CN101604729A - 具有上下侧壁接触的相变化存储装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有上下侧壁接触的相变化存储装置及其制造方法。该存储装置包括存储元件以及第一电极,第一电极包括环绕存储元件的内表面,且第一电极的内表面于第一接触面接触该存储元件。该装置也包括相对于第一电极间隔设置的第二电极,第二电极包括一环绕存储元件的内表面,且第二电极的内表面于第二接触面接触存储元件。
Description
技术领域
本发明是关于具有相变化存储材料的高密度存储装置以及其制造方法,其中相变化存储材料可以是含有硫属化物的材料以及其它可编程电阻式材料。
背景技术
相变化存储材料,像是含有硫属化物的材料和其它类似的材料,可在施加大小适用于集成电路的电流时产生相变化,并在结晶态与非晶态之间变化。大致上非晶态的电阻一般而言会比大致上结晶态的电阻来的大,而此特性可用以表示数据。由于上述特性,越来越多人开始研究如何将可编程电阻式材料应用在可利用随机存取方式进行读取与写入的非易失性存储器电路中。
由非晶态转变至结晶态一般是低电流步骤。从结晶态转变至非晶态(此处称为「复位」)一般则为高电流步骤,其包括以短暂的高电流密度脉冲来熔融或破坏结晶结构,之后相变化材料会快速降温,急速冷却熔融态的相变化材料,并使至少一部份相变化材料稳定存在非晶态中。理想状态下,用来使相变化材料进行转变的电流是极小的。
为降低复位所需的电流大小,可通过缩小存储单元中相变化材料元件的尺寸及/或减少电极与相变化材料元件接触的面积来达成。因为,这么一来,便可以施加较小的绝对电流值到相变化材料元件而达成较高的电流密度。
然而,由于接触表面的减少会与某些故障情形有关,故缩小存储单元中相变化材料元件及/或电极的尺寸的尝试不免会对存储单元的电子及结构稳定性产生不良的影响。而前述的故障情形包括了操作过程中材料密度的改变、因热膨胀现象产生结构应力而在交界面形成孔隙。
此外,由于工艺上的不同,阵列中不同存储单元的电极与相变化材料元件接触表面的大小也会不同。而这些不同可能会造成存储单元编程特性的不同,包括不同存储单元具有不同电阻的情形。
因此,有必要提出一种存储单元,其具有低复位电流,并可改善前述电极与相变化材料元件接触表面缩小所造成的问题。此外,也有必要提出一种制造方法,其可利用可靠并可重复实施的技术来制造接触表面大致相同的存储单元阵列。
发明内容
有鉴于此,本发明的一个目的在于提供一种存储装置,包括一存储元件以及第一电极,第一电极包括一环绕存储元件的内表面,且第一电极的内表面于第一接触面接触该存储元件。该存储装置还包括相对于第一电极间隔设置的第二电极,第二电极包括一环绕存储元件的内表面,且第二电极的内表面于第二接触面接触存储元件。
本发明的另一个目的在于提供一种用来制造存储装置的方法,包括于第一导电元件的上表面形成一结构,该结构包括位于第一导电元件上的第一电极元件、位于第一电极元件上的介电元件以及位于介电元件上的第二电极。该结构并包括一贯穿的介层孔,且存储元件是形成于介层孔内。
于此处所揭示的存储单元中,可将存储元件内的主动区域变得非常小,进而降低诱发相变化时所需要的电流大小。存储元件的宽度(于某些实施例中可以是直径)是小于第一及第二电极的宽度,且其较佳是小于用来制造存储单元的工艺(如光刻工艺)中的最小特征尺寸。通过将宽度变窄,可使存储元件的电流密度变大,进而降低在主动区域诱发相变化时所需要的电流大小。第一及第二电极和介电元件可利用薄膜沉积工艺来形成,此外,主动区域是与电极和导电元件区隔开来,故存储元件的其它部分可提供主动区域一定程度的隔热效果。除此之外,介电元件可包括低导热性的材料,以提供主动区域一定程度的隔热效果,进而降低诱发相变化时所需要的电流大小。
由于第一及第二电极的内表面是与存储元件的外表面接触,且第一及第二导电元件是与存储元件的下表面和上表面接触,存储元件在宽度变窄的情形下仍具有相对大的接触表面,进而改善存储单元的电子及结构稳定性,同时降低装置的接触电阻与电源消耗。
由于第一及第二电极可利用薄膜沉积工艺来形成,故可精确控制其厚度。此外,存储元件可透过在介层孔中沉积存储材料的方式来形成,而介层孔则可采用能让存储单元阵列中各存储元件的亚光刻宽度大致相同的工艺来形成。通过严格控制第一及第二电极厚度的差异以及存储单元宽度的差异,可提高存储单元阵列的存储元件接触面积的一致性,并藉此提高阵列操作上的一致性。
本发明的其它目的及优点可参见图式、实施方式以及权利要求书。
附图说明
图1为传统”柱型”存储单元的剖面图。
图2A至图2B分别为具有相对大接触表面的存储单元的剖面图与剖面上视图,其中该存储单元具有较佳的稳定性。
图2C至图2D分别为具有管状相变化元件的存储单元的剖面图与上视图,其中该存储单元的相变化体积较小。
图3A至图3C是用以说明一种制造本发明一实施例的存储单元的简化工艺的步骤。
图3D至图3E是用以说明一种制造具有介层孔的存储单元的简化工艺的步骤。
图4为存储器阵列中部份交会点的示意图,其中该存储器阵列是采用包括本发明一实施例中与第一及第二电极的内表面接触的存储元件的存储单元。
图5A至图5B为部分于交会点阵列的一部分存储单元的剖面图。
图6为部分存储单元阵列的示意图,其中该存储单元阵列是采用包括本发明一实施例中和第一及第二电极的内表面接触的存储元件的存储单元。
