非易失性存儲器器件及相關的方法和處理系統(tǒng)的制作方法

文檔序號：6932730閱讀：103來源：國知局

專利名稱：非易失性存儲器器件及相關的方法和處理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件，并且更具體地，涉及非易失性存儲器器件、制造非易失性存儲器器件的方法以及包括非易失性存儲器器件的處理系統(tǒng)。
背景技術：
使用電阻材料的非易失性存儲器器件包括電阻隨機存取存儲器 (RRAM)器件、磁性隨機存取存儲器(MRAM)器件和相變隨機存取存儲器(PRAM)器件。使用電阻材料的非易失性存儲器器件利用可變電阻材料中的電阻的變化(在RRAM的情況下)、根據(jù)鐵電材料的磁化狀態(tài)的磁性隧道結(MTJ)膜的電阻的變化(在MRAM的情況下) 或者諸如硫屬合金(chalcogenide alloy)的相變材料的狀態(tài)的變化(在 PRAM的情況下)來存儲數(shù)據(jù)。不同地，動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM) 器件或者閃速存儲器器件使用電荷來存儲數(shù)據(jù)。
電阻存儲器單元可以包括布置在上電極和下電極之間的可變電阻元件，并且可變電阻元件的電阻會隨施加到相應的上電極和下電極的電壓而改變。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供非易失性存儲器器件，該非易失性存儲器器件可以具有減少的存儲器單元面積和增加的存儲器密度。還提
供了制造該種非易失性存儲器器件的方法和包括該種非易失性存儲器器件的處理系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，提供包括多個內(nèi)部電極的非易失性存儲器器件，其中，該多個內(nèi)部電極在與諸如襯底的頂表面這樣的襯底的面基本垂直的方向上延伸。這些器件進一步包括多個第一外部電極，所述多個第一外部電極與襯底的面基本平行地延伸，其中，每個第一外部電極位于相應的內(nèi)部電極的第一側；和多個第二外部電極，所述多個第二外部電極也與襯底的面基本平行地延伸，其中，每個第二外部電極位于相應的內(nèi)部電極的第二側。這些器件還包括與內(nèi)部電極、第一外部電極和第二外部電極接觸的多個可變電阻器。
根據(jù)本發(fā)明的又一些實施例，提供包括多個內(nèi)部電極的非易失性存儲器器件，所述多個內(nèi)部電極在與襯底的面基本垂直的方向上延伸。這些非易失性存儲器器件進一步包括多個第三外部電極和多個第四外部電極，所述多個第三外部電極和多個第四外部電極都與襯底的面基本平行地延伸，并且都被布置在內(nèi)部電極的至少一側。在內(nèi)部電極延伸的方向上，第三外部電極和第四外部電極彼此重疊。該器件還包括與內(nèi)部電極、第三外部電極和第四外部電極接觸的多個可變電阻器。
根據(jù)本發(fā)明的又一些實施例，提供了制造非易失性存儲器的方法。根據(jù)這些方法，在襯底上形成了多個第一外部電極和多個第二外部電極，以便與諸如襯底的頂表面這樣的襯底的面基本平行地延伸。然后，形成覆蓋第一外部電極和第二外部電極的絕緣層。通過絕緣層在第一外部電極和第二外部電極之間形成多個接觸孔，所述接觸孔與襯底的面基本垂直。形成多個可變電阻器，所述多個可變電阻器與第一外部電極和第二外部電極直接接觸。最后，通過在接觸孔中沉積導電材料來形成多個內(nèi)部電極。內(nèi)部電極與可變電阻器接觸，并且在與襯底的面基本垂直的方向上延伸。根據(jù)本發(fā)明的又一些實施例，提供包括非易失性存儲器器件的處理系統(tǒng)。處理系統(tǒng)中所包括的非易失性存儲器器件可以包括多個內(nèi) 部電極，所述多個內(nèi)部電極在與襯底的第一側基本垂直的方向上延伸；多個第一外部電極和多個第二外部電極，所述多個第一外部電極和多個第二外部電極都與襯底的第一側基本平行地延伸，并且形成在內(nèi)部
電極的兩側。這些非易失性存儲器器件進一步包括多個可變電阻器，所述多個可變電阻器與內(nèi)部電極、第一外部電極和第二外部電極接觸。處理系統(tǒng)進一步包括驅動非易失性存儲器器件的處理器。

通過參考附圖對本發(fā)明的示例性實施例進行詳細描述，本發(fā)明的
上述和其他的方面和特點將變得更加明顯，在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的
部分的示意性透視圖2是根據(jù)第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的、沿著圖1
中的線A-A'截取的截面圖3是根據(jù)第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的透視圖；圖4是根據(jù)第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的平面圖；圖5是根據(jù)第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的電路圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施例的非易失性存儲器器件的
