使用气体团簇离子束形成存储器单元的方法技术

本发明专利技术揭示一种可变电阻存储器单元结构及一种形成所述可变电阻存储器单元结构的方法。所述方法包含：形成第一电极、在所述第一电极上方形成绝缘材料、在所述绝缘材料中形成通孔以暴露所述第一电极的表面、使用气体团簇离子束在所述通孔内形成加热器材料、在所述通孔内形成可变电阻材料及形成第二电极，使得所述加热器材料及可变电阻材料提供于所述第一与第二电极之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例涉及半导体装置领域。明确地说，所述实施例涉及一种使用气体团簇离子束(GCIB)来制作存储器单元的方法。
技术介绍
非易失性相变存储器单元因其在缺少电力供应的情况下维持数据的能力而成为集成电路的所要元件。已调查过供在非易失性存储器单元中使用的各种可变电阻材料(包含硫属化合物合金)，所述可变电阻材料能够在非晶相与结晶相之间稳定地转变。每一相展现特定电阻状态且所述电阻状态可用来区分存储器单元的逻辑值。具体来说，非晶态展现相对高的电阻，而结晶态展现相对低的电阻。此一个相变存储器单元110可具有图IA及图IB中所图解说明的结构，其包含介于第一与第二电极112、118之间的一层相变材料116，所述第一及第二电极由具有含纳第一电极112的开口的电介质材料114支撑。根据由第一及第二电极112、118施加的电流的量将相变材料116设定为特定电阻状态。为获得非晶态(图1B)，在第一时间周期施加初始写入电流脉冲(即，复位脉冲)穿过常规相变存储器单元110以变更相变材料116的邻近第一电极112的至少一部分126。移除电流且相变材料116冷却到低于结晶温度的温度，此导致相变材料116的覆盖第一电极112的部分1 具有非晶态。为获得结晶态(图1A)，在第二时间周期将低于初始写入电流脉冲的写入电流脉冲(即，设定脉冲)施加到相变存储器单元110，所述第二时间周期通常在持续时间上比非晶相变材料的结晶时间长，从而导致将相变材料116的非晶部分1 加热到低于其熔点但高于其结晶温度的温度。此致使相变材料116的非晶部分1 再结晶。非晶部分1 再结晶到一旦移除电流且相变存储器单元 110经冷却便得以维持的状态。通过将读取电压施加到电极112、118来读取相变存储器单元110，此并不改变相变材料116的状态，但此准许读取相变材料116的电阻。上文所描述的相变存储器装置110的一个可能缺点是实现相变需要大的编程电流。在尝试减小存储器单元的大小时及在制作大的存储器单元阵列时，对大电流的此需要为一限制。与上文所描述的相变存储器单元110相关联的另一问题是热损耗。由于相变材料116与第一电极112的大面积直接接触，因此可存在显著的热损耗量，从而导致大的复位电流要求。另外，由于相变材料116的可编程体积(即，部分126)不受局限且具有在相变期间向侧面延伸的自由，因此可减小切换稳定性。一种用以减小高电流要求、减小热损耗并改善切换稳定性的技术局限并减小相变材料116的可编程体积且还减小与可编程体积接触的电极面积。图2A图解说明使用所述局限技术的相变存储器单元210的一个实例。为制作相变存储器单元210，将通孔(例如， 圆柱形通孔)蚀刻到第二绝缘层224中以暴露第一电极212。沿通孔222的侧壁230沉积一层相变材料216以充当相变存储器单元210的可编程体积。在相变材料216上方及通孔 222内沉积第三绝缘层228。后续化学-机械平面化(CMP)步骤移除相变材料216及绝缘材料228，在第二绝缘层2M处停止。CMP工艺暴露可由第二电极218覆盖且与其接触的相变材料216的环232。参考图2B，已知，由于到达角分布及不良阶梯覆盖，常规物理气相沉积(PVD)工艺无法始终准确地控制沿通孔222的侧壁230沉积的相变材料216的厚度。在围绕通孔222 的场区域231上沉积厚的相变材料层对后续CMP工艺造成问题，因为其在CMP工艺期间引入大的膜应力及相变材料粘附问题。材料在通孔222的顶部处过度伸出可致使开口 “缩颈 (necking in) ”，此可限制或禁止结构的后续薄膜沉积及/或填充。此问题可导致相变存储器单元中的空隙及有故障的存储器装置。因此，期望使用一种在不在整个工艺流程中引入问题的情况下在加热器与相变材料之间的界面处提供所需各向异性水平的制作工艺。