图7为图6中部分存储单元阵列的剖面图。
图8至图17是用以说明制造如图7所示存储单元的工艺步骤。
图18为包括存储器阵列的集成电路简化方块图,其中该存储器阵列中的存储单元具有存储元件,且该存储元件是与第一及第二电极的内表面接触。
【主要元件符号说明】
120 下电极
125 下电极宽度
130 柱状存储材料
140 上电极
145 柱状存储材料宽度
150 主动区域
220 第一电极
221 第一电极厚度
224 第一电极内表面
226 第一电极下表面
230 存储元件
231 存储元件内表面
232 填充材料
234 存储元件外表面
235 介层孔宽度
236 存储元件下表面
238 存储元件上表面
240 第二电极
241 第二电极厚度
244 第二电极内表面
248 第二电极上表面
250 介层孔
251 内部空间
252 侧壁表面
260 介电元件
264 介电元件内表面
270 第二导电元件
280 第一导电元件
290 主动区域
300 多层结构
410 二极管
522 第一掺杂半导体区域
524 第二掺杂半导体区域
525 导电覆盖层
526 pn结
533 字线间距
534 字线宽
680 路径
700 衬底
710 导电栓塞
800 存储存取层
804 存储存取层上表面
900 结构
910 第一电极材料
920 介电元件材料
930 第二电极材料
940 牺牲材料
1000 叠层
1010 牺牲元件
1100 介电填充
1300 间隔物
1810 集成电路
1814 字线译码器与驱动器
1818 位线译码器
1822 总线
1824 感应放大器/数据输入结构
1826 数据总线
1828 数据输入线
1830 其它电路
1832 数据输出线
1834 控制器
1836 偏压调整供应电压与电流源
100、200 存储单元
1200、1310 开口
122、142 交界面
1816、430a、430b、430c、字线
630a、630b
1820、420a、420b、420c、位线
620a、620b
295、1500 存储材料
400、600、1812 阵列
570、160、190、720 介电质
650a 源极线
702、704 掺杂区域
具体实施方式
以下谨配合特定的实施例与方法进行说明。应注意的是,在实施例中所示的各项特征仅为举例用,而非用以限制本发明的范畴。以下揭露的内容也可利用其它特征、元件、方法及实施方式来替代,且较佳实施例也仅用以说明本发明,而非限定本发明的范畴,本发明的范畴应由权利要求范围所界定。本领域中具有通常知识者于参考说明书后应可了解本发明的各种均等变化。此外,实施例中相同的元件是使用相同编号来代表。
图1为传统”柱型”存储单元100的剖面图。存储单元100包括被介电质190环绕的下电极120、位于下电极120上的柱状存储材料130以及在柱状存储材料130上的上电极140。介电质160是环绕于柱状存储材料130与上电极140外,且下电极120的宽度125大于柱状存储材料130的宽度145。
在操作过程中,下电极120与上电极140间的电压会使电流流经柱状存储材料130,并由下电极120流向上电极140,或由上电极140流向下电极120。
由于宽度125和宽度145并不相同,电流密度会在柱状存储材料130处集中,并藉此让主动区域150与上下电极140、120区隔开来。
为使通过柱状存储材料130的较小的绝对电流值达到高电流密度,可将柱状存储材料130的宽度145(于某些实施例中可以是直径)缩小。
为形成柱状存储材料130与上电极140,可先依序形成一层存储材料和一层上电极材料,之后再进行刻蚀。然而,受到底切刻蚀与过度刻蚀的影响,在制造宽度145较窄且具有较大深宽比的装置时常会产生问题,而这会造成编程特性不一致的现象,包括阵列中主动区域150的大小不一致,并进而使得不同存储单元具有不同电阻的情形。此外,由于用来制造柱状存储材料130的工艺并不相同,阵列中存储单元的交界面142、122的接触表面也会不尽相同。
此外,若把宽度145缩小,介于其中的较小接触表面将会对柱状存储材料130与下电极120间交界面122的电子及结构稳定性产生不良影响,同时也会对柱状存储材料130与上电极140交界面142的稳定性产生不良影响。
图2A和图2B分别为本发明第一实施例的存储单元的剖面图与剖面上视图,该存储单元可解决前述较小接触表面所产生的问题,并提供较佳的稳定性。
存储单元200包括一具有内表面224的第一电极220以及一具有内表面244的第二电极240。举例来说,第一电极220与第二电极240可包括氮化钛或氮化钽。当存储元件230包括GST(容后详述)时,较佳是使用氮化钛,因为其与GST接触良好,又是半导体工艺中常见的材料,且可在GST产生相变的温度(通常为600~700℃)提供较佳的扩散势垒效果。又或者第一电极220与第二电极240可分别为钨、氮化钨、氮化铝钛或氮化铝钽,或分别包括像是一或多种选自以下成分所组成群组中的材料:经掺杂的硅、硅、碳、锗、铬、钛、钨、钼、铝、钽、铜、铂、铱、镧、镍、氮、氧、钌及前述元素的组合。
包括柱状存储材料的存储元件230是分别于第一与第二接触表面与第一电极220及第二电极240的内表面224、244形成接触,而将第一电极220电性耦接至第二电极240。存储元件230可包括像是一或多种选自以下成分所组成群组中的材料:锌、铊、锗、锑、碲、硒、铟、钛、镓、铋、锡、铜、钯、铅、银、硫、硅、氧、磷、砷、氮以及金。
