包含納米-軌道電極的非易失性存儲(chǔ)單元的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種非易失性存儲(chǔ)裝置包括多個(gè)非易失性存儲(chǔ)單元(1)。每一個(gè)非易失性存儲(chǔ)單元包括第一電極(101)、二極管控制元件(110)、設(shè)置為與二極管控制元件串聯(lián)的存儲(chǔ)元件(118)、第二電極(100)和位于二極管(110)和存儲(chǔ)元件(118)之間的寬度為15nm或更小的納米-軌道電極(205，202)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】包含納米-軌道電極的非易失性存儲(chǔ)單元

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非易失性存儲(chǔ)裝置及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]非易失性存儲(chǔ)器陣列甚至在裝置電源截止時(shí)也保持它們的數(shù)據(jù)。在一次性可編程陣列中，每個(gè)存儲(chǔ)單元形成在初始的未編程狀態(tài)，并且可轉(zhuǎn)換到編程狀態(tài)。該改變是永久的，并且這樣的單元是不可擦除的。在其它類(lèi)型的存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)單元是可擦除的，并且可重寫(xiě)多次。
[0003]在每個(gè)單元可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)狀態(tài)的數(shù)量對(duì)于單元而言也是可變的。數(shù)據(jù)狀態(tài)可通過(guò)變化可檢測(cè)到的單元的某些特性而被存儲(chǔ)，諸如給定的施加電壓下流過(guò)單元的電流或在單元內(nèi)晶體管的閾值電壓。數(shù)據(jù)狀態(tài)是單元的獨(dú)特值，諸如數(shù)據(jù)‘0’或數(shù)據(jù)‘1’。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種包括多個(gè)非易失性存儲(chǔ)單元的非易失性存儲(chǔ)裝置。非易失性存儲(chǔ)單元的每一個(gè)包括第一電極、二極管控制元件與二極管控制元件串聯(lián)設(shè)置的存儲(chǔ)元件、第二電極和寬度為15nm或更小的納米-軌道電極。
[0005]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供一種制造非易失性存儲(chǔ)單元的方法，其包括形成第一電極、形成二極管控制兀件、形成第一結(jié)構(gòu)、在第一結(jié)構(gòu)之上形成導(dǎo)電層使導(dǎo)電層在第一結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上的至少一部分形成寬度為15nm或更小的納米-軌道電極、形成存儲(chǔ)元件、以及形成第二電極。
[0006]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供一種制造半導(dǎo)體裝置的方法，其包括提供包括多個(gè)第一軌道的第一裝置層級(jí)，其中每個(gè)第一軌道包括第一導(dǎo)體軌道，設(shè)置在第一導(dǎo)體軌道之上的第一半導(dǎo)體軌道和寬度為15nm或更小的納米-軌道電極，第一軌道由第一絕緣結(jié)構(gòu)分隔，并且第一軌道在第一方向延伸，在第一裝置層級(jí)之上形成第二導(dǎo)體層，圖案化第二導(dǎo)體層、納米-軌道電極和第一軌道中的第一半導(dǎo)體軌道以形成在第二方向延伸的多個(gè)第二軌道，第二方向與第一方向不同，并且在第二軌道之間形成第二絕緣結(jié)構(gòu)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1A是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)單元的立體圖。