透視圖7是根據(jù)第二示例性實施例的非易失性存儲器器件的、沿著圖6 中的線B-B'截取的截面圖8是根據(jù)本發(fā)明的第三示例性實施例的非易失性存儲器器件的部分的示意性透視圖9是根據(jù)第三示例性實施例的非易失性存儲器器件的、沿著圖8 中的線C-C'截取的截面圖IO是根據(jù)本發(fā)明的第四示例性實施例的非易失性存儲器器件的部分的示意性透視圖；圖11是根據(jù)第四示例性實施例的非易失性存儲器器件的平面圖12到圖17是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的非易失性存儲器器件的方法的截面圖18是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的又一些實施例的非易失性存儲器器件的方法的截面圖；以及
圖19是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的、包括非易失性存儲器器件的處理系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參考附圖來更全面地描述本發(fā)明，在所述附圖中，示出了本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實施，并且不應將其理解為受限于在此闡述的實施例。更確切地說，提供這些實施例，使得本公開內(nèi)容全面而完整，并且可以將本發(fā)明的構思完全傳達給本領域的技術人員。
應理解，當元件被稱為與另一元件"連接"或"耦合"或者與另一元件"接觸"時，該元件可以是直接地與其他元件連接、耦合或接觸或者可以在其間存在插入元件。相反，當元件被稱為與另一元件"直接連接"、"直接耦合"或"直接接觸"時，則沒有插入元件存在。在全部附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件。如在此使用的，術語"和/或"包括相關聯(lián)列出項中的一項或多項的任何組合和全部組合。
應理解，可以在此使用術語第一、第二等來描述各種元件、組件、區(qū)域、層和/或部件，這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部件不應該受這些術語限制。這些術語僅僅用于將一個元件、組件、區(qū)域、層或部件與另一元件、組件、區(qū)域、層或部件區(qū)分開。因此，在不背離本發(fā)明的教導的情況下，以下討論的第一元件、組件、區(qū)域、層或部件也可以被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部件。
在此使用的術語僅僅是出于描述具體實施例的目的，并非旨在限制本發(fā)明。如在此使用的，除非上下文明確指出，否則單數(shù)形式"一個"旨在也包括復數(shù)形式。應進一步理解，術語"包括"、"包含"當被使用在說明書中時，指定了所說明的特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但是并不排除另外的一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組的存在。
除非另外定義，否則在此使用的所有術語(包括科技術語)都具有與本發(fā)明所屬的領域中的普通技術人員所普遍理解的意思相同的意思。應進一步理解，應該將諸如在普遍使用的字典中定義的那些術語理解為具有與它們在相關領域的背景中的意思相一致的意思，并且除非在此明確定義，否則不應理想化或者過于形式化地來理解。
在下文中，將采用電阻隨機存取存儲器(RRAM)器件為示例，對本發(fā)明的示例性實施例進行詳細描述。然而，本發(fā)明并不限于RRAM 器件。即是說，本發(fā)明也可以應用于其他使用電阻材料的非易失性存儲器器件，所述器件包括，例如，包含磁性隧道結的磁性隨機存取存儲器(MRAM)器件和包含硫屬合金的相變隨機存取存儲器(PRAM) 器件。
在下文中，將參考圖1-5來描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的非易失性存儲器器件。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的部分的示意性透視圖。圖2是根據(jù)第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的、沿著圖1的線A-A'截取的截面圖。
參考圖1和圖2，在襯底100的面中形成多個隔離區(qū)域105。在該具體實施例中，所述面是襯底的頂表面。襯底100可以是硅襯底、絕緣體上硅(SOI)襯底、鎵石棉(gallium-asbestos)襯底、硅鍺襯底、陶瓷襯底、石英襯底、玻璃襯底、或任何其他電子器件襯底。隔離區(qū)域105可以包括例如通過硅的局部氧化(LOCOS)獲得的場氧化物 (FOX)區(qū)域，或者可以是淺溝槽隔離(STI)區(qū)域。