还期望减小空隙且提供一种制作半导体装置的方法，所述方法允许恢复由于材料在相变存储器通孔的开口处的过度伸出所致的有故障装置。附图说明图IA到图IB是常规相变存储器单元的示意图。图2A到图2B是另一常规相变存储器单元及其中间制作阶段的示意图。图3A到图31根据本文中所描述的实施例示意性图解说明可变电阻存储器单元的形成。图4A到图4C根据本文中所描述的另一实施例的步骤中的某些步骤示意性图解说明可变电阻存储器单元的形成。具体实施例方式在以下详细描述中，参考某些实施例。充分详细地描述这些实施例以使得所属领域的技术人员能够实践所述实施例。应理解，可采用其它实施例且可做出各种结构、逻辑及电改变。以下描述中所使用的术语“衬底”可包含任何支撑结构，包含但不限于具有经暴露衬底表面的半导体衬底。半导体衬底应理解为包含硅、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅 (SOS)、经掺杂及未经掺杂半导体、由基底半导体基础支撑的外延硅层及其它半导体结构， 包含由除硅以外的半导体制成的那些半导体结构。当在以下描述中参考半导体衬底时，可已利用先前工艺步骤在基底半导体或基础中或其上方形成区域或结。所述衬底也无需是基于半导体的，但可以是适于支撑集成电路的任何支撑结构，包括但不限于金属、合金、玻璃、 聚合物、陶瓷及此项技术中已知的任何其它支撑性材料。本文中所描述的实施例提供一种在通孔的底部上形成材料的方法，所述方法在加热器与可变电阻材料之间的界面处提供所需的各向异性水平。即，所述方法在通孔的侧壁上没有显著沉积的情况下在高纵横比通孔的底部处提供均勻覆盖。所述方法使用气体团簇离子束(GCIB)来沉积仅存在于可变电阻存储器单元的通孔的底部中的材料。所述方法包含形成第一电极、在第一电极上方形成绝缘材料、在绝缘材料中形成通孔以暴露第一电极的表面、使用气体团簇离子束在第一电极的表面上形成加热器材料、移除加热器材料的在绝缘材料上方的一部分、在加热器材料上方形成可变电阻材料且在可变电阻材料上方形成第二电极。6参考图3A到图31，现在参考可变电阻存储器单元的形成描述一个实施例，其中在所有所述图式中针对相同特征一致地使用相同参考编号。本文中所描述的实施例可用于存储器单元阵列，所述存储器单元阵列可由未用作存储器单元的集成电路同时或部分地形成。图3A图解说明存储器装置310，其包含通过下文参考图;3B到图31所描述的方法形成的多个可变电阻材料存储器单元302。存储器装置310包含衬底300、第一电极312、加热器材料316、可变电阻材料318及第二电极320。存储器单元302形成于绝缘层314、3M 内。图;3B描绘通过(例如)在支撑衬底300上方沉积第一绝缘层314形成的中间可变电阻存储器装置结构310a。第一绝缘层314可通过任何适合的方法形成且可以是任何绝缘材料，例如，氮化物、氧化物、高温聚合物、低介电常数材料、绝缘玻璃及绝缘聚合物等等。如图3C中所示，通过任何适合的方法蚀刻第一绝缘层314以形成通孔301。如图 3D中所描绘，在通孔301内形成第一电极312。第一电极312可通过任何适合的方法形成且可以是任何导电材料，例如，氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨(W)、氮化钨(WN)、氮化钛铝 (TiAlN)、钛钨(Tiff)或钼(Pt)等等。随后，如图3E中所示，在第一绝缘层314及第一电极312上方形成第二绝缘层 324。第二绝缘层3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种形成存储器单元的方法，所述方法包括：形成第一电极；在所述第一电极上形成绝缘材料；在所述绝缘材料中形成通孔以暴露所述第一电极的表面；使用气体团簇离子束在所述通孔内形成加热器材料；在所述通孔内形成可变电阻材料；及在所述可变电阻材料及加热器材料上形成第二电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·斯迈思，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：US