專利名稱：非易失存儲元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電可改寫非易失存儲元件和制造該元件的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及具有包含相變材料的記錄層的電可改寫非易失存儲元件和制造該元件的方法。
背景技術(shù)：
個人計算機(jī)和服務(wù)器等都使用分級的存儲器系統(tǒng)。存在便宜并且提供高存儲容量的低級(lower-tier)存儲器，而比該級別高的存儲器能提供高速操作。最低級別通常由磁性存儲器例如硬盤和磁帶構(gòu)成。除了非易失存儲器，磁性存儲器是存儲比固體器件例如半導(dǎo)體存儲器的信息存儲量大很多的便宜方式。然而，和磁性存儲器的依序訪問操作相比，半導(dǎo)體存儲器更快，并且可以隨機(jī)訪問所存儲的數(shù)據(jù)。由于這些原因，通常使用磁性存儲器來存儲程序和檔案信息等，并且當(dāng)需要時，將該信息傳輸?shù)郊墑e更高的主系統(tǒng)存儲器。
主存儲器通常使用動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)，其以比磁性存儲器更高的速度工作，并且以每位(per-bit)為基礎(chǔ)，比更快的半導(dǎo)體存儲器例如靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)更便宜。
占據(jù)最頂級的存儲器級別的是系統(tǒng)微處理器單元(MPU)的內(nèi)部高速緩沖存儲器。內(nèi)部高速緩沖存儲器是通過內(nèi)部總線與MUP芯連接的極高速存儲器。內(nèi)部高速緩沖存儲器具有非常小的容量。在某些情況下，在內(nèi)部高速緩沖存儲器和主存儲器之間使用第二甚至第三高速緩沖存儲器。
DRAM用于主存儲器，這是因為它提供了速度和位成本(bit cost)之間的良好平衡。此外，現(xiàn)在有些具有大容量的半導(dǎo)體存儲器。近年來，已經(jīng)開發(fā)了容量超過十億字節(jié)的存儲芯片。DRAM是如果其電源斷電則丟失存儲數(shù)據(jù)的易失存儲器。這使得DRAM不適合于存儲程序和檔案信息。而且，甚至當(dāng)電源接通時，存儲器也必須周期地進(jìn)行刷新操作，以便保持存儲的數(shù)據(jù)，因此在能夠降低多少器件電功耗方面存在限制，其它的問題是控制器進(jìn)行控制的復(fù)雜性。
半導(dǎo)體閃存是高容量和非易失的，但是需要用于寫和擦除數(shù)據(jù)的高電流，并且寫和擦除時間(times)緩慢。這些缺陷使得閃存不適合取代主存儲器應(yīng)用中的DRAM。還存在其它的非易失存儲器，例如磁阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)和鐵電隨機(jī)存取存儲器(FRAM)，但是它們不能容易地實現(xiàn)DRAM能夠?qū)崿F(xiàn)的存儲容量。
期望成為DRAM的可能的替代品的另一種半導(dǎo)體存儲器是相變隨機(jī)存取存儲器(PRAM)，其使用相變材料來存儲數(shù)據(jù)。在PRAM器件中，數(shù)據(jù)的存儲基于記錄層中包含的相變材料的相狀態(tài)。具體地說，在晶態(tài)的材料的電阻率和非晶態(tài)的電阻率之間存在大的差異，可以利用該差異存儲數(shù)據(jù)。
該相變通過當(dāng)施加寫電流時加熱相變材料來實現(xiàn)。通過給材料施加讀電流和測量電阻來讀取數(shù)據(jù)。將讀電流設(shè)定在足夠低而不會引起相變的水平。這樣，相不會改變，除非加熱到高溫，因此即使切斷電源也能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)。
使用寫電流有效加熱相變材料的有效方式是通過收縮被加熱區(qū)域的尺寸來集中電流的通路。在“Scaling Analysis of Phase-ChangeMemory Technology”，A.Pirovano，A.L.Lacaita，A.Benvenuti，F(xiàn).Pellizzer，S.Hudgens，和R.Bez，IEEE 2003；和“Writing CurrentReduction for High-density Phase-change RAM”，Y.N.Hwang，S.H.Lee，S.J.Ahn，S.Y.Lee，K.C.Ryoo，H.S.Hong，H.C.Koo，F(xiàn).Yeung，J.H.Oh，H.J.Kim，W.C.Jeong，J.H.Park，H.Horii，Y.H.Ha，J.H.Yi，G.H.Hob，G.T.Jeong，H.S.Jeong和Kinam Kim”，IEEE 20003中，通過減小構(gòu)成加熱器的下電極直徑來實現(xiàn)。在“An Edge ContactType Cell for Phase Change RAM Featuring Very Low PowerConsumption”，Y.H.Ha，J.H.Yi，H.Horii，J.H.Park，S.H.Joo，S.O.Park，U-In Chung和J.T.Moon，2003 Symposium on VLSITechnology Digest of Technical Papers的情況下，通過在相變材料中的記錄層和下加熱器電極之間實施邊緣接觸來限制加熱區(qū)。
