CN117915759A

CN117915759A - 形成装置结构的方法以及开关装置

Info

Publication number: CN117915759A
Application number: CN202311763391.8A
Authority: CN
Inventors: 李泓儒; 丁裕伟; 黄建达; 张国彬; 黄国钦
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2023-01-01
Filing date: 2023-12-20
Publication date: 2024-04-19

Abstract

加热器材料层在衬底之上。在将衬底和加热器材料层放置在工艺腔中的同时执行反应性溅射反应性溅射工艺。经溅射的多个铝原子和多个反应性含氮分子在工艺腔内部发生反应，以在加热器材料层上形成连续的非均质的铝氮化物层。形成连续的非均质的铝氮化物层，使得铝氮化物层的顶表面部分比铝氮化物层的与加热器线的顶表面接触的底表面部分具有较高的氮原子浓度。连续的非均质的铝氮化物层和加热器材料层被图案化为非均质的铝氮化物层和加热线。在铝氮化物层上形成相变材料线以提供射频开关。

Description

形成装置结构的方法以及开关装置

技术领域

本揭露实施例涉及一种形成装置结构的方法以及开关装置。

背景技术

相变材料开关(phase change material switch)是可以减轻由于电磁辐射引起的干扰的有用装置，并且可以用于诸如射频应用的各种应用。相变材料开关可以根据相变材料部分的电阻率状态在射频信号的路径中提供电连接或电隔离。

发明内容

本发明实施方式的一种形成装置结构的方法，包括：在衬底之上形成加热器线和非均质的铝氮化物层的组合，其中所述非均质的铝氮化物层的顶部表面部分比所述非均质的铝氮化物层的底部表面部分具有更高的氮原子浓度；以及在所述非均质的铝氮化物层的所述顶部表面部分之上形成相变材料(PCM)线。

本发明实施方式的一种形成装置结构的方法，包括：在衬底之上形成加热器材料层；在所述衬底和所述加热器材料层置于工艺腔中的同时执行反应性溅射工艺，其中经溅射的多个铝原子与多个反应性含氮分子在所述工艺腔内部发生反应，以在所述加热器材料层上形成连续非均质的铝氮化物层，并且所述多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的分布在所述反应性溅射工艺期间具有多个局部峰值；将所述连续的非均质的铝氮化物层和所述加热器材料层图案化为非均质的铝氮化物层和加热器线；以及在所述非均质的铝氮化物层之上形成相变材料(PCM)线。

本发明实施方式的一种开关装置，包括位于衬底上的半导体装置；位于所述半导体装置之上的加热器线；具有非均质的材料组成的铝氮化物层，其中所述铝氮化物层的顶部表面部分比所述铝氮化物层的在所述加热器线的顶部表面之上的底部表面部分具有更高的氮原子浓度；跨越所述铝氮化物层的相变材料(PCM)线；连接到所述PCM线的第一端部分的第一电极；以及连接到所述PCM线的第二端部分的第二电极，其中所述半导体装置电连接到所述加热器线的两端并且被配置为提供选自第一状态和第二状态的电状态，所述第一状态中所述第二电极电耦合到所述第一电极，以及所述第二状态中所述第二电极与所述第一电极电隔离。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本公开的方面。值得注意的是，根据业界的标准做法，各特征并未按比例绘制。事实上，为了讨论的清楚起见，可以任意增加或减少各种特征的尺寸。

图1是根据本公开的实施方式的在形成多个互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)晶体管、多个金属互连结构和多个介电材料层、可选的介电覆盖层、介电隔离层、加热器材料层和连续的非均质(即，梯度)的铝氮化物层之后的示例性结构的垂直剖面图。

图2A至图2F是根据本公开的实施方式的连续的非均质的铝氮化物层的各种配置的示例性结构的区域的放大垂直剖面图。

图3A至图3F是根据本公开的实施方式的连续的非均质的铝氮化物层的各种配置内的氮原子百分比作为垂直距离的函数的图形。

图4A至图4F是根据本公开的实施方式的反应性溅射工艺期间多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的图形。

图5是根据本公开的实施方式的反应性溅射设备的垂直剖视图。

图6A至图6C是根据本公开的实施方式的将连续的非均质的铝氮化物层和加热器材料层分别图案化成非均质的铝氮化物层和加热器线之后的示例性结构的各种视图。图6A是俯视图，且图6B和图6C分别是沿图6A的垂直面B-B’或C-C’的垂直剖视图。

图7A至图7C是根据本公开的实施方式的形成介电基质层(dielectric matrixlayer)之后的示例性结构的各种视图。图7A是俯视图，且图7B和图7C分别是沿图7A的垂直面B-B’或C-C’的垂直剖视图。

图8A至图8C是根据本公开的实施方式的在形成相变材料层和导电阻障材料层之后的示例性结构的各种视图。图8A是俯视图，且图8B和图8C分别是沿图8A的垂直面B-B’或C-C’的垂直剖视图。

图9A至图9C是根据本公开的实施方式在工艺中导电阻障板(in-processconductive barrier plate)和相变材料(phase change material，PCM)线形成之后的示例性结构的各种视图。图9A是俯视图，且图9B和图9C分别是沿图9A的垂直面B-B’或C-C’的垂直剖面图。

图10A至图10C是根据本公开的实施方式形成电极材料层和电极覆盖介电层之后的示例性结构的各种视图。图10A是俯视图，且图10B和图10C分别是沿图10A的垂直面B-B’或C-C’的垂直剖视图。

图11A至图11C是根据本公开的实施方式在形成多个电极覆盖介电板、多个电极和多个导电阻障板之后的示例性结构的各种视图。图11A是俯视图，且图11B和图11C分别是沿图11A的垂直面B-B’或C-C’的垂直剖视图。

图12A至图12C是根据本公开的实施方式的在形成介电材料层和多个附加金属互连结构之后的示例性结构的各种视图。图12A是俯视图，且图12B和图12C分别是沿图12A的垂直面B-B’或C-C’的垂直剖视图。

图13是示出根据本公开的实施方式的用于制造半导体装置的一般处理步骤的第一流程图。

图14是示出根据本公开的实施方式的用于制造半导体装置的一般处理步骤的第二流程图。

[符号的说明]

8、512：衬底

9：半导体材料层

22：介电覆盖层

24：介电隔离层

28：开关层级介电材料层

30：加热器线

30L：加热器材料层

32L：连续的非均质的铝氮化物层

32A：第一组件铝氮化物层

32B：第二组件铝氮化物层

32C：邻近的第二组件铝氮化物层

32D：中间的第二组件铝氮化物层

32E：远离的第二组件铝氮化物层

32：非均质的铝氮化物层/铝氮化物层

34：介电基质层

40：相变材料线/PCM线

40L：相变材料层/PCM材料层

40M：中间部分

42A：第一导电阻障板

42B：第二导电阻障板

42L：导电阻障材料层

42’：工艺中导电阻障板

50：电极

50A：第一电极

50B：第二电极

50L：电极材料层

52：电极覆盖介电板

52L：电极覆盖介电层

301、302、401、402：曲线

321：邻近的第一组件铝氮化物层

322：中间的第一组件铝氮化物层

323：远离的第一组件铝氮化物层

500：反应性溅射设备

502：真空罩

510：卡盘

520：溅射靶

530：RF发生器和磁铁组合件

540：质量流量控制器

542：气体供应线

560：工艺腔

601：第一介电材料层

610：第一内连线层级介电材料层

612：装置接触件通孔结构

618：第一金属线结构

620：第二内连线层级介电材料层

622：第一金属通孔结构

628：第二金属线结构

630：第三内连线层级介电材料层

632：第二金属通孔结构

638：第三金属线结构

640：第四内连线层级介电材料层

642：第三金属通孔结构

648：第四金属线结构

652：开关层级金属通孔结构

658：开关层级金属线结构

700：CMOS电路

701：场效晶体管

720：浅沟槽隔离结构

732：源极

735：半导体通道

738：漏极

742：源极侧金属半导体合金区

748：漏极侧金属半导体合金区

750：栅极结构

752：栅极介电层

754：栅极

756：介电栅极间隙壁

758：栅极覆盖介电

1310、1320、1330、1340、1420：步骤

6521：第一电极接触件通孔结构

6522：第二电极接触件通孔结构

6523：第一加热器接触件通孔结构

6524：第二加热器接触件通孔结构

6581：第一电极连接金属线结构

6582：第二电极连接金属线结构

6583：第一加热器连接金属线结构

6584：第二加热器连接金属线结构

Cp1：第一寄生电容

Cp2：第二寄生电容

hd1：第一水平方向

hd2：第二水平方向

具体实施方式

以下公开内容提供了许多不同的实施方式或示例，用于实现所提供主题的不同特征。下面描述组件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅是示例而不是限制性的。例如，在以下描述中在第二特征之上或上形成第一特征可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施方式，并且还可以包括可以在两者之间形成附加特征进而使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施方式。此外，本公开可以在各种示例中重复参考编号和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，其本身并不规定所讨论的各种实施方式和/或配置之间的关系。

此外，为了便于描述，本文可以使用诸如“位于...之下”、“位于...下方”、“下部的”、“位于...上方”、“上部的”等空间相对性术语来描述图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了附图中描绘的定向之外，空间相对性术语旨在涵盖设备在使用或操作中的不同定向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，并且本文中使用的空间相对性描述同样可以相应地解释。具有相同参考编号的元件指代相同的元件，并且假定具有相同的材料组成和相同的厚度范围，除非另有明确说明。

通常，本文公开的各种实施方式结构和方法可用于形成相变材料(PCM)开关。这样的实施方式PCM开关可以用于为诸如射频半导体装置、变容器(即，可变电容电容器)、电感器或其他半导体装置的各种半导体装置提供开关功能。在一个实施方式中，PCM开关可以用作射频开关，其在高频(例如高于1GHz的频率)下在输入电极和输出电极之间具有低寄生电容耦合。

本文公开的各种实施方式可以提供一种开关装置，包括加热器线、非均质的铝氮化物层(即具有梯度的铝和氮浓度比)，以及跨越非均质的铝氮化物层并连接到位在相对两端的两个电极的相变材料(PCM)线。取决于氮含量，氮化铝可以表现出不同的热导率和不同的电导率。具体地，具有高氮含量的氮化铝材料可表现出介电质的性质，例如低热导率和低电导率。相反，具有低氮含量的氮化铝材料可表现出金属的性质，例如高热导率和高电导率。用于操作相变材料(PCM)装置的加热器元件可以热耦合到相变材料，但也可以与相变材料电隔离。本文所公开的各种实施方式中的非均质的铝氮化物层可以在底部部分利用高电导率和高热导率的低氮含量的氮化铝材料来提供高电导率并降低界面电阻并将由加热器线产生的热量散布在广阔的区域。另外，本文所公开的各种实施方式中的非均质的铝氮化物层可以在顶部部分使用低电导率和低热导率的高氮含量的氮化铝材料来提供加热器线与相变材料之间的充分电隔离。