介电元件260包括介于第一电极220与第二电极240的一或多层介电材料。介电元件260具有一内表面264,其与存储元件230在第三接触表面形成接触。介电元件260可包括像是一或多种选自以下成分所组成群组中的材料:硅、钛、铝、钽、氮、氧以及碳,且于本实施例中介电元件260包括氮化硅。在某些实施例中,介电元件260可包括孔洞,进而形成一多孔结构以降低热传导。
在本实施例中,第一电极220、第二电极240与介电元件260形成了一环绕存储元件230的多层叠层,且其各自的内表面224、244、264是彼此对准而形成一介层孔。
存储元件230和第一电极220各自的下表面236、226是与第一导电元件280接触,以将存储单元200耦接至下方的存取电路(图未示)。第一导电元件280可包括前述关于第一电极220和第二电极240的材料中的任何一种材料。此外,第一导电元件280也可以包括经掺杂的半导体材料,以作为存取装置(如晶体管或二极管)的端点。又或者第一导电元件280可包括一耦接至存取装置的端点的导电栓塞。
第二导电元件270位于存储元件230及第二电极240的上表面238、248,其可包括一部分的位线。举例来说,其可包括前述关于第一电极220和第二电极240的材料中的任何一种材料。此外,也可将第二导电元件270省略,而此时第二电极240则包括一部分的位线。
在操作过程中,第一导电元件280与第二导电元件270间的电压会使电流流经第一电极220、存储元件230和第二电极240,并由第一导电元件280流向第二导电元件270,或由第二导电元件270流向第一导电元件280。
在含有存储元件230的主动区域290内,存储材料可经诱发而于至少两个固态相间进行变化。无庸置疑地,在本实施例的结构中,可将存储元件230和主动区域290的结构作成非常微小,以降低诱发相变化时所需的电流大小。存储元件230的宽度235(于某些实施例中可以是直径)是小于第一电极220与第二电极240的宽度,也小于第一导电元件280与第二导电元件270的宽度,且该宽度235较佳是小于用以形成存储单元200的工艺(如光刻工艺)的最小特征尺寸。较窄的宽度235可于存储元件230中集中电流,进而降低在主动区域290中诱发相变化时所需要的电流大小。第一电极220、第二电极240以及介电元件260可利用薄膜沉积工艺来形成。此外,在操作过程中,主动区域290可和电极220、240以及导电元件270、280区隔开来,故存储元件230的其它部分可提供主动区域290一定程度的隔热效果。除此之外,介电元件260可包括低导热性的材料,以提供主动区域290一定程度的隔热效果,进而降低诱发相变化时所需要的电流大小。
由于第一电极220与第二电极240的内表面接触并环绕于存储元件230的外表面,且第一导电元件280与第二导电元件270是与存储元件230的下表面236和上表面238接触,存储元件230在宽度235变窄的情形下仍具有相对大的接触表面,进而改善存储单元200的电子及结构稳定性,同时降低装置的接触电阻与电源消耗。
由于第一电极220与第二电极240可利用薄膜沉积工艺来形成,故其厚度221、241可被精确的控制。此外,存储元件230可透过在介层孔中利用化学气相沉积方式沉积存储材料的方式来形成,而介层孔则可采用能让存储单元阵列中各存储元件230的亚光刻宽度235大致相同是工艺(详如后述)来形成。通过严格控制第一电极220与第二电极240是厚度221、241的差异以及存储元件230的宽度235的差异,可提高存储单元阵列是存储元件接触面积的一致性,并藉此提高阵列操作上的一致性。
在本实施例中,第一电极220与第二电极240的内表面224、244界定了具有圆形剖面的开口。然而,应注意的是,开口也可以是正方形、椭圆形、长方形或其它不规则形状,端视用来形成第一电极220与第二电极240的内表面224、244的工艺而定。
在实施例中,存储单元200中的存储元件230可包括有相变化存储材料,像是含有硫属化物的材料以及其它材料。硫属化物可包括化学元素周期表中VIA族元素中的氧、硫、硒、碲四个元素中的任一个。硫属化物包括由硫族元素与正电性较强的元素或自由基所形成的化合物,硫属化物合金包括硫属化物以及像是过渡金属的其它材料,硫属化物合金通常包括一或多种化学元素周期表中IVA族元素,如锗或锡。通常来说,硫属化物合金包括一或多种的锑、镓、铟及银。此外,现有技术文献中也揭露了多种相变化存储材料,包括如下的合金:镓/锑、铟/锑、铟/硒、锑/碲、锗/碲、锗/锑/碲、铟/锑/碲、镓/硒/碲、锡/锑/碲、铟/锑/锗、银/铟/锑/碲、锗/锡/锑/碲、锗/锑/硒/碲、碲/锗/锑/硫。在锗/锑/碲这一类合金中,可使用的组成范围很广,且其可用TeaGebSb100-(a+b)来表示。曾有研究人员指出,最有用的合金系是在沉积材料中所包含的平均碲浓度远低于70%,一般是低于约60%,并在一般型态合金中的碲含量范围从最低约23%至最高约58%,且最佳是介于约48%至58%。锗的浓度是高于约5%,且其在材料中的平均范围是从最低约8%至最高约30%,一般是低于约50%。于最佳情形下,锗的浓度范围是介于约8%至约40%。在此成分中所剩下的主要成分则为锑。