然而，上述參考文獻(xiàn)中的方法都受光刻分辨率極限的制約，使其難以實現(xiàn)加熱區(qū)尺寸的適當(dāng)減小。相比之下，USP5,536,947描述了一種通過記錄層和加熱器電極之間的薄膜絕緣層中的介質(zhì)擊穿形成小孔的方法。如此形成的小孔直徑比使用光刻形成的任何通孔等的直徑都小得多。
在USP5,536,947描述的器件的情況下，通過電流通路集中在小孔中，可以使加熱區(qū)極小，增加了寫電流的加熱效率。這使其能夠使用較小的寫電流，也能夠加速寫操作。
然而，由于相對于其設(shè)置小孔的下電極具有相對大的面積，因此由寫電流產(chǎn)生的熱趨于流走到下電極，減小加熱效率。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的電可改寫非易失存儲元件及制造該元件的方法，該存儲元件具有包含相變材料的記錄層。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有包含相變材料的記錄層的電可改寫非易失存儲元件及制造該存儲元件的方法，所述存儲元件具有改進(jìn)的加熱效率。
通過具有下列結(jié)構(gòu)的非易失存儲元件可以實現(xiàn)本發(fā)明的上述和其它目的，該非易失存儲元件包括具有第一通孔的第一層間絕緣層；形成在第一層間絕緣層上的具有第二通孔的第二層間絕緣層，至少第二通孔的一部分與至少第一通孔的一部分疊加；設(shè)置在第一通孔中的下電極；包含相變材料的至少一個記錄層，至少記錄層的一部分設(shè)置在第二通孔中；設(shè)置在第二層間絕緣層上的上電極；形成在下電極和記錄層之間的薄膜絕緣層，其中下電極具有比第二通孔的直徑小的直徑。
根據(jù)本發(fā)明，埋在第一通孔中的下電極的直徑比在其中設(shè)置了記錄層的第二通孔的直徑小，從而降低下電極的熱容。因此，當(dāng)通過薄膜絕緣層中的介質(zhì)擊穿形成小孔時，附近用作加熱區(qū)，溢到下電極的熱量減少，導(dǎo)致比現(xiàn)有技術(shù)更高的加熱效率。
在本發(fā)明中，希望至少一個記錄層包含第一和第二記錄層，薄膜絕緣層設(shè)置在第一和第二記錄層之間。通常，包含相變材料的記錄層具有低的導(dǎo)熱率，因此通過設(shè)置在兩個記錄層之間的薄膜絕緣層增加加熱效率。
在這種情況下，更希望薄膜絕緣層設(shè)置成與第二記錄層的上表面接觸。該結(jié)構(gòu)可以通過在形成第一記錄層之后的回蝕來實現(xiàn)，使其能夠在下電極和薄膜絕緣層之間設(shè)置理想的距離。這樣，可以通過增加從下電極到薄膜絕緣層的距離進(jìn)一步降低傳到到下電極的熱。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，在第一記錄層的上表面設(shè)置空腔，通過薄膜絕緣層用第二記錄層填充空腔?？梢允褂糜纱烁鶕?jù)空腔的基底控制小孔位置的能力增加器件的可靠性。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，通過側(cè)壁絕緣膜覆蓋第二通孔的內(nèi)壁，因此記錄層中形成的通孔直徑小于光刻的分辨率。這樣通過減小記錄層體積而增加加熱效率。
優(yōu)選從最接近于下電極的薄膜絕緣層部分到上電極的距離大于薄膜絕緣層和下電極之間的最短距離。在本發(fā)明的非易失存儲器件中，下電極具有小的熱容，因此通過在薄膜絕緣層和上電極之間具有大的距離進(jìn)一步增加加熱效率。
本發(fā)明的上述和其它目的也通過具有下列結(jié)構(gòu)的非易失存儲元件來實現(xiàn)，該非易失存儲元件包括上電極；具有比上電極小的熱容的下電極；具有在下電極和上電極之間設(shè)置的通孔的層間絕緣層；包含相變材料并且至少其一部分設(shè)置在通孔中的第一和第二記錄層；和設(shè)置在第一記錄層和第二記錄層之間的薄膜絕緣層，其中從最接近于下電極的薄膜絕緣層部分到上電極的距離大于從薄膜絕緣層到下電極的最短距離。
根據(jù)本發(fā)明的該方案，通過具有夾在具有低熱導(dǎo)率的記錄層之間的薄膜絕緣層和通過接近于具有相對小熱容的下電極定位薄膜絕緣層，也增加了加熱效率。
根據(jù)本發(fā)明的非易失存儲元件的制造方法包括用于形成第一層間絕緣層的第一步驟；用于在第一層間絕緣層中形成第一通孔的第二步驟；用于在第一通孔中形成下電極的第三步驟；用于在第一層間絕緣層上形成第二層間絕緣層的第四步驟；用于在第二層間絕緣層中形成第二通孔、以暴露至少一部分下電極的第五步驟；用于形成薄膜絕緣層和在第二層間絕緣層上包含相變材料的至少一個記錄層、使得至少一部分記錄層形成在第二通孔中的第六步驟；和用于在至少一個記錄層上形成上電極的第七步驟。
根據(jù)本發(fā)明，通過使埋在第一通孔中的下電極直徑比第二通孔直徑小，可以減少向下電極溢出的熱量。
優(yōu)選至少一個記錄層包含第一和第二記錄層，第六步驟優(yōu)選包括形成第一記錄層的第一子步驟；在第一記錄層上形成薄膜絕緣層的第二子步驟；和在薄膜絕緣層上形成第二記錄層的第三子步驟。根據(jù)本設(shè)置，加熱效率進(jìn)一步增加。
在第一子步驟之后但在第二子步驟之前，優(yōu)選存在第四子步驟，在第四子步驟中，回蝕第一記錄層?？梢杂眠@個來設(shè)置下電極和薄膜絕緣層之間的距離，進(jìn)一步降低向下電極的熱導(dǎo)率。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在第五步驟之后但在第六步驟之前，在第二通孔的側(cè)壁上形成側(cè)壁絕緣膜。這允許形成在記錄層中的通孔直徑小于光刻分辨率，這樣通過減小記錄層的體積來增加熱效率。