[0008]圖2A和2B是示意性地示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)單元的側(cè)視截面圖。
[0009]圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的納米-軌道電極的立體圖。
[0010]圖4A-4B、5A-5B和6A-6B是示意性地示出制造本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)單元方法的側(cè)視截面圖。
[0011]圖7A-7B和8A-8B是示意性地示出制造本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)單元另一個(gè)方法的側(cè)視截面圖。
[0012]圖9和10是示出示范性納米-軌道電極的顯微照片。
[0013]圖11A至11G是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例具有至少兩個(gè)裝置層級(jí)的裝置形成中各階段的三維(“3D”)示意圖。
[0014]圖12是示出根據(jù)替換性實(shí)施例形成的裝置結(jié)構(gòu)的3D示意圖。
[0015]圖13A至13F是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的第一裝置層級(jí)的形成中各階段的側(cè)視截面圖。
[0016]圖14A至14B是示出根據(jù)替換性實(shí)施例的第一裝置層級(jí)的形成中各階段的側(cè)視截面圖。
[0017]圖15A是示出裝置形成中一個(gè)階段的側(cè)視截面圖。圖15B是示出根據(jù)替換性實(shí)施例形成的裝置結(jié)構(gòu)的3D示意圖。
[0018]圖16A至16C是示出根據(jù)替換性實(shí)施例的裝置層級(jí)形成中各階段的側(cè)視截面圖。
[0019]圖17A至17C是示出根據(jù)替換性實(shí)施例的裝置層級(jí)形成中各階段的側(cè)視截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]通常，存儲(chǔ)單元包括存儲(chǔ)元件和控制元件。例如，圖1示出了一個(gè)實(shí)施例的存儲(chǔ)單元1的立體圖。
[0021]單元1包括由導(dǎo)電材料形成的第一電極101和第二電極100，可獨(dú)立地包括本領(lǐng)域中已知的任何一個(gè)或多個(gè)適合于導(dǎo)電的材料，諸如鎢、銅、鋁、鉭、鈦、鈷、氮化鈦或其合金。例如，在某些實(shí)施例中，優(yōu)選鎢，以允許在相對(duì)高溫下進(jìn)行處理。在某些其它實(shí)施例中，銅或鋁為優(yōu)選材料。第一電極101(例如，字線(WL))在第一方向延伸，而第二電極100(例如，位線(BL))在與第一方向不同的第二方向延伸。阻擋和粘合層，例如TiN層,可包括在第一(例如，下)電極101和/或第二(例如，上)電極100中。
[0022]控制元件110可為晶體管或二極管。如果控制元件110為二極管，則存儲(chǔ)元件可垂直和/或水平設(shè)置和/或圖案化為形成具有基本上圓柱形狀的柱或塊。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，控制元件110是垂直設(shè)置的半導(dǎo)體二極管，并且具有下重?fù)诫sP-型區(qū)域112、不是故意摻雜的選擇性本征區(qū)域114和上重?fù)诫sη-型區(qū)域116，但該二極管的方位也可被反轉(zhuǎn)。這樣的二極管，無(wú)論其取向如何，均稱(chēng)為p-1-n 二極管，或簡(jiǎn)稱(chēng)為二極管。二極管可包括任何的單一晶體、多晶的或非晶的半導(dǎo)體材料，例如硅、鍺、硅鍺，或其它化合物半導(dǎo)體材料，例如ΠΙ-V、I1-VI族等材料。例如，可采用p-1-n多晶硅二極管110。
