TW202416509A - 半導體結構和形成半導體結構的方法 - Google Patents
半導體結構和形成半導體結構的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TW202416509A TW202416509A TW112114449A TW112114449A TW202416509A TW 202416509 A TW202416509 A TW 202416509A TW 112114449 A TW112114449 A TW 112114449A TW 112114449 A TW112114449 A TW 112114449A TW 202416509 A TW202416509 A TW 202416509A
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- top surface
- dielectric
- line
- electrode
- phase change
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 75
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 claims abstract description 171
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 124
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 117
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 100
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 100
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 72
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 56
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 37
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 28
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 16
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 abstract description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 18
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 14
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 9
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 6
- -1 tungsten nitride Chemical class 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 5
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 5
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004380 ashing Methods 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000618 GeSbTe Inorganic materials 0.000 description 2
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 2
- 238000010583 slow cooling Methods 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005872 GeSb Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- CBJZJSBVCUZYMQ-UHFFFAOYSA-N antimony germanium Chemical class [Ge].[Sb] CBJZJSBVCUZYMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GPBUGPUPKAGMDK-UHFFFAOYSA-N azanylidynemolybdenum Chemical compound [Mo]#N GPBUGPUPKAGMDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- SAZXSKLZZOUTCH-UHFFFAOYSA-N germanium indium Chemical compound [Ge].[In] SAZXSKLZZOUTCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
具有頂表面的介電絕緣層可形成在基板上方。加熱器線、相變材料(PCM)線、和處理中的導電性阻障板可形成在介電絕緣層上方。電極材料層可形成在處理中的導電性阻障板上方。可將電極材料層和處理中的導電性阻障板圖案化，使得處理中的導電性阻障板的圖案化的多個部分包括第一導電性阻障板其接觸相變材料線的頂表面的第一區域、和第二導電性阻障板其接觸相變材料線的頂表面的第二區域，並且電極材料層的圖案化的多個部分包括第一電極其接觸第一導電性阻障板、和第二電極其接觸第二導電性阻障板。
Description
無
相變材料開關是可减輕由於電磁輻射引起的干擾的有用裝置，並且可用於各種應用，例如射頻應用。本領域已知的相變材料開關的製造通常使用多重化學機械研磨製程。多重化學機械研磨製程的使用可能增加用於這種相變材料開關的製造成本。减少或消除這樣的化學機械平坦化製程可降低製造成本。
無
以下的揭示內容提供了許多不同的實施方式或實施方式，用於實現所提供的主題的不同特徵。以下描述組件和排列的具體實施方式，以簡化本揭示內容。當然，這些僅僅是實施例而不是限制性的。例如，在隨後的描述中，形成第一特徵其在第二特徵上方或之上，可包括其中第一特徵和第二特徵以直接接觸而形成的實施方式，並且也可包括其中附加的特徵可形成在介於第一特徵和第二特徵之間，因此第一特徵和第二特徵可不是直接接觸的實施方式。另外，本揭示內容可在各個實施例中重複參考標號和/或字母。這樣的重複，是為了是簡化和清楚的目的，重複本身並不是意指所討論的各個實施方式之間和/或配置之間的關係。
此外，為了便於描述如在圖式中所繪示的一個元件或特徵與另一個元件或特徵之間的關係，在此可能使用空間相對性用語，例如「之下」、「低於」、「較下」、「高於」、「較上」、和類似的用語。除了在圖式中所描繪的方向之外，空間相對性用語旨在涵蓋裝置在使用中或操作中的不同方向。設備可用其它方式定向(旋轉90度或處於其它的方向)，並且據此可同樣地解讀本文所使用的空間相對性描述詞。具有相同的參考標號的多個元件指的是相同的元件，並且被假定為具有相同的材料組成分和相同的厚度範圍，除非另外明確地說明。
大致上，本文所揭示的各個實施方式結構和方法可用於形成相變材料(PCM)開關。這樣的實施方式相變材料開關可用於為各種半導體裝置提供開關的功能，各種半導體裝置例如射頻半導體裝置、可變電容二極體(varactors)(亦即電容可變的電容器)、電感器、或其它的半導體裝置。現在參考所附的圖式來描述本揭示內容的各個實施方式。
參看第1圖，繪示了根據本揭示內容的第一實施方式的第一示例性結構。第一示例性結構包括基板8，基板8可以是半導體基板，例如市售可得的矽基板。基板8可至少在其上部處包括半導體材料層9。半導體材料層9可以是塊材半導體基板的表面部分，或者可以是絕緣體上半導體(SOI)基板的頂部半導體層。在一個實施方式中，半導體材料層9包括單晶半導體材料，例如單晶矽。在一個實施方式中，基板8可包括單晶矽基板，單晶矽基板包含單晶矽材料。