此外，本文公开的各种实施方式中的非均质的铝氮化物层可使用其中调节多个反应性含氮分子的分压的单一反应性溅射工艺形成。具体地，多个反应性含氮分子的分压可以单调地(monotonically)、严格地(strictly)、阶梯地或多峰地增加，条件是非均质的铝氮化物层的顶部部分具有比非均质的铝氮化物层的底部部分更高的平均氮原子浓度。因此，可以使用单一沉积工具在单一处理步骤中形成非均质的铝氮化物层。此外，由于不均匀的垂直氮浓度分布对本文公开的各种实施方式中的非均质的铝氮化物层的总制造成本的改变可能是最小的。

非均质的铝氮化物层可以降低内部电阻和热阻，以在开关装置的操作期间提供从加热器线到相变材料(PCM)线的更有效的热传递。因此，用于将PCM线的近端部分(proximalportion)的温度升高到目标熔化温度(melting temperature)的加热器线的温度对于使用非均质的铝氮化物层的各种实施方式的开关装置而言可能较低。因此，非均质的铝氮化物层可以降低各种实施方式的开关装置在开关操作期间的功耗。替代地或另外地，本文公开的各种实施方式的非均质的铝氮化物层可以比相关技术中使用的界面层在更高的厚度处提供有效热传导和电隔离的功能，并且因此可以减少加热器线和PCM线的两端部分之间的寄生电容耦合。降低的电容耦合可以降低开关装置的关断状态期间的信号耦合，这是开关装置的期望装置特性。现在参考附图描述本公开的各种实施方式。

参照图1，示出了根据本公开的第一实施方式的示例性结构。示例性结构包括衬底8，其可以是半导体衬底，例如市售的硅衬底。衬底8可以至少在其上部部分包括半导体材料层9。半导体材料层9可以是块体半导体衬底的表面部分，或者可以是绝缘体上半导体(semiconductor-on-insulator，SOI)衬底的顶部半导体层。在一个实施方式中，半导体材料层9包括诸如单晶硅的单晶半导体材料。在一个实施方式中，衬底8可以包括含有单晶硅材料的单晶硅衬底。

包括诸如氧化硅的介电材料的多个浅沟槽隔离结构720可以形成在半导体材料层9的上部部分。合适的经掺杂半导体阱(例如p型阱和n型阱)可以形成在被多个浅沟槽隔离结构720的一部分横向包围的每个区域内。多个场效晶体管701可以形成在半导体材料层9的顶部表面之上。例如，每个场效晶体管701可以包括源极732、漏极738、包括在源极732和漏极738之间延伸的衬底8的表面部分的半导体通道735，以及栅极结构750。半导体通道735可以包括单晶半导体材料。每个栅极结构750可以包括栅极介电层752、栅极754、栅极覆盖介电758和介电栅极间隙壁756。可以在每个源极732上形成源极侧金属半导体合金区742，并且可以在每个漏极738上形成漏极侧金属半导体合金区748。形成在半导体材料层9的顶部表面上的多个装置可以包括互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)晶体管和可选的附加半导体装置(例如电阻器、二极管、电容器结构等)，并且统称为CMOS电路700。

CMOS电路700中的一个或多个场效晶体管701可以包括包含衬底8中的半导体材料层9的一部分的半导体通道735。在半导体材料层9包括例如单晶硅的单晶半导体材料的实施方式中，CMOS电路700中每个场效晶体管701的半导体通道735可以包括例如单晶硅通道的单晶半导体通道。在一个实施方式中，CMOS电路700中的多个场效晶体管701的子集可以包括随后电连接到能量收集装置的节点和/或随后形成的电池结构的相应节点。

在一个实施方式中，衬底8可以包括单晶硅衬底，并且多个场效晶体管701可以包括单晶硅衬底的相应部分作为半导体通道。如本文所用，“半导体”元素是指电导率在1.0x10^-6S/cm至1.0x10⁵S/cm范围内的元素。如本文所用，“半导体材料”是指在其中不存在电掺杂剂的情况下具有从1.0×10^-6S/cm到1.0×10⁵S/cm范围内的电导率的材料，并且能够产生在用电掺杂剂适当掺杂后的具有在1.0S/cm至1.0x10⁵S/cm范围内的导电率的经掺杂材料。

形成在多个介电材料层内的各种金属互连结构可以随后形成在衬底8和其上的多个半导体装置701(例如场效晶体管)之上。在说明性示例中，介电材料层可以包括例如可以是围绕连接到源极和漏极的接触结构的层的第一介电材料层601(有时称为接触层级介电材料层601)、第一内连线层级介电材料层610、第二内连线层级介电材料层620、第三内连线层级介电材料层630，和第四内连线层级介电材料层640。多个金属互连结构可以包括形成在第一介电材料层601中并接触CMOS电路700的相应组件的多个装置接触件通孔结构612、形成在第一内连线层级介电材料层610中的多个第一金属线结构618、形成在第二内连线层级介电材料层620的下部部分中的多个第一金属通孔结构622、形成在第二内连线层级介电材料层620的上部部分中的多个第二金属线结构628、形成在第三内连线层级介电材料层630的下部部分中的多个第二金属通孔结构632，形成在第三内连线层级介电材料层630的上部部分中的多个第三金属线结构638，形成在第四内连线层级介电材料层640的下部部分中的多个第三金属通孔结构642，以及形成在第四内连线层级介电材料层640的上部部分中的多个第四金属线结构648。虽然使用其中在多个介电材料层中形成四个层级金属线结构的实施方式来描述本公开，但是本文明确地预期实施方式，其中在多个介电材料层中形成更少或更多数量的层级金属线结构。

多个介电材料层(例如第一介电材料层601、第一内连线层级介电材料层610、第二内连线层级介电材料层620、第三内连线层级介电材料层630、第四内连线层级介电材料层640)中的每一个都可以包括介电材料，例如未经掺杂的硅酸盐玻璃、经掺杂的硅酸盐玻璃、有机硅酸盐玻璃、非晶氟化碳、其多孔变体或其组合。多个金属互连结构(例如装置接触件通孔结构612、第一金属线结构618、第一金属通孔结构622、第二金属线结构628、第二金属通孔结构632、第三金属线结构638、第三金属通孔结构642、第四金属线结构648)中的每一个可以包括至少一种导电材料，其可以是金属衬层(metallic liner)(例如金属氮化物或金属碳化物)和金属填充材料的组合。每个金属衬层可以包括TiN、TaN、WN、TiC、TaC和WC，并且每个金属填充材料部分可以包括W、Cu、Al、Co、Ru、Mo、Ta、Ti、其合金和/或其组合。也可以使用在预期的公开范围内的其他合适的金属衬层和金属填充材料。在一个实施方式中，多个第一金属通孔结构622和多个第二金属线结构628可以通过双镶嵌工艺形成为一体的线和通孔结构。通常，任何连续的一组金属线结构(例如第二金属线结构628、第三金属线结构638、第四金属线结构648)和至少一个下伏的金属通孔结构(例如第一金属通孔结构622、第二金属通孔结构632、第三金属通孔结构642)可以形成为一体的线和通孔结构。

通常，多个半导体装置701可以形成在衬底8上，以及多个金属互连结构(例如装置接触件通孔结构612、第一金属线结构618、第一金属通孔结构622、第二金属线结构628、第二金属通孔结构632、第三金属线结构638、第三金属通孔结构642、第四金属线结构648)和多个介电材料层(例如第一介电材料层601、第一内连线层级介电材料层610、第二内连线层级介电材料层620、第三内连线层级介电材料层630、第四内连线层级介电材料层640)可以形成在多个半导体装置之上。多个金属互连结构(例如装置接触件通孔结构612、第一金属线结构618、第一金属通孔结构622、第二金属线结构628、第二金属通孔结构632、第三金属线结构638、第三金属通孔结构642、第四金属线结构648)可以形成在多个介电材料层(例如第一介电材料层601、第一内连线层级介电材料层610、第二内连线层级介电材料层620、第三内连线层级介电材料层630、第四内连线层级介电材料层640)中，并且可以电连接到多个半导体装置。

可以在多个金属互连结构(例如装置接触件通孔结构612、第一金属线结构618、第一金属通孔结构622、第二金属线结构628、第二金属通孔结构632、第三金属线结构638、第三金属通孔结构642、第四金属线结构648)和多个介电材料层(例如第一介电材料层601、第一内连线层级介电材料层610、第二内连线层级介电材料层620、第三内连线层级介电材料层630、第四内连线层级介电材料层640)之上沉积可选的介电覆盖层22、介电隔离层24和加热器材料层30L，以及连续的非均质的铝氮化物层32L。可选的介电覆盖层22包括诸如碳化硅、氮化硅或碳氮化硅的介电覆盖材料。其他合适的介电覆盖材料也在本公开的预期范围内。如果存在的话，可选的介电覆盖层22的厚度可以在从2nm到100nm的范围内，尽管也可以使用较小和较大的厚度。介电隔离层24包括介电材料，例如未经掺杂的硅酸盐玻璃或经掺杂的硅酸盐玻璃。介电隔离层24可包括平面顶部表面，即，顶部表面完全位于水平面内。介电隔离层24的厚度可以在从100nm到300nm的范围内，例如从120nm到200nm，尽管也可以使用较小和较大的厚度。