[0023]存儲(chǔ)元件118設(shè)置為與控制元件110串聯(lián)，在控制元件110的上部區(qū)域116之上或在下部區(qū)域112之下。存儲(chǔ)元件118可為電阻轉(zhuǎn)換元件。例如，存儲(chǔ)元件可包括金屬氧化物可轉(zhuǎn)換材料層，選自Ni0、Nb205、Ti02、Hf02、Al203、Mg0x、Cr02、V0或其組合。適合電阻轉(zhuǎn)換元件118的其它材料包括但不限于相變材料(例如，硫族材料)、摻雜的多晶硅、碳材料(例如，碳納米管、石墨烯、非晶碳、多晶碳等)、復(fù)合金屬氧化物材料、導(dǎo)電橋元素或可轉(zhuǎn)換聚合物材料。
[0024]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，寬度為15nm或更小的納米-軌道電極202設(shè)置為與上電極100和下電極101之間的金屬氧化物存儲(chǔ)元件118和控制元件110串聯(lián)。優(yōu)選地，納米-軌道電極設(shè)置在存儲(chǔ)元件118和二極管存儲(chǔ)元件110之間的柱狀存儲(chǔ)單元1中。存儲(chǔ)元件118可設(shè)置在單元1中電極100、101之間的二極管110之上或之下。
[0025]在不受特定理論限定的情況下，據(jù)認(rèn)為納米-軌道電極202允許存儲(chǔ)單元1的串聯(lián)電阻由納米-軌道電極202的尺度(例如，寬度和高度)調(diào)整到所希望的值。電極202還減小ReRAM單元1的接觸面積(例如，存儲(chǔ)元件118的接觸面積)，并且限制ReRAM單元1的電流。
[0026]在不受特定理論限定的情況下，據(jù)認(rèn)為至少一個(gè)導(dǎo)電絲(且一般為多個(gè)導(dǎo)電絲)在存儲(chǔ)單元的形成程序期間通過(guò)金屬氧化物存儲(chǔ)元件或?qū)?一個(gè)或多個(gè))118形成，以將金屬氧化物存儲(chǔ)元件從其所形成的原始高電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低電阻狀態(tài)。在原始形成編程步驟后，存儲(chǔ)單元可讀取和/或進(jìn)一步編程。例如，復(fù)位編程電壓或電流可施加到上電極100和下電極101之間的存儲(chǔ)單元，以將金屬氧化物存儲(chǔ)元件118從低電阻狀態(tài)(例如，形成后狀態(tài)或“設(shè)定”狀態(tài))轉(zhuǎn)換到高電阻狀態(tài)(例如，“復(fù)位”狀態(tài))。據(jù)認(rèn)為至少一個(gè)導(dǎo)電絲不再延伸通過(guò)整個(gè)金屬氧化物存儲(chǔ)元件。換言之，金屬氧化物元件或?qū)?一個(gè)或多個(gè))118中某些絲線端部的末梢以及絲線不延伸到單元的相鄰導(dǎo)電層或摻雜的半導(dǎo)體層。在另一個(gè)示例中，一套編程電壓或電流施加到電極100、101之間的存儲(chǔ)單元，以將金屬氧化物存儲(chǔ)元件從較高的“復(fù)位”電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“設(shè)定”電阻狀態(tài)。據(jù)認(rèn)為設(shè)定的編程脈沖導(dǎo)致導(dǎo)電絲線延伸通過(guò)整個(gè)金屬氧化物存儲(chǔ)元件(例如，絲生長(zhǎng)較長(zhǎng)以跨越整個(gè)金屬氧化物元件或?qū)?18的厚度)。
[0027]優(yōu)選地，形成編程步驟包括施加正向偏壓(例如，正電壓)以使直流電流在電極100、101之間流動(dòng)。優(yōu)選地,設(shè)定的編程步驟包括在電極之間施加負(fù)電壓(例如，反向偏壓)以使交流電流流過(guò)存儲(chǔ)單元，并且復(fù)位編程步驟包括在電極之間施加正電壓(例如，正向偏壓)以使交流電流流過(guò)存儲(chǔ)單元。因此，存儲(chǔ)單元1優(yōu)選為可重寫(xiě)存儲(chǔ)單元，并且設(shè)置在存儲(chǔ)裝置中，該存儲(chǔ)裝置包括存儲(chǔ)單元的單片三維陣列。另一個(gè)存儲(chǔ)器位置可形成在上述存儲(chǔ)器位置之上或之下，以形成具有多于一個(gè)裝置層級(jí)的單片三維存儲(chǔ)器陣列，如下面所描述。
