CN101246950B - 具有较低电流相变化元件的存储元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有较低电流相变化元件的存储元件。该装置包含一电极元件且电性接触于一相变化层。该相变化层是由一具有至少两种固态相的存储材料所组成。一顶电极元件与该相变化层电性接触于一位置，而该位置远离该电极元件的接触位置。而此结构产生通过该相变化元件的一电流，而该电流的至少一部份是垂直于该电极元件内的电流路径。

Description

具有较低电流相变化元件的存储元件
技术领域
本发明涉及非易失性存储器技术领域，特别是针对包含具有两种或更多固态相材料的存储元件。
背景技术
以相变化为基础的存储材料被广泛地运用于读写光盘片中。而这些材料包括有至少两种固态相，包括如一大部分为非晶态的固态相，以及一大体上为结晶态的固态相。激光脉冲用于读写光盘片中，以在两种相之间切换，并读取此种材料在相变化之后的光学性质。
以相变化材料为基础的存储器材料，如硫属化物材料及其类似材料，也可以通过施加合适于集成电路操作的电流而改变状态。此通常为非晶状态具有较通常为结晶状态为高的电阻特性，其可以被快速感应数据之用。此等性质有利于作为非易失性存储器电路的可编程电阻材料，其可以用随机方式进行数据的读取与写入。
自非晶状态改变为结晶状态的相变化通常是一较低电流的操作。而自结晶状态改变为结非晶状态的相变化，在此称为复位，一般为一高电流操作，其包括一短暂的高电流密度脉冲以熔化或破坏结晶结构，其后此相变化材料会快速冷却，抑制相变化的过程，使得至少部份相变化结构得以维持在非晶态。在理想状态下，致使相变化材料从结晶态转变至非晶态的复位电流强度应越低越好。为降低复位所需的复位电流强度，可通过减低在存储器中的相变化材料元件的尺寸、以及减少电极与此相变化材料的接触面积，从而对此相变化材料元件施加较小的绝对电流值，便可达成较高的电流密度。
此领域发展的一种方法是致力于在一集成电路结构上形成微小孔洞，并使用微量可编程的电阻材料填充这些微小孔洞。致力于此等微小孔洞的专利包括：于1997年11月11日公告的美国专利第5,687,112号”Multibit Single Cell Memory Element Having Tapered Contact”、发明人为Ovshinky；于1998年8月4日公告的美国专利第5,789,277号”Method of Making Chalogenide[sic]Memory Device”、发明人为Zahorik等；于2000年11月21日公告的美国专利第6,150,253号”Controllable Ovonic Phase-Change Semiconductor Memory Deviceand Methods of Fabricating the Same”、发明人为Doan等。
在以非常小的尺度制造这些元件、以及为满足大规模生产存储元件时所需求的严格工艺变量时，则会遭遇到问题。较佳地是提供一种存储单元结构，该存储单元结构包括有小尺寸以及低复位电流，以及用以制造此等结构的方法。而更需要提供一制造方法及一结构，而其足以制造在相同集成电路上的周边电路。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种具有一厚度缩小的相变化薄膜的存储装置。该装置包含一电极元件且电性接触于一相变化层。该相变化层由一具有至少两种固态相的存储材料所组成。一侧电极元件与该相变化层在电性接触于一位置，而该位置远离该电极元件的接触位置。一阻挡元件，而该阻挡元件由一绝缘材料形成，其位置与该电极元件分别在该相变化层的两侧，以及在该相变化层的侧向延伸大于该相变化层与该电极元件间的接触区域。而此结构产生通过该相变化元件的一电流，而该电流的至少一部份是垂直于该电极元件内的电流路径。
关于本发明更进一步的特征是一种具有一薄膜相变化元件的存储装置。一薄膜厚度在2至20纳米之间以允许一非常低的复位电流，同时允许非常低的存储材料的使用。
关于本发明另一特征是使用在该电极元件对侧并接触该存储材料的一绝缘阻挡元件，以及位线覆盖与围绕在该阻挡层以接触靠近该阻挡层周围的该相变化层。而该阻挡元件较佳地在该相变化层方向具有一侧边延伸并大于该电极元件的侧向延伸，以及迫使电流通过该存储材料，以确保有足够的焦耳热来产生所需要的相变化。
附图说明
图1是依据本发明一存储元件的一实施例。
图2是说明在图1实施例中的电流。
图3A至图3N是绘示制造图1元件的工艺的一实施例。
