專利名稱：側(cè)壁結(jié)構的可切換電阻器單元的制作方法
側(cè)壁結(jié)構的可切換電阻器單元
本申請是分案申請，原申請的申請日為2009年04月01日，申請?zhí)枮?200980112695. X，發(fā)明名稱為“側(cè)壁結(jié)構的可切換電阻器單元”。技術領域
本發(fā)明一般涉及制備半導體器件的方法，更具體地說，涉及制備半導體非易失性存儲器單元的方法。
背景技術：
由半導體材料制備的器件被用來生成電氣部件和系統(tǒng)中的存儲器電路。存儲器電路是這類器件的支柱，因為數(shù)據(jù)和指令集都被存儲在其中。最大化這類電路上每單位面積的存儲器元件的數(shù)目能夠最小化其成本，因此是這類電路設計的主要動力。
圖I圖示說明了示例性的現(xiàn)有技術的存儲器元件20，該存儲器元件包括垂直朝向的圓柱形的結(jié)型二極管22和存儲元件24 (例如反熔絲的介電質(zhì)或者金屬氧化物電阻率切換層)，所述結(jié)型二極管作為單元的導向元件。二極管22和存儲元件24被插入頂部導體或電極26和底部導體或電極28之間。垂直朝向的結(jié)型二極管22包括第一導電類型(例如 η型)的重摻雜的半導體區(qū)域30、未摻雜的半導體材料或者輕摻雜的半導體材料的中間區(qū)域32 (被稱為本征區(qū)域)以及第二導電類型(例如P型)的重摻雜的半導體區(qū)域34，以形成 p-i-n 二極管。如果需要，P型區(qū)域和η型區(qū)域的位置可以互換。結(jié)型二極管22的半導體材料通常為硅、鍺、或者硅和/或鍺的合金。也可以使用其它半導體材料。結(jié)型二極管22和存儲兀件24被串聯(lián)布置在底部導體28和頂部導體26之間,所述底部導體和頂部導體可以由金屬例如鎢和/或TiN形成。存儲元件24可以位于二極管22上或者二極管下。參照圖 1Α,由 Herner 等提出的題為“High-Density Three-Dimensional Memory Cell” 的美國專利6，952，030公開了一種示例性的非易失性存儲器單元，該專利在下文中稱作“030專利” 并且通過引用以其整體合并到此。
金屬氧化物可切換電阻器的電阻可能太小，以至于不被三維(3D) 二極管陣列有效地探測到。相對于高的重置電流，低的重置電流通常是優(yōu)選的，因此電阻器元件的電阻通常優(yōu)選是高的。因為金屬氧化物元件24被淀積在二極管柱22上，因此氧化物元件的電阻可能太小，因此產(chǎn)生不期望的高的重置電流。而且，在制備過程中，金屬氧化物電阻器材料可能會由于刻蝕而被損壞，從而不能提供切換功能。發(fā)明內(nèi)容
—種制備存儲器器件的方法，包括形成第一導電電極，在第一導電電極上形成絕緣結(jié)構，在絕緣結(jié)構的側(cè)壁上形成電阻率切換元件，在電阻率切換元件上形成第二導電電極，以及在第一導電電極和第二導電電極之間形成與電阻率切換元件串聯(lián)的導向元件，其中電阻率切換元件在從第一導電電極到第二導電電極的第一方向上的高度大于電阻率切換元件在與第一方向垂直的第二方向上的厚度。


圖IA圖示說明了現(xiàn)有技術的存儲器單元的三維視圖。圖IB和IC分別示出了現(xiàn)有技術的電阻率切換存儲元件的側(cè)視圖和頂視圖。
圖2A和2B分別示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的單元的側(cè)視圖和頂視圖。
圖3、4、5、6A和7圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器單元的側(cè)截面圖。圖 6B是圖6A的單元的頂視圖。