[0028]圖2A和2B是示意性地示出本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)單元的側(cè)視截面圖。例如，如圖2A所示，存儲(chǔ)單元1可包括設(shè)置在二極管110之上的存儲(chǔ)元件118。二極管110可包括依次形成在下電極101 (例如，字線)之上的p+半導(dǎo)體層112、本征半導(dǎo)體層114和n+半導(dǎo)體層116。優(yōu)選地，納米-軌道電極202設(shè)置在存儲(chǔ)元件118和二極管存儲(chǔ)元件110之間的柱狀存儲(chǔ)單元1中，如圖2A和2B所示。
[0029]存儲(chǔ)單元還可包括一個(gè)或多個(gè)選擇性的導(dǎo)電阻擋層206、208和210，諸如氮化鈦或其它類(lèi)似的層。這些阻擋層206、208和210可分別設(shè)置在下電極101和二極管110之間和/或在二極管110和納米-電極202/存儲(chǔ)元件118和/或在存儲(chǔ)元件118和上部電極100之間，如圖2A所示?？商鎿Q地，可省略阻擋層(一個(gè)或多個(gè))。例如，如圖2B所示，省略了中間阻擋層208。
[0030]優(yōu)選地，納米-軌道電極202的底部設(shè)置為與二極管110的上表面(例如，區(qū)域112)電接觸，而納米-軌道電極202的頂部設(shè)置為與存儲(chǔ)元件118的下表面電接觸。下電極101設(shè)置為與二極管110的下表面電接觸，而上部電極100設(shè)置為與存儲(chǔ)元件118的上表面電接觸。如本文所用，術(shù)語(yǔ)電接觸包括直接或間接的物理接觸。例如，納米-軌道電極202的頂部可設(shè)置為與存儲(chǔ)元件118的下表面直接物理接觸。納米-軌道電極202的底部設(shè)置為分別與圖2A和2B中的二極管110的上表面間接或直接物理接觸。[0031 ] 如果需要，納米-軌道電極還可包括選擇性的水平部分205，其平行于裝置下層的頂表面延伸。水平部分205可接觸電極202底端的側(cè)面。部分205形成為下述一個(gè)制造工藝的殘留物。
[0032]在某些實(shí)施例中，電絕緣材料204設(shè)置為鄰近納米-軌道電極202在存儲(chǔ)元件118的下表面和二極管110的上表面之間的第一側(cè)和第二側(cè)。換言之，電極202優(yōu)選埋設(shè)在絕緣材料204中，從而電極202的頂側(cè)和底側(cè)分別電接觸相鄰元件118和二極管110?？刹捎萌魏芜m當(dāng)?shù)慕^緣材料204，例如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氧化鋁、氧化鋯或有機(jī)絕緣材料(例如，聚合物等)。
[0033]如圖3所示，納米-軌道電極202優(yōu)選具有2-15nm的寬度302，例如9-1 lnm，10-100nm的高度304 (延伸柱堆疊方向)，例如20_40nm，以及10-100nm的長(zhǎng)度306，例如40_60nm。因此，寬度302 (在垂直于柱堆疊方向的一個(gè)方向延伸)比長(zhǎng)度306 (在垂直于寬度且垂直于柱堆疊方向的另一個(gè)方向延伸)小了至少50%，例如100至1000%。柱直徑或長(zhǎng)度近似等于電極202的長(zhǎng)度306。納米-軌道電極202可包括任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料，例如摻雜的多晶硅、金屬或金屬合金，其作為串聯(lián)電阻以減小存儲(chǔ)單元中的電流。例如，電極202可由氮化鈦或摻雜的多晶硅制造。
[0034]在上述構(gòu)造中，納米-軌道電極202設(shè)置在二極管110和存儲(chǔ)元件118之間。然而，也可采用其它的可替換性構(gòu)造(未示出)，例如，其中納米-軌道電極202設(shè)置在上電極100或下電極101之一和存儲(chǔ)元件118或二極管110之一之間的存儲(chǔ)單元1中，從而納米-軌道電極202在電極100、101之一和存儲(chǔ)元件118或二極管110之一之間提供電連接。因此，納米-軌道電極202可設(shè)置在上電極100和存儲(chǔ)元件118之間，從而納米-軌道電極202在電極100和存儲(chǔ)元件118之間提供電連接?？商鎿Q地，納米-軌道電極202可設(shè)置在下電極101和二極管110之間，從而納米-軌道電極202在電極101和二極管110之間提供電連接。
