專利名稱：相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，更具體而言，涉及一種相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)(PCRAM)器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)(PCRAM)器件經(jīng)由流動(dòng)在頂電極與底電極之間的電流將插入
在頂電極與底電極的相變層改變?yōu)榫B(tài)或非晶態(tài)。利用相變層在晶態(tài)中的電阻與相變層在非晶態(tài)中的電阻之間的差來讀取儲(chǔ)存在單元中的信息。PCRAM器件可以使用硫族化物層作為相變材料。硫族化物層表示諸如硫⑶、硒(Se)以及碲(Te)的硫族元素的化合物。作為硫族化物材料，可以使用鍺-銻-碲(GST，Ge2Sb2Te5)或銀-銦-鋪-締(Ag-In-Sb-Te)。一般地,固體材料可以被分成原子規(guī)則排列的晶態(tài)材料諸如金屬，以及原子不規(guī)則排列的非晶材料諸如玻璃。硫族化物材料具有在晶態(tài)與非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變特性。因而，硫族化物材料被稱作相變材料。當(dāng)加熱硫族化物材料并達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，原子排列無序并且硫族化物材料被熔化。在硫族化物材料被熔化之后，當(dāng)熔化的材料被快速冷卻時(shí)，原子的規(guī)則排列有序并且材料變成非晶態(tài)(復(fù)位狀態(tài)，邏輯“I”)。當(dāng)再次加熱處于非晶態(tài)的材料時(shí)，無序的原子排列重新排列有序并且材料再次處于晶態(tài)(設(shè)置狀態(tài)，邏輯“O”)。圖I是說明現(xiàn)有的PCRAM器件的截面圖。參見圖1，現(xiàn)有的PCRAM包括以垂直結(jié)構(gòu)形成在半導(dǎo)體襯底101上的開關(guān)器件103、底電極105、相變材料圖案107以及頂電極109。相變材料圖案107具有陣列型，以及由于器件的設(shè)計(jì)規(guī)則按比例縮減到60nm等級(jí)，所以相鄰單元之間的距離較窄。在60nm等級(jí)的情況下，當(dāng)為選中的單元A產(chǎn)生用于相變的焦耳熱時(shí)，旨在用于單元A的熱被傳遞到周圍的單元B和C。通過將熱傳遞到附近的單元B和C，不希望的單元可能會(huì)發(fā)生相變。更具體而言，當(dāng)對(duì)選中的單元進(jìn)行復(fù)位時(shí)，施加給選中的單元的熱被傳播到附近的單元，且因而，附近的單元的溫度增加。當(dāng)邏輯數(shù)據(jù)“I”被記錄在附近的單元時(shí)，通過從用于選中的單元產(chǎn)生的熱中傳播的熱來改變相變材料圖案107的晶態(tài)，且因而，附近單元的數(shù)據(jù)可能從邏輯數(shù)據(jù)“I”改變到邏輯數(shù)據(jù)“O”。附近單元中的邏輯數(shù)據(jù)的改變可以稱為干擾。施加600°C以上的加熱溫度來執(zhí)行復(fù)位操作，但是在大約200°C的加熱溫度執(zhí)行
設(shè)置操作。已經(jīng)建議了一種形成短線型(dash type)的底電極的方法來防止熱干擾。然而仍然存在不足。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)示例性實(shí)施例的一個(gè)方面，一種相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(PCRAM)器件包括底電極接觸，所述底電極接觸被形成在包括下結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底上相變材料圖案，所述相變材料圖案分別與底電極接觸接觸；以及熱絕緣單元，所述熱絕緣單元被形成在所述相變材料圖案之間。根據(jù)示例性實(shí)施例的另一個(gè)方面，一種制造PCRAM器件的方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成相變材料層，所述半導(dǎo)體襯底包括由第一層間絕緣層絕緣的底電極接觸；通過將相變材料層圖案化來形成相變材料圖案以分別與所述底電極接觸電接觸，其中，形成相變材料圖案的步驟包括對(duì)在相變材料圖案之間的第一層間絕緣進(jìn)行刻蝕；以及在半導(dǎo)體襯底上形成第二層間絕緣層，所述半導(dǎo)體襯底包括相變材料圖案和經(jīng)刻蝕的第一層間絕緣層。 在以下標(biāo)題為“具體實(shí)施方式
”的部分中描述這些和其它的特點(diǎn)、方面和實(shí)施例。


從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中將更加清楚地理解本發(fā)明的主題的以上和其它的方面、特征以及其它的優(yōu)點(diǎn)，其中圖I是說明現(xiàn)有的相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(PCRAM)器件的截面圖；圖2至5是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的制造PCRAM器件的方法的截面圖；圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例的PCRAM的布局圖；以及圖7是說明在PCRAM器件的寫操作中傳播到相鄰單元的熱的程度的圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將參照附圖來更詳細(xì)地描述示例性實(shí)施例。