上述百分比是原子百分比,其为所有组成元素加总为100%(参见Ovshinky的美国专利第5,687,112号,第10-11栏)。此外,也有研究人员提到其它的特殊合金,包括Ge2Sb2Te5、GeSb2Te4以及GeSb4Te7(参见Noboru Yamada所发表的论文”Potential of Ge-Sb-Te Phase-change OpticalDisks for High-Data-Rate Recording”,SPIE v.3109,pp.28-37(1997))。更广泛地说,过渡金属如铬、铁、镍、铌、钯、铂以及上述的混合物或合金,皆可与锗/锑/碲结合,以形成一具有可编程电阻性质的相变化合金。在Ovshinky的美国专利第5,687,112号中,其揭露了可采用的存储材料的几个特定例子,而这些例子被列入本文作参考。
在某些实施例中,为了调整具有经掺杂硫属化物的存储元件的导电性、产生相变的温度、熔融温度及其它特性,硫属化物或其它相变化材料可利用杂质进行掺杂。用来掺杂的杂质中,较具代表性的有氮、硅、氧、二氧化硅、氮化硅、铜、银、金、铝、铝的氧化物、钽、钽的氧化物、钽的氮化物、钛、钛的氧化物。此部分可见美国专利第6,800,504号以及美国专利申请案公开号第U.S.2005/0029502号。
相变化合金可在存储单元的主动信道区域内依其位置顺序于一大致为非晶固态相的第一结构状态与为一大致为结晶固态相的第二结构状态之间切换。相变化合金至少为双稳定态。前述「非晶」是指一相对较无次序的结构,其较一单晶更无次序性,且带有可检测的特征,像是比结晶相更高的电阻值。前述「结晶」是指一相对较有次序的结构,其较非晶结构更有次序,且带有可检测的特征,像是比非晶相更低的电阻值。通常来说,相变化材料可在完全结晶态与完全非晶态之间各种不同的可检测状态进行电性切换。其它受到非晶相与结晶相的变化而影响的材料特性包括有原子次序、自由电子密度以及活化能。此材料可切换成不同的固态相或切换成由两种以上固态相所形成的混合相,进而提供介于完全非晶态与完全结晶态之间的灰阶,而材料中的电子特性也可随之改变。
相变化合金可通过施加一电脉冲而从一种相状态切换至另一相状态。目前已知,施加时间较短且幅度较大的脉冲倾向于将相变化材料转变成大致上非晶态。施加时间较长且幅度较小的脉冲则倾向于将相变化材料转变成大致上结晶态。在施加时间较短、幅度较大的脉冲中,由于能量够大,因此足以破坏结晶结构的键能,同时,因为施加时间够短,因此可以防止原子再次排列成结晶态。在无须过度实验的情形下,即可判断特别适用于一特定相变化合金的适当脉冲曲线分布。在本文的后续部分,相变化材料以GST代称,但应了解的是,其它类型的相变化材料也可被采用。在本文中,适合用在相变化随机存取存储器中的材料是Ge2Sb2Te5。
在本发明的其它实施例中,也可以采用其它可编程电阻式存储材料,像是氮气掺杂GST、GexSby或其它电阻会随不同结晶相改变的材料、PrxCayMnO3、PrxSryMnO3、ZrOx、WOx、CrOx、TiOx、NiOx或其它利用电脉冲来改变电阻的材料、7,7,8,8-四氰基苯醌二甲烷(7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane,TCNQ)、富勒烯衍生物的6,6-苯基碳61-丁酸甲酯(methanofullerene 6,6-phenyl C61-butyric acid methyl ester,PCBM)、TCNQ-PCBM、Cu-TCNQ、Ag-TCNQ、C60-TCNQ、掺杂其它金属的TCNQ或是其它任何具有可藉电脉冲控制的双稳态或多稳态电阻态的聚合物材料。
硫属化物材料的形成,可以采用化学气相沉积法,像是公开号第2006/0172067号,发明名称为”Chemical Vapor Deposition of ChalcogenideMaterials”的美国专利申请案中所记载者,且其内容被列入本文作参考。
在沉积步骤后,可选择性地进行在真空中或氮气环境下的退火处理,藉以增进硫属化物材料的结晶态,而退火温度通常介于100℃到400℃之间,时间则少于30分钟。
图2C至图2D分别为本发明第二实施例存储单元200的剖面图与上视图,且该存储单元200具有管状相变化元件。
如图2C至图2D所示,存储元件230具有一内表面231,且内表面231是界定一包括有填充材料232的内部空间。在本实施例中,填充材料232是一电性绝缘的材料,且其材料的导热性是可低于存储元件230所含材料。此外,填充材料232也可以包括导电材料。
存储元件230的内表面231和外表面234界定了存储元件230的环形上表面238,且在本实施例中,环形上表面238具有一圆形的剖面。但应注意的是,环形上表面238的剖面也可以是正方形、椭圆形、长方形或其它不规则形状,端视用来形成存储元件230的工艺而定。此处所述的「环形」并不仅限于圆形,其也可以和存储元件230的形状相同。
图3A至图3C是用以说明一种制造本发明一实施例的存储单元的简化工艺的步骤。
图3A所示为第一步骤在第一导电元件280上形成结构300的剖面图,其中结构300包括位于第一导电元件280上的第一电极220、第一电极220上的介电元件260、介电元件260上的第二电极240。