可以在襯底100的頂表面上布置多條字線(210、 220和230)。每條字線可以包括柵極絕緣層圖案210、柵極電極220和柵極硅化物層圖案230。字線(210、 220和230)可以在第一方向上延伸，所述第一方向與襯底100的頂表面基本平行。通過與多個有源區(qū)110重疊，字線(210、 220和230)可以用作選擇器。
可以在襯底100和柵極電極220之間提供柵極絕緣層圖案210。柵極絕緣層圖案210可以由例如硅氧化物、SiON、 GexOyNz、 GexSiyOz、高k介電材料或者它們的組合來構成，或者可以包括硅氧化物、SiON、 GexOyNz、 GexSiyOz和高k介電材料的堆疊。高k介電材料的示例包括HfD2、 Zr02、 A1203、 Ta205、硅酸鉿、硅酸鋯和它們的組合，但是本發(fā)明并不限于在此所述的示例。
柵極電極220可以例如通過沉積多晶硅或者諸如鎢(W)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鈷(Co)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉑(Pt)和/或釕(Ru)的金屬并且對沉積的材料構圖來形成。
可以通過將雜質注入有源區(qū)110中而在每個柵極電極220的兩側形成源極/漏極區(qū)。將隨后詳細描述有源區(qū)110的形狀。
可以在柵極電極220上形成柵極硅化物層圖案230，并且可以在源
極/漏極區(qū)中形成多個硅化物層圖案120。柵極硅化物層圖案230和硅
化物層圖案120可以包括以下具有低電阻和優(yōu)良熱穩(wěn)定性的難熔金屬中的至少一種鈦、鉬、鎢、鈷、鎳、鉭、鉑和鈀(pd)。柵極硅化
物層圖案230和硅化物層圖案120可以減小接觸電阻。可以在每個柵極電極220的兩側提供間隙壁(spacer) 240。間隙壁240可以由具有相對于第一層間介電層330的蝕刻選擇性的材料構成，所述材料例如有SiN、 SiON或Si02。
可以在字線(210、 220和230)上方形成多條位線300。位線300 可以在不同于第一方向的第三方向上延伸，并且因此當從上方觀看時，會與字線(210、 220和230)相交。第三方向與第一方向基本垂直。每條位線300可以通過相應的位線接觸350而與有源區(qū)110中的一個連接。在每個有源區(qū)110上可以形成兩條字線(210、 220和230)，并且所述兩條字線(210、 220和230)共享一條位線300。
第一層間介電層330可以形成至位線300的頂部上方的一定高度，以使字線(210、 220和230)和位線300絕緣。第一層間介電層330 可以被分成覆蓋字線(210、 220和230)的下部和布置在所述下部上以覆蓋位線300的上部。
多個第一外部電極410—1和多個第二外部電極420—2可以形成在第一層間介電層330上，并且可以在第一方向上延伸。第一外部電極 410_1和第二外部電極420—2可以形成為條狀，并且可以彼此間隔開。第一外部電極410—1和第二外部電極420_2可以成對地布置?？梢栽?每對第一外部電極410_1和第二外部電極420_2之間的空間中形成一個或多個內(nèi)部電極500。每個內(nèi)部電極500可以由一個或多個第一外部電極410_1以及由一個或多個第二外部電極420_2來共享。具體地，如圖1所示，可以將第一外部電極410_1布置在內(nèi)部電極500的一側，而將第二外部電極420_2布置在內(nèi)部電極500的另一側。第一外部電極410—1和第二外部電極420—2中的每一個都可以與內(nèi)部電極500相交或者共享內(nèi)部電極500。
第一外部電極410_1和第二外部電極420_2可以由例如鎢(W)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、銅(Cu)、銥(Ir)、鉑、釕(Ru)、多晶硅和/或其他貴金屬中的一種或多種來構成。在某些實施例中，第一
外部電極410—1和第二外部電極420—2可以包括鎢、氮化鈦和/或鋁。第一外部電極410—1和第二外部電極420_2可以作為下述多個可變電阻器600的電源線。
圖3是根據(jù)第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的更大部分的透視圖。圖4是根據(jù)第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的平面圖，并且圖5示出了根據(jù)第一示例性實施例的非易失性存儲器器件的電路圖。參考圖3-5，可以將第一外部電極410_1電連接到第一外部電極連接器410，并且可以將第二外部電極420一2電連接到第二外部電極連接器420。提供第一外部電極連接器410和第二外部電極連接器 420可以降低非易失性存儲器器件的外圍電路的復雜度。
