專利名稱：單晶相變材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及相變存儲器(PCM)的制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相變存儲器(PCM)是一種非易失性計算機(jī)存儲器。PCM將數(shù)據(jù)存儲在包括相變材料的單元中，所述相變材料在施加熱的情況下能夠在兩個不同的狀態(tài)(即，結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài))之間轉(zhuǎn)換?？沙练e且圖案化相變材料以形成獨立的PCM單元。然而，隨著PCM單元變小，難以采用諸如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的蝕刻技術(shù)將單元圖案化，這是因為RIE可能改變從該特征的邊緣起大約IOnm的區(qū)域中相變材料的化學(xué)構(gòu)成,在尺寸小的情況下?lián)p壞的區(qū)域?qū)?gòu)成單元中留下的所有材料，因此可能妨礙后續(xù)的繪制線路圖?？商鎿Q的，少量的相變材料可沉積在小孔或通孔中，以形成獨立的PCM單元?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)方法可用于沉積相變材料。然而，這些方法可能產(chǎn)生多晶相變材料或者非晶相變材料，多晶相變材料具有大于通孔的尺寸的晶體，從而可能不能適當(dāng)?shù)靥畛渫?，非晶相變材料在結(jié)晶時可能形成空隙并且使得與位于通孔底部的電極之間的接觸不牢固，這是因為相變材料隨著其從非晶態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)而可能收縮。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方案中，一種制造相變存儲器(PCM)單元的方法包括在電極之上形成電介質(zhì)層，電極包含電極材料；在電介質(zhì)層中形成通孔，使通孔向下延伸到電極；以及在通孔中的電極上生長相變材料的單晶。在一個方案中，一種相變存儲器(PCM)單元包括包含電極材料的電極；電極之上的電介質(zhì)層；電介質(zhì)層中的通孔；以及位于通孔中的相變材料的單晶，單晶與通孔底部的電極接觸。在一個方案中，一種相變存儲器(PCM)陣列包括多個單元，每個單元包括包含電極材料的電極；電極之上的電介質(zhì)層；電介質(zhì)層中的通孔；以及位于通孔中的相變材料的單晶，單晶與通孔底部的電極接觸。附加的特征可通過本發(fā)明的示例性實施例的技術(shù)實現(xiàn)。其它實施例在這里被詳細(xì)描述并且應(yīng)視為要求保護(hù)的一部分。為了更好地理解示例性實施例的特征，參見說明書和附圖。


現(xiàn)在參照附圖，其中在幾個附圖中相同的元件以相同的標(biāo)號表示。圖I示出形成單晶相變材料的方法的實施例。圖2示出形成單晶相變材料的工藝的實施例的截面圖。圖3示出在電極中形成凹槽之后形成單晶相變材料的工藝的實施例的截面圖。圖4示出在氧化物區(qū)域中形成凹槽之后形成單晶相變材料的工藝的實施例的截面圖。圖5示出形成電介質(zhì)層和栓孔(keyhole)之后形成單晶相變材料的工藝的實施例的截面圖。圖6示出形成通孔之后形成單晶相變材料的工藝的實施例的截面圖。圖7示出在通孔中沉積單晶相變材料之后形成單晶相變材料的工藝的實施例的截面圖。圖8示出拋光之后形成單晶相變材料的工藝的實施例的截面圖。圖9示出在多晶相變材料中形成凹槽、在凹槽中形成導(dǎo)電層以及拋光之后形成單晶相變材料的工藝的實施例的截面圖。 圖10示出形成氧化物和透明導(dǎo)電層之后形成單晶相變材料的工藝的實施例的截面圖。
具體實施例方式下面提供用于形成單晶相變材料的系統(tǒng)和方法的實施例，并且詳細(xì)討論示例性實施例。相變材料的單晶可生長在通孔內(nèi)的電極上，填充通孔并且防止在相變材料晶體和電極之間形成空隙。單晶相變材料可采用CVD或者ALD方法形成。用于形成相變材料的CVD/ALD前軀體和電極材料可選擇為使得用于形成相變材料的前軀體與電極材料反應(yīng)，并且在電極上直接發(fā)生相變材料的選擇性晶體生長。相變材料也可選擇為使得前軀體不與電介質(zhì)層反應(yīng)，電介質(zhì)層中形成有通孔。在一些實施例中，電極可包括鎢(W)或氮化鈦(TiN)，并且相變材料可包括鍺(Ge)、銻(Sb)、碲(Te)或者硒(Se)。 相變材料的典型晶體尺寸將根據(jù)材料和晶體生長溫度而改變。對于選定的相變材料、電極材料以及溫度，在大于典型晶體尺寸的通孔中可形成多晶，多晶可能不能適當(dāng)?shù)靥畛渫住Ｈ欢?，對于選定的相變材料和電極材料，在小于典型晶體尺寸的通孔中可形成單晶。因此，通孔可形成為使得其小于選定的相變材料在選定的溫度下在選定的電極材料上生長時該選定的相變材料的典型晶體尺寸。例如，對于在約300°C下在具有W底部電極的200nm CD的通孔內(nèi)通過CVD沉積的Ge2Sb2Te5(GST),典型的晶體尺寸約為80nm。對于類似的條件，GeTe的典型晶體尺寸約為120nm。圖I示出形成單晶相變材料的方法100的實施例。參照圖2至圖10討論圖I。