包括介電材料(例如矽氧化物)的淺溝槽隔離結構720可形成在半導體材料層9的上部中。可在由淺溝槽隔離結構720的一部分所側向地包圍的每個區域之內形成合適的摻雜的半導體阱，例如p型阱和n型阱。場效電晶體701可形成在半導體材料層9的頂表面上方。例如，每個場效電晶體701可包括源極電極732、汲極電極738、半導體通道735(其包括介於源極電極732和汲極電極738之間延伸的基板8的表面部分)、以及閘極結構750。半導體通道735可包括單晶半導體材料。每個閘極結構750可包括閘極介電層752、閘極電極754、閘極帽介電質758、和介電閘極間隔物756。源極側金屬半導體合金區域742可形成在每個源極電極732上，並且汲極側金屬半導體合金區域748可形成在每個汲極電極738上。在半導體材料層9的頂表面上所形成的多個裝置可包括互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電晶體和可選的附加的半導體裝置(例如電阻器、二極體、電容器結構等)，並且統稱為CMOS電路700。
在CMOS電路700中的一或多個場效電晶體701可包括半導體通道735，半導體通道735包含在基板8中的半導體材料層9的一部分。在其中半導體材料層9包括單晶半導體材料(例如單晶矽)的多個實施方式中，在CMOS電路700中的每個場效電晶體701的半導體通道735可包括單晶半導體通道(例如單晶矽通道)。在一個實施方式中，在CMOS電路700中的場效電晶體701的子集可包括相應的節點，此節點隨後電性連接到能量收集裝置的節點和/或隨後形成的電池結構。
在一個實施方式中，基板8可包括單晶矽基板，並且場效電晶體701可包括單晶矽基板的一相應的部分作為半導電的通道。如本文所使用的「半導體的(semiconducting)」元件是指導電率在從1.0 × 10
-6S/cm至1.0 × 10
5S/cm範圍內的元件。如本文所使用的「半導體材料」是指一材料在其中不存在電性摻質的情况下具有在從1.0 × 10
-6S/cm至1.0 × 10
5S/cm範圍內的導電率，並且在以電性摻質適當摻雜後能夠産生一摻雜的材料其具有在從1.0 S/cm至1.0 × 10
5S/cm範圍內的導電率。
在介電材料層之內所形成的各個金屬互連結構可隨後形成在基板8和在基板8上的多個半導體裝置701(例如場效電晶體)上方。在說明性實施例中，介電材料層可包括例如第一介電材料層601(其可以是圍繞連接到源極和汲極的接觸件結構的層)(有時候稱為接觸件級別介電材料層601)、第一互連件級別介電材料層610、第二互連件級別介電材料層620、第三互連件級別介電材料層630、和第四互連件級別介電材料層640。金屬互連結構可包括形成在第一介電材料層601中並接觸CMOS電路700的相應組件的裝置接觸件導孔結構612、形成在第一互連件級別介電材料層610中的第一金屬線結構618、形成在第二互連件級別介電材料層620的下部中的第一金屬導孔結構622、形成在第二互連件級別介電材料層620的上部中的第二金屬線結構628，形成在第三互連件級別介電材料層630的下部中的第二金屬導孔結構632、形成在第三互連件級別介電材料層630的上部中的第三金屬線結構638、形成在第四互連件級別介電材料層640的下部中的第三金屬導孔結構642、以及形成在第四互連件級別介電材料層640的上部中的第四金屬線結構648。雖然使用其中在介電材料層中形成四層金屬線結構的實施方式來描述本揭示內容，但是本文明確地設想了其中在介電材料層中形成更少或更多數目的層的金屬線結構的多個實施方式。
多個介電材料層(601、610、620、630、640)中的各者可包括介電材料，例如未摻雜的矽酸鹽玻璃、摻雜的矽酸鹽玻璃、有機矽酸鹽玻璃、非晶態的氟化碳、其多孔的變體、或其組合。多個金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)中的各者可包括至少一種導電材料，所述導電材料可以是金屬性襯裡(例如金屬氮化物或金屬碳化物)和金屬性填充材料的組合。每個金屬性襯裡可包括TiN、TaN、WN、TiC、TaC、和WC，並且每個金屬性填充材料部分可包括W、Cu、al、Co、Ru、Mo、Ta、Ti、其合金、和/或其組合。也可使用在本揭示內容的設想範圍之內的其它合適的金屬性襯裡和金屬性填充材料。在一個實施方式中，經由雙鑲嵌製程，第一金屬導孔結構622和第二金屬線結構628可形成為集成的線和導孔結構。大致上，金屬線結構(628、638、648)和至少一個下方的金屬導孔結構(622、632、642)的任何連續的套組可形成為集成的線和導孔結構。
大致上，半導體裝置701可形成在基板8上，並且金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)和介電材料層(601、610、620、630、640)在半導體裝置701上方。金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)可形成在介電材料層(601、610、620、630、640)中，並且可電性連接到多個半導體裝置。
可選的介電覆蓋層22、介電絕緣層24、加熱器材料層30L、和加熱器覆蓋介電層32L可沉積在金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)和介電材料層(601、610、620、630、640)上方。可選的介電覆蓋層22包括介電覆蓋材料，例如矽碳化物、矽氮化物、或矽碳氮化物。其它合適的介電覆蓋材料在本揭示內容的設想範圍之內。可選的介電覆蓋層22(如果存在的話)的厚度可在從2奈米到100奈米的範圍內，儘管也可使用更小和更大的厚度。介電絕緣層24包含介電材料，例如未摻雜的矽酸鹽玻璃、或摻雜的矽酸鹽玻璃。介電絕緣層24可包含平的頂表面25，亦即，完全地位於水平的平面之內的頂表面。介電絕緣層24的厚度可在從100奈米到300奈米的範圍內，例如從120奈米到200奈米，儘管也可使用更小和更大的厚度。
加熱器材料層30L包括導電率低於銅或鋁的金屬材料。加熱器材料層30L可包含難熔的元素金屬，例如鎢、錸、鉭、鉬、或鈮，或者可包含導電的金屬氮化物材料，例如鎢氮化物、鈦氮化物、或鉭氮化物。其它合適的加熱器材料在本揭示內容的設想範圍之內。加熱器材料層30L的厚度可在從50奈米到300奈米的範圍內，例如從100奈米到200奈米，儘管也可使用更小和更大的厚度。加熱器覆蓋介電層32L包含介電材料，例如矽氮化物、矽碳化物、矽碳氮化物，或介電的金屬氧化物，例如鋁氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物、釔氧化物、或鑭氧化物。其它合適的加熱器覆蓋介電材料也在本揭示內容的設想範圍之內。加熱器覆蓋介電層32L的厚度可在從20奈米到100奈米的範圍內，例如從30奈米到60奈米，儘管也可使用更小和更大的厚度。
參看第2A圖至第2C圖，光阻劑層(未示出)可施加在加熱器覆蓋介電層32L上方，並且可進行微影圖案化，以形成不連續的光阻劑材料部分其具有長形的水平的截面形狀，例如矩形形狀。在一個實施方式中，長形的形狀可以是矩形形狀其具有沿著第一水平方向hd1的一均勻的寬度，並且具有沿著第二水平方向hd2的一長度，此長度大於此均勻的寬度。可執行各向異性蝕刻製程，例如反應性離子蝕刻製程，以蝕刻加熱器覆蓋介電層32L和加熱器材料層30L的未遮蓋的多個部分。各向異性蝕刻製程對於介電絕緣層24的材料可以是選擇性的，並且介電絕緣層24的平的頂表面25可物理性暴露在不連續的光阻劑材料部分所未遮蓋的多個區域中。加熱器材料層30L的剩餘部分包含加熱器線30，並且加熱器覆蓋介電層32L的剩餘部分包含加熱器覆蓋介電板32。在一個實施方式中，加熱器線30和加熱器覆蓋介電板32可具有相同的面積。隨後可移除不連續的光阻劑材料部分，例如經由灰化。加熱器線30接觸平的頂表面25的第一區域，並且加熱器覆蓋介電板32接觸加熱器線30的頂表面。