加热器材料层30L包括电导率低于铜或铝的金属材料。在一个实施方式中，加热器材料层30L可以包括诸如钨、铼、钽、钼或铌的耐火元素金属(refractory elementalmetal)，或者可以包括诸如氮化钨、氮化钛或氮化钽的导电金属氮化物材料。在另一个实施方式中并且根据本公开的一个方面，加热器材料层30L包括铝-氮合金，例如氮化铝材料或铝和氮化铝材料的混合物。在一些实施方式中，加热器材料层30L可以通过铝靶和氮化铝靶的共溅射形成。在一个实施方式中，铝和氮化铝的纳米级颗粒可以混合在加热器材料层内。在一些其他情况下，加热器材料层30L可以通过执行其中在氮化环境中溅射铝的反应性溅射工艺来形成。在该实施方式中，加热器材料层30L内均质的氮化铝材料中氮的原子百分比可以在0.001％至50.000％的范围内。在一个实施方式中，可以优化氮的原子百分比以在加热器材料层30L内提供最佳电阻率。在一个实施方式中，氮的原子百分比可以具有垂直梯度，使得氮的原子百分比随着与衬底8的垂直距离而减小，并且在从加热器材料层30L图案化而得的加热器线的上部部分产生的热量大于在加热器线的下部部分。这种类型的原子浓度梯度可以更有效地为随后形成的相变材料线提供热量。在一个实施方式中，加热器材料层30L的顶部部分的氮原子浓度可以小于40％，和/或小于30％，和/或小于20％，和/或小于10％；并且大于0.001％和/或大于2.5％，和/或大于5％，和/或大于10％，和/或大于20％。在一个实施方式中，加热器材料层30L的底部部分的氮原子浓度可以相同或小于50％，和/或小于49％，和/或小于48％；并且大于40％和/或大于45％，和/或大于48％，和/或大于49％。其他合适的加热器材料在预期的公开范围内。加热器材料层30L的厚度可以在从50nm到300nm的范围内，例如从100nm到200nm，尽管也可以使用较小和较大的厚度。

连续的非均质的铝氮化物层32L可以形成在加热器材料层30L的顶部表面上和之上。连续的非均质的铝氮化物层32L是作为毯状材料层(blanket material layer)连续延伸的铝氮化物层，并且沿垂直方向材料组成非均质。连续的非均质的铝氮化物层32L包括其中具有垂直组成梯度的非均质的氮化铝材料。如下所述，连续的非均质的铝氮化物层32L沿垂直方向可具有各种类型的组成分布。通常，连续的非均质的铝氮化物层32L的底部部分比连续的非均质的铝氮化物层32L的上部部分具有更低的平均原子百分比或氮原子。连续的非均质的铝氮化物层32L可以例如通过在后续部分中详细描述的反应性溅射工艺形成。连续的非均质的铝氮化物层32L的厚度可在10nm至100nm的范围内，例如20nm至60nm，但也可使用较小和较大的厚度。

通常，化学计量的氮化铝材料包含原子百分比为50％的多个氮原子，并提供70W/(m·K)至200W/(m·K)范围内的热导率，同时提供从10Ω·m至16Ω·m范围内的低电导率，因此，用作电绝缘材料。在本公开的实施方式中使用的非化学计量氮化铝是缺氮的，且因此包含原子百分比小于50％的氮原子，其可以在从45％到小于50％的范围内，例如从48％至49.9％。

图2A至图2F是根据本公开的实施方式的连续的非均质的铝氮化物层32L的各种配置的示例性结构的区域的放大垂直剖面图。图3A至图3F是根据本公开的实施方式的连续的非均质的铝氮化物层32L的各种配置内的氮原子百分比作为垂直距离的函数的图形。图4A至图4F是在用于沉积连续的非均质的铝氮化物层32L的反应性溅射工艺中，多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的图形。

参考图2A、图3A和图4A，分别显示了连续的非均质的铝氮化物层32L的第一配置，连续的非均质的铝氮化物层32L的第一配置中氮原子百分比的垂直剖面图，以及示出在用于沉积连续的非均质的铝氮化物层32L的第一配置的反应性溅射工艺期间，多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的图形。

形成连续的非均质的铝氮化物层32L的第一配置使得连续的非均质的铝氮化物层32L的顶部表面部分具有比连续的非均质的铝氮化物层32L的接触加热器材料层30L顶部表面的底部表面部分更高的氮原子浓度。在一个实施方式中，连续的非均质的铝氮化物层32L中氮原子百分比作为距加热器材料层30L顶部表面的垂直距离的函数单调地增加。如本文所用，在对于包括第一值和大于第一值的第二值的变量的每对值，变量的第二值的函数值不小于(即大于或等于)变量的第一值的函数值的实例中，函数随变量“单调地增加”。换句话说，该函数没有任何函数值减小的片段。

在一个实施方式中，连续的非均质的铝氮化物层32L中的氮原子百分比作为距加热器材料层30L的顶部表面的垂直距离严格地增加。如本文所用，在对于包括第一值和大于第一值的第二值的变量的每对值，变量的第二值的函数值大于变量的第一值的函数值的实例中，函数随变量“严格地递增”。换句话说，函数在可以为变量值定义的每个区间内递增。因此，连续的非均质的铝氮化物层32L内的每个第一点的多个氮原子的原子浓度高于连续的非均质的铝氮化物层32L内更接近加热器材料层30L的任何第二点的多个氮原子的原子浓度。在一个实施方式中，可以形成具有垂直氮浓度梯度的连续的非均质的铝氮化物层32L，使得连续的非均质的铝氮化物层32L中多个氮原子的原子百分比从与加热器材料层30L的界面到连续的非均质的铝氮化物层32L的顶部表面连续增加，即严格地增加。

在一个实施方式(在图3A中由曲线301和在图4A中由曲线401表示)中，连续的非均质的铝氮化物层32L可以使用沉积工艺来沉积，其中多个氮分子的供应(这可以在反应性溅射工艺期间通过多个反应性含氮分子的分压来测量)如图4A中的曲线401所示连续地增加，并且连续的非均质的铝氮化物层32L中氮的原子百分比如图3A中的曲线301所示的连续地增加。

在一个实施方式(在图3A中由曲线302和在图4A中由曲线402表示)中，连续的非均质的铝氮化物层32L可以使用沉积工艺来沉积，其中多个氮分子的供应(这可以在反应性溅射工艺期间通过多个反应性含氮分子的分压来测量)如图4A中的曲线402所示的逐步地增加，并且连续的非均质的铝氮化物层32L中氮的原子百分比如图3A中的曲线302所示的逐步地增加。

参考图2B、图3B和图4B，分别显示了连续的非均质的铝氮化物层32L的第二配置，连续的非均质的铝氮化物层32L的第二配置中氮原子百分比的垂直剖面图，以及表示在用于沉积连续的非均质的铝氮化物层32L的第二配置的反应性溅射工艺期间，多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的图形。

在第二配置中，连续的非均质的铝氮化物层32L包括沿垂直方向布置的多个组件铝氮化物层(例如第一组件铝氮化物层32A，第二组件铝氮化物层32B)的垂直堆叠。具体地，连续的非均质的铝氮化物层32L包括多个第一组件铝氮化物层32A与多个第二组件铝氮化物层32B沿垂直方向交错。每个第一组件铝氮化物层32A包括包含具有第一平均原子百分比的多个氮原子的第一氮化铝材料，并且每个第二组件铝氮化物层32B包含包含具有大于第一平均原子百分比的第二平均原子百分比的多个氮原子的第二氮化铝材料。在一个实施方式中，第一平均原子百分比可以在45％至49％的范围内，且第二平均原子百分比可以在49％至50％的范围内。

在一个实施方式中，连续的非均质的铝氮化物层32L形成具有不均匀的垂直氮浓度分布，使得连续的非均质的铝氮化物层32L中多个氮原子的原子百分比包括至少两个局部峰值(local peak)，作为距与加热器线30的界面的垂直距离的函数。

在某些实施方式中，第一组件铝氮化物层32A中的多个氮原子的原子百分比可能在每个第一组件铝氮化物层32A中具有各自的峰值。每个峰值内的第一组件铝氮化物层32A中的多个氮原子的原子百分比的最大值可以位于距加热器材料层30L顶部表面的垂直距离的单个值处(如图3B所示分布中的点峰值的实施方式)，或者可以位于在氮原子百分比的分布包含在相应的峰值处的平台(plateau)的实施方式中的多个垂直距离的范围内。在此实施方式中，氮原子百分比的垂直分布中的峰间距离(peak-to-peak distance)可以使用氮原子百分比为在作为距加热器材料层30顶部表面的垂直距离的函数的最大值处的一个或多个单点峰值和/或平台的中点(mid-point)来定义。换句话说，在氮原子百分比的垂直分布包含最大的平台的实施方式中，中点位置用于测量在氮原子百分比的垂直分布中的相邻峰值对之间的峰间距离的目的。

在一个实施方式中，多个第一组件铝氮化物层32A的厚度可以彼此不同。在一个实施方式中，多个第一组件铝氮化物层32A的厚度可以随着距加热器材料层30L的顶部表面的垂直距离而减小。换言之，远离加热器材料层30L的第一组件铝氮化物层32A可具有比靠近加热器材料层30L的第一组件铝氮化物层32A更小的厚度。

在一个实施方式中，氮原子浓度的垂直分布可以具有两个或多于两个的峰值，和/或可以具有三个或多于三个的峰值。氮原子百分比的垂直分布中相邻峰值对之间的峰间距离可能随着距加热器材料层30L顶部表面的垂直距离而减小。在一个实施方式中，至少两个局部峰值的峰值原子百分比可以相同而与距加热器材料层30L的垂直距离无关。在一个实施方式中，峰值原子百分比可以是50％。在一个实施方式中，氮原子百分比的多个局部峰值可能具有相同的量级(magnitude)(例如50％)。

在一个实施方式中，连续的非均质的铝氮化物层32L可以形成有不均匀的垂直氮浓度分布，使得连续的非均质的铝氮化物层32L中的多个氮原子的原子百分比包括至少三个局部峰值，作为距与加热器材料层30L的界面的垂直距离的函数，并且对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间距离而言，从至少三个局部峰值中选择的最远离加热器材料层30L的局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的最接近加热器材料层30L的局部峰值。换言之，对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间距离而言，从至少三个局部峰值中选择的最远离加热器材料层30L的局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的最接近加热器材料层30L的局部峰值。

在形成连续的非均质的铝氮化物层32L的沉积过程期间，反应性溅射设备中的多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数(如图4B所示)可能具有多个局部峰值，其包括至少两个局部峰值和/或至少三个局部峰值。在一个实施方式中，多个局部峰值可以包括至少三个局部峰值，并且对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间时间，从至少三个局部峰值中选择的最后局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的初始局部峰值。

参考图2C、图3C和图4C，分别显示了连续的非均质的铝氮化物层32L的第三配置，连续的非均质的铝氮化物层32L的第三配置中氮原子百分比的垂直剖面图，以及表示在用于沉积连续的非均质的铝氮化物层32L的第三配置的反应性溅射工艺期间，多个反应性含氮分子的分压的作为时间的函数的图形。