本發(fā)明參照截面圖來描述示例性實(shí)施例,截面圖是示例性實(shí)施例(以及中間結(jié)構(gòu))的示意性說明。因此，可以預(yù)料到例如由于制造技術(shù)和/或公差所帶來的形狀的變化。因而，示例性實(shí)施例不應(yīng)解釋為限于本發(fā)明所說明的區(qū)域的具體形狀，而是可以包括例如源自制造的形狀差異。在附圖中，為了清晰可以夸大層和區(qū)域的長度和尺寸。相同的附圖標(biāo)記在附圖中表示相同的元件。也可以理解當(dāng)提及一層在另一層或襯底“上”時(shí)，其可以直接在另一層或襯底上或可以存在中間層。圖2至5是說明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示例性實(shí)施例的制造相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)(PCRAM)器件的方法的截面圖。首先，參見圖2，在形成下結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底201上形成底電極接觸203。例如，下結(jié)構(gòu)可以包括開關(guān)器件、字線等。底電極接觸203通過包括例如氮化物層的第一層間絕緣層205而被絕緣。隨后，在包括底電極接觸203和第一層間絕緣層205的半導(dǎo)體襯底201的整個(gè)結(jié)構(gòu)上形成相變材料層207。參見圖3，執(zhí)行刻蝕工藝以形成相變材料圖案207A。當(dāng)刻蝕相變材料層207時(shí)，第一層間絕緣層205可以用作刻蝕停止層?？商鎿Q地，可以刻蝕第一層間絕緣層205到指定的深度。因此，相變材料圖案207A之間的空間的高寬比增大。參見圖4，在包括相變材料圖案207A和經(jīng)刻蝕的第一層間絕緣層205的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)結(jié)構(gòu)上形成第二層間絕緣層209。第二層間絕緣層209可以包括具有差的間隙填充屬性的材料。例如，可以使用高密度等離子體(HDP)沉積法由氧化硅(SiO2)來形成第二層間絕緣層209。當(dāng)形成第二層間絕緣層209時(shí)，由于相變材料圖案207A之間的空間的高寬比已經(jīng)增大，所以引起懸空211。懸空211引起要掩埋在第二層間絕緣層209中的孔，更具體而言，相變材料圖案207A之間的第二層間絕緣層209的空隙。圖5說明出現(xiàn)空隙的一個(gè)實(shí)施例。如圖5所示，在形成第二層間絕緣層209之后在相變材料圖案207A之間形成空隙。第二層間絕緣層，例如HDP SiO2層具有大約I. 4ff/mK的熱導(dǎo)率。第一層間絕緣層，例如通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法形成的Si3N4具有大約20W/mK的熱導(dǎo)率。然而，當(dāng)空隙213被空氣填充時(shí)，空隙213具有大約O. 024ff/mK的很低的熱導(dǎo)率。因此，在本示例性實(shí)施例中，在形成相變材料圖案207A的刻蝕工藝中，當(dāng)刻蝕第一層間絕緣層205以增大相變材料圖案207A之間的空間的高寬比并且形成第二層間絕緣層209以有意地形成空隙213時(shí)，可以最小化相變材料圖案207A之間的熱轉(zhuǎn)移。因而，空隙213可以稱作為熱絕緣單元。空隙213或更具體而言熱絕緣單元，可以維持在真空狀態(tài)，或可以將干空氣或氮?dú)庵糜诳障?13或更具體而言熱絕緣單元中。另外，空隙213允許在相變材料圖案207A中產(chǎn)生的熱不擴(kuò)散到附近的單元，但傳播到頂電極或底電極。當(dāng)PCRAM器件操作時(shí)，可以最小化熱損失。因此，當(dāng)在復(fù)位操作中通過與施加到現(xiàn)有的PCRAM器件的電流量相同的電流量來操作PCRAM器件時(shí)，相變材料圖案207A的加熱溫度增加。因此，可以通過與施加到現(xiàn)有PCRAM器件的電流量的60%至70%相對(duì)應(yīng)的電流量來記錄期望的數(shù)據(jù)，由此與現(xiàn)有的PCRAM器件相比將功耗最小化。在本示例性實(shí)施例的PCRAM器件中，通過在字線方向和位線方向上將相變材料層圖案化來制造相變材料層。因而，在位線方向上也引起空隙。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例的PCRAM器件的布局圖。圖6說明空隙213A出現(xiàn)在字線方向上并且空隙213B出現(xiàn)在位線方向上。相變圖案207A通過包括空隙213A和213B的層間絕緣層而在x軸和y軸方向上與相鄰的相變材料圖案207A絕緣。因而，可以去除由于相鄰單元之間的熱干擾引起的干擾，并且可以確保PCRAM器件的可靠性。圖7是說明在PCRAM器件的寫入操作中傳播到相鄰單元的熱的程度的圖。圖7示出在對(duì)特定單元進(jìn)行的記錄操作中傳播到相鄰單元的熱效果，由符號(hào)“ ”來表示在不包括形成在相變材料圖案之間的空隙的現(xiàn)有PCRAM器件中傳播到相鄰單元的熱效果，由符號(hào)“ ■”來表示在包括形成在相變材料圖案之間的空隙的本發(fā)明的示例性實(shí)施例的PCRAM器件中傳播到相鄰單元的熱效果，并且由符號(hào)“▲”來表示在現(xiàn)有的PCRAM器件中的熱效果與在本示例性實(shí)施例的PCRAM器件中的熱效果之間的溫度差。如圖7所示，與現(xiàn)存的PCRAM器件相比，本發(fā)明的示例性實(shí)施例的PCRAM器件的熱效果得到了改善，并且在100°c熱效果減弱到最大程度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的PCRAM器件包括相變材料圖案之間的熱絕緣單元。熱絕緣單元可以包括干空氣或氮?dú)?，或熱絕緣單元可以處于真空狀態(tài)。與相變材料圖案之間的絕緣層(HDP 3102層)或底電極接觸之間的絕緣層(PECVDSi3N4層)相比，熱絕緣單元的熱導(dǎo)率相當(dāng)?shù)?，且因而，空隙用作熱絕緣單元，由此改善相鄰的單元之間的干擾。