參看第3A圖至第3C圖，形成介電間隔物材料層34L可經由介電間隔物材料的保形的沉積。介電間隔物材料可包含未摻雜的矽酸鹽玻璃或摻雜的矽酸鹽玻璃，並且可例如經由化學氣相沉積來形成。其它合適的介電間隔物材料也在本揭示內容的設想範圍之內。在加熱器線30的側壁上方的介電間隔物材料層34L的垂直延伸部分的側向厚度可在從100奈米到300奈米的範圍內，例如從120奈米到200奈米，儘管也可使用更小和更大的側向厚度。
參看第4A圖至第4C圖，可執行各向異性蝕刻製程，以移除介電間隔物材料層34L的多個水平延伸的部分。具體而言，各向異性蝕刻製程可移除覆蓋加熱器覆蓋介電板32的頂表面的介電間隔物材料層34L的一部分，以及可移除介電間隔物材料層34L的多個部分其與加熱器線30的側壁側向地隔開的距離大於介電間隔物材料層34L的側向厚度。介電間隔物材料層34L的剩餘部分構成介電間隔物34。介電間隔物34可形成在加熱器線30周圍並直接地形成在加熱器線30上。
在一個實施方式中，介電間隔物34的底表面的內周可與加熱器線30的底表面的周邊重合，並且介電間隔物34的底表面的外周可從此內周側向地偏離一均勻的側向偏離距離，此均勻的側向偏離距離是介電間隔物34的側向厚度。介電間隔物34可接觸加熱器線30的每個側壁的整體，並且可接觸加熱器覆蓋介電板32的每個側壁的至少一下部。在一個實施方式中，介電間隔物34的底表面的整體可與介電絕緣層24的平的頂表面25的一區域接觸。
參看第5A圖至第5C圖，相變材料層40L和導電性阻障材料層42L可形成在介電間隔物34、加熱器覆蓋介電板32、和介電絕緣層24的平的頂表面25上方。如本文所使用的「相變材料」指的是一材料其具有至少兩種提供不同電阻率的不同的相。相變材料(phase change material, PCM)可用於將信息儲存為材料的電阻率狀態，此材料可處於對應於材料的不同相的不同電阻率狀態。不同的相可包括具有高電阻率的非晶態狀態、和具有低電阻率(亦即，比在非晶態狀態低的電阻率)的晶態狀態。在編程過程的第一部分中，可經由在施加使相變材料呈非晶態的電脈衝之後控制冷卻的速率來引發介於非晶態狀態和晶態狀態之間的轉變。編程過程的第二部分包括控制相變材料的冷卻速率。在其中發生快速淬火的實施方式中，相變材料可冷卻為非晶態的高電阻率狀態。在其中發生了緩慢冷卻的實施方式中，相變材料可冷卻為晶態的低電阻率狀態。
示例性相變材料包括但不限於鍺銻碲化物(germanium antimony telluride, GST)化合物，例如Ge
2Sb
2Te
5、或GeSb
2Te
4、鍺銻化合物、銦鍺碲化物化合物、鋁硒碲化物化合物、銦硒碲化物化合物、和鋁銦硒碲化物化合物。相變材料可以是摻雜的(例如，氮摻雜的鍺銻碲化物)、或未摻雜的，以增强電阻切換特性。相變材料層40L(也稱為PCM材料層40L)的厚度可在從30奈米到600奈米的範圍內，例如從60奈米到300奈米，儘管也可使用更小和更大的厚度。
導電性阻障材料層42L可包括導電性材料，此導電性材料功能上作為在PCM材料層40中防止相變材料的擴散的有效阻障。舉例來說，導電性阻障材料層42L可包含碳基的材料(例如石墨烯或碳奈米管)、金屬性擴散阻障材料(例如鎢氮化物、鈦氮化物、鉭氮化物、或鉬氮化物)、或可有效地抑制在PCM材料層40L中的相變材料的向外擴散的任何其它合適的導電性阻障材料。導電性阻障材料層42L的厚度可在從5奈米到100奈米的範圍內，例如從10奈米到50奈米，儘管也可使用更小和更大的厚度。
導電性阻障材料層42L可接觸相變材料線40的波狀的(contoured)頂表面的整體。在一個實施方式中，導電性阻障材料層42L可具有波狀的頂表面，此波狀的頂表面包括第一平的表面區段(其在下方的加熱器線30的區域之內)、第二平的表面區段(其在PCM材料層40L的垂直延伸部分的區域之外)，並且可具有凸形表面區段(其連接第一平的表面區段和第二平的表面區段)。
參看第6A圖至第6C圖，光阻劑層(未示出)可施加在導電性阻障材料層42L上方，並且可進行微影圖案化，以提供一長形的光阻劑材料部分其橫跨加熱器覆蓋介電板32。蝕刻導電性阻障材料層42L的多個未遮蓋部分和PCM材料層40L的多個未遮蓋部分可經由執行各向異性蝕刻製程，此各向異性蝕刻製程使用圖案化的光阻劑材料部分作為蝕刻遮罩。導電性阻障材料層42L的剩餘部分包含處理中的導電性阻障板42’(其在後續的處理步驟中被進一步圖案化)。PCM材料層40L的剩餘部分可包括相變材料線40，其也被稱為PCM線40。相變材料線40和處理中的導電性阻障板42’橫跨了加熱器線30、加熱器覆蓋介電板32、和介電間隔物34的組合。如本文所使用的「處理中的」元件指的是在後續的處理步驟中被修改的元件。物理性暴露了加熱器線30、介電間隔物34、或相變材料線40所未覆蓋的平的頂表面25的多個區域。隨後可移除光阻劑層，例如經由灰化。
大致上，可在介電絕緣層24上方形成包括加熱器線30、加熱器覆蓋介電板32、相變材料(PCM)線40、和處理中的導電性阻障板42’的組合。加熱器線30的底表面可直接地形成在介電絕緣層24的平的頂表面25的第一區域上。相變材料(PCM)線40包含中間部分(其覆蓋加熱器線30)、第一端部(其鄰接中間部分的第一側並接觸平的頂表面25的第二區域)、以及第二端部(其鄰接中間部分的第二側並接觸平的頂表面25的第三區域)。加熱器覆蓋介電板32可提供在介於加熱器線30和相變材料線40之間。加熱器覆蓋介電板32接觸加熱器線30的頂表面。相變材料線40的中間部分的底表面接觸加熱器覆蓋介電板32的頂表面的一區段。
參看第7A圖至第7C圖，電極材料層50L和電極覆蓋介電層52L可沉積在處理中的導電性阻障板42’和加熱器覆蓋介電板32上方。電極材料層50L包含金屬材料，例如難熔的金屬(例如鎢、錸、鉭、鈮、或鉬)，並且可具有從50奈米至500奈米範圍內的厚度，例如從100奈米至300奈米，儘管也可使用更小和更大的厚度。電極覆蓋介電層52L可包括介電的擴散阻障材料，例如矽氮化物、矽碳化物、或矽碳氮化物。其它合適的介電的擴散阻障材料也在本揭示內容的設想範圍之內。電極覆蓋介電層52L的厚度可在從10奈米到100奈米的範圍內，例如從20奈米到60奈米，儘管也可使用更小和更大的厚度。電極材料層50L可直接地形成在介電絕緣層24的平的頂表面25的區域上。
參看第8A圖至第8C圖，光阻劑層(未示出)可施加在電極覆蓋介電層52L上方，並且可進行微影圖案化，以形成兩個不連續的光阻劑材料部分其覆蓋相變材料線40的相應的端部。在一個實施方式中，可將光阻劑層進行圖案化，使得每個圖案化的不連續的光阻劑材料部分位於加熱器線30的一相應的側上，並且沿著第一水平方向彼此側向地隔開。在一個實施方式中，可將兩個不連續的光阻劑材料部分進行圖案化，使得兩個不連續的光阻劑材料部分的區域覆蓋介於相變材料線40和介電絕緣層24之間的接觸區域的整體。
可執行各向異性蝕刻製程，以移除兩個不連續的光阻劑材料部分所未遮蓋的電極覆蓋介電層52L、電極材料層50L、和處理中的導電性阻障板42’的多個部分。電極材料層50L的圖案化的多個部分包含用於相變材料線40的電極50。電極50可包含第一電極50A(其接觸相變材料線40的第一端部的三個側壁)、和第二電極50B(其接觸相變材料線40的第二端部的三個側壁)。
加熱器線30的底表面接觸介電絕緣層24的平的頂表面25的第一區域。相變材料線40的第一端部接觸平的頂表面25的第二區域。相變材料線40的第二端部接觸平的頂表面25的第三區域。第一電極50A接觸平的頂表面25的第四區域。第二電極50B接觸平的頂表面25的第五區域。
電極覆蓋介電層52L的圖案化的多個部分包含多個電極覆蓋介電板52。每個電極覆蓋介電板52可接觸相應的電極50的頂表面的整體。可從高於加熱器線30的區域移除處理中的導電性阻障板42’的水平延伸的部分。處理中的導電性阻障板42’的圖案化的多個剩餘部分包含第一導電性阻障板42A(其接觸相變材料線40的頂表面的第一區域)，和第二導電性阻障板42B(其接觸相變材料線40的頂表面的第二區域)。第一電極50A接觸第一導電性阻障板42A，並且第二電極50B接觸第二導電性阻障板42B。
在一個實施方式中，第一導電性阻障板42A接觸相變材料線40的第一端部。第一導電性阻障板42A具有第一波狀的頂表面(其包括在第一電極50A下方的第一水平的表面區段)、和第一凸形表面區段(其從第一水平的表面區段向上延伸)。第二導電性阻障板42B接觸相變材料線40的第二端部。第二導電性阻障板42B具有第二波狀的頂表面(其包括在第二電極50B下方的第二水平的表面區段)、和第二凸形表面區段(其從第二水平的表面區段向上延伸)。
