CN102308017B - 使用气体团簇离子束形成存储器单元的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

使用气体团簇离子束形成存储器单元的方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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1A及图1B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126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126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126再结晶。非晶部分126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224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1A到图1B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3I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匀覆盖。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。
参考图3A到图3I，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3I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、324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(TiW)或铂(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324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、绝缘玻璃或绝缘聚合物)且可通过此项技术中已知的任何方法形成。
现在参考图3F，使用此项技术中已知的方法(例如，光刻及蚀刻技术)在第二绝缘层324中形成通孔322以暴露相应第一电极312的一部分。任选地，通孔322可部分地延伸穿过相应第一电极312。通孔322具有底表面330且第二绝缘层324具有顶表面331。优选地，底表面330为大致平面表面。通孔322可具有任何适合的形状，包含大致圆柱形形状。虽然就形成通孔描述了所述实施例，但可了解，如适合于本应用，可形成任何类型的开口，包含但不限于其它孔口、沟槽及接触孔。
现在参考图3G，一旦形成通孔322，便在通孔322的底表面330及第二绝缘层324的顶表面331上方形成经GCIB沉积的加热器材料316。加热器材料316经形成以使得不存在侧壁沉积，由于加热器材料316的厚度而与侧壁接触的部分除外。另外或替代地，加热器材料316可充当阻挡层及/或粘附材料。
加热器材料316可由GeN材料形成，所述GeN材料可包含有如下其它原子。将气体以高压注入到GCIB工具的离子化室中，所述GCIB工具可以是(例如)由东京威力科创艾派恩股份有限公司(TELEpion)制作的nFusion产品。在气体将注入到所述离子化室(可在真空下)中时，压力是在介于从约1500PSI到约3000PSI的范围内。为沉积加热器材料316，GCIB工艺可使用GeH4、N2、He及Ar气体。使用每一气体的百分比来控制GeN材料的材料厚度、氮并入及各向异性。接着朝向存储器装置310a的表面330、331引导经离子化的分子团簇，所述存储器装置包含经暴露的第一电极312及第二绝缘层324。所述团簇从约3keV的对地电位加速到约50keV。所述团簇在与存储器装置310a的表面碰撞之后立即解离。当所述束扫描跨越存储器装置的表面时，所述表面的温度及压力在大约为从约5微微秒到约15微微秒的时间(例如，尖峰)内迅速增加。气体的能量释放在存储器装置的表面上或部分地在其近表面内形成新的GeN材料。新GeN材料的位置取决于电压电位、种类及表面。气体团簇直径可大约为30埃且可由数以千计的气体分子形成。
在制作工艺期间，当GCIB扫描跨越存储器装置的表面时，所述扫描可包含通过组合，所述通过组合可以是GeH4、Ge、N2、Ar、He、甲醇盐、乙醇盐、O2、F2或N2O气体的混合。GCIB沉积工艺可包含锗烷(GeH4)、氮(N2)、氩(Ar)、氦(He)、甲醇盐、乙醇盐、氧(O2)、氟(F2)、亚硝(N2O)气体或其任一组合的量的转变。还可使用纯N2的扫描来控制氮的最有益浓度分布。氮水平可以是材料厚度内的从上向下或从下向上梯度。取决于邻近材料，所述梯度可以是高到低、低到高、低到高到低或高到低到高。
如图3H中所示，通过任何适合的技术(例如，根据已知技术的蚀刻)移除经GCIB沉积的加热器材料316的形成于第二绝缘层324的顶表面331上的部分。加热器材料316可包含锗(Ge)作为初级原子且包含可从约0.5原子百分比到约15原子百分比的其它杂质原子。所述杂质原子可包含氮(N)、锑(Sb)、氟(F)、氧(O)及碲(Te)。在一个实施例中，所述杂质原子为从5原子百分比到10原子百分比。
如图3I中所描绘，可通过任何适合的技术在经GCIB沉积的加热器材料316上方形成一层可变电阻材料318。适合的技术包含物理气相沉积、原子层沉积、化学气相沉积及湿式浸渍等等。可变电阻材料318可由任何相变硫属化合物合金(例如，GexTey、GaSb、SbxTey、InSb、InSe、InxSbyTez、SnxSbyTez、GaxSeyTez、InSbGe、AgInSbTe、GeSnSbTe、TexGeySbzSk及GeSbSeTe)形成。所述可变电阻材料还可具有氧(O)、氟(F)、氮(N)及碳(C)的杂质。可变电阻材料318还可由不需要相变来改变电阻的任何其它电阻性单元材料(包含NiO、TiO、CuS及SrTiO)形成。
可接着在表面上方形成顶部电极320以获得如图3A中所示的所得可变电阻存储器装置。
在替代实施例中，执行图3B到图3D中所示的步骤。随后，如图4A中所示，在电极312及第一绝缘层314上方毯覆沉积经GCIB沉积的加热器材料316。接着使用此项技术中已知的方法(例如，光刻及蚀刻技术)移除加热器材料316的一部分以暴露绝缘层314(图4B)。参考图4C，接着在加热器材料316及第一绝缘层314上方毯覆沉积第二绝缘层324。接着，使用此项技术中已知的方法(例如，光刻及蚀刻技术)移除第二绝缘层324的一部分以暴露加热器材料316，如图3H中所示。随后，所述方法遵循参考图3I所概述的工艺以实现图3A中所示的所得结构。
仅将以上描述及图式视为实现本文中所描述的特征及优点的特定实施例的图解说明。可对特定工艺条件做出修改及替代。因此，不应将本发明的实施例视为由前述描述及图式限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。

