專利名稱：具有單元二極管和互相自對準的底電極的相變存儲單元及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體存儲器件及其制造方法，更具體涉及相變存儲器件及其制造方法。
非易失性存儲器件即使當它們的電源供給被關(guān)斷，也保持它們存儲的數(shù)據(jù)。因而，非易失性存儲器件已廣泛地結(jié)合計算機、移動無線電通信系統(tǒng)、存儲卡等使用。例如，廣泛地使用的非易失性存儲器件的一種類型是快閃存儲器件。許多快閃存儲器件采用具有疊柵結(jié)構(gòu)的存儲單元?？扉W存儲器件的疊柵結(jié)構(gòu)典型地包括在溝道區(qū)上順序地層疊的隧道氧化物層、浮柵、柵間介質(zhì)層和控制柵電極。此外，為了增強快閃存儲器單元的可靠性和編程效率，可以提高隧道氧化物層的薄膜質(zhì)量和可以增加快閃存儲器單元的耦合比率。
最近，在某些應(yīng)用中正使用其他類型的非易失性存儲器件，例如，相變存儲器件來代替快閃存儲器件。相變存儲器件的基本單元典型地包括單元開關(guān)器件和電連接到單元開關(guān)器件的相變電阻器。相變電阻器典型地包括頂電極和底電極以及在頂電極和底電極之間的相變材料層。單元開關(guān)器件可以是有源器件，如金屬-氧化物-硅(MOS)晶體管。在此情況下，為了編程該相變存儲單元通常需要至少幾毫安(mA)的大編程電流，以及通過單元MOS晶體管提供編程電流。因而，對于單元MOS晶體管占據(jù)的面積可以被減小多少可能有限制。換句話說，當采用MOS晶體管作為相變存儲單元的開關(guān)器件時，增加相變存儲器件的集成度可能是困難的。
在試圖增加相變存儲器件的集成度中，已使用垂直二極管作為相變存儲器件的單元開關(guān)器件。在Hudgens等人的名稱為″ModifiedContact for Programmable Devices″的美國專利號6,511,862B2中描述了具有垂直二極管的相變存儲單元。如Hudgens等人所述，在半導體襯底的預(yù)定區(qū)域中形成隔離層，以限定有源區(qū)，以及在有源區(qū)中形成字線和垂直單元二極管。然后在垂直單元二極管上形成接觸，如金屬硅化物層，以及在具有接觸的襯底上形成絕緣層。絕緣層被構(gòu)圖，以形成露出該接觸的開口，以及在開口中形成隔片和被限制的可編程材料層(即，被限制的相變材料層)。
在Hudgents等人的工序中，開口可以不與垂直單元二極管對準，以及相變材料層與金屬硅化物層直接接觸。因此，對于相變存儲單元尺寸可以被減小多少可能還有限制。此外，在后續(xù)退火工序過程中，金屬硅化物層可能與相變材料層起反應(yīng)，這可能降低相變材料層的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例包括具有垂直二極管的集成電路器件。該器件包括集成電路襯底和集成電路襯底上的絕緣層。接觸孔貫穿絕緣層。垂直二極管在接觸孔的下部區(qū)域中，以及接觸孔中的底電極在垂直二極管的頂表面上。底電極與垂直二極管自對準。底電極的頂表面面積小于接觸孔的水平截面面積。
在某些實施例中，底電極的頂表面可以具有相對于集成電路襯底與絕緣層的頂表面基本上相同的水平面。
在其他實施例中，絕緣隔片圍繞底電極的側(cè)壁。絕緣隔片的外側(cè)壁通過接觸孔與垂直二極管的側(cè)壁自對準。絕緣層和絕緣隔片可以是相同的材料。絕緣層和絕緣隔片可以是氧化硅。二極管電極可以被設(shè)置在底電極和垂直二極管之間。
在再一實施例中，存儲器存儲元件被電耦合到底電極。集成電路襯底上的單元選擇線通過垂直二極管電耦合到底電極，以限定存儲單元。存儲器存儲元件可以包括底電極上的相變材料圖形層和相變材料圖形層上的頂電極。
在其他實施例中，絕緣層包括集成電路襯底上的第一絕緣層和第一絕緣層上的第二絕緣層。第二絕緣層相對于第一絕緣層具有刻蝕選擇率。
在又一實施例中，相變存儲單元包括集成電路襯底上的絕緣層。單元接觸孔貫穿該絕緣層。垂直單元二極管在單元接觸孔的下部區(qū)域中，以及底電極在垂直單元二極管上的單元接觸孔中并與垂直單元二極管自對準。相變材料層圖形在底電極上，以及頂電極在相變材料層圖形上。底電極的頂表面可以具有與絕緣層的頂表面基本上相同的水平面。
在其他實施例中，絕緣隔片圍繞底電極的側(cè)壁。絕緣隔片的外側(cè)壁通過單元接觸孔與垂直單元二極管的側(cè)壁自對準。底電極的頂表面面積可以小于單元接觸孔的水平截面面積。絕緣層可以是單個層以及絕緣層可以是與絕緣隔片相同的材料。
在再一實施例中，絕緣層包括集成電路襯底上的第一絕緣層和第一絕緣層上的第二絕緣層。第二絕緣層是相對于第一絕緣層具有刻蝕選擇率的絕緣層。第二絕緣層可以是與絕緣隔片相同的材料。單元二極管電極可以被設(shè)置在底電極和垂直單元二極管之間。
在其他實施例中，上絕緣層在相變材料圖形和頂電極上。上絕緣層上的位線通過貫穿上絕緣層的位線接觸孔電連接到頂電極。在集成電路襯底上可以布置字線，以及單元接觸孔可以貫穿絕緣層，以露出部分字線。字線可以n-型雜質(zhì)區(qū)。絕緣層可以是氧化硅層。氧化硅隔片可以圍繞底電極的側(cè)壁，以及氧化硅隔片的外側(cè)壁可以通過單元接觸孔與垂直單元二極管的側(cè)壁自對準。位線可以被布置為跨越字線。
在某些實施例中，第一絕緣層是氧化硅層和第二絕緣層是氮氧化硅層和/或氮化硅層。絕緣隔片可以是氮氧化硅隔片和/或氮化硅隔片。
在再一實施例中，提供包括垂直二極管的集成電路器件的形成方法。在集成電路襯底上形成絕緣層。在絕緣層上形成犧牲層，以及形成貫穿犧牲層和絕緣層的單元接觸孔。在單元接觸孔的下部區(qū)域中形成垂直單元二極管，以及形成填充單元接觸孔的初步底電極。犧牲層被除去，而不除去初步底電極，以提供初步底電極的突出部分。初步底電極的突出部分被平整，以在具有頂表面的單元接觸孔中形成底電極，頂表面位于與下絕緣層的頂表面基本上相同的水平面。