图4至图12是绘示制造该电极元件的一较佳替代实施例。
图13至图14是绘示图10至图12制造该电极元件工艺的一替代实施例。
【主要元件符号说明】
10存储元件
102、102a、102b接触元件
103a、103b字线
104介电填充层(介电填充材料)
105源极线
106、106a、106b电极延展元件(传导材料)
107a、107b、111光刻胶带
108相变化材料
109上绝缘层
110、110a、110b分隔层(分隔元件)
112、112a、112b掩膜层(掩膜元件)
114、214顶电极元件(位线)
115、115a、115b、215a、215b阻挡元件
116区域
120、130尺寸
160长度
165厚度
412第二绝缘层
414覆盖层
500沟道
510、910、1200临界尺寸
600放大沟道
610突出部位
602侧壁
700侧壁子层
710孔缝
800侧壁子
900空隙
1100、1300电极元件材料保形层
具体实施方式
图1至图14是提供薄膜相变化存储单元、此等存储单元的阵列、以及制造此等存储单元的方法的详细描述。可以理解的在此所提及的说明及图式仅为例示之用，而不应该理解为限制本发明的范围。权利要求书才是作为决定本发明的范围依据。
关于本发明的一存储元件10的一实施例，如图1所示。可理解的是图1所显示的概要形式仅为一存储器芯片在最终制造和使用配置上的一部份。电路元件是在此所显示部位的上方及下方形成。举例来说，在一实施例中一晶体管位于该存储元件之下，如下述所解释。
此时，先确定几个名词以有助于后续理解。首先，必须注意的是「存储元件」此词汇是指提供一用以储存一或更多位信息位置所需的装置。而一「存储单元」是指一存储元件与一存取电路元件的一组合，一般包含一晶体管，而其具有一栅极耦接于一位线、一漏极耦接于一用以连结该存储元件的接触位置，以及一源极耦接于一参考线或接地，或包含一二极管，而其具有一终端耦接于一字线或一参考线。该存取电路在操作上是搭配与阵列平行的位线和字线来传递讯号至合适的个别存储元件。而其它被用来提供存取至存储元件的结构也可被本领域技术人员选择使用。在此该存取电路是较佳位于低于该存储元件10的位置(在此未示)。
在该存储元件10的衬底，具有一顶表面的一接触元件102由位于图1所示存储元件下方的电路元件来传导电流。该接触元件102，较佳是由一惰性金属(例如：钨)所形成。其它的惰性金属也可以使用，包括钛(Ti)，钼(Mo)，铝(Al)，钽(Ta)，铜(Cu)，铂(Pt)，铱(Ir)，镧(La)，镍(Ni)及钌(Ru)，以及这些金属的氧化物或是氮化物。举例来说，像是氮化钛、氧化钌或氧化镍等金属是为熟知或有效的惰性金属化合物。该接触元件102作为一电流路径至电极元件106之用。
一电极元件106，而其较佳由可有效作为一电流载体的材料来形成，且同时具有与相变化材料有限作用活性的性质。在一实施例中使用氮化钛来扮演这样的角色。在替代实施例中，可以使用氮化钽，而在其它实施例中该电极可以用氮化铝钛或氮化铝钽。
接触元件102及电极元件106被介电填充层104所围绕，而其较佳是一介电填充材料，例如：二氧化硅。其它合适的材料包括有聚亚酰胺(polyimide)、氮化硅或其它在本项技艺中所熟知的介电填充材料。
如上述，在该电极元件106之上及与该电极元件106电性接触的是一相变化材料108薄膜。该相变化材料108可由多种不同材料来制造，包含硫属化物(chalcogenide)。硫属化物包括下列四元素的任一者：氧(O)、硫(S)、硒(Se)、以及碲(Te)，该四元素形成元素周期表上第VI族的部分。硫属化物包括将一硫属元素与一正电性的元素或自由基结合而得。硫属化合物合金包括将硫属化合物与其它物质如过渡金属等结合。一硫属化合物合金通常包括一个以上选自元素周期表第IV族的元素，例如锗(Ge)以及锡(Sn)。通常，硫属化合物合金包括下列元素中一个以上的复合物：锑(Sb)、镓(Ga)、铟(In)、以及银(Ag)。许多以相变化为基础的存储材料已经被描述于技术文件中，包括下列合金：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、以及碲/锗/锑/硫。在锗/锑/碲合金家族中，可以尝试大范围的合金成分。此成分可以下列特征式表示：TeaGebSb100-(a+b)，其中a与b是代表在所有构成元素中的原子百分比。一位研究员描述了最有用的合金为，在沉积材料中所包含的平均碲浓度远低于70％，典型地低于60％，并在一般型态合金中的碲含量范围从最低23％至最高58％，且最佳是介于48％至58％的碲含量。