在一個實施方式中，第一電極50A包含第一波狀的底表面其接觸第一導電性阻障板42A的第一波狀的頂表面的整體、第一凸形表面區段、相變材料線40的第一端部的側壁、和介電絕緣層24的平的頂表面25的第四區域。第二電極50B包含第二波狀的底表面其接觸第二導電性阻障板42B的第二波狀的頂表面的整體、相變材料線40的第二端部的側壁、和介電絕緣層24的平的頂表面25的第五區域。
參看第9A圖至第9C圖，可在電極50和相變材料線40上方沉積介電材料層。介電材料層在本文被稱為開關級別介電材料層28。附加的金屬互連結構(652、658)可形成在開關級別介電材料層28中。附加的金屬互連結構(652、658)在本文被稱為開關級別金屬互連結構(652，658)，並且可包含開關級別金屬線結構658和開關級別金屬導孔結構652。
開關級別金屬導孔結構652可包含第一電極接觸件導孔結構6521(其接觸第一電極50A)、第二電極接觸件導孔結構6522(其接觸第二電極50B)、第一加熱器接觸件導孔結構6523(其接觸加熱器線30第一端部)、和第二加熱器接觸件導孔結構6524(其接觸加熱器線30第二端部)。開關級別金屬線結構658可包含第一電極連接件金屬線結構6581(其接觸第一電極接觸件導孔結構6521的頂表面)、第二電極連接件金屬線結構6582(其接觸第二電極接觸件導孔結構6522的頂表面)、第一加熱器連接件金屬線結構6583(其接觸第一加熱器接觸件導孔結構6523的頂表面)、以及第二加熱器連接件金屬線結構6584(其接觸第二加熱器接觸件導孔結構6524的頂表面)。
大致上，半導體裝置701可形成在基板8上，並且金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)和介電材料層(601、610、620、630、640)可形成在基板8上方。金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)形成在介電材料層(601、610、620、630、640)中。介電絕緣層24形成在金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)上方。第一加熱器接觸件導孔結構6523可接觸加熱器線30的第一端部的頂表面，並且可接觸相變材料線40的第一端部的側壁。第二加熱器接觸件導孔結構6524可接觸加熱器線30的第二端部的頂表面，並且可接觸相變材料線40的第二端部的側壁。
經由形成附加的金屬互連結構(652、658)，可將加熱器線30的兩個端部、第一電極50A、和第二電極50B電性連接至多個金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)中的相應一者，所述附加的金屬互連結構(652、658)包括附加的開關級別金屬導孔結構(未繪示)，附加的開關級別金屬導孔結構將多個開關級別金屬線結構658中的相應的一者連接到多個第四金屬線結構648中的相應的一者。
參看第10A圖至第10C圖，根據本揭示內容的第二實施方式的第二示例性結構可來自於在第1圖中所繪示的第一示例性結構，經由執行第5A圖至第5C圖的處理步驟。換句話說，第二示例性結構可來自於在第1圖中所繪示的第一示例性結構，經由沉積相變材料層40L和導電性阻障材料層42L。相變材料層40L可具有與在第一實施方式中相同的材料組成分和相同的厚度範圍。導電性阻障材料層42L可具有與在第一實施方式中相同的材料組成分和相同的厚度範圍。
參看第11A圖至第11C圖，光阻劑層(未示出)可施加在導電性阻障材料層42L上方，並且可進行微影圖案化，以提供圖案化的光阻劑層其包括長形的光阻劑材料部分。在一個實施方式中，長形的形狀可以是矩形形狀其具有沿著第一水平方向hd1的一均勻的寬度，並且矩形形狀具有一長度，此長度沿著第二水平方向hd2並大於此寬度。將層堆疊(包括導電性阻障材料層42L、PCM材料層40L、加熱器覆蓋介電層32L、和加熱器材料層30L)的未遮蓋的多個部分蝕刻可經由執行各向異性蝕刻製程，此各向異性蝕刻製程使用圖案化的光阻劑材料部分作為蝕刻遮罩。導電性阻障材料層42L的剩餘部分包含處理中的導電性阻障板42’(其在後續的處理步驟中被進一步圖案化)。PCM材料層40L的剩餘部分包含相變材料線40，其也被稱為PCM線40。加熱器覆蓋介電層32L的剩餘部分包含加熱器覆蓋介電板32。加熱器材料層30L的剩餘部分包含加熱器線30。
在一個實施方式中，處理中的導電性阻障板42’、相變材料線40、加熱器覆蓋介電板32、和加熱器線30可具有相同的形狀和相同的面積。在一個實施方式中，相同的形狀可以是一矩形形狀其具有沿著第一水平方向hd1的寬度、和沿著第二水平方向hd2的長度。處理中的導電性阻障板42’、相變材料線40、加熱器覆蓋介電板32、和加熱器線30的上方或下方的多個側壁可以是垂直地重合的，亦即，可位於一相同的垂直面之內。隨後可移除圖案化的光阻劑層，例如經由灰化。
大致上，可在介電絕緣層24上方形成包括加熱器線30、相變材料(PCM)線40、和處理中的導電性阻障板42’的組合。加熱器線30的底表面直接地形成在介電絕緣層24的平的頂表面25的第一區域上。加熱器覆蓋介電板32可提供在介於加熱器線30和相變材料線40之間。加熱器覆蓋介電板32接觸加熱器線30的頂表面。相變材料線40的底表面接觸加熱器覆蓋介電板32的頂表面的一區段。
參看第12A圖至第12C圖，形成介電間隔物材料層34L可經由介電間隔物材料的保形的沉積。介電間隔物材料可包含未摻雜的矽酸鹽玻璃、或摻雜的矽酸鹽玻璃，並且可例如經由化學氣相沉積而形成。在加熱器線30、加熱器覆蓋介電板32、相變材料線40、和處理中的導電性阻障板42’的垂直堆疊的多個側壁上方的介電間隔物材料層34L的垂直延伸的部分的側向厚度可在從100奈米到300奈米的範圍內，例如從120奈米到200奈米，儘管也可使用更小和更大的側向厚度。
參看第13A圖第13C圖，可執行各向異性蝕刻製程，以移除介電間隔物材料層34L的多個水平延伸的部分。具體地，各向異性蝕刻製程移除了覆蓋處理中的導電性阻障板42’的頂表面的介電間隔物材料層34L的一部分，和移除了介電間隔物材料層34L的多個部分其與加熱器線30的側壁側向地隔開的距離大於介電間隔物材料層34L的側向厚度。介電間隔物材料層34L的剩餘部分構成介電間隔物34。介電間隔物34可形成在加熱器線30周圍並直接地形成在加熱器線30上。
在一個實施方式中，介電間隔物34的底表面的內周與加熱器線30的底表面的周邊重合，介電間隔物34的底表面的外周從此內周側向地偏離一均勻的側向偏離距離，此均勻的側向偏離距離是介電間隔物34的側向厚度。介電間隔物34側向地圍繞加熱器線30、加熱器覆蓋介電板32、相變材料線40、和處理中的導電性阻障板42’。介電間隔物34可接觸加熱器線30、加熱器覆蓋介電板32、和相變材料線40的每個側壁的整體，並且可接觸處理中的導電性阻障板42’的每個側壁的至少下部。在一個實施方式中，介電間隔物34的底表面的整體可與介電絕緣層24的平的頂表面25的一區域接觸。
參看第14A圖至第14C圖，電極材料層50L和電極覆蓋介電層52L可沉積在處理中的導電性阻障板42’上方。電極材料層50L包含金屬材料，例如難熔的金屬(例如鎢、錸、鉭、鈮或鉬)，並且可具有從50奈米至500奈米範圍內的厚度，例如從100奈米至300奈米，儘管也可使用更小和更大的厚度。電極覆蓋介電層52L包含介電的擴散阻障材料，例如矽氮化物、矽碳化物、或矽碳氮化物。電極覆蓋介電層52L的厚度可在從10奈米到100奈米的範圍內，例如從20奈米到60奈米，儘管也可使用更小和更大的厚度。電極材料層50L可直接地形成在介電絕緣層24的平的頂表面25的區域上。
參看第15A圖至第15C圖，光阻劑層(未示出)可施加在電極覆蓋介電層52L上方，並且可進行微影圖案化，以形成兩個不連續的光阻劑材料部分。可在相變材料線40的兩個縱向側壁的相對側上形成兩個不連續的光阻劑材料部分，相變材料線40沿著第二水平方向hd2側向地延伸。在一個實施方式中，兩個不連續的光阻劑材料部分可沿著第一水平方向hd1彼此側向地隔開。每個不連續的光阻劑材料部分可覆蓋介於電極材料層50L和介電絕緣層24之間的接觸區域的一相應的區段、介電間隔物34的外側壁的一相應的區段、以及處理中的導電性阻障板42’的頂表面的一相應的區段。處理中的導電性阻障板42’的頂表面的中間區段位於處理中的導電性阻障板42’的介於兩個被覆蓋的區段之間。