如圖3所示，可以在每對第一外部電極410—1和第二外部電極 420_2之間的空間中形成內(nèi)部電極500。內(nèi)部電極500可以在第二方向上延伸，所述第二方向不同于第一方向。可以將內(nèi)部電極500形成為例如圓柱狀或棱柱狀(即，它們具有圓柱狀或者棱柱狀截面)。第一方向可以與第一方向基本垂直，并且可以與襯底100的頂表面基本垂直。
內(nèi)部電極500可以例如由鎢、鈦、鎳、鋁、銅、銥、鉑、釕、銀 (Ag)、多晶硅和/或其他貴金屬來形成。在某些實施例中，內(nèi)部電極 500可以包括銅、銥、鉑、釕、銀、多晶硅和/或其他貴金屬中的一種或多種。
可以在第一外部電極410_1和內(nèi)部電極500以及第二外部電極 420—2和內(nèi)部電極500之間插入可變電阻器600，并且可變電阻器600 可以直接接觸第一外部電極410_1、內(nèi)部電極500和第二外部電極 420—2。在一些實施例中，可變電阻器600可以覆蓋內(nèi)部電極500的外周表面。例如，可以將可變電阻器600形成為覆蓋內(nèi)部電極500的整個外周表面的空心圓柱體或者空心棱柱體。
當將電信號施加到內(nèi)部電極500、第一外部電極410_1和第二外部電極420—2上時，在第一外部電極410_1和內(nèi)部電極500之間形成的部分可變電阻器600的電阻、或者在第二外部電極420—2和內(nèi)部電極 500之間形成的部分可變電阻器600的電阻會相應地改變。參考圖4，可以將每個可變電阻器600分為直接與相應的第一外部電極410—1接觸的第一部分610和直接與相應的第二外部電極420—2接觸的第二部分620。每個可變電阻器600中的第一部分610和第二部分620可以使用不同的電阻材料。
可變電阻器600可以例如由硫屬化物、過渡金屬氧化物、鈣鈦礦氧化物或者含有金屬離子的固態(tài)電解材料來構成。
參考圖3和圖4，每個有源區(qū)110包括第一區(qū)域110—1和第二區(qū)域 110—2，其中，所述第一區(qū)域110一1在與多條位線300基本相同的方向上(即，在第三方向上)延伸，所述第二區(qū)域110—2從第一區(qū)域110_1 中突出，并且在與字線(210、 220和230)基本相同的方向上(即，在第一方向上)延伸。如果第一方向與第三方向基本垂直，則每個有源區(qū)IIO會是T形的。
在第一示例性實施例中，每個有源區(qū)110上連接有兩個內(nèi)部電極 500，在每個有源區(qū)IIO上方跨有兩條字線(210、 220和230)，并且每個有源區(qū)110可以經(jīng)由位線接觸350連接一條位線300。更具體地，每個有源區(qū)110的第一區(qū)域110_1上可以連接有兩個內(nèi)部電極500和兩個可變電阻器600，并且在每個有源區(qū)IIO的第二區(qū)域110_2上可以連接有一個位線接觸350。因為跨過每個有源區(qū)IIO上方的字線(210、 220和230)共享一條位線300，所以可以增加存儲器單元的密度。
第一外部電極410 1、內(nèi)部電極500和插在第一外部電極410—1與內(nèi)部電極500之間的可變電阻器600，以及第二外部電極420—2、內(nèi) 部電極500和插在第二外部電極420_2與內(nèi)部電極500之間的可變電阻器600可以分別形成電阻存儲器單元。可以將多個該種電阻存儲器單元布置在襯底100上。在此情況下，因為在每個單位存儲器單元面積中形成了兩個電阻存儲器單元，所以即使要將非易失性存儲器器件設計為具有8FZ布局，也可以將電阻存儲器單元的面積從8FS減小到
每個有源區(qū)110中的源極/漏極區(qū)和柵極電極220可以作為用于選擇內(nèi)部電極500和存儲器單元的選擇器。在第一示例性實施例中，可以使用金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)來作為選擇器。然而，本發(fā)明并不局限于此，在其他實施例中，也可以使用雙極性晶體管或二極管作為選擇器。
參考圖5，可以將兩個可變電阻器Rv!和Rv2連接到選擇器Tr。選擇器Tr可以選擇兩個可變電阻器Rv!和Rv2中的一個。如果使用晶體管作為選擇器Tr，則可以施加正電壓、負電壓或者兩者作為編程電壓。因此，可以將第一示例性實施例應用于雙極性RRAM器件，其中，所述雙極性RRAM器件僅僅當施加雙向電壓時才顯示切換特性。
可以在內(nèi)部電極500的上方形成第二層間介電層(未示出)和上布線層。
根據(jù)第一示例性實施例的非易失性存儲器器件還可以包括用于通過將信號施加到每條字線(210、 220和230)來使晶體管導通或者關斷的外圍電路和連接到位線300的多個感應放大器(未示出)。
根據(jù)第一示例性實施例，可以通過為每個內(nèi)部電極形成多個電阻存儲器單元來減小電阻存儲器單元的面積，并且增加存儲器單元的密度。在下文中，將參考圖6和圖7來詳細描述根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的非易失性存儲器器件。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施例的非易失性存儲器器件的透視圖。圖7是根據(jù)第二示例性實施例的非易失性存儲器器件的、沿著圖6中線B-B'截取的截面圖。在圖1-7中，相同的附圖標記表示相同的元件，并且因此將省略對其的詳細描述。