可以通過形成熱絕緣單元來改善熱損耗的量，且因而，可以用較小的電流量將數(shù)據(jù)記錄在單元中，由此降低PCRAM器件的總功耗。盡管以上已經(jīng)描述了某些實(shí)施例，但是可以理解的是描述的實(shí)施例僅僅是示例性的。因此，本發(fā)明描述的器件和方法不應(yīng)基于所描述的實(shí)施例受限制。更確切地說，應(yīng)當(dāng)僅根據(jù)結(jié)合以上描述和附圖來考慮下述權(quán)利要求來限定本文描述的系統(tǒng)和方法。
權(quán)利要求
1.一種相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件即PCRAM器件，包括 底電極接觸，所述底電極接觸被形成在包括下結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底上； 相變材料圖案，所述相變材料圖案分別與所述底電極接觸接觸；以及 熱絕緣單元，所述熱絕緣單元被形成在所述相變材料圖案之間。
2.如權(quán)利要求I所述的PCRAM器件，其中，將所述相變材料圖案在字線方向和位線方向上圖案化為島型。
3.如權(quán)利要求I所述的PCRAM器件，其中，所述熱絕緣單元包括空隙。
4.如權(quán)利要求I所述的PCRAM器件，其中，所述熱絕緣單元被干空氣填充。
5.如權(quán)利要求I所述的PCRAM器件，其中，所述熱絕緣單元被氮?dú)馓畛洹?br> 6.如權(quán)利要求I所述的PCRAM器件，其中，所述熱絕緣單元處于真空狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求I所述的PCRAM器件，還包括層間絕緣層，所述層間絕緣層被形成在所述相變材料圖案之間以將所述相變材料圖案絕緣， 其中，所述熱絕緣單元被形成在所述相變材料圖案之間的所述層間絕緣層中。
8.如權(quán)利要求I所述的PCRAM器件，其中，所述襯底的下結(jié)構(gòu)包括開關(guān)器件、字線或位線。
9.一種制造相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件即PCRAM器件的方法，包括以下步驟 在包括被第一層間絕緣層絕緣的底電極接觸的半導(dǎo)體襯底上形成相變材料層； 通過將分別要與所述底電極接觸電接觸的所述相變材料層圖案化，來形成相變材料圖案，其中，形成所述相變材料圖案的步驟包括刻蝕在所述相變材料圖案之間的所述第一層間絕緣層；以及 在包括所述相變材料圖案和經(jīng)刻蝕的第一層間絕緣層的所述半導(dǎo)體襯底上形成第二層間絕緣層。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，形成所述相變材料圖案的步驟包括在字線方向和位線方向上刻蝕所述相變材料層。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，形成所述第二層間絕緣層的步驟包括在所述相變材料圖案之間造成空隙。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在所述空隙中填充干空氣的步驟。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在所述空隙中填充氮?dú)獾牟襟E。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在所述空隙中執(zhí)行真空處理的步驟。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，形成所述第二層間絕緣層的步驟包括在所述相變材料圖案之間造成空隙。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括在所述空隙中填充干空氣的步驟。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括在所述空隙中填充氮?dú)獾牟襟E。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括在所述空隙中執(zhí)行真空處理的步驟。
19.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述第二層間絕緣層包括具有差的間隙填充特性的材料。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述第二層間絕緣層是利用高密度等離子體沉積法由氧化硅SiO2層形成的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件即PCRAM器件及其制造方法。所述PCRAM器件包括底電極接觸，所述底電極接觸形成在包括下結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底上；相變材料圖案，所述相變材料圖案分別與所述底電極接觸接觸；以及熱絕緣單元，所述熱絕緣單元形成在所述相變材料圖案之間。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102881823SQ201210195688
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者沈俊燮, 孫在現(xiàn), 李大雄, 吳榮訓(xùn) 申請(qǐng)人:愛思開海力士有限公司