锗的浓度是约高于5％，且其在材料中的平均范围是从最低8％至最高30％，一般是低于50％。最佳地，锗的浓度范围是介于8％至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％。(Ovshinky‘112专利，栏10～11)由另一研究者所评估的特殊合金包括Ge2Sb2Te5、GeSb2Te4、以及GeSb4Te7。(Noboru Yamada，”Potentialof Ge-Sb-Te Phase-change Optical Disks for High-Data-Rate Recording”，SPIE v.3109，pp.28～37(1997))更一般地，过渡金属如铬(Cr)、铁(Fe)、镍(Ni)、铌(Nb)、钯(Pd)、铂(Pt)、以及上述的混合物或合金，可与锗/锑/碲结合以形成一相变化合金其包括有可编程的电阻性质。可使用的存储材料的特殊范例，例如Ovshinsky‘112专利中栏11～13所述，其范例在此被列入参考。
相变化合金可在一第一结构态与第二结构态之间切换，其中第一结构态是指此材料大体上为非晶固相，而第二结构态是指此材料大体上为结晶固相。这些合金至少为双稳定的(bistable)。此词汇「非晶」用以指称一相对较无次序的结构，其较之一单晶更无次序性，而带有可检测的特征如比结晶态更高的电阻值。此词汇「结晶」是用以指称一相对较有次序的结构，其较之非晶态更有次序，因此包括有可检测的特征例如比非晶态更低的电阻值。典型地，相变化材料可电切换至完全结晶态与完全非晶态之间所有可检测的不同状态。其它受到非晶态与结晶态的改变而影响的材料特中包括，原子次序、自由电子密度、以及活化能。此材料可切换成为不同的固态、或可切换成为由两种以上固态所形成的混合物，提供从非晶态至结晶态之间的灰阶部分。此材料中的电性质也可能随之改变。
相变化合金可以通过施加电脉冲从一相状态变化成另一相状态。已经观察出一较短较高振幅脉冲容易使相变化材料变成一般非晶状态，一般称作为重设脉冲。较长较低振幅脉冲容易使相变化材料变成一通常结晶状态，一般称作为程序脉冲。较短较长振幅脉冲内的能量够高到使结晶结构的键能断裂，并且短到足以避免原子重新排成结晶状态。适合脉冲的状况可以依照经验法则判断，不需要过多的实验，而能找出适用于一特定的相变化合金的条件。下列说明里，相变化材料称为GST，应了解其它类型相变化材料也可以使用。用以实施在该PCRAM的材料为Ge2Sb2Te5。
硫属化物及其它相变化材料在一些实施例中掺杂杂质以更改导电度、转变温度、熔点、以及其它使用掺杂硫属化物的存储元件特性，用来掺杂硫属化物的典型的杂质包含氮、硅、氧、二氧化硅、氮化硅、铜、银、金、铝、氧化铝、钛、氧化钛、氮化钛、钽、氧化钽。参见美国第6,800504号专利及美国专利申请号第2005/0029502号专利。
其它可编程电阻存储材料也可以使用于本发明的其它实施例中，包括N型掺杂相变化材料(GST)，GexSby，或是其它可用不同结晶相变化来决定电阻值；PrxCayMnO3，PrSrMnO，ZrOx或其它可用电子脉冲来改变电阻状态；TCQN，PCBM，TCNQ-PCBM，Cu-TCNQ，Ag-TCNQ，C60-TCNQ，TCNQ中掺杂其它金属，或是其它任何高分子材料有着可用电子脉冲来控制的双相稳定或多重向稳定的电阻状态。
接着简单描述四种类型的电阻存储材料。第一型为硫属化物材料，例如：GexSbyTez，其中x∶y∶z＝2∶2∶5，或其它成分为x：0～5；y：0～5；z：0～10。以氮、硅、钛或其它元素掺杂的GeSbTe也可被使用。
用来形成硫属化物材料的示范方法，是利用PVD溅射或磁电管(magnetron)溅射方式，其反应气体为氩气、氮气、及/或氦气等、在压力为1mTorr至100mTorr。此沉积步骤一般在室温下进行。一长宽比为1～5的准直器(collimater)可用以改良其注入表现。为了改善其注入表现，也可使用数十至数百伏特的直流偏压。另一方面，同时合并使用直流偏压以及准直器也是可行的。
可以选择性地在真空中或氮气环境中进行一沉积后退火处理，以改良硫属化物材料的结晶态。此退火处理的温度典型地是介于100℃至400℃，而退火时间则少于30分钟。
硫属化物材料的厚度系随着细胞结构的设计而定。一般而言，硫属化物的厚度大于8nm者可以具有相转换特性，使得此材料展现至少双稳定的电阻态。