參考圖6和圖7，非易失性存儲器器件可以包括多個第一外部電極 410—1、形成在第一外部電極410-1上方的多個附加外部電極1410一1、多個第二外部電極420_2以及形成在第二外部電極420-2上方的多個附加第二外部電極1420—2。第一外部電極410_1、附加第一外部電極 1410一1、第二外部電極420—2和附加第二外部電極1420—2可以形成多個外部電極層。因此，與第一示例性實施例相比，可以增加電阻存儲器單元的密度。更具體地，如果將非易失性存儲器器件設計為具有8F2 布局，并且包括n個外部電極層，那么每個電阻存儲器單元可以具有 8/(2n)F2的面積。
附加第一外部電極1410—1可以分別位于第一外部電極410—1上，并且附加第二外部電極1420—2可以分別位于第二外部電極420_2上。可以用與形成第一外部電極410—1和第二外部電極420_2的材料相同的材料來構成附加第一外部電極1410—1和附加第二外部電極1420_2。
在第二示例性實施例中，可以為多個內(nèi)部電極500中的每一個提供為外部電極層兩倍的電阻存儲器單元，并且因此，可以增加電阻存儲器單元的密度。g卩，如果第一外部電極410一1、附加第一外部電極 1410—1、第二外部電極420—2和附加第二外部電極1420—2形成n個外部電極層，則可以為每個內(nèi)部電極500提供2n個電阻存儲器單元，并且因此，可以增加電阻存儲器單元的密度。根據(jù)第二示例性實施例的非易失性存儲器器件還可以包括多個第一外部電極410—1，僅僅處于內(nèi)部電極500的第一側；以及多個附加
第一外部電極1410一1，也僅僅處于內(nèi)部電極500的第一側，并且沿著內(nèi)部電極500延伸的方向覆蓋第一外部電極410_1。第二外部電極 420—2和附加第二外部電極1420一2可以僅僅形成在內(nèi)部電極的第二側。即，可以將第一外部電極410_1和第二外部電極420_2以及附加第一外部電極1410-1和第二外部電極1420—2平行地布置在襯底100的一側上，并且可以是共享內(nèi)部電極500的單層的第一和第二外部電極；或者可以將第一外部電極410_1和第二外部電極420_2以及附加第一外部電極1410-1和第二外部電極1420_2布置成在與襯底100的一側垂直的方向上，即在內(nèi)部電極500的延伸方向上相互重疊，并且可以是與內(nèi)部電極500的一側相交的第一外部電極410—1和附加第一外部電極 1410_1或者是這些電極的組合。即，第一電極和第二電極以及附加第一電極和附加第二電極可以形成為以內(nèi)部電極500為中心的處于內(nèi)部電極500兩側的不同的層。在本說明書中，縱向布置的第一外部電極 410—1和附加第一外部電極1410—1分別被稱為第三外部電極和第四外部電極，其中，所述第一外部電極410—1和所述附加第一外部電極 1410J被布置在縱向方向上?？v向布置的第二外部電極420_2和附加第二外部電極1420_2也被稱為第三外部電極和第四外部電極。
在下文中，將參考圖8和圖9詳細描述根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的非易失性存儲器器件。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的第三示例性實施例的非易失性存儲器器件的部分的示意性透視圖。圖9是根據(jù)第三示例性實施例的非易失性存儲器器件的、沿著圖8中的線C-C'截取的截面圖。
參考圖8和圖9，可以形成包括第一部分611和第二部分621的可變電阻器?？梢栽趦?nèi)部電極501與第一外部電極410_1的重疊區(qū)域中形成第一部分611，并且可以在內(nèi)部電極501與第二外部電極420_2的重疊區(qū)域中形成第二部分621?？梢酝ㄟ^熱氧化或等離子體氧化第一外部電極410_1的與內(nèi)部電極501重疊的部分來形成可變電阻器的第一部分611，并且可以通過熱氧化或等離子體氧化第二外部電極420—2的與內(nèi)部電極501重疊的部分來形成可變電阻器的第二部分621。
在第三示例性實施例中，僅僅在內(nèi)部電極501與第一外部電極 410—1的重疊區(qū)域和在內(nèi)部電極501與第二外部電極420—2的重疊區(qū)域中形成可變電阻器(611和621)。因此，可以減少可變電阻器(611 和621)的制造成本。然而，應該理解，在一些實施例中，可變電阻器的第一部分611和第二部分621也可以延伸超過重疊區(qū)域。
在第三示例性實施例中，內(nèi)部電極501可以完全填充第一外部電極410_1和第二外部電極420—2之間的間隙。因此，內(nèi)部電極501的直徑可以比第一和第二示例性實施例中的大。