[0035]在一個(gè)實(shí)施例中，存儲(chǔ)單元1包括圓柱垂直柱，圓柱垂直柱包含控制元件110、存儲(chǔ)元件118和電極202，如圖1所示。然而，控制元件110、存儲(chǔ)元件118和電極202可設(shè)置在具有另外截面形狀的柱中，例如從上面觀察的正方形或矩形截面形狀，如下面更加詳細(xì)的描述。此外，如下面更加詳細(xì)的描述，電極100、101包括導(dǎo)體軌道，并且絕緣材料設(shè)置為鄰近存儲(chǔ)單元的相對(duì)的第一側(cè)和第二側(cè)，并且在相鄰的第一電極導(dǎo)體軌道之間延伸。絕緣材料還設(shè)置為鄰近存儲(chǔ)單元的相對(duì)的第三側(cè)和第四側(cè)，并且延伸在相鄰的第二電極導(dǎo)體軌道之間，如下面所描述。
[0036]圖4-6示出了用納米-軌道電極制造存儲(chǔ)裝置的第一實(shí)施例方法。如圖4A所示，下電極101形成在襯底400之上。襯底400可為本領(lǐng)域已知的任何半導(dǎo)體襯底，例如單晶硅、諸如硅-鍺或硅-鍺-碳的IV-1V族化合物、II1-V族化合物、I1-VI族化合物、在這樣襯底之上的外延層或任何其它半導(dǎo)體或非半導(dǎo)體材料，例如玻璃、塑料、金屬或陶瓷襯底。襯底可包括制造于其上的集成電路，例如用于存儲(chǔ)裝置的驅(qū)動(dòng)器電路(例如，包含襯底的CMOS電路)。絕緣層(未示出)優(yōu)選形成在襯底之上。絕緣層可為氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、高介電常數(shù)膜(例如，氧化鋁、氧化鋯等)、S1-C-0-Η膜、有機(jī)介電材料或任何其它合適的絕緣材料。下電極101可包括金屬軌道101A，例如100-300nm，例如約200nm鎢軌道設(shè)置在5-20nm，例如約10nm的TiN阻擋層/粘合層101B之上。
[0037]選擇性的阻擋層206，例如5-20nm，例如約10nm TiN的阻擋層，形成在下電極101之上。然后，二極管控制元件110形成在阻擋層206之上。二極管110可包括圖2A和2B所示的P-1-n 二極管，并且可具有50至200nm的厚度，例如約lOOnm?？商鎿Q地，可采用其它的控制元件，例如晶體管。
[0038]然后，如圖4B所示，至少一個(gè)結(jié)構(gòu)404A形成在二極管110之上。結(jié)構(gòu)404A可包括芯棒或者包含側(cè)壁(一個(gè)或多個(gè))的另一個(gè)類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。例如，結(jié)構(gòu)404A可包括由任何適當(dāng)電絕緣材料制造的軌道狀芯棒(例如，延伸在圖4B中的紙張之中和其外)，例如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、高介電常數(shù)膜(例如，氧化鋁、氧化鋯等)、S1-C-0-Η膜、有機(jī)介電材料或任何其它適當(dāng)?shù)慕^緣材料。
[0039]優(yōu)選地，多個(gè)分隔結(jié)構(gòu)404A形成在二極管110之上。結(jié)構(gòu)404A可由該每個(gè)結(jié)構(gòu)的寬度分隔開(kāi)。例如，如果每個(gè)結(jié)構(gòu)為10-30nm寬，例如15_20nm寬，則相鄰結(jié)構(gòu)之間的間隔也可為10-30nm寬，例如15_20nm寬。結(jié)構(gòu)404A可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)墓饪毯臀g刻步驟形成。