在一实施例中,形成多层结构300的方法可包括在第一导电元件280上形成第一电极材料、在第一电极材料上形成介电元件材料以及在介电元件材料上形成第二电极材料。之后再将第一电极材料、第二电极材料以及介电元件材料进行图案化处理,以形成结构300。于此种实施例中,第一电极220、第二电极240以及介电元件260界定了一叠层。
在另一实施例中,形成多层结构300的方法可包括在第一导电元件280上形成第一电极材料以及在第一电极材料上形成介电元件材料。接着将第一电极材料以及介电元件材料进行图案化处理,以形成由第一电极220与介电元件260所界定的叠层。之后,乃将位线材料形成并图案化于叠层之上,以形成第二电极240。而在此种实施例中,第二电极240包括部分的位线。
之后,再形成一贯穿图3A所示的结构300且具有侧壁表面252的介层孔250。以形成如图3B所示的结构。介层孔250可利用第二电极240上的掩模进行刻蚀而形成,而其宽度235的大小较佳为亚光刻等级。在本实施例中,介层孔250的侧壁表面252具有圆形的剖面。然而,应注意的是,其剖面也可以是正方形、椭圆形、长方形或其它不规则形状,端视用来形成介层孔250的工艺而定。
接着,乃将图3B所示的介层孔250用存储材料填充,以形成存储元件230,如图3C所示。透过将存储材料沉积于介层孔250内并进行像是化学机械抛光的平坦化处理来形成存储元件230,可避免刻蚀到相变化材料,并防止刻蚀损害及过度刻蚀现象的发生。
在某些实施例中,第二导电元件270被形成于图3C所示的结构上,进而形成如图2A至图2B所示的存储单元。
图3D至图3E是用以说明在介层孔250内形成存储元件230的第二种工艺。于图3D中,存储材料295被沉积于图3B所示的介层孔250内,其并于介层孔250内界定一内部空间251。于本实施例中,存储材料295乃利用化学气相沉积法形成。
之后,介电填充材料被形成于图3D所示的结构上,以填充该内部空间251。接着并进行平坦化处理,以形成一种在存储元件230的内表面所界定的内部空间中包括介电填充材料232的结构,正如图3E所示者。在某些实施例中,第二导电元件270接着被形成在图3E所示的结构上,而形成图2C至图2D所示的存储单元。
在形成贯穿第一电极220、第二电极240与介电元件260的介层孔250的工艺中,可在图3A的结构300上形成一隔离层,并在隔离层形成一牺牲层。之后,在牺牲层上形成具有一开口的掩模,其中开口的大小接近或等于用来形成该掩模的工艺最小特征尺寸,且开口被覆盖于结构300上。之后刻蚀牺牲层与隔离层,以于牺牲层与隔离层中形成开口,并暴露出结构300的上表面。在掩模移除后,在开口上进行选择性的底切刻蚀,进而在刻蚀隔离层的同时,不影响到牺牲层与结构300。之后并在开口中形成填充材料,由于工艺中使用了选择性的底切刻蚀,其将可在开口中的填充材料内形成自我对准的孔隙。接着再对填充材料进行非等向性刻蚀以打开孔隙,刻蚀步骤一直持续到部分结构300的上表面暴露于孔隙下方的区域中才停止,藉此以形成开口中包括填充材料的间隔物。间隔物包括一大致上由孔隙尺寸所决定的开口尺寸,因此其可以小于光刻工艺的最小特征尺寸。之后,再把间隔物作为刻蚀掩模对结构300,以形成宽度或直径235小于最小特征尺寸的介层孔250。接着再把存储材料形成于介层孔中,并进行平坦化处理以移除间隔物与牺牲层,而形成如图3C所示的结构。
图4为存储器阵列400中部分交会点的示意图,其中该存储器阵列400是采用包括本发明一实施例中与第一及第二电极的内表面接触的存储元件的存储单元。
如图4所示,阵列400中的每一个存储单元均包括二极管存取装置及存储元件,其可被设定成多个电阻态中的一种状态,藉此以储存一或多个位的数据。
阵列400包括多条字线430与多条位线420,字线430包括与第一方向平行延伸的字线430a、430b、430c,位线420则包括与第二方向平行延伸的位线420a、420b、420c,且第二方向是与第一方向垂直。阵列400之所以被称为交叉点阵列,是因为字线430与位线420的排列方式可使某特定字线430与某特定位线420彼此交会,但却没有在空间中真正形成交错,同时存储单元是位于该些字线430与位线420的交会点。
此处以存储单元阵列400中的存储单元200进行说明,其位于字线430b与位线420b的交会点,并包括串联排列的二极管410与存储元件230。
为进行存储单元200的读取或写入,可将适当的电压及/或电流施加至相对应的字线430b与位线420b,藉此以诱发电流流过选定的存储单元200。电压/电流施加的时间与强度端视当时进行的操作而定,像是读取操作或写入操作。
在具有存储元件230的存储单元200的复位(或擦除)操作中,复位脉冲被施加于相对应的字线430b与位线420b,使存储元件230的主动区域进行转变而变成非晶相,藉此以将相变化材料的电阻设定在与复位态相关的电阻值范围内。复位脉冲是一种能量相对高的脉冲,其至少足以将存储元件230的主动区域的温度提升到高于相变化材料产生相变(结晶)的温度,且高于至少可将主动区域置于液体状态的熔融温度。之后是将复位脉冲快速终止,而在主动区域快速降温到一低于产生相变的温度的同时,形成一相对短暂的急速冷却时间,而使主动区域稳定至一非晶相。
在存储单元200的设定(或编程)操作中,适当幅度的编程脉冲是于一适当的时间内施加至相对应的字线430b与位线420b以诱发一电流,且该电流是至少足以将部份主动区域的温度升高到比产生相变的温度还要高,使部分主动区域中产生由非晶相变化为结晶相的相变化,进而降低存储元件230的电阻,且将存储单元200设定在一理想的状态。