在另一實施例中，形成初步底電極在垂直單元二極管上的單元接觸孔的側(cè)壁上形成絕緣隔片之后，以及除去犧牲層包括除去犧牲層而不除去絕緣隔片，以提供絕緣隔片的突出部分。平整初步底電極的突出部分包括平整絕緣隔片的突出部分。形成絕緣層可以在集成電路襯底上形成字線之后，以及形成單元接觸孔可以包括形成單元接觸孔，以露出部分字線。字線可以是n-型雜質(zhì)區(qū)。
在再一實施例中，絕緣層由單個絕緣層形成，以及犧牲層由相對于單個絕緣層具有刻蝕選擇率的材料層形成。單個絕緣層可以是氧化硅層，以及犧牲層可以是氮化硅層和/或氮氧化硅層。絕緣隔片可以是與單個絕緣層相同的材料。
在另一實施例中，形成絕緣層包括在集成電路襯底上形成第一絕緣層和在第一絕緣層上形成第二絕緣層。犧牲層可以是相對于第二絕緣層具有刻蝕選擇率的材料。第一絕緣層和犧牲層可以是氧化硅層和第二絕緣層可以是氮氧化硅層和/或氮化硅層。絕緣隔片可以由與第二絕緣層相同的材料形成。形成初步底電極可以在垂直單元二極管的表面上形成單元二極管電極之后。單元二極管電極可以是金屬硅化物層。
在再一實施例中，初步底電極是氮化鈦(TIN)層、氮化鈦鋁(TiAIN)層、氮化鉭(TaN)層、氮化鎢(WN)層、氮化鉬(MoN)層、氮化鈮(NbN)層、氮化鈦硅(TiSiN)層、氮化鈦硼(TiBN)層、氮化鋯硅(ZrSiN)層、氮化鎢硅(WSiN)層、氮化鎢硼(WBN)層、氮化鋯鋁(ZrAIN)層、氮化鉬鋁(MoAIN)層、氮化鉭硅(TaSiN)層、氮化鉭鋁(TaAIN)層、鈦化鎢(TiW)層、鈦化鋁(TiAl)層、氧氮化鈦(TiON)層、氧氮化鈦鋁(TiAlON)層、氧氮化鎢(WON)層和/或氧氮化鉭(TaON)層。
在另一實施例中，集成電路器件是相變存儲單元以及該方法還包括在底電極上形成相變材料圖形以及在相變材料圖形上形成頂電極。在包括頂電極區(qū)域中，在集成電路襯底上形成上絕緣層。在上絕緣層上形成電連接到頂電極的位線。


對所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說通過參考附圖詳細描述其優(yōu)選示例性實施例，將使本發(fā)明的上述及其他特點和優(yōu)點變得更明顯，其中圖1是說明可以根據(jù)本發(fā)明的實施例來實現(xiàn)的相變存儲單元陣列的一部分的等效電路圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些實施例對應(yīng)于圖1的等效電路圖的平面圖；圖3A是沿圖2的線I-I′的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的相變存儲單元；
圖3B是沿圖2的線II-II′的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的相變存儲單元；圖4A是沿圖2的線I-I′的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的相變存儲單元；圖4B是沿圖2的線II-II′的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的相變存儲單元；圖5A至11A是沿圖2的線I-I′的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明的某些實施例制造相變存儲單元的方法；圖5B至11B是沿圖2的線II-II′的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明的某些實施例制造相變存儲單元的方法；圖12A至15A是沿圖2的線I-I′的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例制造相變存儲單元的方法；以及圖12B至15B是沿圖2的線II-II′的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明的另一實施例制造相變存儲單元的方法。
具體實施例方式
下面將參考附圖更完全地描述本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例。但是，本發(fā)明可以以多種不同的方式體現(xiàn)，不應(yīng)該被認為是局限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例是為了本公開是徹底的和完全的，并將本發(fā)明的范圍完全傳遞給所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員。在圖中，為了清楚可以放大層和區(qū)域的尺寸和相對尺寸。
應(yīng)當理解當一個元件或?qū)颖环Q為在另一元件或?qū)印吧稀保斑B接到”或“耦合到”另一元件或?qū)訒r，它可以直接在另一元件或?qū)由?、連接或耦合到另一元件或?qū)?，或可以存在插入元件或?qū)印Ｏ喾?，當一個元件被稱為“直接在另一元件或?qū)由稀被颉爸苯舆B接到”或“直接耦合到”另一元件時，不存在插入元件或?qū)?。在整篇中，相同的標記指相同的元件。在此使用的術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)列項的任意和所有組合。
應(yīng)當理解，盡管在這里可以使用術(shù)語第一、第二等來描述各個元件、組件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)該被這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅僅是用來將一個元件、組件、層或部分與其他區(qū)域、層或部分相區(qū)分。因此，在不脫離本發(fā)明的教導的條件下，下面論述的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分。