连续的非均质的铝氮化物层32L的第三配置可以通过使接连的多个第二组件铝氮化物层(例如邻近的第二组件铝氮化物层32C，中间的第二组件铝氮化物层32D，远离的第二组件铝氮化物层32E)中氮原子百分比逐步地增加而从连续的非均质的铝氮化物层32L的第二配置导出。多个第一组件铝氮化物层32A可以包括具有第一原子百分比的多个氮原子，多个第二组件铝氮化物层(例如邻近的第二组件铝氮化物层32C，中间的第二组件铝氮化物层32D，远离的第二组件铝氮化物层32E)可以包括邻近的第二组件铝氮化物层32C(其包括具有大于第一原子百分比的第二原子百分比的多个氮原子)，中间的第二组件铝氮化物层32D(其包括具有大于第二原子百分比的第三原子百分比的多个氮原子)，以及远离的第二组件铝氮化物层32E(其包含具有大于第三原子百分比的第四原子百分比的多个氮原子)。在一个实施方式中，第四原子百分比可以是50％。

氮原子浓度作为距加热器材料层30L的垂直距离的函数包括连续的非均质的铝氮化物层32L内的至少两个局部峰值。在一个实施方式中，多个第一组件铝氮化物层32A的厚度可以彼此不同。在一个实施方式中，多个第一组件铝氮化物层32A的厚度可以随着距加热器材料层30L的顶部表面的垂直距离而减小。换言之，远离加热器材料层30L的第一组件铝氮化物层32A可具有比靠近加热器材料层30L的第一组件铝氮化物层32A更小的厚度。

在一个实施方式中，氮原子浓度的垂直分布可以具有两个或多于两个的峰值，和/或可以具有三个或多于三个的峰值。氮原子百分比的垂直分布中相邻峰值对之间的峰间距离可能随着距加热器材料层30L的顶部表面的垂直距离而减小。在一个实施方式中，至少两个局部峰值(和/或至少三个局部峰值)的峰值原子百分比随着距与加热器材料层30L的界面的垂直距离而增加。在一个实施方式中，除了初始局部峰值(即，最接近加热器材料层30L的局部峰值)之外的多个局部峰值中的每一个都具有大于从多个局部峰值中选择的前一个局部峰值的量级的相应量级。

在一个实施方式中，连续的非均质的铝氮化物层32L可以形成有不均匀的垂直氮浓度分布，使得连续的非均质的铝氮化物层32L中多个氮原子的原子百分比包括至少三个局部峰值，作为距与加热器材料层30L的界面的垂直距离的函数，并且对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间距离而言，从至少三个局部峰值中选择的最远离加热器材料层30L的局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的最接近加热器材料层30L的局部峰值。换言之，对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间距离而言，从至少三个局部峰值中选择的最远离加热器材料层30L的局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的最接近加热器材料层30L的局部峰值。

在形成连续的非均质的铝氮化物层32L的沉积过程期间，反应性溅射设备中的多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数(如图4C所示)可能具有多个局部峰值，其包括至少两个局部峰值和/或至少三个局部峰值。在一个实施方式中，多个局部峰值可以包括至少三个局部峰值，并且对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰之间的峰间时间而言，从至少三个局部峰值中选择的最后局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的初始局部峰值。

参考图2D、图3D和图4D，分别显示了连续的非均质的铝氮化物层32L的第四配置，连续的非均质的铝氮化物层32L的第四配置中氮原子百分比的垂直剖面图，以及表示在用于沉积连续的非均质的铝氮化物层32L的第四配置的反应性溅射工艺期间，多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的图形。

连续的非均质的铝氮化物层32L的第四配置可以从连续的非均质的铝氮化物层32L的第三配置导出，方法是将氮原子百分比作为距加热器材料层30L的顶部表面的垂直距离的函数的分布中的所有峰间距离均等化，和/或将多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的分布中的所有峰间时间均等化。多个第一组件铝氮化物层32A可以包括具有第一原子百分比的多个氮原子，多个第二组件铝氮化物层(例如邻近的第二组件铝氮化物层32C，中间的第二组件铝氮化物层32D，远离的第二组件铝氮化物层32E)可以包括邻近的第二组件铝氮化物层32C(其包括具有大于第一原子百分比的第二原子百分比的多个氮原子)，中间的第二组件铝氮化物层32D(其包括具有大于第二原子百分比的第三原子百分比的多个氮原子)，以及远离的第二组件铝氮化物层32E(其包含具有大于第三原子百分比的第四原子百分比的多个氮原子)。在一个实施方式中，第四原子百分比可以是50％。

参考图2E、图3E和图4E，分别显示了连续的非均质的铝氮化物层32L的第五配置，连续的非均质的铝氮化物层32L的第五配置中氮原子百分比的垂直剖面图，以及表示在用于沉积连续的非均质的铝氮化物层32L的第五配置的反应性溅射工艺期间，多个反应性含氮分的分压的作为时间的函数的图形。

连续的非均质的铝氮化物层32L的第五配置可通过使接连的多个第一组件铝氮化物层(例如邻近的第一组件铝氮化物层321、中间的第一组件铝氮化物层322、远离的第一组件铝氮化物层323)中氮原子百分比逐步地增加而从连续的非均质的铝氮化物层32L的第三配置导出。多个第一组件铝氮化物层(例如邻近的第一组件铝氮化物层321、中间的第一组件铝氮化物层322、远离的第一组件铝氮化物层323)可以包括不同原子百分比的多个氮原子。例如，多个第一组件铝氮化物层(例如邻近的第一组件铝氮化物层321、中间的第一组件铝氮化物层322、远离的第一组件铝氮化物层323)可以包括邻近的第一组件铝氮化物层321(其包含具有第一原子百分比的多个氮原子)，中间的第一组件铝氮化物层322(其包含具有大于第一原子百分比的第三原子百分比的多个氮原子)，以及远离的第一组件铝氮化物层323(其包含具有大于第三原子百分比的第五原子百分比的多个氮原子)。多个第二组件铝氮化物层(例如邻近的第二组件铝氮化物层32C，中间的第二组件铝氮化物层32D，远离的第二组件铝氮化物层32E)可以包括邻近的第二组件铝氮化物层32C(其包括具有大于第一原子百分比且大于第三原子百分比的第二原子百分比的多个氮原子)，中间第二组件铝氮化物层32D(其包括具有大于第二原子百分比、第三原子百分比和第五原子百分比的第四原子百分比的多个氮原子)，并且远离的第二组件铝氮化物层32E(其包括具有大于第四原子百分比和第五原子百分比的第六原子百分比的多个氮原子)。在一个实施方式中，第六原子百分比可以是50％。

氮原子浓度作为距加热器材料层30L的垂直距离的函数包括连续的非均质的铝氮化物层32L内的至少两个局部峰值。在一个实施方式中，多个第一组件铝氮化物层(例如邻近的第一组件铝氮化物层321、中间的第一组件铝氮化物层322、远离的第一组件铝氮化物层323)的厚度可以彼此不同。在一个实施方式中，多个第一组件铝氮化物层(例如邻近的第一组件铝氮化物层321、中间的第一组件铝氮化物层322、远离的第一组件铝氮化物层323)的厚度可以随着距加热器材料层30L的顶部表面的垂直距离而减小。换句话说，远离加热器材料层30L的第一组件铝氮化物层(例如远离的第一组件铝氮化物层323)可以具有比邻近加热器材料层30L的第一组件铝氮化物层(例如邻近的第一组件铝氮化物层321)更小的厚度。

在一个实施方式中，氮原子浓度的垂直分布可以具有两个或多于两个的峰值，和/或可以具有三个或多于三个的峰值。氮原子百分比垂直分布图中相邻峰值对之间的峰间距离可能随着与加热器材料层30L顶部表面的垂直距离而减小。在一个实施方式中，至少两个局部峰值(和/或至少三个局部峰值)的峰值原子百分比随着距与加热器材料层30L的界面的垂直距离而增加。在一个实施方式中，除了初始局部峰值(即，最接近加热器材料层30L的局部峰值)之外的多个局部峰值中的每一个都具有大于从多个局部峰值中选择的前一个局部峰值的量级的相应量级。

在形成连续的非均质的铝氮化物层32L的沉积过程期间，反应性溅射设备中的多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数(如图4D所示)可能具有多个局部峰值，其包括至少两个局部峰值和/或至少三个局部峰值。在一个实施方式中，多个局部峰值可以包括至少三个局部峰值，并且对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰之间的峰间时间而言，从至少三个局部峰值中选择的最后局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的初始局部峰值。

参考图2F、图3F和图4F，分别显示了连续的非均质的铝氮化物层32L的第六配置，连续的非均质的铝氮化物层32L的第六配置中氮原子百分比的垂直剖面图，以及表示在用于沉积连续的非均质的铝氮化物层32L的第六配置的反应性溅射工艺期间，多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的图形。

连续的非均质的铝氮化物层32L的第六配置可以从连续的非均质的铝氮化物层32L的第五配置导出，方法是将氮原子百分比作为距加热器材料层30L的顶部表面的垂直距离的函数的分布中的所有峰间距离均等化，和/或将多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的分布中的所有峰间时间均等化。

共同参考图2A至图2F和图3A至图3F，本公开的连续的非均质的铝氮化物层32L通常由非均质的材料组成形成，使得材料组成沿垂直方向变化。连续的非均质的铝氮化物层32L的顶部表面部分比连续的非均质的铝氮化物层32L的接触加热器材料层30L的顶部表面的底部表面部分具有更高的氮原子浓度。

在一些配置(例如图2A和图3A中所示的第一配置)中，连续的非均质的铝氮化物层32L中多个氮原子的原子百分比从与加热器材料层30L的界面沿垂直方向连续地增加。

在一些配置(例如图2B至图2F和3B至图3F中所示的第二到第六配置)中，连续的非均质的铝氮化物层32L中多个氮原子的原子百分比包括至少两个局部峰值，作为距与加热器材料层30L的界面沿垂直方向的垂直距离的函数。在一些配置(例如图2C至图2F和3C至图3F中所示的第三到第六配置)中，至少两个局部峰值的峰值原子百分比随着距与加热器材料层30L的界面沿垂直方向的垂直距离增加。

在一些配置(例如图2B、图2C、图2E、图3B、图3C和图3E中所示的第二、第三和第五配置)中，连续的非均质的铝氮化物层32L中多个氮原子的原子百分比包括至少三个局部峰值，作为距与加热器材料层30L的界面的垂直距离的函数，以及对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间距离而言，从至少三个局部峰值中选择的最远离加热器材料层30L的局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的最接近加热器材料层30L的局部峰值。