在本实施例中适合使用的第二型存储材料是超巨磁阻(CMR)材料，例如：PrxCayMnO3，其中x∶y＝0.5∶0.5，或其它成分为x：0～1；y：0～1。包括有锰氧化物的超巨磁阻材料也可被使用。
用以形成超巨磁阻材料的示范方法，是利用PVD溅射或磁电管溅射方式，其反应气体为氩气、氮气、氧气及/或氦气、压力为1mTorr至100mTorr。此沉积步骤的温度可介于室温至600℃，视后处理条件而定。一长宽比为1～5的准直器(collimater)可用以改良其注入表现。为了改善其注入表现，也可使用数十至数百伏特的直流偏压。另一方面，同时合并使用直流偏压以及准直器也是可行的。可施加数十高斯(Gauss)至1特司拉(tesla，10,000高斯)之间的磁场，以改良其磁结晶态。
可以选择性地在真空中或氮气环境中或氧气/氮气混合环境中进行一沉积后退火处理，以改良超巨磁阻材料的结晶态。此退火处理的温度典型地是介于400℃至600℃，而退火时间则少于2小时。
超巨磁阻材料的厚度随着存储单元结构的设计而定。厚度介于10nm至200nm的超巨磁阻材料，可被用作为核心材料。一YBCO(YBACuO3，一种高温超导体材料)缓冲层通常被用以改良超巨磁阻材料的结晶态。此YBCO的沉积是在沉积超巨磁阻材料之前进行。YBCO的厚度介于30nm至200nm。
第三种存储材料为双元素化合物，例如：NixOy、TixOy、AlxOy、WxOy、ZnxOy、ZrxOy、CuxOy等，其中x∶y＝0.5∶0.5，或其它成分为x：0～1；y：0～1。
用以形成此存储材料的示范方法是利用PVD溅射或磁电管溅射方式，其反应气体为氩气、氮气、氧气、及/或氦气、压力为1mTorr至100mTorr，其标靶金属氧化物为如NixOy、TixOy、AlxOy、WxOy、ZnxOy、ZrxOy、CuxOy等。此沉积步骤一般在室温下进行。一长宽比为1～5的准直器可用以改良其注入表现。为了改善其注入表现，也可使用数十至数百伏特的直流偏压。若有需要时，同时合并使用直流偏压以及准直器也是可行的。
可以选择性地在真空中或氮气环境或氧气/氮气混合环境中进行一沉积后退火处理，以改良金属氧化物内的氧原子分布。此退火处理的温度典型地介于400℃至600℃，而退火时间则少于2小时。
另一替代形成方法是使用PVD溅射或磁电管溅射方式，其反应气体为氩气/氧气、氩气/氮气/氧气、纯氧、氦气/氧气、氦气/氮气/氧气等，压力为1mTorr至100mTorr，其标靶金属氧化物为如Ni、Ti、Al、W、Zn、Zr、Cu等。此沉积步骤一般在室温下进行。一长宽比为1～5的准直器可用以改良其注入表现。为了改善其注入表现，也可使用数十至数百伏特的直流偏压。若有需要时，同时合并使用直流偏压以及准直器也是可行的。
可以选择性地在真空中或氮气环境或氧气/氮气混合环境中进行一沉积后退火处理，以改良金属氧化物内的氧原子分布。此退火处理的温度典型地介于400℃至600℃，而退火时间则少于2小时。
而又一形成方法是使用一高温氧化系统，例如：一高温炉管或一快速热处理(RTP)系统。此温度介于200℃至700℃、以纯氧或氮气/氧气混合气体，在压力为数mTorr至一大气压下进行。进行时间可从数分钟至数小时。另一氧化方法为等离子体氧化。一无线射频或直流电压源等离子体与纯氧或氩气/氧气混合气体、或氩气/氮气/氧气混合气体，在压力为1mTorr至100mTorr下进行金属表面的氧化，例如Ni、Ti、Al、W、Zn、Zr、Cu等。此氧化时间是从数秒钟至数分钟。氧化温度是从室温至约300℃，视等离子体氧化的程度而定。
第四种存储材料是聚合物材料，例如：掺杂有铜、碳六十、银等的TCNQ，或PCBM、TCNQ混合聚合物。一种形成方法是采用蒸发法，该法是利用热蒸发、电子束蒸发、或原子束外延系统(MBE)进行蒸发。一固态TCNQ以及掺杂物颗粒是在一单独室内进行共蒸发。此固态TCNQ以及掺杂物颗粒是置于一钨船或一钽船或一陶瓷船中。接着施加一大电流或电子束，以熔化反应物，使得这些材料混合并沉积于晶圆之上。此处并未使用反应性化学物质或气体。此沉积作用是在压力为10-4Torr至10-10Torr下进行。晶圆温度介于室温至200℃。
可以选择性地在真空中或氮气环境中进行一沉积后退火处理，以改良聚合物材料的成分分布。此退火处理的温度典型地介于室温至300℃，而退火时间则少于1小时。
另外用来形成聚合物基础存储材料层的技术是使用一旋转涂布机与经掺杂的TCNQ溶液，转速低于1000rpm。在旋转涂布之后，此晶圆静置(典型地是在室温下，或低于200℃的温度)一足够时间以利固态的形成。此静置时间可介于数分钟至数天，视温度以及形成条件而定。