可執行各向異性蝕刻製程，以移除電極覆蓋介電層52L、電極材料層50L、和處理中的導電性阻障板42’中兩個不連續的光阻劑材料部分所未遮蓋的多個部分。電極材料層50L的圖案化的多個部分包含用於相變材料線40的電極50。電極50可包含第一電極50A和第二電極50B。加熱器線30的底表面接觸介電絕緣層24的平的頂表面25的第一區域。第一電極50A接觸平的頂表面25的一區域(例如第二區域)。第二電極50B接觸平的頂表面25的另一個區域(例如第三區域)。
電極覆蓋介電層52L的圖案化的多個部分包含多個電極覆蓋介電板52。每個電極覆蓋介電板52可接觸相應的電極50的頂表面的整體。可從高於相變材料線40的頂表面的中間區段移除處理中的導電性阻障板42’的未遮蓋的部分。處理中的導電性阻障板42’的圖案化的多個剩餘部分包含第一導電性阻障板42A(其接觸相變材料線40的頂表面的第一區域)，和第二導電性阻障板42B(其接觸相變材料線40的頂表面的第二區域)。
第一電極50A接觸第一導電性阻障板42A的頂表面的整體，並且第二電極50B接觸第二導電性阻障板42B的頂表面的整體。在一個實施方式中，第一導電性阻障板42A接觸相變材料線40的頂表面的第一區域。第二導電性阻障板42B接觸相變材料線40的頂表面的第二區域。第一電極50A不直接地接觸相變材料線40，但是通過第一導電性阻障板42A而電性連接到相變材料線40的第一部分。第二電極50B不直接地接觸相變材料線40，但是通過第二導電性阻障板42B而電性連接到相變材料線40的第二部分。
參看第16A圖至第16C圖，介電材料層可沉積在電極50上方。介電材料層在本文被稱為開關級別介電材料層28。附加的金屬互連結構(652、658)可形成在開關級別介電材料層28中。附加的金屬互連結構(652、658)在本文被稱為開關級別金屬互連結構(652、658)，並且可包含開關級別金屬線結構658和開關級別金屬導孔結構652。
開關級別金屬導孔結構652可包含第一電極接觸件導孔結構6521(其接觸第一電極50A)、第二電極接觸件導孔結構6522(其接觸第二電極50B)、第一加熱器接觸件導孔結構6523(其接觸加熱器線30第一端部)、和第二加熱器接觸件導孔結構6524(其接觸加熱器線30第二端部)。開關級別金屬線結構658可包含第一電極連接件金屬線結構6581(其接觸第一電極接觸件導孔結構6521的頂表面)、第二電極連接件金屬線結構6582(其接觸第二電極接觸件導孔結構6522的頂表面)、第一加熱器連接件金屬線結構6583(其接觸第一加熱器接觸件導孔結構6523的頂表面)、以及第二加熱器連接件金屬線結構6584(其接觸第二加熱器接觸件導孔結構6524的頂表面)。
大致上，半導體裝置701可形成在基板8上，並且金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)和介電材料層(601、610、620、630、640)可形成在基板8上方。金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)形成在介電材料層(601、610、620、630、640)中。介電絕緣層24形成在金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)上方。第一加熱器接觸件導孔結構6523可接觸加熱器線30的第一端部的頂表面，並且可接觸相變材料線40的第一端部的側壁。第二加熱器接觸件導孔結構6524可接觸加熱器線30的第二端部的頂表面，並且可接觸相變材料線40的第二端部的側壁。
可經由形成附加的金屬互連結構(652、658)，將加熱器線30的兩個端部、第一電極50A、和第二電極50B電性連接至多個金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)中的相應一者，所述附加的金屬互連結構(652、658)包括附加的開關級別金屬導孔結構(未繪示)，附加的開關級別金屬導孔結構將多個開關級別金屬線結構658中的相應的一者連接至多個第四金屬線結構648中的相應的一者。
在一個實施方式中，第一加熱器接觸件導孔結構6523接觸加熱器線30的第一端部的頂表面、相變材料線40的第一端部的側壁、和加熱器覆蓋介電板32的第一端部的側壁。第二加熱器接觸件導孔結構6524接觸加熱器線30的第二端部的頂表面、相變材料線40的第二端部的側壁、和加熱器覆蓋介電板32的第二端部的側壁。相變材料線40的側壁可與加熱器線30的側壁以及加熱器覆蓋介電板32的側壁垂直地重合。
參看第17圖，流程圖繪示了根據本揭示內容的實施方式製造半導體裝置的大致上的多個製程步驟。
參看步驟1710和第1圖及第10A圖至第10C圖，可在基板8上方形成介電絕緣層24，介電絕緣層24具有平的頂表面25。
參看步驟1720和第1圖至第6C圖和第10A圖至第11C圖，在介電絕緣層24上方形成包括加熱器線30、相變材料(PCM)線40、和處理中的導電性阻障板42’的組合。加熱器線30的底表面直接地形成在介電絕緣層24的平的頂表面25的第一區域上。
參看步驟1730和第7A圖至第7C圖及第12A圖至第14C圖，電極材料層50L可形成在包括加熱器線30、相變材料線40、和處理中的導電性阻障板42’的組合上方。電極材料層50L直接地形成在介電絕緣層24的平的頂表面25的一區域上。
參看步驟1740和第8A圖至第9C圖和第15A圖至第16C圖，可將電極材料層50L和處理中的導電性阻障板42’進行圖案化。處理中的導電性阻障板42’的圖案化的多個部分包含第一導電性阻障板42A(其接觸相變材料線40的頂表面的第一區域)，和第二導電性阻障板42B(其接觸相變材料線40的頂表面的第二區域)。電極材料層50L的圖案化的多個部分包含第一電極50A(其接觸第一導電性阻障板42A)、和第二電極50B(其接觸第二導電性阻障板42B)。
參看所有的圖式，根據本揭示內容的各個實施方式，提供了一種半導體結構，其可包括：介電絕緣層24，其具有平的頂表面25並位在基板8上方；加熱器線30，其接觸平的頂表面25的第一區域；相變材料(PCM)線40，其包括中間部分(其覆蓋加熱器線30)、第一端部(其鄰接中間部分的第一側並接觸平的頂表面25的第二區域)、和第二端部(其鄰接中間部分的第二側並接觸平的頂表面25的第三區域)；第一電極50A，其接觸相變材料線40的第一端部的側壁並接觸平的頂表面25的第四區域；以及第二電極50B，其接觸相變材料線40的第二端部的側壁並接觸平的頂表面25的第五區域。
在一個實施方式中，半導體結構也可包括側向地圍繞加熱器線30的介電間隔物34，其中：介電間隔物34的底表面具有一內周其與加熱器線30的底表面的周邊重合；並且介電間隔物34的底表面的外周從此內周側向地偏離了一均勻的側向偏離距離。在一個實施方式中，介電間隔物34的底表面的整體與介電絕緣層24的頂表面的一附加的區域接觸。在一個實施方式中，半導體結構也可包括加熱器覆蓋介電板32(其接觸加熱器線30的頂表面)，其中相變材料線40的中間部分的底表面接觸加熱器覆蓋介電板32的頂表面的一區段。在一個實施方式中，半導體結構也可包括：第一導電性阻障板42A，其接觸相變材料線40的第一端部並具有第一波狀的頂表面，此第一波狀的頂表面包括在第一電極下方的第一水平的表面區段、和從第一水平的表面區段向上延伸的第一凸形表面區段；以及第二導電性阻障板42B，其接觸相變材料線40的第二端部並具有第二波狀的頂表面，此第二波狀的頂表面包括在第二電極下方的第二水平的表面區段、和從第二水平的表面區段向上延伸的第二凸形表面區段。在一個實施方式中，第一電極50A可包括第一波狀的底表面其接觸第一導電性阻障板42A的第一波狀的頂表面的整體、第一凸形表面區段、相變材料線40的第一端部的側壁、和介電絕緣層24的頂表面的第四區域；並且第二電極50B可包括的第二波狀的底表面其接觸第二導電性阻障板42B的第二波狀的頂表面的整體、相變材料線40的第二端部的側壁、以及介電絕緣層24的頂表面的第五區域。在一個實施方式中，半導體結構也可包括：多個半導體裝置701，其位在基板8上；和多個金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)，其位在多個介電材料層(601、610、620、630、640)之內，所述介電材料層覆蓋基板8並在介電絕緣層24之下，其中加熱器線30、第一電極50A、和第二電極50B電性連接到多個金屬互連結構(612、618、622、628、631、638、642、648)中的相應一者。