具體實施方式
本發(fā)明人認識到，可以通過幾何效應來增加存儲元件(在此也被稱為電阻率切換元件)的電阻，這里電阻率切換元件形成在絕緣結(jié)構的側(cè)壁上，與導向元件串聯(lián)。在該配置中，電阻率切換元件在從底部導電電極到上部導電電極的“垂直”方向上的高度大于電阻率切換元件在與“垂直”方向正交的第二方向上的厚度。電阻率切換元件可以是位于絕緣結(jié)構的側(cè)壁上的二元金屬氧化物的薄層，并且仍然被提供為在下部電極和上部電極之間與二極管導向元件串聯(lián)。
電阻率切換材料24的電阻值R可以通過下式計算
R=P *t/(L*W) [I]
這里P為材料的電阻率，t是層的高度，(L*W)是導電通路的面積。因此，層的電阻值可以高度依賴于幾何尺寸。圖1B、1C、2A和2B圖示說明了電阻的這種依賴性。圖IB和 IC圖示說明了位于二極管頂部的電阻率切換元件24 (為了清楚，在圖IB和IC中省略該二極管，其可以位于元件24的上方或下方)。由于在元件24切換到低電阻率狀態(tài)期間形成的導電細絲25的面積L*W不受單元結(jié)構的限制，因此導電細絲的電阻可以是相對低的電阻。 典型的金屬氧化物可切換電阻材料可以形成具有在IK歐姆到IOK歐姆范圍內(nèi)的電阻的細絲，該電阻低于由用于三維二極管陣列而形成的二極管典型實現(xiàn)的電阻。三維二極管陣列中的二極管不能可靠地重置相對低電阻的細絲。
圖2A和2B圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的存儲器單元結(jié)構的一部分的側(cè)面截面圖和頂視圖，這里為了清楚，再次省略了二極管，但是其在電極26和28之間，位于電阻率切換元件14的上方或下方并且與電阻率切換元件串聯(lián)。在這個實施例中，電阻率切換元件被形成在絕緣結(jié)構13的側(cè)壁上。在這個配置中，由下式計算電阻值
R=P *T/(1*W) [2]
這里I是元件14在絕緣結(jié)構側(cè)壁上淀積的厚度。長度I可以顯著小于圖IB和IC 中的長度L。與圖IB和IC中的配置相比，圖2A和2B的配置中電阻增大為(L/1)倍。高度 T是覆蓋絕緣結(jié)構13的側(cè)壁的電阻率切換元件14的高度。高度T可以等于圖IB和IC的現(xiàn)有技術的平面厚度t，并且在一些情況下可以大于該平面厚度t。
圖2A和2B中所示的本發(fā)明的實施例的一個優(yōu)點是低電阻狀態(tài)的增加，其依賴于高度T的數(shù)值。注意到，對于一些材料，切換到高電阻的區(qū)域可以小于圖3中所示的T。從上面所描述的圖中可以看出，，W傾向于大于圖IB和IC中所示的現(xiàn)有技術的配置中的t，并且小于圖2A和2B中所示的本發(fā)明的實施例的側(cè)壁配置中的T。側(cè)壁層的厚度I可以小于細絲區(qū)域的典型尺寸。由于I可以小于現(xiàn)有技術的細絲的直徑，因此為了進一步增大電阻，在一些材料中還傾向于減小細絲在W尺寸上的程度。
本發(fā)明的實施例中的電阻率切換元件的電阻較少依賴于可變的細絲形成的尺寸， 因為它受到尺寸I的限制。由于在一些材料中，電流通路穿過電阻率切換元件的截面面積被限定到小于典型的細絲尺寸，因此重置電流也會比較小。開關和陣列線中重置電流以及相關的IR壓降的減小，對于允許包括側(cè)壁電阻率切換元件的存儲器陣列中重置電壓和功耗降低是極大優(yōu)勢。三維二極管陣列中的二極管能夠可靠地重置本發(fā)明的實施例中形成的相對高電阻的細絲。