如上所述，電可改寫非易失存儲元件具有改進(jìn)的加熱效率，并且可以提供一種制造該元件的方法。因此，不僅可以降低寫電流，而且可以增強(qiáng)寫速度。


通過參考下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將變得更加顯而易見。
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的存儲元件的截面圖；圖2是說明包含硫?qū)僭鼗锊牧系南嘧儾牧系南鄳B(tài)控制方法的曲線圖；圖3是構(gòu)成為n行和m列矩陣的非易失存儲器的電路圖；圖4是使用圖1所示的存儲元件的存儲單元的例示截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的存儲元件的截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的存儲元件的截面圖；圖7至10是說明圖6所示存儲元件的制造步驟的截面圖；
圖11是第三實施例的存儲元件的修改例的截面圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的存儲元件的截面圖；圖13和14是說明圖12所示存儲元件的制造方法步驟的截面圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的存儲元件的截面圖；圖16至19是說明圖15所示存儲元件的制造步驟的截面圖；圖20是根據(jù)本發(fā)明第六實施例的存儲元件的截面圖；圖21至23是說明其中第二層間絕緣層構(gòu)成為疊層的存儲元件的制造方法的截面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的非易失存儲元件10，包含具有第一通孔11a的第一層間絕緣層11；具有第二通孔12a的第二層間絕緣層12；設(shè)置在第一通孔11a中的下電極13；和按照順序形成在第二層間絕緣層12上的薄膜絕緣層14；記錄層15和上電極16。
層間絕緣層11和12可以由硅氧化物形成。第一通孔11a的直徑D1比第二通孔12a的直徑小。在本實施例中，第一通孔11a的直徑D1與下電極13的直徑相同。而且，在第一通孔11a的上開口的至少一部分和第二通孔12a的下開口的至少一部分存在重疊。在本實施例中，如圖1所示，第一通孔11a的所有上開口與第二通孔12a的下開口的部分重疊。
使用下電極13作為加熱器插塞，構(gòu)成寫數(shù)據(jù)過程中的加熱器部分。為此，優(yōu)選下電極13由具有相對高電阻的材料形成，例如金屬硅化物、金屬氮化物和金屬硅化物的氮化物。這些包含TiAlN、TiSiN、TiCN和其它這樣的材料，但不限于此。盡管這些材料的熱導(dǎo)率相對低，但是高于絕緣層的熱導(dǎo)率，因此下電極13形成用于從記錄層15散熱的路徑。
通過介質(zhì)擊穿在薄膜絕緣層14中形成小孔14a。在本實施例中，薄膜絕緣層14覆蓋第二層間絕緣層12的上表面12b和第二通孔12a。薄膜絕緣層14的材料可以從例如Si3N4、SiO2和Al2O3的絕緣材料中選擇，但不限于此。對于可施加的電壓來說，薄膜絕緣層14必須足夠薄以引起介質(zhì)擊穿。
通過在電極13和16上施加高壓形成小孔14a，以在薄膜絕緣層14中產(chǎn)生介質(zhì)擊穿。如此形成的小孔14a的直徑比通過光刻形成的通孔等的直徑小，因此流過存儲元件10的電流的導(dǎo)電路徑集中在小孔14a中。
由相變材料形成記錄層15。雖然并不特別限定相變材料，可以是取得兩個或者更多個狀態(tài)、并且其中每個狀態(tài)都具有不同電阻的任何材料，優(yōu)選硫?qū)僭鼗锊牧?。硫?qū)僭鼗锊牧弦馕吨环N或者多種元素例如鍺、銻、碲、銦和硒元素的合金。例子包含二元體系合金例如GaSb、InSe、Sb2Te3和GeTe；三元體系合金例如Ge2Sb2Te5、InSbTe、GaSeTe、SnSb2Te4和InSbGe；和四元體系合金例如AgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)和Te81Ge15Sb2S2。
包含硫?qū)僭鼗锊牧系南嘧儾牧峡梢猿尸F(xiàn)非晶態(tài)或結(jié)晶態(tài)。在非晶態(tài)，電阻相對高，在結(jié)晶態(tài)，電阻相對低。
圖2是用于說明包含硫?qū)僭鼗锊牧系南嘧儾牧系南酄顟B(tài)的控制方法的曲線圖。
通過加熱到熔融溫度Tm或者熔融溫度Tm以上、然后冷卻將相變材料改變到非晶態(tài)，如圖2中的曲線a所示。為了將材料改變到結(jié)晶態(tài)，將其加熱到至少高達(dá)結(jié)晶溫度Tx并且在熔融溫度Tm以下的溫度，如圖2中的曲線b所示。通過控制加熱過程中的時間段和每單位時間流過該材料的電流量來控制加熱溫度。
雖然對記錄層15的厚度沒有特別限制，但是在本實施例中，將其設(shè)定在不完全掩埋第二通孔12a的厚度。然而，可以使其足夠厚以掩埋第二通孔12a。相對于上電極16設(shè)定下電極13。優(yōu)選上電極16由具有相對低導(dǎo)熱率的材料構(gòu)成，使得由加熱電流產(chǎn)生的熱不容易擴(kuò)散。具體的例子是TiAlN、TiSiN、TiCN，如下電極13的情況。