在此可以使用空間地相對的術(shù)語如“在...底下”、“在...下面”、“下”、“在...上面”、“上”等，便于描述一個元件或特征與圖中所示的另一元件或特征的關(guān)系。應(yīng)當理解這些空間地相對的術(shù)語意圖是包括除圖中描繪的取向之外的使用或操作中器件的不同取向。例如，如果圖中的器件被翻轉(zhuǎn)，那么描述為在另一元件或特征“下面”的元件于是將被定向在另一元件或特征“上面”。因此，該示例性術(shù)語“在...下面”可以包括上面和下面的兩種取向。器件可以另外定向(旋轉(zhuǎn)90度或以其他取向)以及由此解釋在此使用的空間地相對的描述詞。
在此使用的專業(yè)詞匯僅僅用于描述具體實施例而不是限制本發(fā)明。如在此使用的單數(shù)形式“a”，“an”和“the”同樣打算包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外清楚地表明。還應(yīng)當理解，在說明書中使用的術(shù)語“comprise”和/或“comprising”說明陳述的部件、整體、步驟、操作、元件、和/或零件的存在，但是不排除存在或增加一個或多個其他部件、整體、步驟、操作、元件、零件和/或其組。
在此參考剖面圖描述了本發(fā)明的實施例，該剖面圖是本發(fā)明的理想化實施例的示意圖。照此，由于例如制造工藝和/或容差變化的圖例形狀的變化將被預(yù)料到。因此，本發(fā)明的實施例不應(yīng)該認為限于在此所示的區(qū)域的特定形狀而是包括所得的形狀例如由制造所得的偏差。例如，圖示為矩形的刻蝕區(qū)將典型地具有圓潤的或彎曲的特征。因此，圖中所示的區(qū)域本質(zhì)上是示意性的且它們的形狀不打算圖示器件區(qū)域的準確形狀以及不打算限制本發(fā)明的范圍。
除非另外限定，在此使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學術(shù)語)具有與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解相同的意思。還應(yīng)當理解術(shù)語如在通常使用的詞典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該解釋為具有符合相關(guān)技術(shù)的環(huán)境中的意思且不被解釋理想化或過度地形式感知，除非在此被清楚地限定。
圖1是說明可以使用本發(fā)明的實施例來實現(xiàn)的相變存儲單元陣列的一部分的等效電路圖。如圖1所示，相變存儲單元陣列區(qū)包括n條位線BL1，BL2，...，BLn和交叉位線BL1，BL2，...，BLn的m條字線WL1，WL2，...，WLm。在位線BL1，BL2，...，BLn和字線WL1，WL2，...，WLm的交叉點分別布置多個二維地排列的相變存儲單元Cp。每個相變存儲單元Cp包括串聯(lián)電連接的相變電阻器Rp和垂直單元二極管D。在圖1的實施例中，相變電阻器Rp和垂直單元二極管D之間的節(jié)點被確定為相變電阻器Rp的底電極BE。垂直單元二極管D可以包括p-型半導體和n-型半導體。
單元二極管D的p-型半導體可以被電連接到相變電阻器Rp的一端，以及相變電阻器Rp的另一端可以被電連接到位線BL1，BL2，...，BLn的任意一個。單元二極管D的n-型半導體可以被電連接到字線WL1，WL2，...，WLm的任意一個。
現(xiàn)在參考圖2，3A和3B進一步描述本發(fā)明的某些實施例。圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，對應(yīng)于圖1的等效電路圖的相變存儲單元陣列區(qū)的平面圖。圖3A是沿圖2的線I-I′的剖面圖，以及圖3B是沿圖2的線II-II′的剖面圖。
現(xiàn)在參考圖2，3A和3B，在半導體襯底1上設(shè)置大量字線，例如，第一和第二平行字線WL1和WL2。字線WL1和WL2可以是摻有n-型雜質(zhì)的有源區(qū)。字線WL1和WL2可以通過絕緣層如隔離層3互相電絕緣。
在包括字線WL1和WL2的襯底1上設(shè)置下絕緣層8。下絕緣層8可以包括層疊的第一下絕緣層5和第二下絕緣層7。第二下絕緣層7可以是相對于第一下絕緣層5具有刻蝕選擇率的絕緣層。例如，第一下絕緣層5可以是氧化硅層和第二下絕緣層7可以是氮氧化硅層和/或氮化硅層。
字線WL1和WL2的預(yù)定區(qū)被貫穿下絕緣層8的單元接觸孔9a露出。單元接觸孔9a的下部區(qū)域填有垂直單元二極管D。每個垂直單元二極管D可以包括層疊的n-型半導體13n和p-型半導體13p。垂直單元二極管D的頂表面可以低于下絕緣層8的頂表面，如圖3B所示。在垂直單元二極管D的頂表面上可以設(shè)置單元二極管電極15。單元二極管電極15可以是金屬硅化物層，如硅化鈷層，硅化鎳層和/或硅化鈦層。
在垂直單元二極管D上的單元接觸孔9a內(nèi)設(shè)置底電極19a(圖1和2的BE)。底電極的頂表面19a具有與下絕緣層8的頂表面基本上相同的水平面。底電極19a的側(cè)壁可以被絕緣隔片17圍繞。在所示的實施例中，絕緣隔片17的外側(cè)壁通過單元接觸孔9a與垂直單元二極管D的側(cè)壁自對準，以及底電極19a與垂直單元二極管D自對準。當設(shè)置絕緣隔片17時，底電極19a的頂表面可以具有比單元接觸孔9a的水平截面面積更小的面積。底電極19a可以是導電層，如氮化鈦(TIN)層、氮化鈦鋁(TiAIN)層、氮化鉭(TaN)層、氮化鎢(WN)層、氮化鉬(MoN)層、氮化鈮(NbN)層、氮化鈦硅(TiSiN)層、氮化鈦硼(TiBN)層、氮化鋯硅(ZrSiN)層、氮化鎢硅(WSiN)層、氮化鎢硼(WBN)層、氮化鋯鋁(ZrAIN)層、氮化鉬鋁(MoAIN)層、氮化鉭硅(TaSiN)層、氮化鉭鋁(TaAIN)層、鈦化鎢(TiW)層、鈦化鋁(TiAl)層、氧氮化鈦(TiON)層、氧氮化鈦鋁(TiAlON)層、氧氮化鎢(WON)層和/或氧氮化鉭(TaON)層。絕緣隔片17可以是與第二下絕緣層7相同的材料。