在圖I中，L傾向于隨著t增加，并且可以大約為t的四倍，例如t是5nm，L是 20nm。但是在圖2中，I對T不敏感，使得可以通過工藝選擇來增加T ;例如，電阻率切換材料層的高度T可以大于5nm,例如大于20nm,并且厚度I可以小于20nm,例如小于5nm。結(jié)果，電阻可以從圖I所示的增加為(L/1)* (T/t)倍，在該示例中即增加16倍。
圖3-7圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有各種絕緣結(jié)構13的示例性存儲器單元結(jié)構。電阻率切換元件14可以具有不同的形狀。例如，其可以是環(huán)形的，圍繞著絕緣結(jié)構，或者其可以位于絕緣材料中的槽內(nèi)。類似地，絕緣結(jié)構可以具有不同的形狀，例如柱形或軌道形。
如圖3中所示，在下部電極28 (在圖I中示出)上形成柱形二極管22 (也在圖IA 中詳細地示出)。二極管22可以由任何合適的半導體材料形成，如硅、鍺、SiGe或者其它化合物半導體材料，其可以是多晶的、單晶的或者無定形的。電極28位于襯底上，例如半導體晶圓(包括硅或者化合物半導體晶圓)，或者玻璃、塑料，或者金屬襯底。電極28可以包括金屬(例如鎢、鋁或者它們的合金)或者金屬化合物(例如氮化鈦)。
接著，在二極管22上形成可選的導電阻擋層16。阻擋層16可以包括任何導電材料，例如氮化鈦。接著，在阻擋層16上形成絕緣結(jié)構13。絕緣結(jié)構13可以包括任何合適的絕緣材料，例如氧化娃或者氮化娃或者有機絕緣材料。結(jié)構13可以具有任何合適的形狀, 例如軌道形或者柱形，只要其包含側(cè)壁15。
接著，在絕緣結(jié)構13的至少一個側(cè)壁上形成至少一個電阻率切換元件14。如果結(jié)構是圓柱形，如圖2B中所示，則其只有一個側(cè)壁15。電阻率切換元件14可以包括熔絲、多晶硅存儲器效應材料、金屬氧化物(例如二元金屬氧化物(例如氧化鎳)或者可切換復雜金屬氧化物(例如鈣鈦礦氧化物))、碳納米管、石墨烯可切換電阻材料、其它碳電阻率切換材料(例如無定形碳、多晶碳或者微晶碳)、相變材料，電解質(zhì)切換材料，可切換復雜金屬氧化物、導電橋元件或者可切換聚合物。電阻率切換元件的電阻率可以響應于在圖IA中所示的電極26和28之間提供的正向和/或反向偏壓而被增大或者減小。
可以通過任何合適的方法在絕緣結(jié)構13上形成電阻率切換元件14，例如化學氣相沉積，物理氣相沉積(例如濺射)等。元件14可以位于絕緣結(jié)構13的頂表面和絕緣結(jié)構 13的側(cè)壁15。替換地，可以在絕緣結(jié)構13上形成元件14 (例如金屬氧化物絕緣層)，并且接著通過CMP或者其它方法來平坦化該元件14，以去除元件14位于結(jié)構13的上表面的厚度U，并且暴露出絕緣結(jié)構13的上表面。如圖3中所示，元件14的有效切換區(qū)域18具有長度L，該長度可能由于PVD淀積的遮蔽效應而比元件的平面厚度要薄。區(qū)域18中的這個側(cè)壁頸縮增大了元件14的電阻。
在圖4所示的替換實施例中，金屬或者金屬氮化物薄膜(例如氮化鈦薄膜)被淀積在結(jié)構13上，并且隨后通過CMP或者其它平坦化方法從絕緣結(jié)構的頂部選擇性地去除。接著，在氧化氣氛中氧化圖形化的薄膜，從而形成金屬氧化物或者氮氧化物電阻率切換元件 14，例如氮氧化鈦元件。由于上面所描述的頸縮現(xiàn)象，元件的有效區(qū)域18可以被完全轉(zhuǎn)化為絕緣金屬氧化物或者氮氧化物，而元件14的上部分42可以保持是導電金屬或者金屬氮化物。在圖4中，為了清楚，放大了元件14的厚度。元件14可以具有IOnm到30nm的垂直厚度。