如此構(gòu)成的非易失存儲元件10可以以矩陣的形式形成在半導(dǎo)體襯底上，以構(gòu)成電可改寫非易失存儲器。
圖3是作為n行和m列矩陣構(gòu)成的非易失存儲器的電路圖。
圖3所示的非易失存儲器具有n條字線W1-Wn、m條位線B1-Bm和存儲單元MC(1，1)-MC(n，m)，每個存儲單元都位于字線和位線的交叉點。字線W1-Wn連接到行解碼器101，位線B1-Bm連接到列解碼器102。每個存儲單元MC都由存儲元件10和串連在相應(yīng)的位線和地之間的晶體管103構(gòu)成。晶體管103的控制端連接到相應(yīng)的字線。這樣，下電極13和上電極16的任意一個都連接到相應(yīng)的位線，另一個連接到相應(yīng)的晶體管103。
圖4是使用存儲元件10的存儲單元的例子的截面圖。在圖4中，顯示了連接到相同位線Bj的兩個存儲單元MC(i，j)和MC(i+1，j)。
在圖4所示的例子中，每個存儲元件10的上電極16連接到位線Bj，下電極13連接到晶體管103。字線Wi和Wi+1連接到晶體管103的柵極。由元件隔離區(qū)104限定的有源區(qū)105包括3個擴(kuò)散區(qū)106，從而在單個有源區(qū)105中形成兩個晶體管103。兩個晶體管103共享通過層間絕緣層107中的接觸插塞108連接到地線109的公用源。每個晶體管103的漏通過接觸插塞110連接到相應(yīng)的存儲元件10的下電極13。
兩個存儲單元10的每個的上電極16都連接到公共位線Bj。因此，不需要形成用于兩個存儲單元10的每個的分離電極16。取而代之的是，如圖4所示，將其形成為連續(xù)的電極。
在如此構(gòu)成的非易失半導(dǎo)體存儲器中，可以通過使用行解碼器101激活字線W1-Wn之一、然后電流流過位線B1-Bm中的至少一條來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。即，激活的字線的存儲單元中的晶體管103導(dǎo)通，將相應(yīng)的位線通過存儲元件10連接到地。在這種狀態(tài)下，可以通過使寫電流流過由列解碼器102選擇的位線，在記錄層15中實現(xiàn)相變。
具體地說，當(dāng)使用規(guī)定量的電流使記錄層15的相變材料的溫度升高到至少熔融溫度Tm時，如圖2所示，那么電流突然關(guān)斷，快速冷卻確保材料轉(zhuǎn)換到非晶相。當(dāng)使用小于規(guī)定量的電流量將記錄層15的相變材料加熱到至少高達(dá)如圖2所示的結(jié)晶溫度Tx但是低于熔融溫度Tm的溫度時，那么逐漸減小電流，這樣產(chǎn)生的逐漸冷卻促進(jìn)晶體生長，材料轉(zhuǎn)換到結(jié)晶相。
可以通過使用行解碼器101激活字線W1-Wn之一并且讀電流流過位線B1-Bm中的至少一條來讀取數(shù)據(jù)。其中記錄層15處于非晶相的存儲單元MC具有高阻，其中記錄層15處于結(jié)晶相的存儲單元MC具有低阻，因此使用讀出放大器(未示出)檢測就可以知道記錄層15的相狀態(tài)。
記錄層15的相狀態(tài)可以與存儲的邏輯值相關(guān)。如果將非晶相狀態(tài)定義為“0”，結(jié)晶相狀態(tài)定義為“1”，例如，一個二進(jìn)制位信息可以存儲在單個存儲單元中。而且，當(dāng)從非晶相移動到結(jié)晶相時，可以通過調(diào)節(jié)時間線性控制結(jié)晶率，或者將結(jié)晶率控制在多個水平，使記錄層15保持在不比結(jié)晶溫度Tx低而比熔融溫度Tm低的溫度。利用非晶相和結(jié)晶相之間比率的多級控制，可以在單個存儲單元中存儲兩位或多位數(shù)據(jù)，而利用線性控制，可以將信息存儲為模擬數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在將描述非易失存儲元件10的制造方法。
參考圖1，開始，形成第一層間絕緣層11，在第一層間絕緣層中形成第一通孔11a?？梢酝ㄟ^化學(xué)汽相沉積(CVD)形成絕緣層11，通過光刻和干蝕形成通孔11a。
接著，在第一層間絕緣層上形成下電極13，完全填充第一通孔11a，然后拋光下電極13，直到露出第一層間絕緣層11的上表面11b；優(yōu)選，利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)進(jìn)行。以這種方式，在第一通孔11a中掩埋下電極13。優(yōu)選使用提供良好的臺階覆蓋性的方法，例如CVD，以形成下電極13，確保完全填充第一通孔11a。
接著，在第一層間絕緣層11上形成第二層間絕緣層12，在第二層間絕緣層12中形成第二通孔12a。第二層間絕緣層12可以通過CVD形成，通過光刻形成第二通孔12a。第二通孔12a必須具有比第一通孔11a的直徑D1大的直徑D2，并且必須定位為使得至少露出部分下電極13。
接著，形成薄膜絕緣層14，使其覆蓋第二層間絕緣層12的整個表面，包含第二通孔12a的內(nèi)側(cè)壁(和下電極13的頂部)?？梢酝ㄟ^濺射、熱CVD、等離子CVD、原子層沉積(ALD)和其它類似方法形成該薄膜絕緣層14。
接著，在薄膜絕緣層14上形成由硫?qū)僭鼗飿?gòu)成的記錄層15。盡管對被使用的方面沒有特別限制，但是可以通過濺射或CVD形成記錄層15。記錄層15必須不比根據(jù)第二通孔12a的直徑D2確保足夠覆蓋度的厚度厚。使用布圖來隔離每個存儲元件10的記錄層15(參見圖4)。