當設(shè)置絕緣隔片17時。底電極19a的下表面也可以具有比單元接觸孔9a的水平截面面積更小的面積。在此情況下，如果底電極19a直接接觸垂直單元二極管D的p-型半導體13p，那么流過底電極19a的大多數(shù)電流可以流過p-型半導體13p的中心部分。電流擁擠效應(yīng)可能降低垂直單元二極管D的電流操縱性能。但是，在p-型半導體13p的頂表面上設(shè)置單元二極管電極15，如圖3A和3B所示，由于單元二極管電極15的存在，流過底電極19a的電流可能基本上均勻地流過垂直單元二極管D。亦即，單元二極管電極15可以提高垂直單元二極管D的電流操縱性能。
底電極19a被示出用相變材料圖形21覆蓋。相變材料圖形21對應(yīng)于圖1和2所示的相變電阻器Rp。相變材料圖形21可以是硫族化物層，如GST合金層(鍺、銻和碲的合金層)。在相變材料圖形21上示出了布置各個頂電極23。頂電極23可以是導電層，如氮化鈦層。
在具有相變材料圖形21和頂電極23的襯底上設(shè)置上絕緣層25。在上絕緣層25上布置了多個位線，例如，第一和第二平行位線BL1和BL2。位線BL1和BL2可以被布置為跨越字線WL1和WL2。位線BL1和BL2可以通過貫穿上絕緣層25的位線接觸孔電連接到頂電極23。
現(xiàn)在將參考圖2，4A和4B描述本發(fā)明的再一實施例。圖4A是沿圖2的線I-I′的剖面圖，以及圖4B是沿圖2的線II-II′的剖面圖。參考圖4A和4B，在半導體襯底51上布置大量字線，例如，第一和第二平行字線WL1和WL2。字線WL1和WL2可以具有與參考圖3A和3B描述的字線相同的形狀。字線WL1和WL2可以被絕緣層如隔離層53互相絕緣(圖4B)。
在包括字線WL1和WL2的襯底1上設(shè)置下絕緣層55。在圖4A和4B的實施例中，下絕緣層55被圖示為單個的絕緣層。下絕緣層55可以是，例如，單個氧化硅層。字線WL1和WL2的預(yù)定區(qū)可以被貫穿下絕緣層55的單元接觸孔57a露出。在單元接觸孔57a的下部區(qū)域內(nèi)設(shè)置各個垂直單元二極管D。每個垂直單元二極管D可以包括層疊的n-型半導體61n和p-型半導體61p，如參考圖3A和3B的實施例的二極管D所述。在垂直單元二極管D的頂表面上可以設(shè)置單元二極管電極63，如參考圖3A和3B中所示的電極15所述。在垂直單元二極管D上的單元接觸孔內(nèi)可以設(shè)置底電極67a(圖1和2的BE)。
底電極67a的頂表面具有與下絕緣層55的頂表面基本上相同的水平面，如先前參考圖3A和3B所示的底電極19a所述。此外，底電極67a的側(cè)壁可以被絕緣隔片65圍繞。絕緣隔片65和底電極67a也通過單元接觸孔57a與垂直單元二極管D自對準，如先前參考圖3A和3B所示的隔片17和底電極19a所述。當絕緣隔片65被設(shè)置時，底電極67a的底表面和頂表面可以具有比單元接觸孔57a的水平截面面積更小的面積。底電極67a可以是與參考圖3A和3B描述的底電極19a相同的材料以及絕緣隔片65可以是與下絕緣層55相同的絕緣層材料。
每個底電極67a示出為用對應(yīng)于相變電阻器Rp的相變材料圖形69覆蓋。如圖4A和4B所示，在各個相變材料圖形69上布置頂電極71。相變材料圖形69和頂電極71可以與參考圖3A和3B描述的相變材料圖形21和頂電極23基本上相同。
在包括相變材料圖形69的襯底上圖示布置了上絕緣層73，在上絕緣層73上設(shè)置了頂電極71和位線BL1和BL2，如先前參考圖3A和3B的實施例的絕緣層25上的位線所述。
對于圖4A和4B所示的實施例，底電極67a可以被隔片65圍繞，隔片65可以由氧化硅層構(gòu)成。單個的下絕緣層55也可以由氧化硅層構(gòu)成。通常，氧化硅層顯示出比氮氧化硅層或氮化硅層更低的導熱率。因此，當編程電流流過底電極67a時，與參考圖3A和3B描述的實施例相比，由底電極67a產(chǎn)生的焦耳熱的損失可能較小。結(jié)果，可以提高相變材料圖形69的編程效率。
現(xiàn)在將參考圖2，、5A至11A和圖5B至11B描述根據(jù)本發(fā)明的某些實施例相變存儲單元的制造方法。圖5A至11A是沿圖2的線I-I′的剖面圖，圖5B至11B是沿圖2的線II-II′的剖面圖。
首先參考圖5A和5B，在半導體襯底1的預(yù)定區(qū)域上形成隔離層3，以限定多個有源區(qū)，例如，第一和第二平行的有源區(qū)3a和3b。具有與半導體襯底1不同導電類型的雜質(zhì)離子被注入有源區(qū)3a和3b中，以形成第一和第二字線WL1和WL2。結(jié)果，字線WL1和WL2可以具有與半導體襯底1不同的導電類型的雜質(zhì)區(qū)。例如，當半導體襯底1是p-型半導體襯底時，可以通過注入n-型雜質(zhì)離子形成字線WL1和WL2。
在某些實施例中，可以使用各種其他方法形成字線WL1和WL2。例如，字線WL1和WL2的形成可以包括在半導體襯底1上形成多個平行的外延半導體圖形以及將雜質(zhì)離子注入外延半導體圖形中。
現(xiàn)在參考圖6A和6B，在包括字線WL1和WL2的區(qū)域中的襯底1上連續(xù)地形成下絕緣層8和犧牲層9。下絕緣層8可以通過連續(xù)地層疊第一下絕緣層5和第二下絕緣層7來形成。犧牲層9可以由相對于第二下絕緣層7具有刻蝕選擇率的材料層形成。第二下絕緣層7可以由相對于第一下絕緣層5具有刻蝕選擇率的絕緣層形成。例如，第一下絕緣層5和犧牲層可以由氧化硅層形成，第二下絕緣層7可以由氮氧化硅層和/或氮化硅層形成。犧牲層9和下絕緣層8被構(gòu)圖，以形成露出字線WL1和WL2的預(yù)定區(qū)的單元接觸孔9a。
