變材泮牛層34a、 以及電極材料層36a的一個實(shí)施例的截面圖。在停止層48、隔離材 料層40、擴(kuò)散阻擋層42、加熱器材料層49的露出部分上相變材料 (例如，硫?qū)倩锊牧匣蛄硪环N合適的相變材料)的平面沉積提供 了才目變才才泮牛層34a。沖目變才才泮牛層34a上的電才及才才泮牛(例^口， TiN、 TaN
或另一種適合的電極材料)的平面沉積提供了電極材料層36a。使 用CVD、 ALD、 MOCVD、 PVD、 JVP或其它合適的沉積:技術(shù)來沉 積相變材料層34a和電極材料層36a。
圖17示出了在蝕刻電極材料層36a和相變材料層34a之后的 預(yù)處理晶片39、第一隔離材泮牛層38c、 4f止層48、隔離才才泮牛層40、 擴(kuò)散阻擋層42、加熱器材料層49、相變材料層34、第二電極36、 以及掩模層46的一個實(shí)施例的截面圖。通過干蝕刻或另一種適合 的蝕刻法蝕刻沒有纟皮掩才莫層46掩蔽的電極材料層36a和相變材泮牛 層34a的部分，以提供第二電極36和相變材料層34。在蝕刻之后， 使用光刻膠剝離法去除掩模層46。然后，在第一電極36和相變材 料層34周圍沉積額外的隔離材料38，以提供在圖7中示出的加熱 器相變存儲單元31。
圖18示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的、具有橫向環(huán)繞的擴(kuò) 散阻擋42和隔離材料40的加熱器相變存儲單元31的截面圖的一 個實(shí)施例。加熱器相變存儲單元31包括具有襯里33的第 一 電極32 、 相變材料34、第二電極36、以及隔離材料38。此外，加熱器相變 存儲單元31包括位于相變材料34和第一電極32之間并與它們接 觸的加熱器49、相鄰于加熱器49的可選擴(kuò)散阻擋42、以及相鄰于 可選擴(kuò)散阻擋層42的隔離材料40。在其它實(shí)施例中，不包括擴(kuò)散 阻擋42。相變材料34提供了用于存儲數(shù)據(jù)位的存儲位置。
擴(kuò)散阻擋42防止加熱器49材料擴(kuò)散進(jìn)隔離材料40。在一個實(shí) 施例中，擴(kuò)散阻擋42包括SiN或另一種適合的阻擋材料。在一個 實(shí)施例中，選擇隔離材料40以具有低導(dǎo)熱率/熱擴(kuò)散率，從而減少 了來自接近加熱器49的相變材料34邊緣的熱泄漏。在一個實(shí)施例 中，加熱器相變存儲單元31是隔離插塞凹槽加熱器相變存儲單元。 在圖19至圖28的流程圖中示出用于制造加熱器存儲單元31的該 實(shí)施例的過程。
圖19示出了預(yù)處理晶片39的一個實(shí)施例的截面圖。預(yù)處理晶 片39包4舌隔離材并+38、具有4十里33的第一電才及32、以及下晶片 層(未示出)。在一個實(shí)施例中，第一電極32是鴒插塞或另一種適 當(dāng)?shù)碾姌O，并且襯里33包括TiN或另 一種合適的襯里材料。
圖20示出了在蝕刻第一電才及32之后的預(yù)處理晶片39的一個 實(shí)施例的截面圖。在一個實(shí)施例中，4吏用活性離子蝕刻(RIE)或 另一種適合的蝕刻來蝕刻第一電才及32以形成預(yù)處理晶片39中的凹槽。
圖21示出了在蝕刻第一電極32的襯里33之后的預(yù)處理晶片 39的一個實(shí)施例的截面圖。在一個實(shí)施例中， -使用濕蝕刻或另一種 適合的蝕刻來向下蝕刻襯里33直到第一電極32的頂部。在另一個 實(shí)施例中，使用單次蝕刻(single etch )來在單個步驟中蝕刻第一電 才及32和邱于里33，以在予貞處理晶片39中形成凹才曹。
圖22示出了預(yù)處理晶片39和隔離材料層40a的一個實(shí)施例的 截面圖。4吏用CVD、 ALD、 MOCVD、 PVD、 JVP或其它合適的;冗 積才支術(shù)在預(yù)處理晶片39的露出部分上共形地沉積具有4氐導(dǎo)熱率/熱 擴(kuò)散率的材料來設(shè)置隔離層40a。
圖23示出了在蝕刻隔離材料層40a之后的預(yù)處理晶片39和隔 離材料層40b的一個實(shí)施例的截面圖。使用各向異性回蝕刻或另一 種合適的方法來去除隔離材料以暴露出第一電才及32和預(yù)處理晶片 39的頂部，從而提供隔離材料層40b。
圖24示出了在蝕刻擴(kuò)散阻擋層之后的預(yù)處理晶片39、隔離材 料層40b、以及可選擴(kuò)散阻擋層42a的一個實(shí)施例的截面圖。在一 個實(shí)施例中，不包括擴(kuò)散阻擋層42a。通過4吏用CVD、 ALD、 MOCVD、 PVD、 JVP或其它合適的沉積技術(shù)在預(yù)處理晶片39和隔
離材料層40b的露出部分上共形地沉積SiN或另 一種適合的阻擋才才 料來設(shè)置擴(kuò)散阻擋層42a。使用各向異性回蝕刻或另一種合適的方 法來去除擴(kuò)散阻擋材料以暴露出第一電極32和預(yù)處理晶片39的頂部。
圖25示出了預(yù)處理晶片39、隔離材料層40b、擴(kuò)散阻擋層42a、 以及加熱器材料層49a的一個實(shí)施例的截面圖。在預(yù)處理晶片39 和擴(kuò)散阻擋層42a的露出部分上沉積諸如TiN、 TaN或另一種適合 的加熱器材料的加熱器材料。使用CVD、 ALD、 MOCVD、 PVD、 JVP或其它合適的沉積4支術(shù)來沉積加熱器材沖牛層49a。
圖26示出了在加熱器材料層49a、預(yù)處理晶片39、隔離才才沖牛 層40b、以及擴(kuò)散阻擋層42a的平坦化之后的預(yù)處理晶片39、隔離 材料層40、擴(kuò)散阻擋層42、以及加熱器材料層49的一個實(shí)施例的 截面圖。加熱器材并牛層49a、預(yù)處理晶片39、隔離材沖+層40b、以 及擴(kuò)散阻擋層42a被平坦化，以提供加熱器材料層49、擴(kuò)散阻擋層 42、以及隔離材料層40。使用CMP或另一種適合的平坦化4支術(shù)來 平坦化加熱器材料層49a、隔離材料層40b、以及擴(kuò)散阻擋層42a。