在一些配置(例如图2B至图2F中所示的第二到第六配置)中，连续的非均质的铝氮化物层32L包括多个组件氮化铝衬层(例如第一组件铝氮化物层32A、第二组件铝氮化物层32B、邻近的第一组件铝氮化物层321、中间的第一组件铝氮化物层322、远离的第一组件铝氮化物层323、邻近的第二组件铝氮化物层32C、中间的第二组件铝氮化物层32D、远离的第二组件铝氮化物层32E)的垂直堆叠，并且连续的非均质的铝氮化物层32L内氮原子浓度的垂直分布在连续的非均质的铝氮化物层32L的底部表面和连续的非均质的铝氮化物层32L的顶部表面之间具有多个局部峰值。

在一些配置(例如图2C至图2F和3C至图3F中所示的第三到第六配置)中，多个局部峰值中的每一个都具有相应的量级，随着距连续的非均质的铝氮化物层32L的底部表面的垂直距离而增加。在一些配置(诸如图2B和图3B所示的第二配置)中，多个局部峰值具有相同的量级。

参照图5，示出了根据本公开的实施方式的反应性溅射设备500。反应性溅射设备500包含工艺腔560。工艺腔560包括真空罩(vacuum enclosure)502。卡盘(chuck)510设置在真空罩502内。卡盘510可以被配置为保持衬底512，例如半导体衬底，其包括在加热器材料层30L形成之后和连续的非均质的铝氮化物层32L形成之前的上述示例性结构的多个实例。溅射靶(sputtering target)520可以位于真空罩502内部，并且面向衬底512，使得从溅射靶520溅射的材料撞击在衬底512的顶部表面上。溅射靶520包括铝和/或基本上由铝组成。射频(radio-frequency，RF)发生器和磁铁组合件(RF generator and magnetassembly)530位于真空罩502上。RF发生器和磁铁组合件530被配置为通过射频能量耦合将真空罩内的高能离子加速朝向溅射靶520。

氮化源气体(nitridation source gas)可以通过气体供应线542连接到质量流量控制器(mass flow controller)540。氮化源气体包括多个反应性含氮分子，其可以在合适的条件下使铝氮化，例如在反应性溅射工艺期间在真空罩502内将氮化源气体转化为电浆时。在一个实施方式中，氮化源气体可以包括氮气、氨气、氟化氮、一氧化氮(nitric oxide)或一氧化二氮(nitrous oxide)。质量流量控制器540通过气体歧管(gas manifold)连接到真空罩502，并且真空泵(vacuum pump)通过真空埠(vacuum port)连接到真空罩502。

反应性溅射工艺是从金属靶(如溅射靶520用的铝靶)溅射出的多个金属原子与自放电气体(discharge gas)扩散的多个反应性气体分子发生反应，以在衬底表面形成化合物膜的工艺。在该实施方式中，可以在将上述示例性结构(包括加热器材料层30L并且不包括连续的非均质的铝氮化物层32L)放置在工艺腔560中的同时执行本公开的反应性溅射工艺。经溅射的多个铝原子和多个反应性含氮分子在工艺腔560内部反应，以在加热器材料层30L上形成上述连续的非均质的铝氮化物层32L。

共同参考图2A至图2F、3A至图3F、4A至图4F和图5，可以形成连续的非均质的铝氮化物层32L使得连续的非均质的铝氮化物层32L的顶部表面部分具有比连续的非均质的铝氮化物层32L接触加热器材料层30L的顶部表面的底部表面部分更高的氮原子浓度。根据本公开的一个方面，参考图4A至图4F描述的多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的各种分布可用于提供参考图2A至图2F和3A至图3F所述的连续的非均质的铝氮化物层32L的各种配置。

共同参考图4A至图4F和图5且根据本发明的实施方式，在反应性溅射工艺中改变多个反应性含氮分子的分压，使得在反应性溅射工艺结束时多个反应性含氮分子的最终分压大于反应性溅射工艺开始时多个反应性含氮分子的初始分压。

如图4A所示，在某些实施方式中，多个反应性含氮分子的分压在反应性溅射工艺的整个持续时间内严格地或逐步地增加。

在某些实施方式中，多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的分布在反应性溅射工艺中具有多个局部峰值，如图4B至图4F所示。在一些实施方式中，在反应性溅射工艺期间多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数包括至少两个局部峰值。

如图4C至图4F所示，在某些实施方式中，从至少两个局部峰值中选择的最后的局部峰值具有比从至少两个局部峰值中选择在时间上先的局部峰值更大的幅度。

如图4B、图4C和图4E所示，在某些实施方式中，在反应性溅射工艺期间多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数包括至少三个局部峰值，以及对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间时间而言，从至少三个局部峰值中选择在时间上最后的局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择在时间上先的局部峰值。

如图4E和图4F所示，在一些实施方式中，在反应性溅射工艺期间多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数包括至少三个局部峰值，并且从至少三个局部峰值中选择的相邻局部峰值对之间的多个反应性含氮分子的最小分压在反应性溅射工艺期间随时间增加。

在某些实施方式中，加热器材料层30L可以通过在衬底8和上覆的多个结构(其最顶部层是介电隔离层24)位于执行反应性离子蚀刻工艺以形成连续的非均质的铝氮化物层32L的工艺腔中的同时，执行额外的反应性溅射工艺来形成。因此，可以在执行沉积连续的非均质的铝氮化物层32L的反应性溅射工艺之前执行额外的反应性溅射工艺，以及用于制造加热器材料层30L和连续的非均质的铝氮化物层32L的总处理成本可降低。

参考图6A至图6C，光刻胶层(未示出)可以施加在连续的非均质的铝氮化物层32L之上，并且可以光刻图案化以形成具有细长水平剖面形状(例如矩形)的分立的光刻胶材料部分。在一个实施方式中，细长形状可以是沿第一水平方向hd1具有均匀宽度并且具有沿第二水平方向hd2且大于均匀宽度的长度的矩形。

经图案化的光刻胶层中的图案可以通过蚀刻工艺而转移至连续的非均质的铝氮化物层32L和加热器材料层30L。在一个实施方式中，可以执行诸如反应性离子蚀刻工艺的各向异性蚀刻工艺以蚀刻连续的非均质的铝氮化物层32L和加热器材料层30L的多个未掩蔽部分。在一个实施方式中，各向异性蚀刻工艺可以对介电隔离层24的材料具有选择性。加热器材料层30L的剩余部分包含加热器线30，且连续的非均质的铝氮化物层32L的剩余部分包含非均质的铝氮化物层32。在一个实施方式中，加热器线30和非均质的铝氮化物层32可以具有相同的面积。分立的光刻胶材料部分可以随后被去除，例如通过灰化。非均质的铝氮化物层32接触加热器线30的顶部表面。

通常，加热器线30和非均质的铝氮化物层32可以形成在衬底8之上，使得非均质的铝氮化物层32具有非均质的材料组成。非均质的铝氮化物层32的顶部表面部分可具有比接触加热器线30的顶部表面的非均质的铝氮化物层32的底部表面部分更高的氮原子浓度。加热器线30和非均质的铝氮化物层32沿垂直于第一水平方向hd1的第二水平方向hd2横向延伸。加热器线30的多个侧壁可以与非均质的铝氮化物层32的多个侧壁垂直重合。

参考图7A至图7C，介电基质层34可以通过介电材料的沉积和平坦化来形成。在一个实施方式中，介电基质层34包括未经掺杂的硅酸盐玻璃或经掺杂的硅酸盐玻璃，且例如可以通过化学气相沉积或旋转涂布形成。沉积在包括非均质的铝氮化物层32的顶部表面的水平面上方的介电材料的多个部分可以通过平坦化工艺去除，该平坦化工艺可以使用凹陷蚀刻工艺(recess etch process)和/或化学机械抛光工艺(chemical mechanicalpolishing process)。介电基质层34横向包围加热器线30和非均质的铝氮化物层32。在一个实施方式中，介电基质层34的顶部表面可以与非均质的铝氮化物层32的顶部表面共面，即可以位于包括非均质的铝氮化物层32的顶部表面的水平面内。

参考图8A至图8C，相变材料层40L和导电阻障材料层42L可以形成在介电基质层34和非均质的铝氮化物层32之上。如本文所用，“相变材料”是指具有提供不同电阻率的至少两个不同相的材料。相变材料(phase change material，PCM)可用于将信息存储为材料的电阻率状态，其可处于对应于材料的不同相的不同电阻率状态。不同的相可以包括具有高电阻率的非晶态和具有低电阻率的结晶态(即，比非晶态低的电阻率)。非晶态和结晶态之间的转变可以通过在编程过程(programming process)的第一部分中施加使相变材料非晶化的电脉冲之后控制冷却速率来引起。编程过程的第二部分包括相变材料冷却速率的控制。在发生快速淬火(quenching)的实施方式中，相变材料可以冷却成非晶高电阻率状态。在发生缓慢冷却的实施方式中，相变材料可以冷却成结晶低电阻率状态。

示例性相变材料包括但不限于诸如Ge₂Sb₂Te₅或GeSb₂Te₄的锗锑碲(germaniumantimony telluride，GST)化合物、锗锑化合物、铟锗碲化合物、铝硒碲化合物、铟硒碲化合物和铝铟硒碲化合物。相变材料可以经掺杂(例如，经掺杂氮的GST)或不经掺杂以增强电阻切换特性。相变材料层40L(其也称为PCM材料层40L)的厚度可以在从30nm到600nm的范围内，例如从60nm到300nm，但是较小和较大的厚度也可以使用。

导电阻障材料层42L可以包括导电材料，该导电材料可以用作防止PCM材料层40L中的相变材料扩散的有效阻障。例如，导电阻障材料层42L可以包括碳基材料(例如石墨烯或碳纳米管)、金属扩散阻障材料(例如氮化钨、氮化钛、氮化钽或氮化钼)或可以有效抑制PCM材料层40L中的相变材料向外扩散的任何其他合适的导电阻障材料。导电阻障材料层42L的厚度可以在从5nm到100nm的范围内，例如从10nm到50nm，尽管也可以使用较小和较大的厚度。

导电阻障材料层42L可以接触PCM线40的整个波状顶部表面(contoured topsurface)。在一个实施方式中，导电阻障材料层42L可以具有波状顶部表面，其包括在下伏的加热器线30区域内的第一平面表面段、PCM材料层40L的垂直延伸部分区域外的第二平面表面段，并且可以具有连接第一平面表面段和第二平面表面段的凸表面段。