在圖4的實施例中，結(jié)構13的側(cè)壁15包括在絕緣層13 (例如氧化硅層)內(nèi)形成的孔或者槽42的側(cè)壁?？谆蛘卟勐冻龅撞侩姌O28，以允許電阻率切換材料在電氣上接觸底部電極。如果需要，可以用絕緣填充材料44 (例如氧化硅或者有機材料)填充保持在電阻率切換元件14中的溝，并且通過CMP或者其它合適的方法來平坦化該溝，以露出元件14的上表面。
如圖4中所示，底部電極28可以包括TiN和鎢層的組合。而且，如圖4中所示，二極管22位于電阻率切換元件14和阻擋層16之上。然而，順序可以是顛倒的，可以在阻擋層16和元件14之下形成二極管22。如果需要，可以在二極管22和上部電極26之間形成上部阻擋層46。上部阻擋層46可以包括硅化鈦層(例如通過使鈦層與二極管的多晶硅材料反應形成的C49相硅化鈦層)和Ti/TiN雙分子層。
如上面所討論的，二極管22作為單元的導向元件。例如，存儲器單元可以包括垂直朝向的圓柱形的結(jié)型二極管。在此使用術語“結(jié)型二極管”指代具有非歐姆導電特性的、 具有兩個終端電極并且由半導體材料制成的半導體器件，其在一個電極處是P型，在另外一個電極處是η型。示例包括ρ-η 二極管和η-ρ 二極管(其具有ρ型半導體材料與η型半導體材料的接觸，例如齊納二極管)以及p-i-n 二極管(在其中在P型半導體材料和η型半導體材料之間插入本征(未摻雜的)半導體材料)。在其它實施例中，可以使用包括MIM或者 ΜΠΜ結(jié)構的隧道二極管。
在圖5中所示的另一替換實施例中，電阻率切換元件14包括絕緣層,例如以絕緣狀態(tài)淀積在孔或者槽42內(nèi)(而不是如圖4中所示的氧化導電層)的金屬氧化物層(例如 Al2O3X從而，使用大馬士革類型工藝形成元件。如圖5中所示，形成元件14的絕緣層并不一定需要平坦化，可以延伸出結(jié)構13。而且，如圖5中所示，二極管22可以相對于元件14 被偏移(offset),以確保元件14接觸二極管。如圖5中所示,元件14可以為5nm_30nm高, 而電極28可以是大約200nm高。
在圖6A和6B分別示出了另外一個實施例的側(cè)視圖和頂視圖，其中絕緣結(jié)構13可以包括絕緣的軌道形狀的結(jié)構13?？梢酝ㄟ^圖形化絕緣層(例如氧化硅或者氮化硅)來將軌道形成到絕緣結(jié)構軌道13中。軌道13可以在與下部電極28 (例如TiN/W/TiN電極)相同的方向上延伸。優(yōu)選地，軌道13可以相對于電極28偏移,使得每個軌道13的側(cè)壁15位于鄰近電極28的上表面。接著，在軌道13的側(cè)壁15上形成電阻率切換元件14。從而，底部電極28被暴露在鄰近軌道13之間。由于軌道13與電極28和二極管22部分地未對準， 因此這允許電阻率切換元件14位于與各自下面的電極28和各自覆在上面的二極管22接觸。例如，可以通過在軌道13上淀積金屬氧化物層并且接著將該金屬氧化物層平坦化來形成元件14。金屬氧化物層可以凹陷低于軌道的上表面，在這里沒有二極管22形成在金屬層上?？梢杂媒^緣填充材料44 (例如氧化硅)來填充軌道13之間的空間，之后進行CMP或者其它平坦化。同樣地，也可以用平坦化的填充材料48來填充二極管22之間的空間。
在圖7所示的另一替換實施例中，可以通過在底部電極28上形成至少一個二極管 22來形成存儲器器件。隨后，在二極管上形成阻擋層16和絕緣結(jié)構13，例如圓柱形結(jié)構 13。在結(jié)構13的側(cè)壁15上形成電阻率切換元件14。