在下文中，將參考圖10和圖11來詳細描述根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的非易失性存儲器器件。圖IO是根據(jù)本發(fā)明的第四示例性實施例的非易失性存儲器器件的部分的示意性透視圖。圖ll是根據(jù)本發(fā)明的第四示例性實施例的非易失性存儲器器件的更大部分的平面圖。
第四示例性實施例與第一到第三示例性實施例的不同之處在于有源區(qū)111的形狀和布置。具體地，在第四示例性實施例中，有源區(qū)111 在第四方向上延伸，所述第四方向與多條字線(210、 220和230)在其中延伸的第一方向和多條位線300在其中延伸的第三方向都不同。
可以與第一和第三方向成銳角地形成第四方向。第四方向可以劃分第一和第三方向之間的角度。更具體地，兩個相交的方向形成兩個角。在此使用的表述"兩個方向之間的角度"是指由兩個相交方向形成的最小的角度。例如，如果兩個相交的方向形成兩個120°的角度和
兩個60°的角度，則兩個相交方向之間的角度為60° 。第四方向可以與第一方向和第三方向形成任意角度，例如，45° 。在此情況下，如圖11所示，可以將連接到每個有源區(qū)111的兩個內(nèi)部電極500布置在位線的相對的側上，其中，所述位線連接到每個相應的有源區(qū)111。
根據(jù)第四示例性實施例的非易失性存儲器器件可以具有6FZ布局。在第四示例性實施例中，可以在每個單位存儲器單元面積中形成兩個電阻存儲器單元，并且因此，每個電阻存儲器單元可以具有3F2的面積。與第二示例性實施例相似，在第四示例性實施例中，如果將多個第一外部電極410_1和多個第二外部電極420—2布置為用于形成n個外部電極層，則每個電阻存儲器單元可以具有6/(2n)FS的面積。
在下文中，將參考圖7和圖12-17來詳細描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的非易失性存儲器器件的制造方法。
圖12-17是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的非易失性存儲器器件的制造方法的截面圖。
參考圖12，通過使用例如LOCOS來在襯底100中形成多個隔離區(qū)域105。此后，通過例如使用化學氣相沉積(CVD)或等離子體增強 CVD (PE-CVD)或高密度等離子體CVD (HDP CVD)形成硅氧化物的柵極絕緣層(未示出)、形成用于在柵極絕緣層上形成柵極電極220 的導電材料層以及對柵極絕緣層和導電材料層構圖來形成多個柵極絕緣層圖案210和多個柵極電極220。此后，在每個柵極絕緣層圖案210 和柵極電極220的兩側上形成間隙壁240。此后，通過向襯底100中注入n或p型雜質來形成源極/漏極區(qū)。在一些實施例中，可以通過在改變雜質濃度的同時執(zhí)行兩次或更多次注入來形成源極/漏極區(qū)。通過使用快速熱處理(RTP)設備或者熔爐而在源極/漏極區(qū)上執(zhí)行熱處理。此后，可以在襯底100上形成多個硅化物層圖案120和多個柵極硅化物層圖案230。此后，可以沉積多條位線(未示出)和第一層間介電層 330。
此后，可以通過CVD、物理氣相沉積(PVD)或原子層沉積(ALD) 而在第一層間介電層330上沉積第一外部電極材料和第二外部電極材料，并且然后對它們構圖，由此形成多個第一外部電極410—1和多個第二外部電極420—2。第一外部電極410_1和第二外部電極420_2被彼此間隔開。
此后，參考圖13，在第一層間介電層330上形成第二層間絕緣層 430，以便覆蓋以及隔離第一外部電極410—1和第二外部電極420—2。
此后，參考圖14，通過使用例如與形成第一外部電極410_1和第二外部電極420—2所使用的方法相同的方法來在第二層間介電層430 上形成多個附加第一外部電極1410—1和多個附加第二外部電極 1420—2。附加第一外部電極1410—1可以分別處于第一外部電極410—1 上，并且附加第二外部電極1420—2可以分別處于第二外部電極420—2 上。附加第一外部電極1410—1和附加第二外部電極1420—2的形成是任選的。另外，可以在多個層中形成多個第三外部電極410_1和多個第四外部電極1410_1。
此后，參考圖15，形成第三層間介電層1430以便使第一外部電極 1410_1和附加第二外部電極1420_2絕緣。在圖14和圖15中所示的操作可以重復地執(zhí)行，由此形成n個外部電極層。
參考圖16，可以通過使用蝕刻劑來蝕刻第一層間介電層330、第二層間介電層430和第三層間介電層1430，形成例如圓柱狀或棱柱狀的多個接觸孔1500?？梢詫⒔佑|孔1500連接到有源區(qū)110的第一區(qū)域 110_1。接觸孔1500可以形成在第二方向上，所述第二方向不同于字線(210、 220和230)延伸的方向，S卩，第一方向。第二方向可以與襯底100的頂表面垂直?？梢詫⑽g刻停止層(未示出)形成在第一層
間介電層330之下以防止硅化物層圖案120被蝕刻。