參考圖7A和7B，在各個單元接觸孔9a中形成半導體圖形11，如硅圖形、鍺圖形和/或硅鍺圖形。半導體圖形11可以使用各種方法來形成。例如，半導體圖形11可以使用選擇性外延生長(SEG)技術(shù)來形成，該技術(shù)采用露出的字線WL1，WL2作為籽晶層。在其他實施例中，半導體圖形11的形成可以包括在犧牲層9上形成填充單元接觸孔9a的半導體層以及平整該半導體層，直到犧牲層9的頂表面被露出。在此情況下，半導體層可以由非晶半導體層和/或多晶半導體層形成，以及可以在半導體層的平面化之前或之后使用固相外延(SPE)技術(shù)來晶化半導體層。當在半導體圖形11的形成中使用選擇性外延生長技術(shù)或固相外延技術(shù)時，字線WL1和WL2可以是在單晶半導體襯底1中形成的雜質(zhì)區(qū)。
現(xiàn)在參考圖8A和8B，半導體圖形11被深刻蝕，以形成凹陷的半導體圖形11，凹陷的半導體圖形11存在于單元接觸孔9a的下部區(qū)域中。凹陷的半導體圖形11a可以被形成為具有一頂表面，其位于低于下絕緣層8的頂表面(亦即，第二下絕緣層7的頂表面)的水平面處。結(jié)果，在凹陷的半導體圖形11a上設(shè)置上單元接觸孔9b。
n-型雜質(zhì)離子可以被注入凹陷半導體圖形11a的下部區(qū)域中，以形成接觸字線WL1和WL2的n-型半導體13n(例如，n-型雜質(zhì)區(qū))，以及p-型雜質(zhì)離子可以被注入凹陷半導體圖形11a的上部區(qū)域中，以在n-型半導體13n上形成p-型半導體13p(例如，p-型雜質(zhì)區(qū))。結(jié)果，可以在各個單元接觸孔9a的下部區(qū)域內(nèi)形成垂直單元二極管D。用于形成n-型半導體13n的離子注入工序可以在p-型半導體13p的形成之后執(zhí)行。
在垂直單元二極管D的頂表面上可以形成單元二極管電極15(例如，p-型半導體13p的頂表面)。單元二極管電極15可以由金屬硅化物層形成，如硅化鈷層，硅化鎳層和/或硅化鈦層。金屬硅化物層可以使用自對準硅化物(salicide)技術(shù)來形成。
現(xiàn)在參考圖9A和9B，在上單元接觸孔(圖8A和8B的9b)的側(cè)壁上可以形成絕緣隔片17。絕緣隔片17可以由相對于犧牲層9具有刻蝕選擇率的絕緣層形成。例如，犧牲層9可以由氧化硅層形成，以及絕緣隔片17可以由氮氧化硅層和/或氮化硅層形成。
在本發(fā)明的某些實施例中，在絕緣隔片17的形成之后可以執(zhí)行用于形成單元二極管電極15的自對準硅化物工序。在此情況下，因為絕緣隔片17直接接觸單元二極管15的邊緣部分，在單元二極管D的中心部分上形成單元二極管電極15，該單元二極管D的中心部分在形成絕緣隔片17之后被露出。
在包括單元二極管電極15和絕緣隔片17的區(qū)域中，在襯底1上形成底電極層。底電極層可以由導電層形成，如由氮化鈦(TIN)層、氮化鈦鋁(TiAIN)層、氮化鉭(TaN)層、氮化鎢(WN)層、氮化鉬(MoN)層、氮化鈮(NbN)層、氮化鈦硅(TiSiN)層、氮化鈦硼(TiBN)層、氮化鋯硅(ZrSiN)層、氮化鎢硅(WSiN)層、氮化鎢硼(WBN)層、氮化鋯鋁(ZrAIN)層、氮化鉬鋁(MoAIN)層、氮化鉭硅(TaSiN)層、氮化鉭鋁(TaAIN)層、鈦化鎢(TiW)層、鈦化鋁(TiAl)層、氧氮化鈦(TiON)層、氧氮化鈦鋁(TiAlON)層、氧氮化鎢(WON)層和/或氧氮化鉭(TaON)層形成。底電極層可以被平整，以露出犧牲層9的頂表面。結(jié)果，在被絕緣隔片17圍繞的空區(qū)域中可以形成初步底電極19，初步底電極19與單元二極管電極15的中心頂表面接觸。
接下來參考圖10A和10B，犧牲層(圖9A和9B的9)被除去，以露出第二下絕緣層7。結(jié)果，初步底電極19和絕緣隔片17相對地突出。然后可以使用第二下絕緣層7作為拋光停止層，平整該突出的初步底電極19和突出的絕緣隔片17。因此，在垂直單元二極管D上可以形成底電極19a，以及底電極19a的頂表面可以具有與第二下絕緣層7的頂表面基本上相同的水平面。在此情況下，底電極19a的頂表面面積可以小于單元接觸孔9a的水平截面面積。此外，底電極19a可以通過單元接觸孔9a與垂直單元二極管D自對準。
在包括底電極19a的區(qū)域中，在襯底1上順序地形成相變材料層和頂電極層。相變材料層可以由硫族化物層形成，如鍺、銻和碲的合金層(GST合金層)，以及頂電極層可以由導電層形成，如氮化鈦層。此外，相變材料層可以采用物理汽相淀積技術(shù)，如顯示出差的臺階覆蓋度的濺射技術(shù)來形成。然而，當具有底電極19a的襯底可以具有平坦的表面時，相變材料層可以形成為在半導體襯底1中始終具有均勻厚度。頂電極層和相變材料層被構(gòu)圖，以形成覆蓋底電極19a的多個相變材料圖形21。在相變材料圖形21上可以層疊頂電極23。
現(xiàn)在參考圖11A和11B，在包括頂電極23的區(qū)域中的襯底1上形成上絕緣層25。上絕緣層25被構(gòu)圖，以形成露出頂電極23的位線接觸孔。在位線接觸孔中形成位線接觸栓塞27，以及形成接觸位線接觸栓塞27的大量位線BL1和BL2。位線BL1和BL2可以形成為跨越字線WL1和WL2。
現(xiàn)在將參考圖2和圖12A至15B描述根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的相變存儲單元的制造方法。圖12A至15A是沿圖2的線I-I′的剖面圖，以及圖12B至15B是沿圖2的線II-II′的剖面圖。
參考圖12A和12B，其間有絕緣層53的大量字線WL1和WL2可以使用基本上與參考圖5A和5B描述的相同方法來形成。在包括字線WL1和WL2的區(qū)域中，在襯底51上形成下絕緣層55和犧牲層57。在圖12A和12B所示的實施例中，下絕緣層55由單個的下絕緣層形成。下絕緣層55可以由，例如，單個的氧化硅層形成。犧牲層57可以由相對于下絕緣層55具有刻蝕選擇率的材料層形成。例如。犧牲層57可以由氮氧化硅層和/或氮化硅層形成。