根據本揭示內容的另一個方面，提供了一種半導體結構，其可包括：介電絕緣層24，其具有平的頂表面25，並位在基板8上方；加熱器線30，其接觸介電絕緣層24的平的頂表面25的第一區域；相變材料(PCM)線40，其覆蓋加熱器覆蓋介電板32；第一導電性阻障板42A，其接觸相變材料線40的頂表面的第一區段；第二導電性阻障板42B，其接觸相變材料線40的頂表面的第二區段；第一電極50A，其接觸第一導電性阻障板42A的頂表面；以及第二電極50B，其接觸第二導電性阻障板42B的頂表面。
在一個實施方式中，第一電極50A接觸介電絕緣層24頂表面的第二區域；並且第二電極50B接觸介電絕緣層24的頂表面的第三區域。在一個實施方式中，半導體結構也可包括介電間隔物34其側向地圍繞加熱器線30、相變材料線40、第一導電性阻障板42A、和第二導電性阻障板42B。在一個實施方式中，介電間隔物34的底表面具有一內周其與加熱器線30的底表面的周邊重合；並且介電間隔物34的底表面的外周從此內周側向地偏離了一均勻的側向偏離距離。在一個實施方式中，第一電極50A接觸介電間隔物34的第一外側壁；第二電極50B接觸介電間隔物34的第二外側壁；第一導電性阻障板42A接觸介電間隔物34的第一內側壁；並且第二導電性阻障板42B接觸介電間隔物34的第二內側壁。在一個實施方式中，第一加熱器接觸件導孔結構6523接觸加熱器線30的第一端部的頂表面並且接觸相變材料線40的第一端部的側壁；以及第二加熱器接觸件導孔結構6524接觸加熱器線30的第二端部的頂表面並且接觸相變材料線40的第二端部的側壁。在一個實施方式中，半導體結構也可包括加熱器覆蓋介電板32其覆蓋加熱器線30並在相變材料線40下方，其中相變材料線40的側壁與加熱器線30的側壁垂直地重合並且與加熱器覆蓋介電板32的側壁垂直地重合。
本揭示內容的相變材料裝置可用作相變材料(PCM)開關裝置，其可根據在編程過程期間相變材料的冷卻速率，在介於第一電極50A和第二電極50B之間提供至少兩種不同的電阻狀態。在編程過程的第一部分中，足夠的電流可流過加熱器，以將相變材料線40的中間部分的溫度升高到接近在相變材料線40之內的PCM材料的熔點。在編程過程的第二部分中，可選擇電流的降低速率，以誘發相變材料線40的中間部分中的PCM材料的結晶化，或者誘發相變材料線40的中間部分中的PCM材料的非晶態固化。在其中相變材料線40的中間部分處於晶態狀態的實施方式中，介於第一電極50A和第二電極50B之間的電阻處於低狀態。在其中相變材料線40的中間部分處於非晶態狀態的實施方式中，介於第一電極50A和第二電極50B之間的電阻處於高狀態。在其中介於第一電極50A和第二電極50B之間的電阻處於低狀態的實施方式中，本揭示內容的相變材料開關裝置在介於第一電極50A和第二電極50B之間提供導通狀態(亦即，連接的狀態)。在其中介於第一電極50A和第二電極50B之間的電阻處於高狀態的實施方式中，本揭示內容的相變材料開關裝置在介於第一電極50A和第二電極50B之間提供關斷狀態(亦即，斷開的狀態)。
本揭示內容的相變材料開關可根據需要多次編程為新的狀態。本揭示內容的相變材料開關可用於增加或减少佈置為並聯連接的互相連接的多個組件。這樣的互相連接的多個組件可包含電容器、電感器、二極體、或任何其它的被動或主動半導體裝置。本揭示內容的各個相變材料開關可有利地用於在許多應用中提供多功能性，包括但不限於射頻(radio-frequency, RF)應用、高功率應用、消費者應用、和/或大容量儲存應用。
在編程過程的第一部分中，可經由在施加使相變材料呈非晶態的電脈衝之後控制冷卻的速率來引發介於非晶態狀態和晶態狀態之間的轉變。編程過程的第二部分包括控制相變材料的冷卻速率。在其中發生快速淬火的實施方式中，相變材料可冷卻為非晶態的高電阻率狀態。在其中發生了緩慢冷卻的實施方式中，相變材料可冷卻為晶態的低電阻率狀態。
在第一電極50A和第二電極50B的形成之前，可不使用化學機械平坦化製程來製造本揭示內容的相變材料開關裝置。平坦化製程可僅使用在金屬互連結構(652、658)的形成期間。因此，本揭示內容的相變材料開關裝置可用低的製造成本來製造。
以上概述了數個實施方式的多個特徵，以便本領域技術人員可較佳地理解本揭示內容的多個態樣。本領域的技術人員應理解，他們可能容易地使用本揭示內容，作為其它製程和結構之設計或修改的基礎，以實現與在此介紹的實施方式的相同的目的，和/或達到相同的優點。本領域技術人員亦應理解，與這些均等的建構不脫離本揭示內容的精神和範圍，並且他們可進行各種改變、替換、和變更，而不脫離本揭示內容的精神和範圍。
1710:步驟
1720:步驟
1730:步驟
1740:步驟
22:介電覆蓋層
24:介電絕緣層
25:平的頂表面
28:開關級別介電材料層
30:加熱器線
30L:加熱器材料層
32:加熱器覆蓋介電板
32L:加熱器覆蓋介電層
34:介電間隔物
34L:介電間隔物材料層
40:相變材料線
40L:相變材料層(PCM材料層)
42’:導電性阻障板
42A:第一導電性阻障板
42B:第二導電性阻障板
42L:導電性阻障材料層
50:電極
50A:第一電極
50B:第二電極
50L:電極材料層
52:電極覆蓋介電板
52L:電極覆蓋介電層
601:第一介電材料層
610:第一互連件級別介電材料層
612:裝置接觸件導孔結構
618:第一金屬線結構
620:第二互連件級別介電材料層
622:第一金屬導孔結構
628:第二金屬線結構
630:第三互連件級別介電材料層
632:第二金屬導孔結構
638:第三金屬線結構
640:第四互連件級別介電材料層
642:第三金屬導孔結構
648:第四金屬線結構
652:開關級別金屬導孔結構
6521:第一電極接觸件導孔結構
6522:第二電極接觸件導孔結構
6523:第一加熱器接觸件導孔結構
6524:第二加熱器接觸件導孔結構
658:開關級別金屬線結構
6581:第一電極連接件金屬線結構
6582:第二電極連接件金屬線結構
6583:第一加熱器連接件金屬線結構
6584:第二加熱器連接件金屬線結構
700:CMOS電路
701:場效電晶體(半導體裝置)
720:淺溝槽隔離結構
732:源極電極
735:半導體通道
738:汲極電極
742:源極側金屬半導體合金區域
748:汲極側金屬半導體合金區域
750:閘極結構
752:閘極介電層
754:閘極電極
756:介電閘極間隔物
758:閘極帽介電質
8:基板
9:半導體材料層
B–B’:垂直平面
C–C’:垂直平面
hd1:第一水平方向
hd2:第二水平方向
本揭示內容的多個態樣可由以下的詳細描述並且與所附圖式一起閱讀，得到最佳的理解。注意的是，根據產業中的標準做法，各個特徵並未按比例繪製。事實上，為了討論的清楚起見，可任意地增加或減少各個特徵的尺寸。
第1圖是根據本揭示內容的實施方式，在互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)電晶體、金屬互連結構和介電材料層、可選的介電覆蓋層、介電絕緣層、加熱器材料層、和加熱器覆蓋介電層的形成之後的第一示例性結構的垂直截面視圖。