可以通過在絕緣模版層上形成硬質(zhì)掩膜圖形層來形成結(jié)構13。硬質(zhì)掩膜層可以包括鎢或者無定形碳或者其它材料?？梢酝ㄟ^任何合適的方法(例如各向同性刻蝕)，使用硬質(zhì)掩膜圖形作為掩膜來鉆蝕(undercut)硬質(zhì)掩膜圖案，以此來選擇性地去除模版層。結(jié)果，減小了模版層的寬度，并且由模版層形成至少一個絕緣柱。這形成了“蘑菇”形的絕緣結(jié)構13柱干，其被較大直徑的硬質(zhì)掩膜蓋覆蓋。
接著，通過任何合適的方法(例如原子層淀積)在絕緣結(jié)構13柱的側(cè)壁以及硬質(zhì)掩膜蓋上隨后淀積電阻率切換材料，例如金屬氧化物層。可以使用硬質(zhì)掩膜圖形作為掩膜選擇性地刻蝕半導體二極管層(以及可選地刻蝕阻擋層16)，以形成至少一個柱形二極管導向元件(以及可選地形成圖形化阻擋層16)。在上部電極26被形成為與電阻率切換元件14接觸之前，可以可選地去除硬質(zhì)掩膜圖形層，或者如果硬質(zhì)掩膜是導電的，則可以將硬質(zhì)掩膜保留為上部電極26的一部分。從而，在這個結(jié)構中，二極管具有與硬質(zhì)掩膜圖形相同的直徑，而絕緣結(jié)構13由于各向同性刻蝕和鉆蝕而具有比二極管小的直徑(或者寬度)。這可以允許電阻率切換元件14的邊緣直接或者間接地在電氣上接觸結(jié)構13下面的二極管22，并且直接或者間接地在電氣上接觸位于結(jié)構13上面的上部電極26。
本發(fā)明的實施例的存儲器單元可以包括一次性可編程的(OTP)或者可重復寫入的非易失性存儲器元件，并且可以選擇于以下器件中的至少一個反熔絲，熔絲，串聯(lián)布置的二極管與反熔絲，多晶硅存儲效應元件，金屬氧化物存儲器，可切換復雜金屬氧化物，碳納米管存儲器，石墨烯或者其它碳可切換電阻材料，相變材料存儲器，導電橋元件或者可切換聚合物存儲器。
已經(jīng)描述了第一存儲器級的形成?？梢栽谠摰谝淮鎯ζ骷壣闲纬善渌拇鎯ζ骷墸孕纬蓡纹S存儲器陣列。在一些實施例中，存儲級之間可以共用導體；也就是，頂部導體將作為下一個存儲器級的底部導體。在其它實施例中，在第一存儲器級上形成層間介電層(未示出)，其表面被平坦化，并且在該平坦化的層間介電層上開始構造第二存儲器級， 而沒有共用導體。
單片三維存儲器陣列是在單個襯底(例如晶圓)上形成多個存儲器級，而沒有插入的襯底。在現(xiàn)有的級的層上直接淀積或生長形成一個存儲器級的層。相比之下，堆疊式存儲器通過在分開的襯底上形成存儲級并且將這些存儲級互相粘結(jié)在頂上，如Leedy的美國專利 No. 5，915，167, “Three dimensional structure memory” 中公開的那樣。在粘結(jié)之前， 可以減薄襯底或者從存儲器級中去除襯底，但是由于存儲器級最初是在分開的襯底上形成的，因此這種存儲器不是真正的單片三維存儲器。
在襯底上形成的單片三維存儲器陣列包括在襯底上第一高度處形成的至少第一存儲器級和在不同于該第一高度的第二高度處形成的第二存儲器級?？梢栽谝r底上以這種多層陣列方式形成三個、四個、八個或者實際上任何數(shù)目的存儲器級。
在整個說明書中，一個層被描述為在另一個層“上”或者“下”。應理解，這些術語描述了層和元件相對于在其上形成它們的襯底(在大多數(shù)實施例中是單晶硅晶圓襯底)的位置；一個特征當其離晶圓襯底較遠時是在另一個上，當其離晶圓襯底較近時是在另一個下。雖然很清楚，可以在任意方向旋轉(zhuǎn)晶圓或者管芯，但是第一特征在晶圓或者管芯上的相對方向不會改變。此外，附圖刻意沒有按比例示出，僅表示層和被處理的層。