接下來參考圖13A和13B，犧牲層57和下絕緣層55被構(gòu)圖，以形成露出字線WL1和WL2的預(yù)定區(qū)域的單元接觸孔57a。在單元接觸孔57a的下部區(qū)域中可以形成凹陷的半導體圖形59a，使用與參考圖7A，7B，8A和8B描述的相同方法。凹陷的半導體圖形59a可以形成為具有比下絕緣層55的頂表面更低的表面。結(jié)果，在凹陷的半導體圖形59a上可以設(shè)置上單元接觸孔57b。
現(xiàn)在參考圖14A和14B，雜質(zhì)離子可以被注入凹陷的半導體圖形59a中，以形成垂直單元二極管D。垂直單元二極管D可以使用與先前參考圖8A和8B描述的基本上相同方法來形成。結(jié)果，每個垂直單元二極管D可以形成為包括n-型半導體61n和p-型半導體61p。在垂直單元二極管D的頂表面上可以形成單元二極管電極63。單元二極管電極63也可以使用與先前參考圖8A和8B描述的基本上相同方法來形成。
在上單元接觸孔57b的側(cè)壁上可以使用常規(guī)方法形成絕緣隔片65。絕緣隔片65可以由相對于犧牲層57具有刻蝕選擇率的絕緣層形成。例如，絕緣隔片65可以由氧化硅層形成。在形成絕緣隔片之后，如先前參考圖9A和9B所述，可以形成單元二極管電極63。
在包括單元二極管電極63和絕緣隔片65的區(qū)域中，在襯底51上可以形成底電極層，以及底電極層可以被平整，以露出犧牲層57的頂表面。結(jié)果，在被絕緣隔片65圍繞的上單元接觸孔57b中可以形成接觸單元二極管電極63的初步底電極67。底電極層可以由導電層形成，如由氮化鈦(TIN)層、氮化鈦鋁(TiAIN)層、氮化鉭(TaN)層、氮化鎢(WN)層、氮化鉬(MoN)層、氮化鈮(NbN)層、氮化鈦硅(TiSiN)層、氮化鈦硼(TiBN)層、氮化鋯硅(ZrSiN)層、氮化鎢硅(WSiN)層、氮化鎢硼(WBN)層、氮化鋯鋁(ZrAIN)層、氮化鉬鋁(MoAIN)層、氮化鉭硅(TaSiN)層、氮化鉭鋁(TaAIN)層、鈦化鎢(TiW)層、鈦化鋁(TiAl)層、氧氮化鈦(TiON)層、氧氮化鈦鋁(TiAlON)層、氧氮化鎢(WON)層和/或氧氮化鉭(TaON)層形成。
現(xiàn)在參考圖15A和15B，犧牲層57被除去，導致初步底電極67和絕緣隔片65在下絕緣層55上突出。然后可以使用下絕緣層55作為拋光停止層平整該突出的初步底電極67和突出的絕緣隔片65。結(jié)果，可以在垂直單元二極管D上形成底電極67a，以及底電極67a的頂表面可以具有與下絕緣層55的頂表面基本上相同的水平面。結(jié)果，底電極67a的頂表面面積可以小于垂直單元二極管D的水平截面面積。此外，底電極67a可以與垂直單元二極管D自對準。
在包括底電極67a的區(qū)域中的襯底51上可以使用與先前參考圖10A和10B描述的相同方法來形成相變材料圖形69和頂電極71。然后在包括頂電極71的區(qū)域中，在襯底51上可以使用與先前參考圖11A和11B描述的相同方法來形成上絕緣層和位線。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明的某些實施例，在單元接觸孔的下部區(qū)域中設(shè)置垂直單元二極管以及在垂直單元二極管上布置底電極。某些實施例中的底電極通過單元接觸孔與垂直單元二極管自對準。此外，形成底電極可以不需要任意附加的光刻工序。結(jié)果，可以增加包括垂直單元二極管的相變存儲器件的集成度，而不使用更復(fù)雜的工序。此外，底電極可以被絕緣隔片和下絕緣層圍繞，下絕緣層可以由氧化硅層形成，氧化硅顯示出比氮化硅層和氮氧化硅層更低的導熱率。結(jié)果，在某些實施例中，由底電極產(chǎn)生的焦耳熱的損失可以被減小，可以提高接觸底電極的相變材料圖形的編程效率。
上文是本發(fā)明的例示以及不被允許認為是限制本發(fā)明。雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的一些示例性實施例，但是所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當容易理解在本質(zhì)上不脫離本發(fā)明的新穎性教導和優(yōu)點的條件下，許多改進是可能的。由此，所有的這種改進確定為包括在權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。在權(quán)利要求中，裝置加功能條款意圖是覆蓋在此描述的結(jié)構(gòu)。如執(zhí)行敘述功能，不僅僅結(jié)構(gòu)等效而且等效結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)當理解上文是本發(fā)明的例示以及不被允許被認為是局限于公開的具體實施例，以及對公開實施例以及其他實施例的改進被確定為包括在附加權(quán)利要求的范圍內(nèi)。本發(fā)明由下列權(quán)利要求限定，該權(quán)利要求的等效權(quán)利包括在其中。
權(quán)利要求