最后，在記錄層15上形成上電極16，進(jìn)行預(yù)定的布圖，完成本實施例的非易失存儲元件10的制造。在將其用作實際存儲器之前，通過在下電極13和上電極16之間施加高壓以在薄膜絕緣層14中產(chǎn)生介質(zhì)擊穿而在薄膜絕緣層14中形成小孔14a。在下電極13和記錄層15通過小孔14a連接的情況下，小孔14a的附近成為加熱區(qū)。
這樣，根據(jù)本實施例的存儲元件10，將通過介質(zhì)擊穿在薄膜絕緣層14中形成的小孔14a用作電流通路，使其能夠形成不依賴于光刻精度形成非常精細(xì)的電流通路。
此外，第一通孔11a的直徑D1比第二通孔12a的直徑D2小，減少了下電極13的熱容。由于這樣減少了從加熱區(qū)向下電極13擴(kuò)散的熱量，能夠得到比現(xiàn)有技術(shù)高的加熱效率。此外，可以利用相對簡單的方法制造存儲元件10。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明第二實施例的非易失存儲元件。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的存儲元件20的截面圖。
參考圖5，本實施例的非易失存儲元件20包含具有第一通孔21a的第一層間絕緣層21；具有第二通孔22a的第二層間絕緣層22；在第一通孔21a內(nèi)的下電極23；在第二層間絕緣層22上按照順序形成的第一記錄層25a、薄膜絕緣層24和第二記錄層25b；和在第二記錄層25b上的上電極26。
這樣，在本實施例中，存在兩個記錄層，即在其間存在薄膜絕緣層24的第一記錄層25a和第二記錄層25b。而且，在第二層間絕緣層22的上表面22b以及第二通孔22a中設(shè)置第一記錄層25a，形成由第一記錄層25a、薄膜絕緣層24和第二記錄層25b構(gòu)成的三層層疊結(jié)構(gòu)。
記錄層25a和25b可以由上述硫?qū)僭鼗锊牧闲纬伞?br> 在該例子中，第一通孔21a的直徑D1比第二通孔22a的直徑D2小。下電極23的直徑與第一通孔21a的直徑相等，減小下電極23的熱容。
在實際使用存儲元件20之前，在電極23和26之間施加高電壓，以在薄膜絕緣層24中產(chǎn)生介質(zhì)擊穿和形成小孔24a。小孔24a形成在第二通孔22a的底部電場強(qiáng)度最高的位置，即在最接近下電極23的區(qū)域。記錄層25a和25b通過小孔24a連接，小孔的附近成為加熱區(qū)域。
由于在最接近下電極23的區(qū)域形成小孔24a，因此從小孔24a到上電極26的距離d2比從小孔到下電極23的距離d1大。這樣確保具有大熱容的上電極26離加熱區(qū)具有足夠的距離。
第一記錄層25a阻止從加熱區(qū)到下電極23的熱傳導(dǎo)。第一記錄層25a的硫?qū)僭鼗锊牧系膶?dǎo)熱率低，大約是硅氧化物的三分之一，因此在下電極23和薄膜絕緣層24之間提供的記錄層25a起到進(jìn)一步增強(qiáng)加熱效率的作用。
關(guān)于存儲元件20的制造，在第二層間絕緣層22中形成第二通孔22a之后，在第二層間絕緣層22的整個表面上、包含第二通孔22a的內(nèi)側(cè)壁，形成第一記錄層25a、薄膜絕緣層24和第二記錄層25b，形成三層疊層體。使用布圖隔離每個存儲元件20的三層結(jié)構(gòu)之后，在第二記錄層25b上形成上電極26，布圖成需要的形狀。
在連續(xù)的工藝中形成第一記錄層25a、薄膜絕緣層24和第二記錄層25b，使下電極23和薄膜絕緣層24分離第一記錄層25a的厚度的量。
可以通過使用第一記錄層25a的最大可能的厚度設(shè)置使下電極23和薄膜絕緣層24之間的距離最小。然而，根據(jù)第二通孔22a的直徑D2，第一記錄層25a不能比確保適當(dāng)覆蓋率的厚度厚。
這樣，在根據(jù)本實施例的非易失存儲元件20中，在下電極23和薄膜絕緣層24之間設(shè)置低熱導(dǎo)率的第一記錄層25a，提供了除去由第一實施例的存儲元件10提供的效果之外的更高的加熱效率。此外，可以使用相對簡單的方法制造存儲元件20。
現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明第三實施例的非易失存儲元件。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的非易失存儲元件30的截面圖。
根據(jù)圖6，在本實施例的非易失存儲元件30中，第一記錄層35a僅設(shè)置在第二通孔32a的底部。在本實施例中，也是存在兩個記錄層，第一記錄層35a和第二記錄層35b，其間存在薄膜絕緣層34。由于第二層間絕緣層32的上表面32b沒有被第一記錄層35a覆蓋，因此直接在上表面32b上形成了薄膜絕緣層34。
由下電極33填充的第一通孔31a的直徑D1比由記錄層35a和35b填充的第二通孔32a的直徑D2小。下電極33的直徑與第一通孔31a的直徑D1相同，減小了下電極33的熱容。從小孔34a到大熱容上電極36的距離d2比從小孔34a到小熱容下電極33的距離d1大。
現(xiàn)在描述非易失存儲元件30的制造方法。
圖7-10說明存儲元件30的制造步驟的截面圖。