[0040]然后，導(dǎo)電層402形成在結(jié)構(gòu)404A之上，從而導(dǎo)電層在結(jié)構(gòu)404A的側(cè)壁上的至少一部分形成寬度為15nm或更小的納米-軌道電極202。因此，優(yōu)選層402具有15nm或更小的厚度，例如，2-15nm，例如9-llnm。層402的厚度和電阻系數(shù)決定了電極202的寬度和電阻系數(shù)。層402的厚度還決定了由電極202、存儲(chǔ)元件118和上電極100/阻擋層210組成的MIM子單元的接觸面積。層402可為摻雜的多晶硅層(例如，p-型或η-型多晶硅層)，其具有的摻雜濃度為lxlO17至lX1022cnT3。在此情況下，層402的摻雜濃度還決定了電極202的電阻系數(shù)?？商鎿Q地，層402可為金屬或金屬合金，例如TiN。
[0041]如圖5A所示，導(dǎo)電層402被各向異性蝕刻以在結(jié)構(gòu)404A的側(cè)壁上形成側(cè)壁間隔體202。因此，每個(gè)納米-軌道電極包括在結(jié)構(gòu)404A上的側(cè)壁間隔體202，并且每個(gè)結(jié)構(gòu)404A設(shè)置為鄰近給定間隔體202的一側(cè)。任何適當(dāng)?shù)母飨虍愋詡?cè)壁間隔體蝕刻可用于形成間隔體202。
[0042]在形成電極202后，絕緣填充層404B形成在納米-軌道電極202之上以及在絕緣結(jié)構(gòu)404A之上。然后，平坦化絕緣填充層404，從而其保持鄰近納米-軌道電極202的暴露偵牝并且納米-軌道電極202的上表面如圖5A所示在絕緣結(jié)構(gòu)404A和平坦化的絕緣填充層404B之間是暴露的?？刹捎萌魏芜m當(dāng)?shù)钠教够椒?，例如化學(xué)機(jī)械拋光(“CMP”)或回蝕刻。絕緣填充層404B可包括任何電絕緣層，并且優(yōu)選為與結(jié)構(gòu)404A相同的材料(例如，氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、高介電常數(shù)膜(例如，氧化鋁、氧化鋯等)、S1-C-0-Η膜、有機(jī)介電材料或任何其它適當(dāng)?shù)慕^緣材料)。
[0043]然后，如圖5B所示，存儲(chǔ)元件118形成在結(jié)構(gòu)404A的包括暴露上表面的平坦化表面、保留的平坦化絕緣填充層404B部分的上表面以及結(jié)構(gòu)404A和填充層部分404B之間埋設(shè)的電極202的上表面上。存儲(chǔ)元件118可通過(guò)適當(dāng)?shù)某练e方法(例如，CVD、ALD、濺射等)形成為一個(gè)或多個(gè)金屬氧化物層，具有25nm或更小的厚度，例如2_10nm。然后，上TiN阻擋層210和上電極100形成在存儲(chǔ)元件118之上。上電極100可包括金屬層，例如25_100nm，例如約50nm的鎢層，設(shè)置在5-20nm，例如約10nm的TiN阻擋層210之上。
[0044]然后，掩模圖案602形成在上電極100之上，如圖6A所示。掩模圖案可包括光致抗蝕劑圖案或硬掩膜圖案(例如，氧氮化硅、氧化硅、氧氮化硅和/或非晶碳層)。硬掩模圖案602可通過(guò)側(cè)壁間隔體工藝形成，其中硬掩膜層(一個(gè)或多個(gè))形成在間隔開(kāi)的犧牲結(jié)構(gòu)上，繼之進(jìn)行硬掩膜層(一個(gè)或多個(gè))的各向異性側(cè)壁間隔體蝕刻以形成硬掩膜側(cè)壁間隔體，之后去除犧牲結(jié)構(gòu)。
[0045]掩模圖案602用作蝕刻位于下面的上電極100、阻擋層210、存儲(chǔ)元件118、結(jié)構(gòu)404A/填充層部分404B和二極管110的掩模以形成在進(jìn)出紙面方向延伸的軌道，如圖6B所示。蝕刻的結(jié)構(gòu)404A/填充層部分404B形成其中埋設(shè)電極202的絕緣材料204，如圖2A、2B和6B所示。蝕刻優(yōu)選停止在下阻擋層206上，從而阻擋層206和下電極101保留作為軌道，該軌道垂直于包含二極管和上電極的軌道延伸。然后，根據(jù)需要去除或保留裝置中的掩模圖案。