在储存于存储单元200内的数据值的读取(或感应)操作中,适当幅度的读取脉冲是于一适当的时间内施加至相对应的字线430b与位线420b,以诱发不会让存储元件230产生电阻态变化的电流。流经存储单元200的电流是由存储元件230的电阻和储存在存储单元200内的数据值决定。
图5A至图5B为于交会点阵列400的一部分存储单元(包括代表性的存储单元200)的剖面图,其中图5A是沿着位线420进行剖面,图5B是沿着字线430进行剖面。具有一或多层介电材料的介电质570是环绕存储单元并区隔开相邻的字线430与相邻的位线420。
请参考图5A及图5B,其中存储单元200包括具有第一导电型态的第一掺杂半导体区域522,以及具有与第一导电型态相反的第二导电型态的第二掺杂半导体区域524,其位于第一掺杂半导体区域522之上。第一掺杂半导体区域522与第二掺杂半导体区域524之间界定了一pn结526,以界定二极管410。在第二掺杂半导体区域524上的导电覆盖层525可包括像是钨、氮化钛或硅化物,以于二极管410与存储元件230之间形成良好的欧姆接触。
第一掺杂半导体区域522位于字线430b,且字线430b是延伸穿过图5A的剖面。在本实施例中,字线430包括经掺杂的N+(高度掺杂的N型)半导体材料,第一掺杂半导体区域522包括经掺杂的N-(低度掺杂的N型)半导体材料,而第二掺杂半导体区域524包括经掺杂的P+(高度掺杂的P型)半导体材料。于其它实施例中,第一掺杂半导体区域522可包括未掺杂的半导体材料。
二极管410的第一掺杂半导体区域522与第二掺杂半导体区域524和字线430可形成于单晶半导体或多晶半导体。举例来说,第一掺杂半导体区域522与第二掺杂半导体区域524可包括多晶硅,而字线430可包括单晶硅或金属。
如图5A及图5B的剖面图所示,阵列400的存储单元是排列于位线420与字线430的交会点,以存储单元200为例,其是排列于位线420b与字线430b的交会点。此外,二极管410、第一电极220、第二电极240以及介电元件260具有和字线430的宽度534大致相等的第一宽度(见图5A)。此外,二极管410、第一电极220、第二电极240以及介电元件260也具有和位线420的宽度524大致相等的第二宽度(见图5B),因此阵列400的存储单元的剖面面积是由位线420与字线430的尺寸所决定,可提高阵列400的密度。
字线430具有字线宽534,且相邻的字线430彼此间的距离为字线间距533(见图5A)。位线420具有位线宽524,且相邻的位线420彼此间的距离为位线间距523(见图5B)。在较佳实施例中,字线宽534与字线间距533之和等于制造阵列400所使用工艺的特征尺寸F的两倍,而位线宽524与位线间距523之和也等于特征尺寸F的两倍。此外,F较佳是形成位线420与字线430所使用工艺(通常为光刻工艺)的最小征尺寸。据此,阵列400的存储单元的剖面面积即为4F2。
图6为部分存储单元阵列600的示意图,其中该存储单元阵列600是采用包括本发明一实施例中和第一及第二电极的内表面接触的存储元件的存储单元。
如图6所示,阵列600的每一存储单元均包括有存取晶体管及存储元件。在图6中共有四个存储单元,且各自具有存储元件,代表可包括数百万个存储单元的阵列的一小区段。
阵列600包括多条字线630与多条位线620,字线630包括与第一方向平行延伸的字线630a、630b,位线620则包括与第二方向平行延伸的位线620a、620b,且第二方向是与第一方向垂直。
在本实施例中,四个存取晶体管各自的源极均连接至共同源极线650a,且该源极线650a的终端在于源极线终端电路,如接地端。于其它实施例中,存取装置的源极线彼此并未电性连接,而是可独立控制。源极线终端电路可包括偏压电路(如电压源与电流源)以及用以将不同于接地的偏压调整施加到源极线650a的译码电路。
为说明上的方便,阵列600的存储单元是以存储单元200做代表。字线630a被耦接至存储单元200的存取晶体管的栅极,而存储元件230、第一电极220与第二电极240被排列于存取晶体管的汲极与位线620a之间。抑或是存储元件230、第一电极220与第二电极240可位于存取晶体管的源极侧。
为进行存储单元200的读取或写入,可将适当的电压及/或电流施加至字线630a、位线620a与源极线650a,以启动存储单元200的晶体管,并诱发路径680的电流由位线620a流至源极线650a,或由源极线650a流至位线620a。电压及/或电流施加的时间与强度端视当时进行的操作而定,像是读取操作或写入操作。
于存储单元200的复位(或擦除)操作中,复位脉冲被施加于字线630a与位线620a,以诱发流经存储元件230的电流。该电流可将存储元件230的主动区域的温度提升到高于相变化材料产生相变(结晶)的温度,且高于将主动区域置于液体状态的熔融温度。之后可透过终止位线620a与字线630a的电压脉冲来终止该电流,而在主动区域快速降温以稳定至一高电阻的大致上非晶相时形成一相对短暂的急速冷却时间。复位操作也可包括两个以上的脉冲,像是使用一对脉冲。