参考图9A至图9C，可以在导电阻障材料层42L之上施加光刻胶层(未示出)，并且可以光刻图案化以提供横跨电极覆盖介电板52的细长光刻胶材料部分。可以通过执行使用经图案化的光刻胶材料部分作为蚀刻罩幕的各向异性蚀刻工艺来蚀刻导电阻障材料层42L的多个未掩蔽部分和PCM材料层40L的多个未掩蔽部分。导电阻障材料层42L的剩余部分包括工艺中导电阻障板42’(其在后续处理步骤中被进一步图案化)。PCM材料层40L的剩余部分可以包括相变材料线40，也称为PCM线40。PCM线40沿第一水平方向hd1横向延伸。PCM线40和工艺中导电阻障板42’横跨加热器线30和非均质的铝氮化物层32的组合。如这里所使用的，“工艺中”元件是指在后续处理步骤中被修改的元件。随后可以例如通过灰化去除光刻胶层。

可以在介电隔离层24之上形成包括加热器线30、非均质的铝氮化物层32、相变材料(PCM)线40和工艺中导电阻障板42’的组合。加热器线30的底部表面可以直接形成在介电隔离层24的平坦顶部表面上。相变材料(PCM)线40包括上覆于加热器线30的中间部分、邻接中间部分的第一侧并接触介电基质层34的第一表面段的第一端部分以及邻接中间部分的第二侧并接触介电基质层34的第二表面段的第二端部分。非均质的铝氮化物层32可以设置在加热器线30和PCM线40之间。非均质的铝氮化物层32接触加热器线30的顶部表面。PCM线40的中间部分的底部表面与非均质的铝氮化物层32的顶部表面的一段接触。

参考图10A至图10C，电极材料层50L和电极覆盖介电层52L可以沉积在工艺中导电阻障板42’和非均质的铝氮化物层32之上。电极材料层50L包括金属材料，例如耐火金属(例如钨、铼、钽、铌或钼)，并且可以具有50nm至500nm范围内的厚度，例如100nm至300nm，尽管也可以使用较小和较大的厚度。电极覆盖介电层52L可以包括诸如氮化硅、碳化硅或碳氮化硅的介电扩散阻障材料。其他合适的介电扩散阻障材料在本公开的预期范围内。电极覆盖介电层52L的厚度可以在从10nm到100nm的范围内，例如从20nm到60nm，尽管也可以使用较小和较大的厚度。电极材料层50L可以直接形成在介电基质层34的平坦顶部表面的区域上。

参考图11A至图11C，可以在电极覆盖介电层52L上施加光刻胶层(未示出)，并且可以光刻图案化以形成上覆于PCM线40的相应端部分的两个分立的光刻胶材料部分。在一个实施方式中，光刻胶层可以被图案化，使得每个经图案化的分立的光刻胶材料部分位于加热器线30的相应侧上，并且沿第一水平方向彼此横向间隔开。在一个实施方式中，两个分立的光刻胶材料部分可以被图案化，使得两个分立的光刻胶材料部分的区域覆盖PCM线40和介电基质层34之间的整个接触区域。

可以执行各向异性蚀刻工艺以去除未被两个分立的光刻胶材料部分掩蔽的电极覆盖介电层52L、电极材料层50L和工艺中导电阻障板42’的多个部分。电极材料层50L的多个经图案化的部分包括用于PCM线40的多个电极50。多个电极50可以包括接触PCM线40的第一端部分的三个侧壁的第一电极50A和接触PCM线40的第二端部分的三个侧壁的第二电极50B。

电极覆盖介电层52L的多个经图案化的部分包括多个电极覆盖介电板52。每个电极覆盖介电板52可以接触相应电极50的整个顶部表面。工艺中导电阻障板42’的水平延伸部分可以从加热器线30区域的上方去除。工艺中导电阻障板42’的多个经图案化的剩余部分包括接触PCM线40的顶部表面的第一区域的第一导电阻障板42A和接触PCM线40的顶部表面的第二区域的第二导电阻障板42B。第一电极50A接触第一导电阻障板42A，且第二电极50B接触第二导电阻障板42B。

在一个实施方式中，第一导电阻障板42A接触PCM线40的第一端部分。第一导电阻障板42A具有第一波状顶部表面，其包括位于第一电极50A下方的第一水平表面段和从第一水平表面段向上延伸的第一凸表面段。第二导电阻障板42B接触PCM线40的第二端部分。第二导电阻障板42B具有第二波状顶部表面，其包括位于第二电极50B下方的第二水平表面段和从第二水平表面段向上延伸的第二凸表面段。

通常，第一电极50A可以形成在PCM线40的第一端部分上，且可以直接形成在PCM线40的第一侧壁上。第二电极50B可以形成在PCM线40的第二端部分上，且可以直接形成在PCM线40的第二侧壁上。

参考图12A至图12C，介电材料层可以沉积在多个电极50和PCM线40之上。介电材料层在本文中被称为开关层级介电材料层28。可以在开关层级介电材料层28中形成多个额外的金属互连结构(例如开关层级金属通孔结构652、开关层级金属线结构658)。多个额外的金属互连结构(例如开关层级金属通孔结构652、开关层级金属线结构658)在本文中被称为开关层级金属互连结构(例如开关层级金属通孔结构652、开关层级金属线结构658)，并且可以包括多个开关层级金属线结构658和多个开关层级金属通孔结构652。

多个开关层级金属通孔结构652可以包括与第一电极50A接触的第一电极接触件通孔结构6521、与第二电极50B接触的第二电极接触件通孔结构6522、与加热器线30的第一端部分接触的第一加热器接触件通孔结构6523以及与加热器线30的第二端部分接触的第二加热器接触件通孔结构6524。多个开关层级金属线结构658可以包括与第一电极接触件通孔结构的顶部表面接触的第一电极连接金属线结构6581、与第二电极接触件通孔结构6522的顶部表面接触的第二电极连接金属线结构6582、与第一加热器接触件通孔结构6523的顶部表面接触的第一加热器连接金属线结构6583以及与第二加热器接触件通孔结构6524的顶部表面接触的第二加热器连接金属线结构6584。

通常，多个半导体装置701可以形成在衬底8上，且多个金属互连结构(例如装置接触件通孔结构612、第一金属线结构618、第一金属通孔结构622、第二金属线结构628、第二金属通孔结构632、第三金属线结构638、第三金属通孔结构642、第四金属线结构648)和多个介电材料层(例如第一介电材料层601、第一内连线层级介电材料层610、第二内连线层级介电材料层620、第三内连线层级介电材料层630、第四内连线层级介电材料层640)可以形成在衬底8之上。多个金属互连结构(例如装置接触件通孔结构612、第一金属线结构618、第一金属通孔结构622、第二金属线结构628、第二金属通孔结构632、第三金属线结构638、第三金属通孔结构642、第四金属线结构648)形成在多个介电材料层(例如第一介电材料层601、第一内连线层级介电材料层610、第二内连线层级介电材料层620、第三内连线层级介电材料层630、第四内连线层级介电材料层640)中。介电隔离层24形成于多个金属互连结构(例如装置接触件通孔结构612、第一金属线结构618、第一金属通孔结构622、第二金属线结构628、第二金属通孔结构632、第三金属线结构638、第三金属通孔结构642、第四金属线结构648)之上。第一加热器接触件通孔结构6523可以接触加热器线30的第一端部分的顶部表面，并且可以接触PCM线40的第一端部分的侧壁。第二加热器接触件通孔结构6524可以接触加热器线30的第二端部分的顶部表面，并且可以接触PCM线40的第二端部分的侧壁。

加热器线30的两个端部分、第一电极50A和第二电极50B可以通过形成多个额外的金属互连结构(例如开关层级金属通孔结构652、开关层级金属线结构658)电连接到多个金属互连结构(例如装置接触件通孔结构612、第一金属线结构618、第一金属通孔结构622、第二金属线结构628、第二金属通孔结构632、第三金属线结构638、第三金属通孔结构642、第四金属线结构648)中的相应一者，其中所述多个额外的金属互连结构(例如开关层级金属通孔结构652、开关层级金属线结构658)包括多个额外的开关层级金属通孔结构(未示出)，其将多个开关层级金属线结构658中的相应一者连接到多个第四金属线结构648中的相应一者。

在一个实施方式中，多个半导体装置701包括至少一个场效晶体管，其被配置为控制电流通过加热器线30的流动并且以两种不同的冷却速率引起加热器线30的中间部分40M的加热和冷却。在一个实施方式中，两种不同的冷却速率包括诱导PCM线40的中间部分40M结晶并提供第一状态的第一冷却速率，以及诱导PCM线的中间部分40M非晶化并提供第二状态的第二冷却速率40。在一个实施方式中，多个半导体装置701中的至少一个可以电连接到加热器线30的两端。半导体装置701可以被配置为提供从第二电极50B电短路(即，电连接)到第一电极50A的第一状态和第二电极50B与第一电极50A电隔离的第二状态中选择的电状态。

通常，第一寄生电容Cp1存在于第一电极50A之下的PCM线40的第一部分和加热器线30之间，而第二寄生电容Cp2存在于第二电极50B之下的PCM线40的第二部分和加热器线30之间。根据本公开的一个方面，由非均质的铝氮化物层32的下部部分提供的高电导率提供非均质的铝氮化物层32的增厚，而不影响PCM线40的中间部分40M和加热器线30周围的热分布。因此，可以降低PCM线40的第一端部分和PCM线40的第二端部分之间通过加热器线30的电容耦合，并且本发明的开关装置可以用于具有减少关断状态下的电容耦合的高射频开关。

参考图13，流程图示出根据本公开的实施方式的用于制造装置结构的一般处理步骤。

参考步骤1310和图1、图2A至图2F、图3A至图3F、图4A至图4F、5和图6A至图6C，可以在衬底8之上形成加热器材料层。参考步骤1320和图1、图2A至图2F、图3A至图3F、图4A至图4F和图5，可以在衬底8和加热器材料层30L放置在工艺腔560中的同时执行反应性溅射工艺。经溅射的多个铝原子和多个反应性含氮分子在工艺腔560内部发生反应，以在加热器材料层30L上形成连续的非均质的铝氮化物层32L。连续的非均质的铝氮化物层32L可以形成为使得连续的非均质的铝氮化物层32L的顶部表面部分比接触加热器材料层30L的顶部表面的连续的非均质的铝氮化物层32L的底部表面部分具有更高的氮原子浓度。

