CN117063626A - 相变存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例可以包括一种半导体结构。该半导体结构可以包括位于加热器上方的相变元件。加热器可以包括围绕电介质元件的导电元件。该电介质元件可以包括气隙。
Description
背景技术
本发明涉及半导体器件，尤其涉及形成用于相变材料的加热元件。
相变存储器(PCM)器件使用相变材料存储数据，例如，诸如硫族化物合金，其转换为晶态或非晶态。电极可提供通过PCM器件的电流以产生热量，所述热量实现PCM中的结晶相与非晶相之间的相变。相变材料的每一状态具有不同的电阻特性。具体地，处于结晶状态的相变材料具有低电阻，而处于非晶状态的相变材料具有高电阻。在离散的情况下，晶态通常被称为具有逻辑电平“0”的“置位(set)状态”，而非晶态通常被称为具有逻辑电平“1”的“复位(reset)状态”。然而，在模拟计算中，PCM的状态可为从0到1之间的任何值，且可存储权重。
发明内容
本发明的实施例可以包括半导体结构。半导体结构可以包括位于加热器上方的相变元件。加热器可以包括围绕电介质元件的导电元件。
本发明的实施例可以包括半导体结构。半导体结构可以包括位于加热器上方的相变元件。加热器可以包括围绕电介质元件的导电元件。电介质元件可以包括气隙。
本发明的实施例可以包括一种形成半导体结构的方法。该方法可包括在Mx+1电介质和Mx触点上共形沉积加热器衬里。该方法可包括在加热器衬里内形成加热器电介质。加热器电介质可以包括气隙。该方法可包括在加热器衬里上方形成凸起衬里(projectionliner)。该方法可以包括在凸起衬里上方形成相变材料。
附图说明
图1示出了根据示例性实施例的起始衬底的截面图，其中起始衬底具有在绝缘体层级中的第一导电层；
图2示出了根据示例性实施例的在沉积第二绝缘体层级之后的截面图；
图3示出了根据示例性实施例的在去除第一导电层之上的第二绝缘体层级的一部分之后的截面图；
图4示出了根据示例性实施例的通过沉积第一导电衬里、第二导电衬里和在第一导电层上方具有气隙的绝缘体来形成加热器之后的横截面图；
图5示出了根据示例性实施例的CMP之后的横截面图；
图6示出了根据示例性实施例的在加热器上方形成底部衬里之后的横截面视图；
图7示出了根据示例性实施例的在底部衬里之上沉积相变存储器的层之后的截面图；
图8示出了根据示例性实施例的相变存储单元形成之后的截面图；
图9示出了根据示例性实施例的在形成到相变存储器的连接之后的截面图。
附图的元件不一定按比例绘制，并且不旨在描绘本发明的具体参数。为了清楚和容易说明，元件的尺寸可能被夸大。应当参考详细描述以获得精确的尺寸。附图仅旨在描述本发明的典型实施例，因此不应被认为是对本发明范围的限制。在附图中，相同的标号表示相同的元件。
具体实施方式
现在将参考附图在此更全面地描述示例性实施例，在附图中示出了示例性实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于本文阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将本公开的范围传达给本领域技术人员。在描述中，可以省略公知的特征和技术的细节，以避免不必要地模糊所呈现的实施例。
为了下文描述的目的，诸如“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其派生词的术语应参照如附图中所定向的所公开的结构和方法。诸如“上方”、“上覆”、“顶上”、“在顶部上”、“位于”…上或“位于顶上”的术语意指第一元件(诸如第一结构)存在于第二元件(诸如第二结构)上，其中诸如界面结构的中间元件可存在于第一元件和第二元件之间。术语“直接接触”是指第一元件(例如第一结构)和第二元件(例如第二结构)在两个元件的界面处没有任何中间导电、绝缘或半导体层的情况下连接。术语基本上或基本上类似是指其中长度、高度或取向的差异在明确引述(例如，语句没有基本上类似的术语)和基本上类似的变形之间不呈现实际差异的情况。在一个实施例中，基本上类似(及其派生物，例如，大约和近似)表示一般接受的工程或制造公差所引起的差异，高达例如10％的值偏差或10°的角度偏差。
为了不模糊本发明的实施例的呈现，在以下详细描述中，本领域已知的一些处理步骤或操作可以被组合在一起以用于呈现和用于说明目的，并且在一些实例中可能没有被详细描述。在其它情况下，可能根本不描述本领域已知的一些处理步骤或操作。应当理解，下面的描述更集中于本发明的各种实施例的区别特征或区别元素。