在存储单元200的设定(或编程)操作中,适当幅度的编程脉冲是于一适当的时间内施加至字线630b与位线620b以诱发一电流,且该电流是至少足以将部份主动区域的温度升高到比产生相变的温度还要高,使部分主动区域中产生由非晶相变化为结晶相的相变化,进而降低存储元件230的电阻,且将存储单元200设定在一理想的状态。
在储存于存储单元200内的数据值的读取(或感应)操作中,适当幅度的读取脉冲是于一适当的时间内施加至相对应的字线630b与位线620b,以诱发不会让存储元件230产生电阻态变化的电流。流经存储单元200的电流乃由存储元件230的电阻和储存在存储单元200内的数据值决定。
应注意的的是,存储阵列600并不仅限于图6所示的阵列组态,本发明也可使用其它的阵列组态。此外,除了使用金氧半晶体管外,某些实施例中的存取装置也可使用双极晶体管。
图7为部分存储单元阵列600(包括存储单元200)的剖面图,其中字线630a是延伸穿过图7的剖面,且其位于衬底700之上而形成存储单元200的存取晶体管的栅极。
源极线650a与作为存取晶体管源极的掺杂区域704接触,而导电栓塞710与作为存取晶体管汲极的掺杂区域702接触。在某些实施例中,源极线650a也可利用衬底700中的掺杂区域来制作。
包括一或多层介电层的介电质720位于衬底700之上,位线620a位于介电质720之上,且通过存储元件230、第一电极220与第二电极240电性耦接至导电栓塞710。
图8至图17是用以说明制造如图7所示存储单元的工艺步骤。
图8为一存储存取层800的剖面图,是用以说明制造存储单元的第一步。其中,存储存取层800具有上表面804,而栓塞710是延伸穿越介电质720到上表面804。存储存取层800可利用本领域中的标准工艺来制造,且其包括延伸穿过图8的剖面的字线630。
之后,结构900乃形成于图8的存储存取层800的上表面804上,以形成图9所示的结构。其中,结构900包括形成于存储存取层800的上表面804上的第一电极材料910、形成于第一电极材料910上的介电元件材料920、形成于介电元件材料920上的第二电极材料930、形成于第二电极材料930上的牺牲材料940。在本实施例中,第一电极材料910与第二电极材料930包括氮化钛,而介电元件材料920与牺牲材料940则包括氮化硅。
接着,图9的结构900是通过刻蚀方式形成一栓塞710上的叠层1000,如图10所示。叠层1000包括栓塞710上的第一电极220、第一电极220上的介电元件260、介电元件260上的第二电极240、第二电极240上的牺牲元件1010。
接着,是在图10所示结构上形成介电填充1100,并进行平坦化以得到图11所示的结构。在某些实施例中,介电填充1100可利用高密度等离子体化学气相沉积法来形成,之后再进行化学机械抛光以暴露出牺牲元件1010的上表面。
接着,移除牺牲元件1010以形成开口1200,如图12所示的结构。
接着,在图12所示的开口1200内形成间隔物1300,以形成如图13所示的结构。间隔物1300界定了一开口1310,且该开口1310暴露出第二电极240的部份上表面。此外,在本实施例中,间隔物1300包括氮化硅或硅。
为形成间隔物1300,可先在图12所示的结构上形成共形间隔物材料层,之后再对共形间隔物材料层进行非等向性刻蚀。在此种实施例中,开口1310将会自然而然地形成于间隔物1300的中央。
接着,利用间隔物1300作为刻蚀掩模对第二电极240、介电元件260以及第一电极220进行刻蚀,以形成具有侧壁表面252的介层孔250,如图14所示的结构。于本实施例中,介层孔250的侧壁表面252具有圆形的剖面。然应注意的是,于本发明的其它实施例中,其剖面也可以是正方形、椭圆形、长方形或其它不规则形状,端视用来形成介层孔250的工艺而定。
接着,存储材料1500是形成于图14中的介层孔250内,形成如图15所示的结构。
之后再对图15所示的结构进行平坦化(如化学机械抛光),以移除间隔物1300并形成存储元件230,如图16所示。
接着,在图16所示结构上形成并图案化位线材料,以形成位线620a,如图17所示。
图18为一集成电路1810的简化方块图,其包括了存储器阵列1812,且其中的存储单元具有存储元件,且该存储元件是与第一及第二电极的内表面接触。具有读取、设定与重设模式的字线译码器1814是与多条沿着存储器阵列1812排列的字线1816彼此耦接并电性相连。位线(栏)译码器1818是与多条沿着阵列中的栏排列的位线1820电性相连,以读取、设定与重设阵列1812中的相变化存储单元(图未示)。地址是透过总线1822提供至字线译码器及驱动器1814与位线译码器1818。在方块1824中,包括读取、设定与重设模式所需的电压及/或电流源的感应放大器与数据输入结构是通过数据总线1826耦接至位线译码器1818。通过数据输入线1828,数据是由集成电路1810上的输入/输出端或由集成电路1810内部或外部的其它数据源传送至方块1824中的数据输入结构。集成电路1810还可以包括其它电路1830,像是一般用途的处理器、特殊用途的应用电路或是可提供阵列1812所支持的系统单芯片功能的模块或其组合。数据透过数据输出线1832由方块1824的感应放大器传送至集成电路1810上的输入/输出端或其它集成电路1810内部或外部的数据目的地。