參考圖7，首先，形成第一層間絕緣層31，接著在第一層間絕緣層31中形成第一通孔31a。然后在第一層間絕緣層31上形成下電極33，完全填充第一通孔31a，使用CMP拋光下電極33，直到露出第一層間絕緣層31的上表面31b。以這種方式，在第一通孔11a中掩埋下電極33。接著，在第一層間絕緣層31上形成第二層間絕緣層32，在第二層間絕緣層32中形成第二通孔32a，露出至少部分下電極33。
接著，如圖8所示，在第二層間絕緣層32上形成第一記錄層35a。使第一記錄層35a足夠厚以完全填充第二通孔32a。接著，如圖9所示，回蝕第一記錄層35a，以露出第二層間絕緣層32的上表面32b，使得留下的所有第一記錄層35a是在第二通孔32a下端的部分。
接著，如圖10所示，在第一記錄層35a上形成薄膜絕緣層34。由于已經(jīng)回蝕了第一記錄層35a，露出第二層間絕緣層32的上表面32b，因此薄膜絕緣層34直接形成在上表面32b上?？梢酝ㄟ^濺射、熱CVD、等離子CVD、ALD或其它類似方法形成薄膜絕緣層34。然而，為了防止第一記錄層35a的硫?qū)僭鼗锊牧系膼夯?，?yōu)選熱和采用的氣氛不會過分影響硫?qū)僭鼗锊牧系姆椒ā?br> 接著，在薄膜絕緣層34上形成第二記錄層35b，使用布圖隔離每個存儲元件30的第二記錄層35b。然后，如圖6所示，在第二記錄層35b上形成上電極36，進(jìn)行預(yù)定的布圖，完成本實施例的非易失存儲元件30的制造。在將其用作實際存儲器之前，通過在下電極33和上電極36之間施加高壓以在薄膜絕緣層34中產(chǎn)生介質(zhì)擊穿從而在薄膜絕緣層34中形成小孔34a。這樣連接記錄層35a和35b的小孔34a變成了加熱區(qū)。
如上所述，在本實施例中，第一記錄層35a形成為厚層，然后回蝕，只留下第二通孔32a下端的部分。這樣允許形成的第一記錄層35a具有比需要的厚度更大的厚度，以便相對于第二通孔32a的直徑D2確保適當(dāng)?shù)母采w率。同樣，可以使從小孔34a到下電極33的距離d1比第二實施例的存儲元件20的情況下的大，提供除了由第一實施例的存儲元件20提供的效果之外的更高的加熱效率。
此外，雖然在本實施例中，僅第一記錄層35a的部分留在了第二通孔32a的下端，但是在圖11所示的修改中，取而代之的是，第二通孔32a可以或多或少完全被第一記錄層35a填充。在這種情況下，形成第一記錄層35a，使得其上表面基本上與第二層間絕緣層32的上表面32b齊平。通過根據(jù)需要調(diào)節(jié)生長和蝕刻條件，可以將第一記錄層35a調(diào)節(jié)到任意的厚度。根據(jù)圖11所示的結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)工藝的可控制性。
現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明第四實施例的非易失存儲元件。
圖12是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的存儲元件40的截面圖。
如圖12所示，根據(jù)本實施例的非易失存儲元件40具有在第一記錄層45a上表面的空腔45x?？涨?5x位于所述上表面的中心，因此從空腔壁到第二通孔42a的內(nèi)側(cè)壁的距離D3基本上一致。而且，第一記錄層45a的上表面基本上與第二層間絕緣層42的上表面42b齊平。
包含下電極43的第一通孔41a的直徑D1比用記錄層45a和45b填充的第二通孔42a的直徑D2小。下電極43的直徑與第一通孔42a的直徑D1相同，減小下電極43的熱容。而且，從小孔44a到大熱容上電極46的距離d2比從小孔44a到小熱容下電極43的距離d1大。
現(xiàn)在描述非易失存儲元件40的制造方法。
圖13和14是說明存儲元件40的制造步驟的截面圖。
在使用與圖7至9所示相同的步驟之后，留下的所有第一記錄層45a是第二通孔42a的下部的部分，再形成第一記錄層45a，如圖13所示。第二次，將第一記錄層45a形成到不完全填充第二通孔42a的厚度。
接著，回蝕第一記錄層45a，直到露出第二層間絕緣層42的上表面42b，如圖14所示。結(jié)果，留下的所有第一記錄層45a是第二通孔42a中的部分，空腔45x位于其上表面的中心。
接著，按照順序形成薄膜絕緣層44、第二記錄層45b和上電極46，如圖12所示，進(jìn)行需要的布圖，完成非易失存儲元件40。
由于存在在第一記錄層45a頂部形成的空腔45x，因此當(dāng)在電極43和36之間施加高壓時，電場在空腔45x的底部最強(qiáng)。因此，當(dāng)通過介質(zhì)擊穿形成小孔44a時，在空腔45x底部場強(qiáng)最高的位置形成小孔的可能性非常高。因此，同樣提供了第三實施例的存儲元件30的效果，存儲元件40減小了根據(jù)小孔形成點的變化。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明第五實施例的非易失存儲元件。
圖15是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的存儲元件50的截面圖。
在本實施例的存儲元件50中，如圖15所示，在第二通孔52a的內(nèi)側(cè)壁上形成了側(cè)壁57，使第二通孔52a中的第一記錄層55a的直徑D4比第二通孔52a的直徑D2小?？梢詫⑷魏谓^緣材料用于側(cè)壁57，例如SiO2或Si3N4等。第一層間絕緣層51和第二層間絕緣層52等具有與上面描述的較早實施例的相應(yīng)部分相同的結(jié)構(gòu)。