相变材料可用于产生用于半导体装置中的相变存储器。这种材料具有这样的特性，即当它们经历物理变化时，材料的电阻变化，这允许该材料充当逻辑1或0。这种变化可以通过加热该材料以改变材料的结晶特性来实现，以实现电阻的变化。在本发明的某些实施例中，该加热由位于相变材料下方的电阻加热元件进行。电阻加热元件可以使用具有比执行电阻加热的周围导电元件低的热容量的电介质芯。这可以使得能够实现包含相变存储器和加热器的存储器单元，其可以在较低电压下经历热加热。
参考图1，Mx层级10包含Mx电介质100和Mx导电材料110。Mx电介质100可包括任何合适的电介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氢化硅碳氧化物、硅基低k电介质或多孔电介质。可以使用已知的合适的沉积技术来形成Mx电介质100，例如原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积、旋涂沉积或物理气相沉积(PVD)。Mx电介质100可具有从约100nm到约500nm范围的厚度，并在其间变化，但小于100nm和大于500nm的厚度也是可接受的。
继续参考图1，Mx导电材料110可以是例如在典型互连结构中发现的典型的线、通孔或导线。Mx导电材料110可由导电互连材料制成，包括例如铜、铝或钨。导电互连材料可以使用填充技术形成，例如电镀、无电镀、化学气相沉积、物理气相沉积或方法的组合。导电互连材料还可以包括掺杂剂，诸如例如锰、镁、铜、铝或其它已知的掺杂剂。在一些实施例中，在Mx层级10中，可以在Mx导电材料110和Mx电介质100之间形成各种阻挡层(barrier)或衬里(未示出)。在一个实施例中，衬里可以包括例如氮化钽层，随后是钽层。其它阻挡衬里可包括单独的或与任何其它合适的衬里组合的钴或钌。在一些实施例中，Mx导电材料110可以是线或通孔。
参考图2，Mx+1级20可以形成为包含Mx电介质120。Mx+1电介质120可包括任何合适的电介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氢化硅碳氧化物、硅基低k电介质或多孔电介质。已知的合适的沉积技术，例如原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积、旋涂沉积或物理气相沉积(PVD)可用于形成Mx电介质100。Mx+1电介质120可各自具有从约100nm至约150nm范围的厚度，并在其间变化，但小于100nm和大于150nm的厚度也是可接受的。
参考图3，可以使用典型的蚀刻技术在Mx+1电介质120中形成沟槽123，包括例如可以通过在Mx+1电介质120上方图案化光刻掩模，并且执行各向异性蚀刻例如RIE蚀刻以去除光刻掩模的未图案化部分下方的材料来执行电介质的去除。在一些实施例中，包括所述实施例，沟槽230延伸穿过Mx+1层级20，暴露Mx层级10的Mx导电材料110。沟槽123可以形成为使得开口的宽度WI为约10nm至约50nm，并且更优选地为约28nm至约40nm。
参照图4，可沉积第一加热器衬里层130、第二加热器衬里层135和电介质层140。第一加热器衬里层130可包括例如TaN、SiN、和具有适当电阻率的任何其它金属氮化物。第一加热器衬里层130可具有约13至约10nm的厚度。第一加热器衬里层130可使用任何合适的金属沉积技术形成，包括例如CVD、PVD和ALD、溅射和镀。
第二加热器衬里层135可包括任何金属或金属氮化物，例如TiN、石墨烯、TaN、W、Cu、Ru、Au和Pt。该第二加热器衬里层135可被选择为使得电阻为该第一加热器衬里层130的约250千欧姆/厘米2的0.05至0.5倍。第二加热器衬里层135可具有约2至约20nm的厚度。第二加热器衬里层135可使用任何合适的金属沉积技术形成，包括例如CVD、PVD和ALD、溅射和镀覆。
电介质层140可包括例如SiN、SiO2、SiCxOy、TaN和高电阻金属氮化物。电介质层140的形成可导致空隙145(也称为气隙)的形成。电介质层140可包括任何合适的电介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氢化硅碳氧化物、硅基低k电介质、或多孔电介质。已知的合适的沉积技术，例如原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积、旋涂沉积或物理气相沉积(PVD)。空隙145可以是位于Mx+1层级20中的电介质的总体积的至少0.1％。空隙的引入可以减少存储器元件的加热器为实现对存储器元件编程所需的温度而需要的电阻加热的量。