如熟习此技艺人士所能了解，可以使用在此所应用的原理来选择合适的相变化元件以配合特定的情况。在本发明中所提供的进步是该相变化元件可以非常地薄，范围在2至20纳米之间。
于该相变化层之上，且一般是在该电极元件106中央处包含一分隔层110和一掩膜层112的一双层结构。较佳地，该分隔层110远薄于该掩膜层112的厚度。该分隔层110是由一电性及热绝缘物质所组成，例如：二氧化硅或其相似物质。
若有需要可使用一更有效的热绝缘物质。而此等绝缘物质应为一比该分隔层110的材料热绝缘性更好的热绝缘物质，至少好上10％。因此当该层间介电质包含二氧化硅，该热绝缘材料较佳具有一导热值低于二氧化硅的0.014J/cm*K*sec。在其它较佳实施例中，该热绝缘物质的导热性低于相变化材料的非晶态的导热性，或者对于一包含有GST的相变化材料而言、低于约0.003J/cm*K*sec。用以分隔层110的代表性材料包括低导热(low-K)材料，包括由硅、碳、氧、氟、与氢所组成的复合材料。可使用于分隔层110的热绝缘材料的范例，包括二氧化硅、SiCOH、聚亚酰胺、聚酰胺、以及氟碳聚合物。其它可用于隔离层110中的材料范例，包括氟化的二氧化硅、硅氧烷(silsesquioxane)、聚亚芳香醚(polyarylene ether)、聚对二甲苯(parylene)、含氟聚合物、含氟非晶碳、钻石类碳、多孔性二氧化硅、中孔性二氧化硅、多孔性硅氧烷、多孔性聚亚酰胺、以及多孔性聚亚芳香醚。在其它实施例中，此热绝缘结构包括了一气体填充的空洞，以达成热绝缘。单层或复合层均可提供热绝缘与电绝缘效果。
本发明提供掩膜层112以保护该分隔层110，而其较佳完全地覆盖该分隔层110。二氧化硅及其相似材料较容易与一般金属化过程中所使用金属层材料产生反应，因此较佳提供一保护材料来阻挡此等反应。而对于此层较佳使用氮化硅或其相似材料。
将该分隔层110与该掩膜层112合并形成一阻挡元件115。因其为一绝缘物，该阻挡元件115防止电流由该相变化层108直接流过至该顶电极元件114(在一些实施例中是一位线114的一部分)，使得该电流绕过该阻挡元件。因此，通过该相变化层108的电流路径由平行于该相变化层108的阻挡元件115的长度来直接控制。而此一特征的效果可比照图2而更清楚看出。
该顶电极元件114接触该相变化材料层108但被该阻挡元件115所不覆盖，提供由该顶电极元件114通过该相变化材料层108至该电极元件106的顶表面的一电流路径。在一实施例中，该顶电极元件114较佳由氮化钛形成，但在其它实施例中使用其它导电金属材料。在其它实施例中也可以使用其它类型的电极材料包含氮化钽、铝、铜、或钨为主的材料。同时非金属传导材料像是掺杂的多晶硅也可以使用。若在此层需要使用到铜金属，必须特别注意的是要避免该层与在该结构中的其它材料的不良作用。
在该存储元件中电流如图2中所示，而图2是描述图1中的X区域。如在此所示，电流从该接触元件(参见图1标号102)通过该电极元件106，如箭头A所示。为了到达顶电极元件114，电流被限制在该分隔层110下方相变化层108的相对区域，从而在该相变化层108中产生一小块活性区域，在图中以虚线116表示。由此可知，该活性区域的大小由该阻挡元件115的长度160、该相变化材料层108的厚度165及该电极元件106的顶表面区域所共同决定。具有一小块活性区域116可降低在该相变化材料层发生相变化所需的能量，该阻挡元件115的长度160用来延长该相变化材料层108中的电流路径，以及提供从该顶电极材料114至该活性区域116的端点隔离，而其主要用来更降低相变化所需电流。当电流流经该相变化层108产生焦耳热，而该焦耳热则会造成在该活性区域116的该相变化材料改变。
必须要注意的是在本实施例中该电流路径不同于一般装置中所见。一般来说，电流由一第一电极(例如：电极元件106)流至一第二电极(例如：该顶电极元件114)过程中，以直线的方式通过一中间装置(例如：相变化元件108)，以最短可能路径通过该相变化元件。然而，此最短路径造成一个问题，即该电流不足以造成足够的焦耳热来造成一相变化。在所述的实施例中，则难以克服增加电流路径长度却不增加该元件厚度的问题，但可在相同时间里，在元件中通过造成电流路径流动方向改变而不是让电流直接通过元件。在图1及图2中所显示的实施例，通过在该电流路径上放置一阻挡元件115则实现了此结果，使得该电流路径如箭头A所示，向外转向横切该电流路径在该电极元件106内，直到该阻挡元件115的周围，而其可使电流转入该顶电极元件114。其它实施例中可以用其它结构特征来完成此结果。