参考图步骤1330和图6A至图6C，连续的非均质的铝氮化物层32L和加热器材料层30L可以图案化为非均质的铝氮化物层32和加热器线30。

参考步骤1340和图7A至图12C，相变材料(PCM)线40可以形成在非均质的铝氮化物层32之上。

参考图14，第二流程图示出根据本公开的实施方式的用于制造装置结构的一般处理步骤。

参考步骤1310和图1，可以在衬底8之上形成加热器材料层30L。

参考步骤1420和图1、图2A至图2F、图3A至图3F、图4A至图4F和图5，可以在衬底8和加热器材料层30L放置在工艺腔560中的同时执行反应性溅射工艺。经溅射的多个铝原子和多个反应性含氮分子在工艺腔560内部发生反应，以在加热器材料层30L上形成连续的非均质的铝氮化物层32L。多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的分布在反应性溅射工艺期间可能具有多个局部峰值。

参照所有附图且根据本发明的各个实施方式，提供了一种开关装置，其包括：半导体装置701，位于衬底8上；加热器线30位于半导体装置701之上；铝氮化物层32具有非均质的材料组成，其中铝氮化物层32的顶部表面部分比铝氮化物层32的与加热器线30的顶部表面接触的底部表面部分具有更高的氮原子浓度；跨越铝氮化物层32的相变材料(PCM)线40；第一电极50A，接触PCM线40的第一端部分；以及第二电极50B，与PCM线40的第二端部分接触，其中半导体装置701电连接到加热器线30的两端并提供从第一状态和第二状态选择的电状态，第一状态中第二电极50B电短路(即电耦合)到第一电极50A，以及第二状态中第二电极50B与第一电极50A电隔离。

在一个实施方式中，半导体装置701包括至少一个场效晶体管，其被配置为控制电流通过加热器线30的流动并且以两种不同的冷却速率引起加热器线30的中间部分40M的加热和冷却；并且两种不同的冷却速率包括诱导PCM线40的中间部分40M结晶并提供第一状态的第一冷却速率，以及诱导PCM线40的中间部分40M非晶化并提供第二状态的第二冷却速率。

在一个实施方式中，开关装置包括：第一电极接触件通孔结构6521，接触第一电极50A；第二电极接触件通孔结构6522，接触第二电极50B；第一加热器接触件通孔结构6523，接触加热器线30的第一端部分；和第二加热器接触件通孔结构6524，接触加热器线30的第二端部分。

在一个实施方式中，铝氮化物层32中多个氮原子的原子百分比包括至少两个局部峰值，作为从与加热器线30的界面到与PCM线40的界面的垂直距离的函数。

在一个实施方式中，铝氮化物层32中多个氮原子的原子百分比包括至少三个局部峰值，作为从与加热器线30的界面到与PCM线40的界面的垂直距离的函数；并且对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间距离而言，从至少三个局部峰值中选择的最接近PCM线40的局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的最接近加热器线30的局部峰值。

根据本发明的另一方面，提供了一种形成装置结构的方法，该方法包括：在衬底8之上形成加热器材料层30L；在衬底8和加热器材料层30L置于工艺腔560中的同时执行反应性溅射工艺，其中经溅射的多个铝原子与多个反应性含氮分子在工艺腔560内部反应，以在加热器材料层30上形成连续的非均质的铝氮化物层32L，并且连续的非均质的铝氮化物层32L可以形成为使得连续的非均质的铝氮化物层32L的顶部表面部分比连续的非均质的铝氮化物层32L的接触加热器材料层30L顶部表面的底部表面部分具有更高的氮原子浓度；将连续的非均质的铝氮化物层32L和加热器材料层30L图案化为非均质的铝氮化物层32和加热器线30；以及在铝氮化物层32之上形成相变材料(PCM)线40。

在一个实施方式方法中，多个反应性含氮分子的分压可在反应性溅射工艺中发生变化，使得多个反应性含氮分子在反应性溅射工艺结束时的最终分压大于多个反应性含氮分子在反应性溅射工艺开始时的初始分压。在一个实施方式方法中，多个反应性含氮分子的分压在反应性溅射工艺的整个持续时间内严格地或逐步地增加。在一个实施方式方法中，在反应性溅射反应性溅射工艺期间多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数包括至少两个局部峰值。在一个实施方式方法中，从至少两个局部峰值中选择的最后局部峰值具有比从至少两个局部峰值中选择在时间上先的局部峰值更大的量级。在一个实施方式方法中，在反应性溅射工艺中多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数包括至少三个局部峰；并且对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间时间而言，从至少三个局部峰值中选择在时间上最后的局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择在时间上先的局部峰值。在一个实施方式方法中，在反应性溅射工艺中多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数包括至少三个局部峰值；并且在反应性溅射工艺中，从至少三个局部峰值中选择的相邻局部峰值对之间的多个反应性含氮分子的最小分压随时间增加。在实施方式中，该方法还可以包括：在PCM线40的第一端部分形成第一电极50A；以及在PCM线40的第二端部分形成第二电极50B。在一个实施方式中，该方法可以包括：形成在第一电极50A上的第一电极接触件通孔结构6521；形成在第二电极50B上的第二电极接触件通孔结构6522；形成在加热器线30的第一端部分上的第一加热器接触件通孔结构6583；以及形成在加热器线30的第二端部分上的第二加热器接触件通孔结构6584。在一个实施方式中，加热器材料层包含铝和氮；且加热器材料层中的氮原子百分比在0.001％至50.000％的范围内。在另一个实施方式中，可以通过在衬底放置在工艺腔中的同时并且在执行反应性溅射工艺之前执行额外的反应性溅射工艺来形成加热器材料层。

根据本发明的另一方面，提供了一种形成装置结构的方法，该方法包括：在衬底8之上形成加热器材料层30L；在衬底8和加热器材料层30L置于工艺腔560中的同时执行反应性溅射工艺，其中经溅射的多个铝原子与多个反应性含氮分子在工艺腔560内部发生反应，以在加热器材料层30L上形成连续的非均质的铝氮化物层32L，以及多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的分布在反应性溅射工艺期间具有多个局部峰值；将连续的非均质的铝氮化物层32L和加热器材料层30L图案化为非均质的铝氮化物层32和加热器线30；以及在铝氮化物层32之上形成相变材料(PCM)线40。

在一个实施方式方法中，除了初始局部峰值之外的多个局部峰值中的每一个都具有大于从多个局部峰值中选择的前一个局部峰值的量级的相应量级。在一个实施方式方法中，多个局部峰值具有相同的量级。在一个实施方式方法中，多个局部峰值包括至少三个局部峰值；并且对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间时间而言，从至少三个局部峰值中选择的最后局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的初始局部峰值。在一个实施方式中，该方法还可以包括：在连续的非均质的铝氮化物层32L之上形成经图案化的光刻胶层；通过执行蚀刻工艺将经图案化的光刻胶层中的图案转移至连续的非均质的铝氮化物层32L和加热器材料层30L，其中连续的非均质的铝氮化物层32L的经图案化的部分包括非均质的铝氮化物层32，且加热器材料层30L的经图案化的部分包括加热器线30；以及在非均质的铝氮化物层32和加热器线30周围形成介电基质层34，其中PCM线40形成在非均质的铝氮化物层32之上。

根据本发明的另一个方面，可以提供一种开关装置，该开关装置可以包括：半导体装置701，位于衬底8上；加热器线30，位于半导体装置701之上；铝氮化物层32，具有非均质的材料组成，其中铝氮化物层32的顶部表面部分比铝氮化物层32的接触加热器线30的顶部表面的底部表面部分具有更高的氮原子浓度；相变材料(PCM)线40，跨越铝氮化物层32；第一电极50A，接触PCM线40的第一端部分；以及第二电极50B，接触PCM线40的第二端部分，其中半导体装置701可以电连接到加热器线30的两端并且被配置为提供从第一状态和第二状态选择的电状态，第一状态中第二电极50B电耦合到第一电极50A，以及第二状态中第二电极50B与第一电极50A电隔离。

在一个实施方式中，半导体装置701包括至少一个场效晶体管，其被配置为控制电流通过加热器线30的流动并且以两种不同的冷却速率引起加热器线30的中间部分的加热和冷却；并且两种不同的冷却速率包括诱导PCM线40的中间部分结晶并提供第一状态的第一冷却速率，以及诱导PCM线40的中间部分非晶化并提供第二状态的第二冷却速率。在一个实施方式中，第一电极接触件通孔结构6521接触第一电极50A；第二电极接触件通孔结构6522接触第二电极50B；第一加热器接触件通孔结构6583接触加热器线30的第一端部分；以及第二加热器接触件通孔结构6584接触加热器线30的第二端部分。在一个实施方式中，铝氮化物层32中多个氮原子的原子百分比包括至少两个局部峰值，作为从与加热器线的界面到与PCM线40的界面的垂直距离的函数。在一个实施方式中，铝氮化物层32中多个氮原子的原子百分比包括至少三个局部峰值，作为从与加热器线30的界面到与PCM线40的界面的垂直距离的函数；并且对于从至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间距离而言，从至少三个局部峰值中选择的最接近PCM线40的局部峰值小于从至少三个局部峰值中选择的最接近加热器线30的局部峰值。

各种实施方式的相变材料装置可以用作相变材料(PCM)开关装置，其可以根据相变材料在编程过程中的冷却速率在第一电极50A和第二电极50B之间提供至少两种不同的电阻状态。在编程过程的第一部分中，足够的电流可以流过加热器以将PCM线40的中间部分的温度升高到接近PCM线40内的PCM材料的熔点。在编程过程的第二部分中，可以选择电流的减小速率以在PCM线40的中间部分引起PCM材料的结晶，或者在PCM线40的中间部分引起PCM材料的非晶固化(amorphous solidification)。在PCM线40的中间部分处于结晶状态的实施方式中，第一电极50A和第二电极50B之间的电阻处于低状态。在PCM线40的中间部分处于非晶状态的实施方式中，第一电极50A和第二电极50B之间的电阻处于高状态。在第一电极50A和第二电极50B之间的电阻处于低状态的实施方式中，本公开的PCM开关装置在第一电极50A和第二电极50B之间提供导通状态(即连接状态)。在第一电极50A和第二电极50B之间的电阻处于高状态的实施方式中，本公开的PCM开关装置在第一电极50A和第二电极50B之间提供关闭状态(即断开状态)。