Claims (30)

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的所述第一电极的所述表面上形成加热器材料；
在所述通孔内的所述加热器材料上形成可变电阻材料；及
在所述可变电阻材料上形成第二电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中移除所述加热器材料的在所述绝缘材料上的一部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述可变电阻材料为相变材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述相变材料为GexTey、GaSb、SbxTey、InSb、InSe、InxSbyTez、SnxSbyTez、GaxSeyTez、InSbGe、AgInSbTe、GeSnSbTe、TexGeySbzSk及GeSbSeTe中的一者。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述相变材料具有O、F、N或C中的至少一者作为杂质原子。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述可变电阻材料由不需要相变来改变电阻的其他电阻性单元材料形成，所述其他电阻性单元材料包括NiO、TiO、CuS。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热器材料具有Ge作为主要原子且具有N、Sb、F、O或Te中的至少一者作为杂质原子。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述杂质原子为所述加热器材料的从0.5原子百分比到15原子百分比。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述杂质原子为所述加热器材料的从5原子百分比到10原子百分比。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述加热器材料包含氮杂质原子，其在整个材料厚度上具有梯度氮水平。
11.根据权利要求7所述的方法，其中使用氮气来控制所述加热器材料内的氮浓度分布。
12.根据权利要求1所述的方法，其中使用GeH4和N2与He、Ar、O2、F2、N2O、甲醇盐及乙醇盐气体中的一者或更多者来形成所述加热器材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其中由在从1500PSI到3000PSI的范围内的压力下将气体注入到离子化室中来形成所述加热器材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述气体在真空下的所述离子化室中被离子化。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述可变电阻材料由不需要相变来改变电阻的其他电阻性单元材料形成。
16.一种形成相变材料存储器单元的方法，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的所述第一电极的所述表面上形成包括GeN的加热器材料；
在所述通孔内的所述加热器材料上形成相变材料；及
在所述相变材料上形成第二电极。
17.根据权利要求16所述的方法，其中使用GeH4和N2与He、Ar、O2、F2、N2O、甲醇盐及乙醇盐气体中的一者或更多者来形成所述加热器材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括使气体以通过组合扫描过所述通孔，所述通过组合包括GeH4和N2与He、Ar、O2、F2、N2O、甲醇盐或乙醇盐气体中的一者或更多者的混合。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述相变材料为GexTey、GaSb、SbxTey、InSb、InSe、InxSbyTez、SnxSbyTez、GaxSeyTez、InSbGe、AgInSbTe、GeSnSbTe、TexGeySbzSk及GeSbSeTe中的一者。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述相变材料具有O、F、N或C中的至少一者作为杂质原子。
21.一种形成相变材料存储器单元的方法，所述方法包括：
形成第一电极；
使用气体团簇离子束在所述第一电极上形成包括GeN的加热器材料；
在所述加热器材料上形成绝缘材料；
在所述绝缘材料中形成通孔以暴露所述加热器材料的表面；
在所述通孔内的所述加热器材料上形成相变材料；及
在所述相变材料上形成第二电极。
22.一种可变电阻材料存储器单元，其包括：
第一电极；
绝缘材料，其在所述第一电极上；
通孔，其在所述绝缘材料中，暴露所述第一电极的表面；
气体团簇离子束形成的包括GeN的材料，其在所述通孔内的所述第一电极的所述表面上；
可变电阻材料，其在所述通孔内的所述包括GeN的材料上；及
第二电极，其在所述可变电阻材料上。
23.根据权利要求22所述的存储器单元，其中所述可变电阻材料为相变材料。
24.根据权利要求23所述的存储器单元，其中所述相变材料为GexTey、GaSb、SbxTey、InSb、InSe、InxSbyTez、SnxSbyTez、GaxSeyTez、InSbGe、AgInSbTe、GeSnSbTe、TexGeySbzSk及GeSbSeTe中的一者。
25.根据权利要求24所述的存储器单元，其中所述相变材料具有O、F、N或C中的至少一者作为杂质原子。
26.根据权利要求22所述的存储器单元，其中所述可变电阻材料由不需要相变来改变电阻的其他电阻性单元材料形成，所述其他电阻性单元材料包括NiO、TiO、CuS。
27.根据权利要求22所述的存储器单元，其中氮在所述包括GeN的材料中占到从0.5原子百分比到15原子百分比。
28.根据权利要求22所述的存储器单元，其中氮在所述包括GeN的材料中占到从5原子百分比到10原子百分比。
29.根据权利要求22所述的存储器单元，其中氮在所述包括GeN的材料内呈氮梯度水平的形式。
30.根据权利要求22所述的存储器单元，其中所述可变电阻材料由不需要相变来改变电阻的其他电阻性单元材料形成。
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