參考圖17，可以通過CVD、 PVD或ALD，將從硫屬化物、過渡金屬氧化物和含有金屬離子的固態(tài)電解材料中選擇的一種可變電阻材料沉積在第三層間介電層1430上和在接觸孔1500中，并且對所沉積的可變電阻材料構圖，使得僅僅在每個接觸孔1500的側壁上保留有沉積的可變電阻材料，來形成圓柱狀或棱柱狀的多個可變電阻器(610和 620)?？勺冸娮杵?610和620)可以與第一外部電極410—1和第二外部電極420—2接觸。
在此，參考圖7，通過利用導電材料填充接觸孔1500來形成多個內(nèi)部電極500。內(nèi)部電極500在第二方向上延伸，并且與可變電阻器(610 和620)接觸。更具體地，通過經(jīng)過CVD、 ALD、 PVD或電鍍而利用導電材料來填充接觸孔1500并且執(zhí)行諸如化學機械拋光(CMP)的平坦化，形成內(nèi)部電極500。此后，形成上布線層、驅動電路和感應放大器，由此完成了非易失性存儲器器件的形成。
在下文中，將參考圖9、圖12-16和圖18來詳細描述根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的非易失性存儲器器件的制造方法。
圖18是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的非易失性存儲器器件的制造方法的截面圖。在下文中，將主要集中在與圖12-17的示例性實施例中的不同之處來對圖18的示例性實施例進行詳細說明。
通過執(zhí)行與參考圖12-16的上述操作相同的操作可以獲得圖16中所示的結構。
此后，可以對由多個接觸孔1500暴露的多個第一外部電極410_1 的部分和由多個接觸孔1500暴露的多個第二外部電極420 2的部分進行熱氧化和等離子體氧化，由此形成多個第一可變電阻器611和多個
第二可變電阻器621。如果將多個附加第一外部電極1410_1和多個附加第二外部電極1420—2形成在第一外部電極410—1和第二外部電極 420—2的上方，以形成多個外部電極層，那么也可以對由多個接觸孔 1500暴露的附加第一外部電極1410_1的部分和由多個接觸孔1500暴露的附加第二外部電極1420—2的部分進行氧化，由此形成多個附加第一可變電阻器部分1611和多個附加第二可變電阻器部分1621。
此后，參考圖9,可以通過利用導電材料來填充多個接觸孔1500 并且執(zhí)行平坦化來形成多個內(nèi)部電極501?？梢允褂门c用于形成圖 12-17的示例性實施例中的內(nèi)部電極500的方法相同的方法來形成內(nèi)部電極501。即使圖9中所示的非易失性存儲器器件僅僅包括單個外部電極層，也應當理解，同樣可以將本發(fā)明應用于如圖18所示的、包括多個外部電極層的非易失性存儲器器件。
因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了包括內(nèi)部電極以及第一和第二外部電極的非易失性存儲器器件，其中，所述內(nèi)部電極從襯底的面中基本垂直地延伸出來，所述第一和第二外部電極與襯底的面基本平行地延伸。在每個內(nèi)部電極和相應的第一和第二外部電極之間，提供可變電阻器。根據(jù)本發(fā)明的實施例的非易失性存儲器器件可以具有三維堆疊結構，在該結構中，相對于每個內(nèi)部電極提供多層外部電極，以進一步增加存儲器單元的密度。
在下文中，將參考圖19詳細描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的處理系統(tǒng)。
圖19是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的包括非易失性存儲器器件的處理系統(tǒng)的框圖。參考圖19，該處理系統(tǒng)可以是例如移動電話、MP3播放器、導航系統(tǒng)或者家用電器。處理系統(tǒng)可以至少包括一個處理器810、半導體存儲器器件860 和輸入/輸出(I/O)器件850。
半導體存儲器器件860可以是根據(jù)第一到第四示例性實施例的非易失性存儲器器件中的任何一種。半導體存儲器器件860可以存儲用于執(zhí)行處理器810的各種代碼和數(shù)據(jù)。
通過局部總線820， I/O器件850可以與半導體存儲器器件860進行通信。半導體存儲器器件860可以連接到存儲器總線840。通過存儲器控制器830，存儲器總線840可以連接到局部總線820。
雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的示例性實施例對本發(fā)明進行了具體地示出和描述，但是本領域的技術人員應理解，在不脫離由所附權利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對其進行形式和細節(jié)上的各種改變。
權利要求