如圖2的截面圖200中所示，PCM字線205位于氧化物區(qū)域203中，氧化物區(qū)域203位于氮化物區(qū)域204之下。電極201可包括鎢(W)或氮化鈦(TiN)，并且位于氧化物區(qū)域203之間。電極201連接到PCM的前端線(front end of line, FE0L)部分。保護(hù)條202保護(hù)電極206(電極206連接到一行選擇晶體管的端子，未示出)。在方框101中，凹槽301(如圖3的截面圖300中所示)形成在電極201中，并且包括懸突部411的凹槽401 (如圖4的截面圖400中所示)延伸到氧化物區(qū)域203中。凹槽301和凹槽401可通過任何適當(dāng)?shù)奈g刻技術(shù)形成。在方框102中，電介質(zhì)層502通過保形沉積而形成，如圖5的截面圖500中所示。電介質(zhì)層502填充凹槽401，并且包括栓孔501。在一些實施例中，電介質(zhì)層502可包括保形的氧化物或者硅之一。栓孔501可具有約等于凹槽401中懸突部411的寬度的二倍的最大覽度。
在方框103中，通孔601和通孔環(huán)(via hole collar)602形成在電介質(zhì)層502中，如圖6的截面圖600中所示。通孔601和通孔環(huán)602可通過電介質(zhì)層502經(jīng)由栓孔501的RIE而形成。栓孔501用作RIE期間的硬掩模。栓孔501的直徑?jīng)Q定通孔601的直徑。通孔601向下延伸到電極201，并且其直徑小于相變材料在在包括電極201的材料上生長時的典型晶體尺寸(下面關(guān)于方框401進(jìn)一步詳細(xì)討論)。因為通孔601中電流密度較高，所以在通孔601中將發(fā)生的相變材料由于焦耳熱(Joule heating)而在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在方框104中，在通孔601中沉積相變材料701，如圖7的截面圖700中所示。相變材料701包括單晶相變材料，其可包括鍺(Ge )、銻(Sb )、碲(Te )或者硒(Se )的組合。相變材料701可采用CVD或者ALD方法形成。用于形成相變材料701的CVD/ALD前軀體以及包括電極201的材料選擇為使得相變材料701的選擇性晶體生長直接發(fā)生在通孔601中的電極201上。在通孔環(huán)602中也形成多晶相變材料702 (包括與相變材料701相同的材料)。
在方框105中，包括氮化物204和多晶相變材料702的表面被拋光，如圖8的截面圖800中所示。然后，在多晶相變材料702中形成凹槽并且在凹槽中形成導(dǎo)電層901，并且包括氮化物204和導(dǎo)電層901的表面被拋光,如圖9的截面圖900中所不。在一些實施例中，導(dǎo)電層901可包括氮化鈦?？擅子没瘜W(xué)機(jī)械拋光(CMD )來執(zhí)行拋光。在方框106中，形成氧化物層1001和導(dǎo)電層1002，如圖10的PCM截面圖1000中所示。PCM 1000包括與電極201接觸的單晶相變材料701，從而避免了當(dāng)相變材料701在非晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換時在相變材料701與電極201之間形成空隙。示例性實施例的技術(shù)效果和優(yōu)點包括形成相對小的PCM單元，同時防止在轉(zhuǎn)換區(qū)域中構(gòu)成PCM單元的電極與相變材料之間形成空隙。本文采用的術(shù)語僅用于描述特定實施例的目的，而不旨在限制本發(fā)明。本文使用的單數(shù)形式“一”也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚地另有說明。還應(yīng)當(dāng)理解的是說明書中所用的術(shù)語“包括”和/或“包含”是指所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，而不排除一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或添加。權(quán)利要求書中的所有方法或步驟加功能元件的對應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、動作及等同物旨在包括與按著具體要求提出的其它元件相結(jié)合執(zhí)行該功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動作。本發(fā)明的描述是處于示例和說明的目，而不旨在用于窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制為公開的形式。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，很多修改和變化對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的。