圖27示出了預(yù)處理晶片39、隔離材料層40、擴(kuò)散阻擋層42、 加熱器材料層49、相變材料層34a、以及電極材料層36a的一個實(shí) 施例的截面圖。在預(yù)處理晶片39、隔離材料層40、擴(kuò)散阻擋層42、 加熱器材并牛層49的露出部分上的相變材料(例如，好u屬化物才才泮牛 或另一種合適的相變材料)的平面沉積提供了相變材料層34a。相 變材料層34a上的電極材料(例如，TiN、 TaN或另一種適合的電 極材料)的平面沉積提供了電極材料層36a。使用CVD、 ALD、 MOCVD、 PVD、 JVP或其它合適的沉積技術(shù)來沉積相變材料層34a 和電極材料層36a。
圖28示出了在蝕刻電才及材沖+層36a和相變材并+層34a之后的 預(yù)處理晶片39、隔離材料層40、擴(kuò)散阻擋層42、加熱器材料層49、 相變材料層34、第二電才及36、以及掩才莫層46的一個實(shí)施例的截面 圖。通過干蝕刻或另一種適合的蝕刻法蝕刻沒有4皮掩才莫層46掩蔽 的電極材料層36a和相變材料層34a的部分，以^是供第二電才及36 和相變材料層34。在蝕刻之后，使用光刻膠剝離法去除掩模層46。 然后，在第 一 電極36和相變材料層34周圍沉積額外的隔離材料38, 以提供在圖18中示出的加熱器相變存儲單元31。
盡管本文已示出并描述了具體實(shí)施例，^f旦本領(lǐng)域的普通4支術(shù)人 員應(yīng)該理解，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以用各種替才奐和/ 或等價的實(shí)現(xiàn)來代替所示出和描述的具體實(shí)施例。本申請應(yīng)覆蓋本 文中所述的具體實(shí)施例的改編和變化。因此，本發(fā)明l又由權(quán)利要求 及其等同物所限定。
權(quán)利要求
1.一種存儲單元器件，包括第一電極；加熱器，相鄰于所述第一電極；相變材料，相鄰于所述加熱器；第二電極，相鄰于所述相變材料；以及隔離材料，相鄰于所述相變材料，用于熱隔離所述相變材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲單元器件，還包括擴(kuò)散阻擋，相鄰于所述加熱器和所述隔離材料，以防止 加熱器材料擴(kuò)散進(jìn)所述隔離材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲單元器件，其中，所述擴(kuò)散阻擋包 括SiN。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲單元器件，其中，所述相變材料包才舌石克屬4b物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲單元器件，其中，所述隔離材料包 括介電材料，所述介電材料限制來自所述相變材料的熱泄漏。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲單元器件，其中，所述介電材料包 括導(dǎo)熱率在o.l和0.8 W/mk之間的多孔氧化膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲單元器件，其中，所述介電材料包 括氣凝膠、Philk、 SiLK、 Coral、 LDK-5109、 Orion 2.2、以 及CF聚合物中的一種。
8. —種存J渚單元器件，包括第一電才及；力口熱器，相鄰于所述第一電才及；相變材纟牛，相鄰于所述加熱器；第二電才及，相鄰于所述相變才才津牛；以及裝置，相鄰于所述相變材料，用于熱隔離所述相變材料。
9. 一種用于制造存^f諸單元器件的方法，包括提供具有第一電極的預(yù)處理晶片；相鄰于所述預(yù)處理晶片沉積第 一 隔離材料層；相鄰于所述第 一 絕緣層沉積停止層；相鄰于所述停止層沉積第二隔離材料層；蝕刻一個穿過所述第一隔離材并牛層、所述停止層、以及 所述第二隔離材料層的通孔，以暴露出所述第 一 電極的 一部分；在所述通孔側(cè)面沉積隔離材泮+;蝕刻所述隔離材料，以在所述通孔中形成隔離材料的側(cè)壁；在所述通孔中沉積加熱器材泮牛；向下平坦化直到所述停止層； 相鄰于所述停止層、所述隔離層、以及所述加熱器層的露出部分沉積相變材并+層；相鄰于所述相變初^+層沉積電核_才才沖+層；以及蝕刻所述電極材料層和所述相變材料層，以形成第二電 極和存儲位置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括相鄰于所述隔離材料的側(cè)壁沉積擴(kuò)散阻擋，以防止所述 加熱器材料擴(kuò)散進(jìn)所述隔離材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，沉積所述擴(kuò)散阻擋包括 沉積SiN。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，提供所述預(yù)處理晶片包括 提供包括鎢插塞的預(yù)處理晶片。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，提供所述預(yù)處理晶片包括 提供包括銅插塞的預(yù)處理晶片。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，沉積所述第一隔離材料層 包4舌沉積Si02層和氟4匕,圭3皮璃層中的 一種。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，沉積所述停止層包括沉積 SiN層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，沉積所述第二隔離材料層 包括沉積Si02層和氟化硅玻璃層中的 一種。
17. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，沉積隔離材料包括沉積介 電材料，所述介電材料限制來自所述相變材料的熱泄漏。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，沉積介電材料包括沉積 導(dǎo)熱率在0.1和0.8 W/mk之間的多孔氧化膜。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，沉積介電材料包括沉積 氣凝月交、Philk、 SiLK、 Coral、 LDK畫5109、 Orion 2.2、以及CF聚合物中的一種。
20. 才艮據(jù)片又利要求9所述的方法，其中，在所述通孔中沉積加熱器 材料包括沉積TiN和TaN中的一種。
21. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，向下平坦化直到所述停止 層包括向下化學(xué)機(jī)械研磨直到所述停止層。
22. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，沉積所述相變材料層包括 沉積;克屬化物材料層。
23. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括相鄰于所述第二電極和所述存儲位置沉積隔離材料。
24. 才艮據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，沉積所述隔離材料包括 沉積Si02層和氟化石圭5皮璃層中的 一種。
25. —種用于制造存儲單元器件的方法，包括提供具有第一電極的預(yù)處理晶片； 蝕刻所述第一電^ l以形成凹槽； 在所述凹槽的側(cè)面沉積隔離材料；蝕刻所述隔離材沖+,以在所述凹槽中形成隔離材料的側(cè)壁；在所述凹槽中沉積加熱器材^f牛；平坦化所述力口熱器材料以形成加熱器；在所述加熱器上沉積相變材津+層；在所述相變材坤+層上沉積電才及材沖牛層；以及蝕刻所述電極材沖牛層和所述相變材并牛層，以形成第二電 斗及和存〗諸位置。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括相鄰于所述隔離材沖牛的側(cè)壁沉積擴(kuò)散阻擋，以防止所述 加熱器材料擴(kuò)散進(jìn)所述隔離材料。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，沉積所述擴(kuò)散阻擋包括 沉積SiN。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，提供所述預(yù)處理晶片包 括4是供包括鵠插塞的預(yù)處理晶片。
29. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，提供所述預(yù)處理晶片包 括提供包括銅插塞的預(yù)處理晶片。
30. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，沉積隔離材料包括沉積 介電材料，所述介電材料限制來自所述相變材料的熱泄漏。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，沉積介電材料包括沉積 導(dǎo)熱率在0.1和0.8 W/mk之間的多孔氧化膜。
32， 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，沉積介電材料包括沉積 氣凝月交、Philk、 SiLK、 Coral、 LDK-5109、 Orion 2,2、以及 CF聚合物中的一種。
33. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，在所述凹槽中沉積加熱 器材料包括沉積TiN和TaN中的一種。
34. 才艮據(jù)片又利要求25所述的方法，其中，沉積所述相變材料層包 括沉積^克屬化物材料層。
35. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，沉積所述電極材料層包 4舌沉積TiN和TaN中的一種。
36. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括相鄰于所述第二電4及和所述存4諸位置沉積隔離材料。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中，沉積所述隔離材料包括 沉積Si02和氟化硅玻璃中的 一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種存儲單元器件，包括第一電極、相鄰于第一電極的加熱器、相鄰于加熱器的相變材料、相鄰于相變材料的第二電極、以及相鄰于相變材料的、用于熱隔離相變材料的隔離材料。
文檔編號H01L45/00GK101116195SQ200680004304
公開日2008年1月30日 申請日期2006年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月10日
發(fā)明者托馬斯·哈普 申請人:奇夢達(dá)股份公司