各种实施方式的相变材料开关可根据需要多次编程为新状态。本公开的相变材料开关可用于增加或减少并联的互连组件。这样的互连组件可以包括电容器、电感器、二极管或任何其他无源或有源半导体装置。本公开的各种相变材料开关可以有利地用于在许多应用中提供多功能性，包括但不限于射频(RF)应用、高功率应用、消费者应用和/或大容量存储应用。

非晶态和结晶态之间的转变可以通过在编程过程的第一部分中施加使相变材料非晶化的电脉冲之后控制冷却速率来引起。编程过程的第二部分包括相变材料冷却速率的控制。在发生快速淬火的实施方式中，相变材料可以冷却成非晶高电阻率状态。在发生缓慢冷却的实施方式中，相变材料可以冷却成结晶低电阻率状态。

本公开的各种装置可以用作相变材料(PCM)射频(RF)开关，其在“开启”状态下在第一电极50A和第二电极50B之间提供有效的信号传输，并在“关闭”状态下以降低的电容耦合提供信号断开。此外，非均质的铝氮化物层32的使用在加热器线30和PCM线40之间提供了有效的热分布和电隔离，并且因此可以降低PCM PF开关在开关操作期间的功耗。

根据本发明的另一个方面，提供一种形成装置结构的方法，所述方法包括：在衬底之上形成加热器线和非均质的铝氮化物层的组合，其中所述非均质的铝氮化物层的顶部表面部分比所述非均质的铝氮化物层的底部表面部分具有更高的氮原子浓度；以及在所述非均质的铝氮化物层的所述顶部表面部分之上形成相变材料(PCM)线。在一个实施方式中，所述形成装置结构的方法还包括：通过在所述衬底和所述加热器材料层置于工艺腔中的同时，执行反应性溅射工艺，并通过随后图案化经沉积的非均质的铝氮化物材料来形成连续的非均质的铝氮化物层，其中经溅射的多个铝原子与多个反应性含氮分子在所述工艺腔内部反应；以及将所述连续的非均质的铝氮化物层图案化为所述非均质的铝氮化物层。在一个实施方式中，所述多个反应性含氮分子的分压在所述反应性溅射工艺期间变化，使得所述多个反应性含氮分子在所述反应性溅射工艺结束时的最终分压大于所述多个反应性含氮分子在所述反应性溅射工艺开始时的初始分压。在一个实施方式中，所述多个反应性含氮分子的所述分压在所述反应性溅射工艺的整个持续时间内严格地或逐步地增加。在一个实施方式中，在所述反应性溅射工艺期间所述多个反应性含氮分子的所述分压作为时间的函数包括至少两个局部峰值。在一个实施方式中，从所述至少两个局部峰值中选择的最后局部峰值具有比从所述至少两个局部峰值中选择在时间上先的局部峰值更大的量级。在一个实施方式中，在所述反应性溅射工艺期间，所述多个反应性含氮分子的所述分压作为时间的函数包括至少三个局部峰值；以及对于从所述至少三个局部峰值中选择的相邻峰值之间的峰间时间而言，从所述至少三个局部峰值中选择在时间上最后的局部峰值小于从所述至少三个局部峰值中选择在时间上先的局部峰值。在一个实施方式中，在所述反应性溅射工艺期间，所述多个反应性含氮分子的所述分压作为时间的函数包括至少三个局部峰值；以及在所述反应性溅射工艺期间，从所述至少三个局部峰值中选择的相邻局部峰值对之间的所述多个反应性含氮分子的最小分压随时间增加。在一个实施方式中，所述形成装置结构的方法还包括：在所述PCM线的第一端部分上形成第一电极；在所述PCM线的第二端部分上形成第二电极；在所述第一电极之上形成第一电极接触件通孔结构；在所述第二电极之上形成第二电极接触件通孔结构；在所述加热器线的第一端部分之上形成第一加热器接触件通孔结构；以及在所述加热器线的第二端部分上方形成第二加热器接触件通孔结构。在一个实施方式中，所述加热器材料层包括铝和氮；所述加热器材料层内的氮原子百分比在0.001％至50.000％的范围内；以及所述加热器材料层通过在所述衬底放置在所述工艺腔中的同时并且在执行所述反应性溅射工艺之前执行额外的反应性溅射工艺而形成。

根据本发明的另一个方面，提供一种形成装置结构的方法，所述方法包括：在衬底之上形成加热器材料层；在所述衬底和所述加热器材料层置于工艺腔中的同时执行反应性溅射工艺，其中经溅射的多个铝原子与多个反应性含氮分子在所述工艺腔内部发生反应，以在所述加热器材料层上形成连续非均质的铝氮化物层，并且所述多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的分布在所述反应性溅射工艺期间具有多个局部峰值；将所述连续的非均质的铝氮化物层和所述加热器材料层图案化为非均质的铝氮化物层和加热器线；以及在所述非均质的铝氮化物层之上形成相变材料(PCM)线。在一个实施方式中，除了初始局部峰值之外的所述多个局部峰值中的每一个具有大于从所述多个局部峰值选择的前一个局部峰值的量级的相应量级。在一个实施方式中，所述多个局部峰值具有相同的量级。在一个实施方式中，所述多个局部峰值包括至少三个局部峰值；以及对于从所述至少三个局部峰值选择的相邻峰值之间的峰间时间而言，从所述至少三个局部峰值中选择的最后局部峰值小于从所述至少三个局部峰值中选择的初始局部峰值。在一个实施方式中，所述形成装置结构的方法还包括：图案化所述连续的非均质的铝氮化物层和所述加热器材料层，其中所述连续的非均质的铝氮化物层的经图案化的部分包括所述非均质的铝氮化物层，所述加热器材料层的经图案化的部分包括所述加热器线；以及在所述非均质的铝氮化物层和所述加热器线周围形成介电基质层，其中所述PCM线形成在所述介电基质层之上。

以上概述了若干实施例的特征，以使本领域中的技术人员可更好地理解本公开的各个方面。本领域中的技术人员应理解，其可容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的和/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。本领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本公开的精神及范围，而且他们可在不背离本公开的精神及范围的条件下在本文中作出各种改变、代替及变更。

Claims

1.一种形成装置结构的方法，所述方法包括：

在衬底之上形成加热器线和非均质的铝氮化物层的组合，其中所述非均质的铝氮化物层的顶部表面部分比所述非均质的铝氮化物层的底部表面部分具有更高的氮原子浓度；以及

在所述非均质的铝氮化物层的所述顶部表面部分之上形成相变材料线。

2.根据权利要求1所述的形成装置结构的方法，还包括：

通过在所述衬底和所述加热器材料层置于工艺腔中的同时，执行反应性溅射工艺，并通过随后图案化经沉积的非均质的铝氮化物材料来形成连续的非均质的铝氮化物层，其中经溅射的多个铝原子与多个反应性含氮分子在所述工艺腔内部反应；以及

将所述连续的非均质的铝氮化物层图案化为所述非均质的铝氮化物层。

3.根据权利要求1所述的形成装置结构的方法，还包括：

在所述相变材料线的第一端部分上形成第一电极；

在所述相变材料线的第二端部分上形成第二电极；

在所述第一电极之上形成第一电极接触件通孔结构；

在所述第二电极之上形成第二电极接触件通孔结构；

在所述加热器线的第一端部分之上形成第一加热器接触件通孔结构；以及

在所述加热器线的第二端部分上方形成第二加热器接触件通孔结构。

4.根据权利要求1所述的形成装置结构的方法，其中：

所述加热器材料层包括铝和氮；

所述加热器材料层内的氮原子百分比在0.001％至50.000％的范围内；以及

所述加热器材料层通过在所述衬底放置在所述工艺腔中的同时并且在执行所述反应性溅射工艺之前执行额外的反应性溅射工艺而形成。

5.一种形成装置结构的方法，所述方法包括：

在衬底之上形成加热器材料层；

在所述衬底和所述加热器材料层置于工艺腔中的同时执行反应性溅射工艺，其中经溅射的多个铝原子与多个反应性含氮分子在所述工艺腔内部发生反应，以在所述加热器材料层上形成连续非均质的铝氮化物层，并且所述多个反应性含氮分子的分压作为时间的函数的分布在所述反应性溅射工艺期间具有多个局部峰值；

将所述连续的非均质的铝氮化物层和所述加热器材料层图案化为非均质的铝氮化物层和加热器线；以及

在所述非均质的铝氮化物层之上形成相变材料线。

6.根据权利要求5所述的形成装置结构的方法，其中除了初始局部峰值之外的所述多个局部峰值中的每一个具有大于从所述多个局部峰值选择的前一个局部峰值的量级的相应量级。

7.根据权利要求5所述的形成装置结构的方法，其中：

所述多个局部峰值包括至少三个局部峰值；以及

对于从所述至少三个局部峰值选择的相邻峰值之间的峰间时间而言，从所述至少三个局部峰值中选择的最后局部峰值小于从所述至少三个局部峰值中选择的初始局部峰值。

8.根据权利要求5所述的形成装置结构的方法，还包括：

图案化所述连续的非均质的铝氮化物层和所述加热器材料层，其中所述连续的非均质的铝氮化物层的经图案化的部分包括所述非均质的铝氮化物层，所述加热器材料层的经图案化的部分包括所述加热器线；以及

在所述非均质的铝氮化物层和所述加热器线周围形成介电基质层，其中所述相变材料线形成在所述介电基质层之上。

9.一种开关装置，包括：

半导体装置，位于衬底上；

加热器线，位于所述半导体装置之上；

铝氮化物层，具有非均质的材料组成，其中所述铝氮化物层的顶部表面部分比所述铝氮化物层的在所述加热器线的顶部表面之上的底部表面部分具有更高的氮原子浓度；

相变材料线，跨越所述铝氮化物层；

第一电极，连接到所述相变材料线的第一端部分；以及

第二电极，连接到所述相变材料线的第二端部分，其中所述半导体装置电连接到所述加热器线的两端并且被配置为提供选自第一状态和第二状态的电状态，所述第一状态中所述第二电极电耦合到所述第一电极，以及所述第二状态中所述第二电极与所述第一电极电隔离。

10.根据权利要求9所述的开关装置，其中：

所述半导体装置包括至少一个场效晶体管，其被配置为控制电流通过所述加热器线的流动并以两种不同的冷却速率引起所述加热器线的中间部分的加热和冷却；以及

所述两种不同的冷却速率包括诱导所述相变材料线的所述中间部分结晶并提供所述第一状态的第一冷却速率，以及诱导所述相变材料线的所述中间部分非晶化并提供所述第二状态的第二冷却速率。