导致该相变化层108附近的阻挡元件115周围接触位置形成的电极结构，在本实施例中所使用的位线材料如所示，而其可产生所需电流路径，例如在图2中所显示，可为定义为一「侧电极」，其是基于该电极没有在电极元件106的正对面区域直接与该相变化元件接触，而是在该电极元件106侧向偏移部分与该相变化元件接触。
本发明中用来制造此存储装置的一实施例如图3a至图3n所显示。如同前述，存储阵列较佳以成对存储单元来形成，如同在此所显示的结构。本工艺由图3a所示的衬底结构开始，而图3a绘示一适合于多重存储单元形成的结构，如以下所描述。接触元件102a与102b延伸通过该做为一分隔存储元件的介电填充材料104。而接触元件102a与102b所使用的材料如前所述。字线103a与103b则与图3a所绘示剖面图的平面的垂直方面延伸。并以习知技艺来连结一些存储元件。在较佳的实施例中该位线包含多晶硅。在其它的实施例中也可使用其它在此领域中所知晓的传导材料。一般源极线105延伸通过该对存储元件的中央，且平行该字线103a与103b。如前所述，将此等元件周围填充介电填充材料104。而在此所采用的工艺则依照该项领域中所知晓的技艺进行，包括使用一化学机械抛光法使得该衬底顶部成为所需的平坦表面。
接着，如图3B所绘示将一层传导材料106沉积在该衬底顶部。
图3C图与图3D描述光刻胶块107a与107b的沉积与修饰，而依照该领域中所知晓的技艺来形成此光刻胶材料。然而，在此一般传统的光刻工艺并不足以达到该所需的微小尺寸，在此该相变化与上电极元件所需的宽度小于一般传统光刻工艺所能达到的最小特征尺寸。因此，如图3C所示图案化该光刻胶至最小的可能的尺寸120后，接着再以图3D所示的修饰步骤来产生具有所需尺寸130的光刻胶块107a与107b。为了达到此结果的工艺被揭露于本案申请人审查中专利，例如美国专利申请号第11/338,285号专利「自我对准制造方法以及用以薄膜融合相变化存储器的制造方法」，申请日为2006年1月24日，在此并以此文件做为参考文献。
如图3E所示，通过使用非等向性刻蚀所得的光刻胶块107a与107b做为掩膜，以形成柱状电极元件106a与106b，然后除去该光刻胶块107a与107b。接着，如图3F所示，沉积一上绝缘层109，而该上绝缘层109材料包含相同或相似于该介电填充材料104。而沉积上绝缘层109以完全地覆盖住该电极元件106a与106b，然后，如图3G所示，平面化该上绝缘层109，而较佳使用化学机械抛光法，使得暴露出该电极延伸元件106a与106b的上电极部位。
如图3H所描述在该所得的表面沉积了三层材料。首先是沉积一层相变化材料108，接着是一分隔层110与一掩膜层112。而此三层所采用的材料如前所述。需注意的是该相变化层非常薄，并在一厚度范围2至20纳米之间。
如图3I与图3J绘示由掩膜层112中形成两个分离的掩膜元件112a与112b。使用一般传统技术在图3H的结构先上一层光刻胶，且图案化该光刻胶至所需尺寸已产生光刻胶块111。然后，如图3J所描述确定该掩膜元件112a与112b，而较佳使用反应性离子刻蚀(RIE)的干法非等向刻蚀技术。当要达到分隔层110时，可使用一光学发射工具，以确认并控制刻蚀的终点。
接着，较佳使用一湿法刻蚀工艺，来移除没有被该掩膜元件112a与112b所覆盖的分隔层110的所有区域，进而由该分隔层中形成两分隔元件110a与110b。下述此两阶段刻蚀工艺，该限定光刻胶块111使用一般传统技术来除去，而所得结构如图3K所绘示。
如图3L中所示，沉积下一位线材料，使其完全地覆盖在图3K，而图案化来定义该位线114延伸垂直于该字线103a与103b。
本发明存储元件的最终结构如图3M与图3n的透示图所示。在图3M中，为了更清楚呈现而省略了该位线114材料，而仅显示其它元件的一单一元件。此元件的组合承上述所讨论，此外，该分隔元件与掩膜元件110、112结合为阻挡元件115a与115b及包含一线存储材料的该存储材料层108。在所述实施例中，该位线114的侧边与该存储材料层108的该线的侧边对齐。
图3n说明位在该第一元件后方的相同第二元件，包含存储元件208，阻挡元件215a与215b，和位线214。可理解的以图3n的双元件结构以相似的方法可以扩张来生产包含一百万个或更多存储元件的阵列。
图4至图12是绘示在图3B至图3G中所绘示的形成电极元件106的较佳替代制造方法。