[0046]在一個(gè)可替換性實(shí)施例中，掩模圖案602可在形成阻擋層210和上電極100層前形成在存儲(chǔ)材料118之上。然后，掩模圖案用于蝕刻存儲(chǔ)元件118、結(jié)構(gòu)404A/填充層部分404B和二極管110以形成柱。然后，去除掩模圖案602，并且然后絕緣填充層形成在相鄰的柱之間并且被平坦化。然后，阻擋層210和上電極100層形成在柱和平坦化的絕緣填充層之上，然后通過(guò)光刻和蝕刻圖案化成軌道，軌道在圖6B中在進(jìn)出紙面的方向延伸。
[0047]在另一個(gè)可替換性實(shí)施例中，掩模圖案602可在形成阻擋層210和上電極100層之前形成在存儲(chǔ)材料118之上。然后，掩模圖案用于蝕刻存儲(chǔ)元件118、結(jié)構(gòu)404A/填充層部分404B、二極管110、下阻擋層206和下電極101層101A、101B，以形成圖6A中從左至右延伸的軌道(軌道之間的斷開(kāi)在圖6A中進(jìn)出紙面的方向)。然后，去除掩模圖案602，然后絕緣填充層形成在相鄰的軌道之間并且被平坦化。阻擋層210和上電極100層然后形成在軌道和平坦化的絕緣填充層之上。然后，阻擋層210和上電極100層通過(guò)光刻和蝕刻而圖案化成軌道，軌道在圖6B中進(jìn)出紙面的方向延伸，而下層的存儲(chǔ)元件118、結(jié)構(gòu)404A/填充層部分404B、納米-軌道電極202和二極管110軌道在相同的蝕刻步驟中圖案化成離散的柱。蝕刻停止在下阻擋層206軌道上。
[0048]圖7-8示出了用納米-軌道電極制造存儲(chǔ)裝置的第二實(shí)施例方法。該方法與上面參考圖4-6描述的第一實(shí)施例的方法相同，除了省略了各向異性間隔體蝕刻。因此，在第二實(shí)施例中，在采用上面參考圖4A和4B描述的步驟形成圖4B所示的結(jié)構(gòu)后，省略了層402的間隔體蝕刻。在圖4B的結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電層402形成在結(jié)構(gòu)404A的上表面之上(例如，在芯棒之上)、在結(jié)構(gòu)404A的側(cè)壁上、以及在結(jié)構(gòu)404A之間，從而層402設(shè)置在暴露的上部二極管110表面上(或在圖2A所示的二極管上的選擇性阻擋層208的上表面上)。
[0049]然后，省略了側(cè)壁間隔體蝕刻，并且導(dǎo)電層402通過(guò)CMP或回蝕刻被平坦化，從而從結(jié)構(gòu)404A的上表面去除層402，而層402的水平部分205保留在二極管110之上并在結(jié)構(gòu)404A之間，并且層402的垂直部分202保留在第一和第二結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上，如圖7A所示。
[0050]如果需要，絕緣填充層404B可在平坦化步驟前形成在層402之上。在此情況下，層404B與層402 —起被平坦化，從而平坦化的絕緣填充層部分404B保留為鄰近納米-軌道電極202的暴露側(cè)(即層402的保留垂直部分202)且在保留水平部分205層402的上表面之上。因此，層402的保留連接垂直部分202和水平部分205形成導(dǎo)電“U”形狀202/205/202 (例如，見(jiàn)圖9和10)，其在相鄰的結(jié)構(gòu)404A之間是暴露的，并且在平坦化后用層404B的保留部分填充。
[0051]然后，該方法進(jìn)行與上面參考圖5B、6A和6B描述類(lèi)似的方法。然后，存儲(chǔ)元件118、阻擋層210和上電極層100形成在平坦化的結(jié)構(gòu)之上，如圖7B所示。然后，掩模圖案602形成在上電極層100之上，如圖8A所示。最后，如圖8B所示，裝置圖案化成軌道和/或柱，類(lèi)似于上面參考圖6B描述的情形。這導(dǎo)致納米-軌道電極202具有如圖2B和8B所示的水平部分205。
[0052]圖9和10示出了在如圖7A所示的平坦化步驟后的平坦化的層402的顯微照片。如圖9所示，約llnm厚的多晶硅層402形成了在相鄰結(jié)構(gòu)404A的側(cè)壁上的約llnm厚多晶硅納米-軌道電極202和在所述結(jié)構(gòu)之間的約llnm厚多晶硅水平部分205。比較而言，如圖10所示，較薄的、約7nm厚多晶硅層402形成了在相鄰結(jié)構(gòu)404A的側(cè)壁上的約7nm厚多晶硅納米-軌道電極202和在所述結(jié)構(gòu)之間的約7nm厚多晶硅水平部分205。