第2A圖至第2C圖是根據本揭示內容的第一實施方式在加熱器覆蓋介電板和加熱器線的形成之後的第一示例性結構的各種視圖。第2A圖是俯視圖，並且第2B圖和第2C圖分別是沿著第2A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第3A圖至第3C圖是根據本揭示內容的第一實施方式在介電間隔物材料層的形成之後的第一示例性結構的各種視圖。第3A圖是俯視圖，並且第3B圖和第3C圖分別是沿著第3A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第4A圖至第4C圖是根據本揭示內容的第一實施方式在介電間隔物的形成之後的第一示例性結構的各種視圖。第4A圖是俯視圖，第4B圖和第4C圖分別是沿著第4A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第5A圖至第5C圖是根據本揭示內容的第一實施方式在相變材料層和導電性阻障材料層的形成之後的第一示例性結構的各種視圖。第5A圖是俯視圖，並且第5B圖和第5C圖分別是沿著第5A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第6A圖至第6C圖是根據本揭示內容的第一實施方式的處理中的導電性阻障板和相變材料(phase change material, PCM)線的形成之後的第一示例性結構的各種視圖。第6A圖是俯視圖，並且第6B圖和第6C圖分別是沿著第6A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第7A圖至第7C圖是根據本揭示內容的第一實施方式在電極材料層和電極覆蓋介電層的形成之後的第一示例性結構的各種視圖。第7A圖是俯視圖，並且第7B圖和第7C圖分別是沿著第7A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第8A圖至第8C圖是根據本揭示內容的第一實施方式在電極覆蓋介電板、電極、和導電性阻障板的形成之後的第一示例性結構的各種視圖。第8A圖是俯視圖，並且第8B圖和第8C圖分別是沿著第8A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第9A圖至第9C圖是根據本揭示內容的第一實施方式在介電材料層和附加的金屬互連結構的形成之後的第一示例性結構的各種視圖。第9A圖是俯視圖，並且第9B圖和第9C圖分別是沿著第9A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第10A圖至第10C圖是根據本揭示內容的第二實施方式在可選的介電覆蓋層、介電絕緣層、加熱器材料層、加熱器覆蓋介電層、相變材料層、和導電性阻障材料層的形成之後的第二示例性結構的各種視圖。第10A圖是俯視圖，並且第10B圖和第10C圖分別是沿著第10A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第11A圖至第11C圖是根據本揭示內容的第二實施方式在處理中的導電性阻障板、相變材料(PCM)線、加熱器覆蓋介電板、和加熱器線的形成之後的第二示例性結構的各種視圖。第11A圖是俯視圖，並且第11B圖和第11C圖分別是沿著第11A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第12A圖至第12C圖是根據本揭示內容的第二實施方式在介電間隔物材料層的形成之後的第二示例性結構的各種視圖。第12A圖是俯視圖，並且第12B圖和第12C圖分別是沿著第12A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第13A圖至第13C圖是根據本揭示內容的第二實施方式在介電間隔物的形成之後的第二示例性結構的各種視圖。第13A圖是俯視圖，並且第13B圖和第13C圖分別是沿著第13A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第14A圖至第14C圖是根據本揭示內容的第二實施方式在電極材料層和電極覆蓋介電層的形成之後的第二示例性結構的各種視圖。第14A圖是俯視圖，並且第14B圖和第14C圖分別是沿著第14A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第15A圖至第15C圖是根據本揭示內容的第二實施方式在電極覆蓋介電板、電極、和導電性阻障板的形成之後的第二示例性結構的各種視圖。第15A圖是俯視圖，並且第15B圖和第15C圖分別是沿著垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第16A圖至第16C圖是根據本揭示內容的第二實施方式在介電材料層和附加的金屬互連結構的形成之後的第二示例性結構的各種視圖。第16A圖是俯視圖，並且第16B圖和第16C圖分別是沿著第16A圖的垂直平面B–B’或C–C’的垂直截面視圖。
第17圖是一流程圖，此流程圖繪示根據本揭示內容的實施方式的用於製造半導體裝置的大致上的多個製程步驟。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
22:介電覆蓋層
24:介電絕緣層
25:平的頂表面
28:開關級別介電材料層
30:加熱器線
32:加熱器覆蓋介電板
34:介電間隔物
40:相變材料線
42A:第一導電性阻障板
42B:第二導電性阻障板
50:電極
50A:第一電極
50B:第二電極
52:電極覆蓋介電板
652:開關級別金屬導孔結構
6521:第一電極接觸件導孔結構
6522:第二電極接觸件導孔結構
658:開關級別金屬線結構
6581:第一電極連接件金屬線結構
6582:第二電極連接件金屬線結構
C-C’:垂直平面
Claims (20)
- 一種半導體結構，包含： 一介電絕緣層，具有一頂表面並且位在一基板上方； 一加熱器線，接觸該頂表面的一第一區域； 一相變材料線，包含：一中間部分其覆蓋該加熱器線、一第一端部其鄰接該中間部分的一第一側並接觸該頂表面的一第二區域、以及一第二端部其鄰接該中間部分的一第二側並接觸該頂表面的一第三區域； 一第一電極，接觸該相變材料線的該第一端部的一側壁並接觸該頂表面的一第四區域；以及 一第二電極，接觸該相變材料線的該第二端部的一側壁並接觸該頂表面的一第五區域。
- 如請求項1所述之半導體結構，還包含一介電間隔物，側向地圍繞該加熱器線，其中： 該介電間隔物的一底表面具有一內周其與該加熱器線的一底表面的一周邊重合；和 該介電間隔物的該底表面的一外周從該內周側向地偏離了一均勻的側向偏離距離。
- 如請求項2所述之半導體結構，其中，該介電間隔物的該底表面的一整體與該介電絕緣層的該頂表面的一附加的區域接觸。
- 如請求項1所述之半導體結構，還包含一加熱器覆蓋介電板其接觸該加熱器線的一頂表面，其中該相變材料線的該中間部分的一底表面接觸該加熱器覆蓋介電板的一頂表面的一區段。
- 如請求項1所述之半導體結構，還包含： 一第一導電性阻障板，接觸該相變材料線的該第一端部並具有一第一波狀的頂表面，該第一波狀的頂表面包括一第一水平的表面區段其在該第一電極下方、和一第一凸形表面區段其從該第一水平的表面區段向上延伸；以及 一第二導電性阻障板，其接觸該相變材料線的一第二端部並具有一第二波狀的頂表面，該第二波狀的頂表面包括一第二水平的表面區段其在該第二電極下方、和一第二凸形表面區段其從該第二水平的表面區段向上延伸。
- 如請求項5所述之半導體結構，其中： 該第一電極包含一第一波狀的底表面其接觸該第一導電性阻障板的該第一波狀的頂表面的一整體、該第一凸形表面區段、該相變材料線的該第一端部的該側壁、和該介電絕緣層的該頂表面的該第四區域；以及 該第二電極包含一第二波狀的底表面其接觸該第二導電性阻障板的該第二波狀的頂表面的一整體、該相變材料線的該第二端部的該側壁、和該介電絕緣層的該頂表面的該第五區域。
- 如請求項1所述之半導體結構，進一步包含： 多個半導體裝置，位在該基板上；和 多個金屬互連結構，位在多個介電材料層之內，該些介電材料層在該基板之上和在該介電絕緣層之下，其中該加熱器線、該第一電極、和該第二電極電性連接到該些金屬互連結構中的一相應的一者。
- 一種半導體結構，包含： 一介電絕緣層，具有一頂表面並且位在一基板上方； 一加熱器線，接觸該介電絕緣層的該頂表面的一第一區域； 一相變材料線，覆蓋一加熱器覆蓋介電板； 一第一導電性阻障板，接觸該相變材料線的一頂表面的一第一區段； 一第二導電性阻障板，接觸該相變材料線的該頂表面的一第二區段； 一第一電極，接觸該第一導電性阻障板的一頂表面；以及 一第二電極，接觸該第二導電性阻障板的一頂表面。
- 如請求項8所述之半導體結構，其中： 該第一電極接觸該介電絕緣層的該頂表面的一第二區域；以及 該第二電極接觸該介電絕緣層的該頂表面的一第三區域。
- 如請求項8所述之半導體結構，還包含一介電間隔物其側向地圍繞該加熱器線、該相變材料線、該第一導電性阻障板、和該第二導電性阻障板。