参考图5，在图4中沉积的所述第一加热器衬里130、所述第二加热器衬里135和所述电介质层140可以凹入到所述Mx+1电介质120的顶部，形成第一加热器衬里131、第二加热器衬里136和内部加热器电介质141。
参照图6，可以形成相变存储单元的底部衬里150。可使用任何合适的金属沉积技术(包括，例如，CVD、PVD及ALD、溅镀及镀)来形成底部衬里150，并然后使用任何合适的光刻及蚀刻技术来图案化所述底部衬里。底部衬里150可以包括例如TaN。在另一实施例中，底部衬里150与凸起(projection)衬里相同。
参考图7，在形成底部衬里150的顶部部分之后，可以在Mx+2层级30中形成相变材料层160、顶部接触层170和硬掩模层175。相变材料160形成为与底部衬里150的顶部部分电连通。在一个实施例中，相变材料160形成为与底部衬里150的顶部部分直接物理接触。在另一实施例中，相变材料160可形成为上覆于底部衬里150的顶部部分，其中例如扩散阻挡层的界面层可定位于相变材料160与底部衬里150的顶部部分之间。
相变材料160的厚度范围可从约5nm到约400nm。相变材料160的沉积可包括毯式(blanket)沉积，随后平坦化，从而形成相变层。在随后的工艺步骤中，移除相变层的一部分以提供相变材料160。在一个实施例中，在形成光致抗蚀剂掩模之后，使用各向异性蚀刻工艺，例如反应离子蚀刻，蚀刻相变层的暴露部分。
在一个实施例中，相变材料160可从非晶相切换到结晶相。当处于非晶状态时，相变材料160展现高电阻率。在一个实施例中，非晶电阻率的范围可以是从102欧姆-米到104欧姆-米。当处于结晶状态时，相变材料160更导电，通常表现出10-10000倍的较低电阻率。相变材料160可包括硫族化物合金。术语“硫属化物”在这里用于表示合金或化合物材料，其包含来自元素周期表的VI族的至少一种元素。这里可以使用的硫族化物合金的说明性例子包括但不限于Te或Se与Ge、Sb、As、Si中的至少一种元素的合金。在其它实施例中，相变材料由包括元素Te、Ga、In、Se和S中的一个或多个的任何合适的材料制成。在一个实施例中，相变材料具有Ge2Sb2Te5(GST)的成分。虽然硫族化物是通常用作相变材料的一组材料，但是一些相变材料(例如GeSb)不使用硫族化物。在一个实施例中，第一相变材料层由GeSbTe(GST)、GeSb、SbTe、GeTe、GeGaSb、SiSbTe、AgInSbTe或其组合构成。在一个实施例中，相变材料160是未掺杂的。术语未掺杂意指相变材料基本上没有掺杂剂和杂质。术语基本上没有掺杂剂和杂质是指掺杂剂以小于1.0重量％存在。
仍然参考图7，顶部接触层170可以包括金属氮化物，例如TiN、TaN、W/TiN双层、a-C和金属(W、Cu、Pt、Ru)组合以及石墨烯。顶部接触层170可以具有大约10到大约100nm的厚度。第一加热器衬里层130可使用任何合适的金属沉积技术形成，包括例如CVD、PVD和ALD、溅射和镀覆。
仍然参考图7，硬掩模层175可以包括电介质，诸如例如SiN、a-C、SiOxN、Al2O3、AlN、HfO2、ZrO2。硬掩模层175可以具有约20nm至约200nm的厚度。硬掩模层175可以使用任何合适的金属沉积技术形成，包括例如CVD、PVD和ALD、溅射和镀覆。
参考图8，可以分别从相变材料层160、顶部接触层170和硬掩模层175图案化形成包括相变材料161、顶部接触171和顶部硬掩模176的相变存储器单元。图案化可以使用例如光刻图案化和各向异性蚀刻来完成。
参考图9，Mx+2电介质180可沉积在该结构上，且可产生随后的镶嵌(damascene)或双镶嵌(dual damascene)结构。Mx+2电介质180可使相变材料160与可随后形成于相变材料160上方的额外互连层级(未图示)电绝缘。Mx+2电介质180可使用典型沉积技术沉积，例如化学气相沉积。Mx+2电介质180可以包括任何合适的电介质材料，例如氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、碳氮化硅(SiCN)、氢化碳化硅(SiCH)或其它已知的帽盖材料。Mx+2电介质180可具有从约50nm到约600nm的范围的厚度，并可在其间变化，但小于50nm且大于600nm的厚度也是可接受的。