1. 一種非易失性存儲器器件，包括多個內(nèi)部電極，所述多個內(nèi)部電極在與襯底的面基本垂直的方向上延伸；多個第一外部電極，所述多個第一外部電極與所述襯底的面基本平行地延伸，其中，每個第一外部電極位于所述內(nèi)部電極中的相應的一個的第一側；多個第二外部電極，所述多個第二外部電極與所述襯底的面基本平行地延伸，其中，每個第二外部電極位于所述內(nèi)部電極中的相應的一個的第二側；以及多個可變電阻器，其中，每個可變電阻器與所述內(nèi)部電極中的一個、所述第一外部電極中的一個和所述第二外部電極中的一個接觸。
2. 根據(jù)權利要求l所述的非易失性存儲器器件，其中，所述第一外部電極和所述第二外部電極被布置為沿著所述內(nèi)部電極延伸的方向的多層外部電極。
3. 根據(jù)權利要求1所述的非易失性存儲器器件，進一步包括多個選擇器，其中每個所述選擇器被構造為用于選擇所述多個可變電阻器中的一個。
4. 根據(jù)權利要求1所述的非易失性存儲器器件，其中所述第一外部電極彼此電連接；以及所述第二外部電極彼此電連接。
5. 根據(jù)權利要求1所述的非易失性存儲器器件，進一步包括所述襯底中的多個有源區(qū)；多條字線，所述多條字線在與所述第一外部電極和所述第二外部電極基本相同的方向上延伸；多條位線，所述多條位線在與所述第一外部電極和所述第二外部電極基本垂直的方向上延伸；以及多個位線接觸，所述多個位線接觸中的每個都將所述位線中的相應的一條電連接到所述有源區(qū)中的相應的一個的在所述字線之間的部分，其中，所述有源區(qū)中的每個都連接有兩條字線。
6. 根據(jù)權利要求5所述的非易失性存儲器器件，其中，所述有源區(qū)中的每個都包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，所述第一區(qū)域在與所述位線基本相同的方向上延伸，所述第二區(qū)域從所述第一區(qū)域中突出并且在與所述字線基本相同的方向上延伸。
7. 根據(jù)權利要求6所述的非易失性存儲器器件，其中所述內(nèi)部電極中的每個都被連接到所述有源區(qū)中的相應的一個的所述第一區(qū)域的第一端或者所述第一區(qū)域的第二端；以及每個位線接觸都被連接到所述有源區(qū)中的相應的一個的所述第二區(qū)域。
8. 根據(jù)權利要求5所述的非易失性存儲器器件，其中，所述有源區(qū)與所述字線和/或所述位線的至少其中之一形成銳角。
9. 根據(jù)權利要求1所述的非易失性存儲器器件，其中，所述內(nèi)部電極具有圓柱狀截面或者棱柱狀截面。
10. 根據(jù)權利要求9所述的非易失性存儲器器件，其中，所述可變電阻器覆蓋所述內(nèi)部電極的外周表面。
11. 根據(jù)權利要求9所述的非易失性存儲器器件，其中，所述可變電阻器處于所述內(nèi)部電極和所述第一外部電極重疊的區(qū)域中，以及處于所述內(nèi)部電極和所述第二外部電極重疊的區(qū)域中。
12. 根據(jù)權利要求9所述的非易失性存儲器器件，其中，所述可變電阻器包括硫屬化物、過渡金屬氧化物、鈣鈦礦氧化物和/或含有金屬離子的固態(tài)電解材料。
13. —種非易失性存儲器器件，包括多個內(nèi)部電極，所述多個內(nèi)部電極在與襯底的面基本垂直的方向上延伸；多個第三外部電極和多個第四外部電極，所述多個第三外部電極和多個第四外部電極都與所述襯底的面基本平行地延伸并且被布置在所述內(nèi)部電極的至少一側，所述第三外部電極和所述第四外部電極在所述內(nèi)部電極延伸的方向上彼此重疊；以及多個可變電阻器，所述多個可變電阻器與所述內(nèi)部電極、所述第三外部電極和所述第四外部電極接觸。
14. 根據(jù)權利要求13所述的非易失性存儲器器件，其中所述第三外部電極和所述第四外部電極被布置在所述內(nèi)部電極的兩側并且與所述內(nèi)部電極相交；以及所述非易失性存儲器器件進一步包括所述襯底中的多個有源區(qū)；多條字線，所述多條字線在與所述第三外部電極和所述第四外部電極基本相同的方向上延伸；以及多條位線，所述多條位線在與所述第一外部電極和所述第二外部電極基本垂直的方向上延伸，并且被連接到所述有源區(qū)的在所述字線之間的部分上，其中，所述有源區(qū)中的每個都連接有兩條字線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非易失性存儲器器件及相關的方法和處理系統(tǒng)，即提供一種非易失性存儲器器件、制造該非易失性存儲器器件的方法以及包括該非易失性存儲器器件的處理系統(tǒng)。非易失性存儲器器件包括多個內(nèi)部電極，在與襯底的面基本垂直的方向上延伸；多個第一外部電極，與襯底的面基本平行地延伸；以及多個第二外部電極，也與襯底的面基本平行地延伸。每個第一外部電極位于相應的內(nèi)部電極的第一側，而每個第二外部電極位于相應的內(nèi)部電極的第二側。這些器件還包括多個可變電阻器，與內(nèi)部電極、第一外部電極和第二外部電極接觸。
文檔編號H01L27/24GK101533848SQ200910118570
公開日2009年9月16日申請日期2009年3月4日優(yōu)先權日2008年3月13日
發(fā)明者林恩京, 沈賢準, 白寅圭, 趙金石申請人:三星電子株式會社

完整全部詳細技術資料下載