1.一種包括垂直二極管的集成電路器件，包括集成電路襯底；集成電路襯底上的絕緣層；貫穿絕緣層的接觸孔；接觸孔的下部區(qū)域中的垂直二極管；以及接觸孔中的底電極，并且該底電極具有在垂直二極管的頂表面上的底表面，該底電極與垂直二極管自對準，以及具有小于接觸孔的水平截面面積的頂表面面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中該集成電路器件包括相變存儲器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的器件，其中底電極的頂表面具有相對于集成電路襯底基本上與絕緣層的頂表面相同的水平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，還包括圍繞底電極的側(cè)壁的絕緣隔片，其中該絕緣隔片的外側(cè)壁通過接觸孔與垂直二極管的側(cè)壁自對準。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的器件，其中該絕緣層和絕緣隔片包括相同的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其中該絕緣層和絕緣隔片包括氧化硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，還包括底電極和垂直二極管之間的二極管電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，還包括電耦合到底電極的存儲器存儲元件，以及在集成電路襯底上并通過垂直二極管電耦合到底電極以限定存儲單元的單元選擇線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的器件，其中該存儲器存儲元件包括底電極上的相變材料圖形層；以及相變材料圖形層上的頂電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中該絕緣層包括集成電路襯底上的第一絕緣層；以及第一絕緣層上的第二絕緣層，第二絕緣層相對于第一絕緣層具有刻蝕選擇率。
11.一種相變存儲單元，包括集成電路襯底上的絕緣層；貫穿絕緣層的單元接觸孔；單元接觸孔的下部區(qū)域中的垂直單元二極管；在垂直單元二極管上的單元接觸孔中并與垂直單元二極管自對準的底電極；底電極上的相變材料層圖形；以及相變材料層圖形上的頂電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的相變存儲單元，其中底電極的頂表面具有與絕緣層的頂表面基本上相同的水平面。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的相變存儲單元，還包括圍繞底電極的側(cè)壁的絕緣隔片，以及其中該絕緣隔片的外側(cè)壁通過單元接觸孔與垂直單元二極管的側(cè)壁自對準。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的相變存儲單元，其中底電極的頂表面面積小于單元接觸孔的水平截面面積。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的相變存儲單元，其中絕緣層包括單個層，以及其中絕緣層是與絕緣隔片相同的材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的相變存儲單元，其中該絕緣層包括集成電路襯底上的第一絕緣層；以及第一絕緣層上的第二絕緣層，其中第二絕緣層是相對于第一絕緣層具有刻蝕選擇率的絕緣層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的相變存儲單元，其中第二絕緣層是與絕緣隔片相同的材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的相變存儲單元，還包括底電極和垂直單元二極管之間的單元二極管電極。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的相變存儲單元，其中相變材料圖形覆蓋該底電極。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的相變存儲單元，還包括相變材料圖形和頂電極上的上絕緣層；以及在上絕緣層上的位線，該位線通過貫穿上絕緣層的位線接觸孔電連接到頂電極。
21.根據(jù)權(quán)利要求11的相變存儲單元，還包括在集成電路襯底上布置的字線，其中單元接觸孔貫穿絕緣層，以露出部分字線，以及其中該絕緣層包括單個層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的相變存儲單元，其中該字線包括n-型雜質(zhì)區(qū)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的相變存儲單元，其中該絕緣層包括氧化硅層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的相變存儲單元，還包括圍繞底電極側(cè)壁的氧化硅隔片，其中該氧化硅隔片的外側(cè)壁通過單元接觸孔與垂直單元二極管的側(cè)壁自對準。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的相變存儲單元，其中底電極的頂表面面積小于單元接觸孔的水平截面面積。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的相變存儲單元，還包括底電極和垂直單元二極管之間的單元二極管電極。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的相變存儲單元，還包括覆蓋相變材料圖形和頂電極的上絕緣層；以及上絕緣層上的位線，該位線通過貫穿上絕緣層的位線接觸孔電連接到頂電極，該位線被布置為跨越字線。