選擇和描述的實施例是為了最好地說明本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使得其他本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對于適合于預(yù)期的特定使用的具有各種變型的各種實施來理解本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種制造相變存儲器(PCM)單元的方法，該方法包括 在電極之上形成電介質(zhì)層，該電極包含電極材料； 在該電介質(zhì)層中形成通孔，使該通孔向下延伸到該電極；以及 在該通孔中的該電極上生長相變材料的單晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該相變材料在指定溫度下在該電極材料上生長時具有一典型晶體尺寸；并且 其中該通孔的直徑小于該典型晶體尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在該通孔中的該電極上生長相變材料的單晶包括原子層沉積。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在該通孔中的該電極上生長相變材料的單晶包括化學(xué)氣相沉積。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該電極材料包括鎢或者氮化鈦之
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該相變材料包括鍺、銻、碲或硒中的一種或者多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該相變材料采用多個前軀體形成，并且該多個前軀體選擇為使得該前軀體與該電極材料反應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該相變材料采用多個前軀體形成，并且該多個前軀體選擇為使得該前軀體不與該電介質(zhì)材料反應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該電介質(zhì)層包括栓孔，并且在該電介質(zhì)層中形成通孔包括經(jīng)由栓孔反應(yīng)離子蝕刻該電介質(zhì)層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中該栓孔的直徑?jīng)Q定該通孔的直徑。
11.一種相變存儲器(PCM)單元，包括 包含電極材料的電極； 該電極之上的電介質(zhì)層； 該電介質(zhì)層中的通孔；以及 位于該通孔中的相變材料的單晶，該單晶與該通孔底部的該電極接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PCM單元，其中該相變材料在指定溫度下在該電極材料上生長時具有一典型晶體尺寸；并且 其中該通孔的直徑小于該典型晶體尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PCM單元，其中在該通孔中的該電極上生長相變材料的單晶包括原子層沉積。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PCM單元，其中在該通孔中的該電極上生長相變材料的單晶包括化學(xué)氣相沉積。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PCM單元，其中該電極材料包括鎢或者氮化鈦之一。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PCM單元，其中該相變材料包括鍺、銻、碲或者硒中的一種或多種。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PCM單元，其中該相變材料采用多個前軀體形成，并且該多個前軀體選擇為使得該前軀體與該電極材料反應(yīng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PCM單元，其中該相變材料采用多個前軀體形成，并且該多個前軀體選擇為使得該前軀體不與該電介質(zhì)材料反應(yīng)。
19.一種相變存儲器(PCM)陣列，包括多個單元，每個單元包括 包含電極材料的電極； 該電極之上的電介質(zhì)層； 該電介質(zhì)層中的通孔；以及 位于該通孔中的相變材料的單晶，該單晶與該通孔底部的該電極接觸。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的PCM陣列，其中該相變材料在指定溫度下在該電極材料上生長時具有一典型晶體尺寸；并且 其中該通孔的直徑小于該典型晶體尺寸。
全文摘要
一種制造相變存儲器(PCM)單元的方法，包括在電極之上形成電介質(zhì)層，電極包括電極材料；在電介質(zhì)層中形成通孔，使通孔向下延伸到該電極；以及在通孔中的電極上生長相變材料的單晶。一種相變存儲器(PCM)單元，包括包含電極材料的電極；電極之上的電介質(zhì)層；電介質(zhì)層中的通孔；以及位于通孔中的相變材料的單晶，該單晶與通孔底部的電極接觸。
文檔編號B05D5/00GK102639257SQ201080051124
公開日2012年8月15日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者A.G.施羅特, 林鐘漢, 陳介方 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司, 旺宏電子股份有限公司