图4绘示一上绝缘层109沉积在该接触元件102之上，一第二介电层412沉积在该上绝缘层109之上，以及一覆盖层沉积在该第二介电层之上。
接着，形成具有一临界尺寸510的一沟道500穿透过该覆盖层414及穿透过该第二介电层412至该上绝缘层109，而成为在图5中所绘示的结构。该沟道500可以使用一非等向性、非选择性刻蚀技术，例如：适合用来刻蚀该覆盖层414及第二介电层412的一方向性等离子体刻蚀技术。其它在本项技艺中所熟知的方向性非选择刻蚀技术。替代使用另外两项刻蚀技术，像是使用一第一项刻蚀技术来确定穿透该覆盖层414的该沟道500，然后使用一后续的刻蚀技术来确定穿透该第二介电层412的该沟道500。
接着，使用一第二刻蚀工艺来选择性地移除多余的第二介电层412以形成一放大沟道600以及形成具有一临界尺寸620覆盖层414的突出部位610。在一特定实施例中，该第二项刻蚀是一选择地等向刻蚀来刻蚀该第二介电层412(例如：包含二氧化硅)，但并未刻蚀该覆盖层416或上绝缘层109(例如：包含氮化硅)，像是一缓冲HF湿法化学刻蚀或非方向性等离子体刻蚀。该放大沟道600具有如图6所绘示的侧壁602且实质地垂直。在一些替代实施例中，该侧壁602并非垂直，例如：该侧壁呈一碗状。
接着，一侧壁子层700是沉积于该覆盖层414之上并在该放大沟道600之内，而成为在图7中所绘示在该放大沟道600及延伸于该覆盖层414之下，且具有一孔缝710的结构。该孔缝710是实质地自动对准于该放大沟道600的中心，且具有约两倍突出部位610的该临界尺寸620的一最大直径720。举例来说，该侧壁子层700可包含非晶硅及可由化学气相沉积所形成。
该突出部位610促进该自动对准的孔缝710的形成。一较大的突出临界尺寸620会形成一具有一较大的最大半径720的一孔缝710。该突出临界尺寸具有相当大的弹性，一般来说在纳米等级中该突出临界尺寸620有10％的变异，因此在该突出临界尺寸620中10％的变异会形成在该孔缝710最大直径的变异在极少的纳米间。此等技艺有相当功效，因为这样可以用在包含许多存储单元的晶圆间来生产非常一致的存储单元。
接着，在该侧壁子层700上刻蚀以形成侧壁子800且露出该上绝缘层109的顶表面的一部份，而成为在图8中所绘示的结构。
接着，使用该侧壁子800做为一掩膜来刻蚀该上绝缘层109及该覆盖层414以形成具有一临界尺寸910的一空隙900，从而露出该接触元件102的顶表面的一部位，如在图9中所绘示。因此，该空隙900的该临界尺寸910具有相当的弹性。
接着，由图9中所述的结构中移除该侧壁子800，而成为在图10中所绘示的结构。在实施例中的该侧壁子800包含可被移除的硅，举例来说通过使用KOH或TMAH。
接着，在图10中所绘示的结构上形成一电极元件材料的保形层1100，而成为在图11中所绘示的结构。举例来说，该电极元件材料的保形层1100有通过化学气相沉积法(CVD)来形成。举例来说，图11中所绘的结构是使用化学机械抛光法(CMP)来平面化，而成为在图12中所绘示具有一临界尺寸1200的一电极元件106的结构。
该电极元件106的该临界尺寸1200可由该沟道(参见图5，标号500)、放大沟道(参见图6，标号600)、该覆盖层的突出部位(参见图6，标号610)、用来定义该侧壁子(参见图8，标号800)的刻蚀条件与技术及空隙(参见图9，标号900)的大小和对应比例所控制。
使用图4至图12中所绘是工艺的优点包含在含有许多存储单元的一晶圆上制造非常一致的存储单元。另外，存储材料层108与该存储元件106的接触区域可变得非常小。依据本发明所述的实施例制造的存储阵列更一致且具有较低的能量需求。
图13至图14绘示在图10至图12中所绘示的制造方法的一替代实施例。图13绘示形成一层电极元件材料1300在图9所绘的结构上。然后，在图13所绘示的结构是使用化学机械抛光法来平面化，而成为在图14中所绘示具有一电极元件106的结构。
吾人所了解的是本领域技术人员可参照上述所揭露而不偏离本项发明概念的实施例加以据以实施。因此，可理解的是本发明不仅限于所揭露的特定实施例，但更包含在本发明由权利要求书所定义的精神与范畴的修改。

Claims (15)

1.一种存储装置，其特征在于，该装置包含：
一电极元件；
一相变化层，由具有至少两固态相的一存储材料所形成，且与该电极元件电性接触，
一顶电极元件，与该相变化层电性接触于远离该相变化层与该电极元件之间接触位置的一位置；以及