由下電極53填充的第一通孔51a的直徑D1比由記錄層55a和55b填充的第二通孔52a的直徑D2小，下電極53的直徑與第一通孔51a的直徑D1相同，減小了下電極53的熱容。雖然對直徑D1和D4之間的關(guān)系沒有特別限制，但是優(yōu)選D4比D1大。從小孔54a到大熱容上電極56的距離d2比從小孔54a到小熱容下電極53的距離d1大。
現(xiàn)在將描述非易失存儲元件50的制造方法。
圖16-19是說明存儲元件50的制造步驟的截面圖。
使用圖7所示的相同步驟，在第二層間絕緣層52中形成第二通孔52a，露出至少部分下電極53。然后形成構(gòu)成側(cè)壁的絕緣層57a，如圖16所示。絕緣層57a必須形成到不完全填充第二通孔52a的厚度。接著，如圖17所示，回蝕絕緣層57a，以除去第二層間絕緣層52上表面52b上的部分。結(jié)果，留下的所有絕緣層57a都是第二通孔52a內(nèi)側(cè)壁上構(gòu)成側(cè)壁57的部分。必須回蝕底部，以露出下電極53的至少一部分。
接著，如圖18所示，在第二層間絕緣層52上形成第一記錄層55a，第一記錄層55a必須形成得足夠厚，以完全填充第二通孔52a。
接著，如圖19所示，回蝕第一記錄層55a，直到?jīng)]有留在上表面52b的部分，使得留下的所有第一記錄層55a都在由側(cè)壁57圍繞的區(qū)域中。接著，如圖15所示，按照順序形成薄膜絕緣層54、第二記錄層55b和上電極56，進(jìn)行需要的布圖，完成非易失存儲元件50。
在本實施例中，在第二通孔52a中提供側(cè)壁57，因此具有第一記錄層55a的通孔直徑、也就是第一記錄層55a的直徑D4可以小于光刻分辨率，因此構(gòu)成加熱器的第一記錄層55a的體積可以減小，進(jìn)一步提高了熱效率。這樣，除了提供與第三實施例的存儲元件30相同的效果之外，存儲元件50還提供了較高的加熱效率。
現(xiàn)在將描述本發(fā)明第六實施例的非易失存儲元件。
圖20是根據(jù)第六實施例的存儲元件60的截面圖。
在本實施例的存儲元件60中，如圖20所示，在第一通孔61a的內(nèi)側(cè)壁上形成側(cè)壁67，使第一通孔61a中的下電極63的直徑D5比第二通孔62a的直徑D2小。第一通孔61a的直徑D1和第二通孔62a的直徑D2基本上相同?？梢詫⑷魏谓^緣材料用于側(cè)壁67，例如SiO2或Si3N4等。
第一和第二記錄層65a和65b和薄膜絕緣層64等，每個都具有與圖6所示存儲元件30相同的結(jié)構(gòu)，第一層間絕緣層61和第二層間絕緣層62的構(gòu)成與較早描述的實施例的相應(yīng)部件相同。
雖然第一通孔61a的直徑D1和第二通孔62a的直徑D2幾乎相同，但是設(shè)置在第一通孔61a內(nèi)側(cè)壁上的側(cè)壁67使下電極63的直徑D5比第二通孔62a的直徑D2小，從而減小下電極63的熱容。
在本實施例中，由于在第一通孔61a中設(shè)置側(cè)壁57，因此下電極63的直徑可以比光刻分辨率小。因此，即使直徑D1和D2相同，也可以減小下電極63的熱容，減少從加熱區(qū)逃逸到下電極63的熱量。
本發(fā)明決不限于上述實施例，在如權(quán)利要求所述的本發(fā)明范圍內(nèi)，各種修改都是可以的，自然這些修改包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，盡管圖15所示的第五實施例的存儲元件50具有兩個記錄層，但是可以省略第一記錄層55a。此外，可以將側(cè)壁57添加到第一到第四實施例的存儲元件10、20、30和40。
此外，雖然在存儲元件50的第二通孔52a的內(nèi)側(cè)壁上形成了側(cè)壁57，在存儲元件60的第一通孔61a的內(nèi)側(cè)壁上形成了側(cè)壁67，但是倘若設(shè)置成下電極的直徑小于第二通孔的直徑，也可以在第一和第二通孔中都設(shè)置側(cè)壁。
而且，雖然在上面的每個實施例中，第二層間絕緣層具有單層結(jié)構(gòu)，但是也可以將其構(gòu)成為兩個或者多個不同材料絕緣層的疊層，使其更容易控制在形成第二通孔過程中使用的蝕刻工藝。
更具體地說，如圖21所示，在形成第一層間絕緣層71和下電極73之后，將第二層間絕緣層72形成為由絕緣層72-1和絕緣層72-2構(gòu)成的疊層。對于絕緣層72-1，需要選擇具有與絕緣層72-2不同蝕刻率的材料，使得絕緣層72-1可以作為當(dāng)蝕刻絕緣層72-2時的蝕刻停止層。同樣，對于第一層間絕緣層71，需要選擇具有與絕緣層72-1不同蝕刻率的材料，使得第一層間絕緣層71可以作為蝕刻絕緣層72-1時的蝕刻停止層。例如，如果將硅氧化物(SiO2)用作第一層間絕緣層71和絕緣層72-2，則可以將硅氮化物(Si3N4)用作絕緣層72-1。
接著，如圖22所示，在絕緣層72-2中形成第二通孔72a。這里，由于絕緣層72-1作為蝕刻停止層，因此根本沒有蝕刻第一層間絕緣層71。接著，如圖23所示，蝕刻絕緣層72-1，露出第二通孔72a的底部。這里，由于第一層間絕緣層71作為蝕刻停止層，因此不會對其產(chǎn)生任何損害。然后，形成其它層等，使用參考其它實施例說明的相同工序，完成非易失存儲元件。
這樣，包括作為不同材料的兩層或者多層的疊層的第二層間絕緣層，使其更容易控制形成第二通孔時的蝕刻工藝。
權(quán)利要求