已經(jīng)以說明性的方式描述了本發(fā)明。應理解，所用的術語意在描述詞語的本質(zhì)而不是限制它。在上述教導下，本發(fā)明的許多修改和變型是可能的。因此，在附隨的權利要求的范圍之內(nèi)，可以以不同于具體描述的實施例來實施本發(fā)明。
權利要求
1.一種存儲器器件，包括 第一導電電極； 絕緣結(jié)構； 位于所述絕緣結(jié)構的側(cè)壁上的電阻率切換元件； 位于所述電阻率切換元件上的第二導電電極； 位于所述第一導電電極和所述第二導電電極之間，與所述電阻率切換元件串聯(lián)的導向元件； 其中所述電阻率切換元件在從所述第一導電電極到所述第二導電電極的第一方向上的高度大于所述電阻率切換元件在與所述第一方向垂直的第二方向上的厚度，以及 其中所述絕緣結(jié)構包括多個絕緣軌道，并且所述電阻率切換元件位于至少一個絕緣軌道的側(cè)壁上并且與暴露在鄰近軌道之間的所述第一導電電極接觸。
2.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中所述導向元件包括位于所述電阻率切換元件上的二極管。
3.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中所述導向元件包括位于所述電阻率切換元件下的二極管。
4.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中所述導向元件包括通過導電阻擋層與所述電阻率切換元件隔離的柱形的p-i-n 二極管。
5.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中所述電阻率切換元件是位于所述絕緣結(jié)構的側(cè)壁上的金屬氧化物層。
6.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中所述電阻率切換元件選自于反熔絲介電質(zhì)、熔絲、多晶硅存儲效應材料、金屬氧化物或者可切換復雜金屬氧化物材料、碳納米管材料、石墨烯可切換電阻材料、碳電阻率切換材料、相變材料、導電橋元件、電解質(zhì)可切換材料或者可切換聚合物材料。
7.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中用絕緣填充材料填充所述多個絕緣軌道之間的空間，并且每個絕緣軌道與所述第一導電電極和所述導向元件部分地未對準，使得所述電阻率切換元件位于與所述第一導電電極和所述導向元件接觸。
8.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中所述電阻率切換元件具有大于IOnm的高度和小于IOnm的厚度。
全文摘要
一種制備存儲器器件的方法，包括形成第一導電電極(28)，在該第一導電電極上形成絕緣結(jié)構(13)，在該絕緣結(jié)構的側(cè)壁上形成電阻率切換元件(14)，在該電阻率切換元件上形成第二導電電極(26)，以及在該第一導電電極和該第二導電電極之間形成與該電阻率切換元件串聯(lián)的導向元件(22)，其中該電阻率切換元件在從第一導電電極到第二導電電極的第一方向上的高度大于該電阻率切換元件在與第一方向垂直的第二方向上的厚度。
文檔編號H01L27/24GK102983273SQ201210572290
公開日2013年3月20日 申請日期2009年4月1日 優(yōu)先權日2008年4月11日
發(fā)明者R·E·朔伊爾萊因 申請人:桑迪士克3D公司