仍然参考图9，可以在Mx+2电介质180中形成镶嵌开口。镶嵌开口可以包括沟槽开口或两个通孔开口。可以使用本领域已知的任何合适的掩模和蚀刻技术来形成镶嵌开口。在一个实施例中，可以使用利用氟基蚀刻剂(例如CxFy)的干蚀刻技术。在一个实施例中，沟槽开口的深度可以在从约50nm到约100nm的范围内。Mx+2导电材料190、195可填充所述空隙。Mx+2导电材料190、195可以包括例如铜、铝、氮化钛、氮化钽或钨。Mx+2导电材料190、195可使用填充技术形成，例如电镀、无电镀、化学气相沉积、物理气相沉积或方法的组合。
已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其意图并非是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或为了使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。因此，本发明不限于所描述和说明的确切形式和细节，而是落入所附权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种存储器结构，包括：
位于加热器上方的相变元件：以及
其中，所述加热器包括围绕电介质元件的导电元件。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述电介质元件包括气隙。
3.根据权利要求1或2所述的结构，其中所述导电元件包括第一导电衬里和第二导电衬里。
4.根据权利要求3所述的结构，其中所述第二导电衬里为所述第一导电衬里的电阻的约0.05至约0.5倍。
5.根据前述权利要求中任一项所述的结构，还包括在所述加热器和所述相变元件之间的凸起衬里。
6.根据前述权利要求中任一项所述的结构，其中，所述电介质元件的材料选自由以下组成的组：SiN、SiO2和SiCxOy。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的结构，其中所述气隙包括包含所述电介质元件的区域的体积的至少0.1％。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的结构，其中所述第一导电衬里的材料选自由以下组成的组：TaN和SiN。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的结构，其中所述第二导电衬里的材料选自由以下组成的组：TiN、石墨烯、TaN、W、Cu、Ru、Au、和Pt。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的结构，其中所述凸起衬里的材料是TaN。
11.一种存储器结构，包括：
相变元件，位于加热器上方的凸起衬里上，以及
其中，所述加热器包括围绕电介质元件的导电元件，其中，所述电介质元件包括气隙。
12.根据权利要求11所述的结构，其中所述导电元件包括第一导电衬里和第二导电衬里。
13.根据权利要求12所述的结构，其中所述第二导电衬里为所述第一导电衬里的电阻的约0.05至约0.5倍。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的结构，其中，所述电介质元件的材料选自由以下组成的组：SiN、SiO2和SiCxOy。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的结构，其中，所述气隙包括包含所述电介质元件的区域的体积的至少0.1％。
16.根据权利要求12所述的结构，其中所述第一导电衬里的材料选自由以下组成的组：TaN和SiN。
17.根据权利要求12或16所述的结构，其中所述第二导电衬里的材料选自由以下组成的组：TiN、石墨烯、TaN、W、Cu、Ru、Au、和Pt。
18.根据权利要求11所述的结构，进一步包括在所述加热器与所述相变元件之间的凸起衬里。
19.一种形成存储器结构的方法，包括：
在Mx+1电介质和Mx触点上共形沉积加热器衬里；
在所述加热器衬里内形成加热器电介质，其中形成所述加热器电介质包括在所述加热器电介质内形成气隙；
在所述加热器衬里上方形成凸起衬里；以及
在所述凸起衬里上形成相变材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述加热器衬里包括第一衬里和第二衬里。
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