1.一種非易失存儲元件，包括具有第一通孔的第一層間絕緣層；形成在第一層間絕緣層上、具有第二通孔的第二層間絕緣層，第二通孔的至少一部分與第一通孔的至少一部分重疊；設(shè)置在第一通孔中的下電極；包含相變材料的至少一個記錄層，記錄層的至少一部分設(shè)置在第二通孔中；設(shè)置在第二絕緣層上的上電極；和形成在下電極和記錄層之間的薄膜絕緣層，其中下電極具有比第二通孔的直徑小的直徑。
2.如權(quán)利要求1所述的非易失存儲元件，其中與第二層間絕緣層的上表面和第二通孔內(nèi)側(cè)壁接觸地設(shè)置薄膜絕緣層。
3.如權(quán)利要求1所述的非易失存儲元件，其中所述至少一個記錄層包含第一和第二記錄層，薄膜絕緣層設(shè)置在所述第一和第二記錄層之間。
4.如權(quán)利要求3所述的非易失存儲元件，其中與第二層間絕緣層的上表面接觸地設(shè)置薄膜絕緣層。
5.如權(quán)利要求3所述的非易失存儲元件，其中與第二通孔內(nèi)側(cè)壁接觸地設(shè)置薄膜絕緣層。
6.如權(quán)利要求3所述的非易失存儲元件，其中第一記錄層的上表面基本上與第二層間絕緣層的上表面齊平。
7.如權(quán)利要求3所述的非易失存儲元件，其中空腔形成在第一記錄層的上表面中，并且通過薄膜絕緣層用第二記錄層填充。
8.如權(quán)利要求1所述的非易失存儲元件，進(jìn)一步包括覆蓋第二通孔內(nèi)側(cè)壁的側(cè)壁絕緣層。
9.如權(quán)利要求3所述的非易失存儲元件，其中從薄膜絕緣層最接近下電極的部分到上電極的距離比從薄膜絕緣層到下電極的最短距離大。
10.如權(quán)利要求1所述的非易失存儲元件，其中薄膜絕緣層經(jīng)受介質(zhì)擊穿。
11.如權(quán)利要求1所述的非易失存儲元件，其中第二層間絕緣層包含由不同材料構(gòu)成的至少兩個絕緣層。
12.一種非易失存儲元件，包括上電極；具有比上電極小的熱容的下電極；具有通孔、設(shè)置在下電極和上電極之間的層間絕緣層；包含相變材料并且至少其一部分設(shè)置在通孔中的第一和第二記錄層；和設(shè)置在第一記錄層和第二記錄層之間的薄膜絕緣層，其中從薄膜絕緣層的最接近下電極的部分到上電極的距離比從薄膜絕緣層到下電極的最短距離大。
13.如權(quán)利要求12所述的非易失存儲元件，其中與層間絕緣層的上表面接觸地設(shè)置薄膜絕緣層。
14.如權(quán)利要求12所述的非易失存儲元件，其中與通孔內(nèi)側(cè)壁接觸地設(shè)置薄膜絕緣層。
15.如權(quán)利要求12所述的非易失存儲元件，其中空腔形成在第一記錄層的上表面中，并且通過薄膜絕緣層用第二記錄層填充。
16.如權(quán)利要求12所述的非易失存儲元件，進(jìn)一步包括覆蓋通孔內(nèi)側(cè)壁的側(cè)壁絕緣層。
17.如權(quán)利要求12所述的非易失存儲元件，其中薄膜絕緣層經(jīng)受介質(zhì)擊穿。
18.一種非易失存儲元件的制造方法，包括用于形成第一層間絕緣層的第一步驟；用于在第一層間絕緣層中形成第一通孔的第二步驟；用于在第一通孔中形成下電極的第三步驟；用于在第一層間絕緣層上形成第二層間絕緣層的第四步驟；用于在第二層間絕緣層中形成第二通孔以露出至少一部分下電極的第五步驟；用于在第二層間絕緣層上形成薄膜絕緣層和包含相變材料的至少一個記錄層使得至少部分記錄層形成在第二通孔中的第六步驟；用于在至少一個記錄層上形成上電極的第七步驟。
19.如權(quán)利要求18所述的非易失存儲元件的制造方法，其中第六步驟包含用于形成第一記錄層的第一子步驟；用于在第一記錄層上形成薄膜絕緣層的第二子步驟；和用于在薄膜絕緣層上形成第二記錄層的第三子步驟。
20.如權(quán)利要求19所述的非易失存儲元件的制造方法，其中第六步驟進(jìn)一步包括回蝕第一記錄層的第四子步驟，其中在第一子步驟之后但在第二子步驟之前進(jìn)行所述子步驟。
21.如權(quán)利要求20所述的非易失存儲元件的制造方法，其中直到露出第二層間絕緣層的上表面才進(jìn)行第四子步驟的蝕刻。
22.如權(quán)利要求18所述的非易失存儲元件的制造方法，其中在第五步驟之后但是在第六步驟之前在第二通孔的內(nèi)側(cè)壁上形成側(cè)壁絕緣層。
23.如權(quán)利要求18所述的非易失存儲元件的制造方法，其中在進(jìn)行第七步驟之后，通過在下電極和上電極之間施加電壓在薄膜絕緣層中產(chǎn)生介質(zhì)擊穿。
全文摘要
一種非易失存儲元件，包含具有第一通孔11a的第一層間絕緣層11；形成在第一層間絕緣層11上、具有第二通孔12a的第二層間絕緣層12；設(shè)置在第一通孔11中的下電極13；包含相變材料、設(shè)置在第二通孔12中的記錄層15；設(shè)置第二層間絕緣層12上的上電極16；和形成在下電極13和記錄層15之間的薄膜絕緣層14。根據(jù)本發(fā)明，埋在第一通孔11a中的下電極13的直徑D1比第二通孔12a的直徑D2小，從而降低下電極13的熱容。因此，當(dāng)通過薄膜絕緣層14中的介質(zhì)擊穿形成小孔14a時，附近用作加熱區(qū)，減少逃逸到下電極13的熱量，導(dǎo)致更高的加熱效率。
文檔編號H01L21/82GK1960020SQ20061014392
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月2日
發(fā)明者淺野勇, 佐藤夏樹, 泰勒·A·勞里, 蓋·C·威克, 沃洛季米爾·丘巴蒂耶, 斯蒂芬·J·赫金斯 申請人:爾必達(dá)存儲器株式會社