- 如請求項10所述之半導體結構，其中： 該介電間隔物的一底表面具有一內周其與該加熱器線的一底表面的一周邊重合；和 該介電間隔物的該底表面的一外周從該內周側向地偏離了一均勻的側向偏離距離。
- 如請求項11所述之半導體結構，其中： 該第一電極接觸該介電間隔物的一第一外側壁； 該第二電極接觸該介電間隔物的一第二外側壁； 該第一導電性阻障板接觸該介電間隔物的一第一內側壁；和 該第二導電性阻障板接觸該介電間隔物的一第二內側壁。
- 如請求項8所述之半導體結構，還包含： 一第一加熱器接觸件導孔結構，接觸該加熱器線的一第一端部的一頂表面並接觸該相變材料線的一第一端部的一側壁；和 一第二加熱器接觸件導孔結構，接觸該加熱器線的一第二端部的一頂表面並接觸該相變材料線的一第二端部的一側壁。
- 如請求項8所述之半導體結構，還包含一加熱器覆蓋介電板其覆蓋該加熱器線並在該相變材料線下方，其中該相變材料線的多個側壁與該加熱器線的多個側壁垂直地重合並且與該加熱器覆蓋介電板的多個側壁垂直地重合。
- 一種形成半導體結構的方法，該方法包含： 在一基板上方形成一介電絕緣層其具有一頂表面； 在該介電絕緣層上方形成包括一加熱器線、一相變材料線、和一處理中的導電性阻障板的一組合，其中該加熱器線的一底表面直接地形成在該介電絕緣層的一頂表面的一第一區域上； 在該組合上方形成一電極材料層，其中該電極材料層直接地形成在該介電絕緣層的該頂表面的另一個區域上；以及 圖案化該電極材料層和該處理中的導電性阻障板，其中： 該處理中的導電性阻障板的圖案化的多個部分包含一第一導電性阻障板其接觸該相變材料線的一頂表面的一第一區域，和一第二導電性阻障板其接觸該相變材料線的該頂表面的一第二區域；和 該電極材料層的圖案化的多個部分包含一第一電極其接觸該第一導電性阻障板、和一第二電極其接觸該第二導電性阻障板。
- 如請求項15所述之形成半導體結構的方法，其中該相變材料線包含： 一中間部分，形成在該加熱器線上方； 一第一端部，鄰接該中間部分的一第一側，並且直接地形成在該介電絕緣層的該頂表面的一第二區域上；和 一第二端部，鄰接該中間部分的一第二側，並且直接地形成在該頂表面的一第三區域上。
- 如請求項16所述之形成半導體結構的方法，其中： 該第一電極接觸該相變材料線的該第一端部的一側壁，並且接觸該頂表面的一第四區域；和 該第二電極接觸該相變材料線的該第二端部的一側壁並接觸該頂表面的一第五區域。
- 如請求項15所述之形成半導體結構的方法，還包含在該加熱器線的周圍並直接地在該加熱器線上形成一介電間隔物，其中： 該介電間隔物的一底表面具有一內周其與該加熱器線的一底表面的一周邊重合；和 該介電間隔物的該底表面的一外周從該內周側向地偏離了一均勻的側向偏離距離。
- 如請求項15所述之形成半導體結構的方法，其中形成包括該加熱器線、該相變材料線、和該處理中的導電性阻障板的該組合經由： 沉積一層堆疊，該層堆疊包括一加熱器材料層、一相變材料層、和一導電性阻障材料層； 在該層堆疊上方形成一圖案化的光阻劑層；和 通過該層堆疊轉移在該圖案化的光阻劑層中的一圖案，其中： 該導電性阻障材料層的一圖案化的部分包含該處理中的導電性阻障板； 該相變材料層的一圖案化的部分包含該相變材料線；和 該加熱器材料層的一圖案化的部分包含該加熱器線。
- 如請求項15所述之形成半導體結構的方法，還包含： 在該基板上形成多個半導體裝置； 在該基板上方形成多個金屬互連結構和多個介電材料層，其中該些金屬互連結構形成在該些介電材料層中，並且該介電絕緣層形成在該些金屬互連結構上方；和 經由形成附加的多個金屬互連結構，將該加熱器線、該第一電極、和該第二電極電性連接到該些金屬互連結構中的一相應的一者。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US17/829,562 | 2022-06-01 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202416509A true TW202416509A (zh) | 2024-04-16 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10211257B2 (en) | High density resistive random access memory (RRAM) | |
| JP5981424B2 (ja) | メモリー素子に関する柱状構造及び方法 | |
| US10546999B2 (en) | Variable resistance memory devices and methods of manufacturing the same | |
| JP2008172218A (ja) | メモリデバイス、特に、トランジスタを備えた相変化ランダムアクセスメモリデバイス、およびメモリデバイスを形成する方法 | |
| US11696448B2 (en) | Memory device and method of forming the same | |
| KR102146760B1 (ko) | 신규의 상 변화 랜덤 액세스 메모리 디바이스 | |
| US20090294750A1 (en) | Phase change memory devices and methods for fabricating the same | |
| US11538862B2 (en) | Three-dimensional memory device and manufacturing method thereof | |
| TW202114148A (zh) | 記憶體元件 | |
| US20130200328A1 (en) | Phase change memory devices | |
| US10833267B2 (en) | Structure and method to form phase change memory cell with self- align top electrode contact | |
| CN219719008U (zh) | 半导体结构 | |
| TW202416509A (zh) | 半導體結構和形成半導體結構的方法 | |
| CN108123035B (zh) | 相变化记忆体 | |
| CN108172684B (zh) | 相变化记忆体及其制造方法 | |
| TW202201557A (zh) | 場效電晶體及其製造方法 | |
| US20070267669A1 (en) | Phase-changeable memory device and method of manufacturing the same | |
| US20230389449A1 (en) | Encapsulated phase change material switch and methods for forming the same | |
| CN219961264U (zh) | 相变材料开关 | |
| CN220359687U (zh) | 开关结构与半导体结构 | |
| US20240224823A1 (en) | Phase change material radio-frequency device and methods for forming the same | |
| US20240224824A1 (en) | Phase change material radio-frequency switch for low power consumption and methods for forming the same | |
| US20240074334A1 (en) | Phase-change memory device and method for fabricating the same | |
| CN117915759A (zh) | 形成装置结构的方法以及开关装置 | |
| KR20100089132A (ko) | 상변화 메모리 유닛, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 상변화 메모리 장치 |