在本实施例中,控制器1834是以偏压调整状态机构为例,其是控制偏压调整供应电压与电流源1836,如读取、编程、擦除、擦除验证以及编程验证电压及/或电流。此外,控制器1834可利用技术领域中已知的特殊用途逻辑电路来实作。于其它实施方式中,控制器1834可包括一般用途的处理器以执行计算机程序来控制元件的操作,而该处理器可以应用于相同的集成电路上。在其它实施例中,控制器1834可利用特殊用途逻辑电路与一般用途的处理器的组合来实作。
虽然本发明已参照实施例来加以描述,然本发明创作并未受限于其详细描述内容。替换方式及修改样式已于先前描述中所建议,且其它替换方式及修改样式将为熟习此项技艺的人士所思及。特别是,所有具有实质上相同于本发明的构件结合而达成与本发明实质上相同结果者,皆不脱离本发明的精神范畴。因此,所有此等替换方式及修改样式是意欲落在本发明于随附权利要求范围及其均等物所界定的范畴之中。
Claims (21)
1、一种存储装置,其特征在于,包括:
一存储元件;
一第一电极,包括一环绕该存储元件的内表面,该第一电极的该内表面于一第一接触面接触该存储元件;
一第二电极,是与该第一电极分离而设置,该第二电极包括一环绕该存储元件的内表面,且该第二电极的该内表面于一第二接触面接触该存储元件。
2、根据权利要求1所述的存储装置,其特征在于,该存储元件包括一柱状的存储材料。
3、根据权利要求1所述的存储装置,其特征在于,该存储元件具有一内表面且更包括一填充材料,该填充材料位于由该存储元件的该内表面界定的一内部空间中。
4、根据权利要求1所述的存储装置,其特征在于,该第二电极包括一位线的一部分。
5、根据权利要求1所述的存储装置,其特征在于,更包括一位于该第一电极与该第二电极之间的介电元件,该介电元件包括一环绕该存储元件的内表面,且该介电元件的该内表面于一第三接触面接触该存储元件,其中该介电元件的该内表面是与该第一电极以及该第二电极对准。
6、根据权利要求1所述的存储装置,其特征在于,更包括一第一导电元件与一第二导电元件,其中:
该存储元件与该第一电极各自包括一与该第一导电元件接触的下表面;以及
该存储元件与该第二电极各自包括一与该第二导电元件接触的上表面。
7、根据权利要求6所述的存储装置,其特征在于,该第二导电元件包括一位线的一部分。
8、根据权利要求6所述的存储装置,其特征在于,该第一导电元件是电性耦接至一存取装置的一端点。
9、一种制造一存储装置的方法,其特征在于,该方法包括:
形成一包括一内表面的第一电极;
形成一与该第一电极分离而设置的第二电极,该第二电极包括一内表面;以及
形成一存储元件,该第一电极的该内表面环绕该存储元件并于一第一接触面接触该存储元件,该第二电极的该内表面环绕该存储元件并于一第二接触面接触该存储元件。
10、根据权利要求9所述的方法,其特征在于,该存储元件包括一柱状的存储材料。
11、根据权利要求9所述的方法,其特征在于,该存储元件具有一内表面且更包括一填充材料,该填充材料位于由该存储元件的该内表面界定的一内部空间中。
12、根据权利要求9所述的方法,其特征在于,该第二电极包括一位线的一部分。
13、根据权利要求9所述的方法,其特征在于,更包括形成一位于该第一电极与该第二电极之间的介电元件,该介电元件包括一环绕该存储元件的内表面,且该介电元件的该内表面于一第三接触面接触该存储元件,其中该介电元件的该内表面是与该第一电极以及该第二电极对准。
14、根据权利要求9所述的方法,其特征在于,更包括形成一第一导电元件与一第二导电元件,其中:
该存储元件与该第一电极各自包括一与该第一导电元件接触的下表面;以及
该存储元件与该第二电极各自包括一与该第二导电元件接触的上表面。
15、根据权利要求9所述的方法,其特征在于,该第二导电元件包括一位线的一部分。
16、一种制造一存储装置的方法,其特征在于,该方法包括:
于一第一导电元件的一上表面形成一结构,该结构包括一位于该第一导电元件上的第一电极元件、一位于该第一电极元件上的介电元件、一位于该介电元件上的第二电极;
形成一贯穿该结构的介层孔;以及
于该介层孔内形成一存储元件。
17、根据权利要求16所述的方法,其特征在于,形成该结构的步骤包括:
于该第一导电元件的该上表面形成一第一电极材料、于该第一电极材料上形成一介电元件材料、于该介电元件材料上形成一第二电极材料;以及
刻蚀以贯穿至该第一电极材料,进而形成一叠层。
18、根据权利要求17所述的方法,其特征在于,形成该叠层的步骤包括:
于刻蚀以贯穿至该第一电极材料的步骤前,先于该第二电极材料上形成一牺牲材料。
19、根据权利要求18所述的方法,其特征在于,形成该介层孔的步骤包括:
于该叠层上形成一介电填充材料,并进行一平坦化程序以暴露出该牺牲材料的上表面;
移除该牺牲材料以形成一开口;
于该开口内形成一间隔物;以及
将该间隔物作为刻蚀掩模刻蚀该叠层,以形成该介层孔。
20、根据权利要求19所述的方法,其特征在于,形成该间隔物的步骤包括:
于该开口内形成一介电间隔物材料;以及
非等向刻蚀该介电间隔物材料。
21、根据权利要求16所述的方法,其特征在于,于该介层孔内形成该存储元件的步骤包括:
于该介层孔内沉积一存储材料以于该介层孔内界定一内部空间;以及
于该介层孔的该内部空间内填充一填充材料。
Applications Claiming Priority (2)
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