28.根據(jù)權(quán)利要求11的相變存儲單元，還包括在集成電路襯底上布置的字線，其中單元接觸孔貫穿絕緣層，以露出部分字線，以及其中該絕緣層包括襯底上的第一絕緣層和第一絕緣層上的第二絕緣層，該襯底包括字線。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的相變存儲單元，其中底電極的頂表面具有與第二絕緣層的頂表面基本上相同的水平面。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的相變存儲單元，其中字線包括n-型雜質(zhì)區(qū)。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的相變存儲單元，其中第一絕緣層是氧化硅層，以及第二絕緣層是氮氧化硅層和/或氮化硅層。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的相變存儲單元，還包括圍繞底電極側(cè)壁的絕緣隔片，其中該絕緣隔片的外側(cè)壁通過單元接觸孔與垂直單元二極管的側(cè)壁自對準，以及其中絕緣隔片是氮氧化硅隔片和/或氮化硅隔片。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的相變存儲單元，其中底電極的頂表面面積小于單元接觸孔的水平截面面積。
34.根據(jù)權(quán)利要求29的相變存儲單元，還包括底電極和垂直單元二極管之間的單元二極管電極。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的相變存儲單元，還包括覆蓋相變材料圖形和頂電極的上絕緣層；以及上絕緣層上的位線，該位線通過貫穿上絕緣層的位線接觸孔電連接到頂電極，該位線被布置為跨越字線。
36.一種包括垂直二極管的集成電路器件的形成方法，該方法包括在集成電路襯底上形成絕緣層；在絕緣層上形成犧牲層；形成貫穿犧牲層和絕緣層的單元接觸孔；在單元接觸孔的下部區(qū)域中形成垂直單元二極管；形成填充該單元接觸孔的初步底電極；除去犧牲層而不除去初步底電極，以提供初步底電極的突出部分；以及平整初步底電極的突出部分，以在具有頂表面的單元接觸孔中形成底電極，該頂表面位于與下絕緣層的頂表面基本上相同的水平面。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中形成初步底電極在垂直單元二極管上的單元接觸孔的側(cè)壁上形成絕緣隔片之后，以及其中除去犧牲層包括除去犧牲層而不除去絕緣隔片，以提供絕緣隔片的突出部分，以及其中平整初步底電極的突出部分包括平整絕緣隔片的突出部分。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中形成絕緣層在集成電路襯底上形成字線之后，以及其中形成單元接觸孔包括形成露出部分字線的單元接觸孔。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中字線包括n-型雜質(zhì)區(qū)。
40.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中絕緣層由單個的絕緣層形成，以及其中犧牲層由相對于單個絕緣層具有刻蝕選擇率的材料層形成。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其中單個絕緣層包括氧化硅層以及其中犧牲層包括氮化硅層和/或氮氧化硅層。
42.根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其中絕緣隔片包括與單個絕緣層相同的材料。
43.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中形成絕緣層包括在集成電路襯底上形成第一絕緣層；以及在第一絕緣層上形成第二絕緣層；其中犧牲層包括相對于第二絕緣層具有刻蝕選擇率的材料。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中第一絕緣層和犧牲層包括氧化硅層，以及其中第二絕緣層包括氮氧化硅層和/或氮化硅層。
45.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中絕緣隔片由與第二絕緣層相同的材料形成。
46.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中在垂直單元二極管的表面上形成單元二極管電極之后形成初步底電極。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中該單元二極管電極包括金屬硅化物層。
48.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中初步底電極包括氮化鈦(TIN)層、氮化鈦鋁(TiAIN)層、氮化鉭(TaN)層、氮化鎢(WN)層、氮化鉬(MoN)層、氮化鈮(NbN)層、氮化鈦硅(TiSiN)層、氮化鈦硼(TiBN)層、氮化鋯硅(ZrSiN)層、氮化鎢硅(WSiN)層、氮化鎢硼(WBN)層、氮化鋯鋁(ZrAIN)層、氮化鉬鋁(MoAIN)層、氮化鉭硅(TaSiN)層、氮化鉭鋁(TaAIN)層、鈦化鎢(TiW)層、鈦化鋁(TiAl)層、氧氮化鈦(TiON)層、氧氮化鈦鋁(TiAlON)層、氧氮化鎢(WON)層和/或氧氮化鉭(TaON)層。
49.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中該集成電路器件包括相變存儲單元以及其中該方法還包括在底電極上形成相變材料層圖形；在相變材料圖形上形成頂電極；在包括頂電極的區(qū)域中，在集成電路襯底上形成上絕緣層；以及在上絕緣層上形成電連接到頂電極的位線。
全文摘要
提供在其中具有垂直二極管的集成電路器件。該器件包括集成電路襯底和集成電路襯底上的絕緣層。接觸孔貫穿絕緣層。垂直二極管在接觸孔的下部區(qū)域中以及接觸孔中的底電極具有在垂直二極管的頂表面上的底表面。底電極與垂直二極管自對準。底電極的頂表面面積小于接觸孔的水平截面面積。還提供形成該集成電路器件和相變存儲單元的方法。
文檔編號H01L21/82GK1885542SQ20061008983
公開日2006年12月27日 申請日期2006年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月20日
發(fā)明者樸哉炫, 吳在熙, 李世昊, 鄭元哲 申請人:三星電子株式會社