一阻挡元件，该阻挡元件与该电极元件分别位于该相变化层的两侧，该阻挡元件在垂直于该相变化层厚度方向的长度大于该电极元件垂直于该相变化层厚度方向的长度，从而定义通过该相变化层的一电流路径，其中该路径的至少一部份垂直于该电极元件内的电流路径。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该相变化层具有一介于2至20纳米之间的厚度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该电极元件电性接触一存取电路。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该阻挡元件由一绝缘材料形成，具有一周围接触位置。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该装置进一步包含一位线，该位线覆盖于该阻挡元件及该相变化层，其中一侧电极元件位于该周围接触位置与相变化层接触的一部位。
6.一种存储装置，其特征在于，该装置包含：
一电极元件；
一相变化层，由具有至少两固态相的一存储材料所形成，且与该电极元件的顶表面电性接触，其中该相变化层具有一介于2至20纳米之间的厚度，以及
一顶电极元件，与该相变化层电性接触于远离该电极元件的顶表面电性接触位置的一位置；
一阻挡元件，该阻挡元件由一绝缘材料形成，该阻挡元件与该电极元件分别位于该相变化层的两侧，以及该阻挡元件在垂直于该相变化层厚度方向的长度大于该电极元件垂直于该相变化层厚度方向的长度，
其中通过该相变化层的电流路径的至少一部份垂直于该电极元件内的电流路径。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该电极元件电性接触一存取电路。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置进一步包含一位线覆盖于该阻挡元件及该相变化层，其中该位线与靠近该阻挡元件的该相变化层相的部位接触构成该侧电极元件。
9.一种形成存储装置的方法，其特征在于，该方法包含：
形成一电极元件，该电极元件为瘦长状以及具有一接触表面；
形成一相变化层，该相变化层为平面状，并与该电极元件的接触表面电性接触且具有一介于2至20纳米的厚度，以及相变化层侧向延伸大于该电极元件的侧向延伸；
沉积具有一周围接触位置的一阻挡元件，该阻挡元件由一绝缘材料形成，该阻挡元件与该电极元件分别位于该相变化层的两侧，且该阻挡元件在垂直于该相变化层厚度方向的长度大于该电极元件垂直于该相变化层厚度方向的长度；
在靠近该阻挡元件周围的该相变化层的一侧提供一电性输出接触位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法包含形成覆盖于该阻挡元件的一位线，以及该位线与该相变化层的侧边接触，其中与该位线接触于靠近该阻挡元件周围的相变化层的一部位构成该输出电性接触位置。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该形成一电极元件步骤进一步包含在一接触位置上形成一柱状电极并电性接触于一存取电路元件。
12.一存储阵列，其特征在于，该存储阵列包含：
多条字线在该阵列中排列成列；
存取电路耦接至该多个字线以耦合一参考电压至各列中的电极接点；
多个电极元件与该存取电路中各电极接点电性连结，而该电极元件具有各自的顶表面；
多条存储材料线，而该存储材料线与在该阵列中各行的电极元件的顶表面接触，而该存储材料具有一厚度及具有至少两固态相；
一绝缘阻挡元件阵列在该存储材料线上，每一阻挡材料具有一大于该电极元件的顶表面的区域，以及覆盖一对应电极元件顶表面于该存储材料线的一侧边上；以及
多条导电位线覆盖在该多条存储材料线及该阻挡元件的阵列上，以及接触该对应的存储材料线在该阻挡元件四周，从而定义在位线及该电极元件间通过该存储材料的电流路径，而该电流路径具有从该电极元件顶表面至该位线接触该存储材料线的该阻挡元件四周的距离所决定的路径长度，以及该路径长度大于该存储材料线的厚度。
13.根据权利要求12所述的存储阵列，其特征在于，该电极元件为一柱状。
14.根据权利要求12所述的存储阵列，其特征在于，该阻挡元件包含在存储材料线上的一第一介电层，以及在第一介电层上的一第二介电层。
15.根据权利要求12所述的存储阵列，其特征在于，该位线具有对准于对应的存储材料线的侧边。
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