[0053]圖11-15示出了集成納米-軌道電極202為示范性三維非易失性存儲(chǔ)裝置的實(shí)施例方法。應(yīng)注意，電極202可集成為其它的存儲(chǔ)裝置，并且下面的實(shí)施例不限制本發(fā)明的范圍。
[0054]圖11A至11F示出了三維示意圖，說(shuō)明形成第三實(shí)施例的裝置中的各階段。
[0055]參見(jiàn)圖11A，第一裝置層級(jí)包括由第一絕緣結(jié)構(gòu)612分開(kāi)的第一非易失性存儲(chǔ)器軌道102。軌道102沿著線1在第一方向延伸。軌道102可包括半導(dǎo)體軌道，設(shè)置在轉(zhuǎn)換材料軌道之上或之下，如下面參考圖3A-3F和4A-4B所描述。在某些實(shí)施例中，軌道102設(shè)置在在第一方向延伸的第一導(dǎo)電性軌道512之上。
[0056]然后，第二導(dǎo)電層521可形成在第一裝置層級(jí)之上，接著形成在第二導(dǎo)電層521之上的種子層291，例如半導(dǎo)體種子層，在種子層291之上的犧牲層231，以及在犧牲層231之上的選擇性硬掩膜層251。
[0057]如圖11B所示，然后，沿著線2在第二方向延伸的多個(gè)第二軌道712可通過(guò)圖案化第一裝置層級(jí)中的選擇性硬掩膜層251、犧牲層231、種子層291、第一導(dǎo)電層521以及軌道102和612而形成。如圖11B所示，多個(gè)第二軌道712至少部分地延伸在第一裝置層級(jí)中，并且由軌道狀開(kāi)口 822彼此分開(kāi)，軌道狀開(kāi)口 822至少部分地延伸在第一裝置層級(jí)中。因此，蝕刻延伸通過(guò)第一和第二層級(jí)以在兩個(gè)層級(jí)形成軌道。每個(gè)軌道712包括層521、291、231和251的軌道狀部分522、292、232、252，如圖11B所示。
[0058]轉(zhuǎn)到圖11C，然后，第二絕緣結(jié)構(gòu)622可形成在開(kāi)口 822中的多個(gè)第二軌道712之間。然后，可去除選擇性硬掩膜層251和犧牲層231，以暴露種子材料軌道292。保留的多個(gè)軌道狀開(kāi)口 832位于第二絕緣結(jié)構(gòu)622之間(見(jiàn)圖11D)。
[0059]接下來(lái)，第二半導(dǎo)體軌道282形成在結(jié)構(gòu)622之間的開(kāi)口 832中的種子材料軌道292之上。第二半導(dǎo)體軌道282在第二方向于第二絕緣結(jié)構(gòu)622之間延伸，并且設(shè)置在第一裝置層級(jí)之上的第二裝置層級(jí)中。在某些實(shí)施例中，種子材料軌道292和第二半導(dǎo)體軌道282形成第二二極管軌道212。
[0060]選擇性生長(zhǎng)第二半導(dǎo)體軌道282的步驟可包括選擇性沉積半導(dǎo)體軌道282以部分地填充第二絕緣結(jié)構(gòu)622之間的開(kāi)口 832，從而在半導(dǎo)體軌道282之上留下凹陷82，如圖11D所示。可替換地，選擇性生長(zhǎng)第二半導(dǎo)體軌道282的步驟可首先完全填充開(kāi)口，接著例如通過(guò)選擇性地蝕刻軌道282進(jìn)行使第二半導(dǎo)體軌道282凹進(jìn)的步驟以形成凹陷82。
[0061]在一個(gè)可替換性實(shí)施例中，半導(dǎo)體軌道282可通過(guò)非選擇性沉積形成。在該方法中，半導(dǎo)體材料填充開(kāi)口，并且設(shè)置在第二絕緣結(jié)構(gòu)622的頂部之上。然后，半導(dǎo)體材料可通過(guò)回蝕刻或CMP被平坦化，從而與結(jié)構(gòu)622的頂部齊平。半導(dǎo)體軌道282 (其也可稱(chēng)為第二二極管軌道212，如果省略了種子軌道292)然后可被凹進(jìn)以形成軌道狀開(kāi)口 82，如圖11D所示。在該實(shí)施例中，種子層291可省略，其中第二半導(dǎo)體軌道282圍繞軌道狀二極管的整個(gè)結(jié)構(gòu)(S卩，第二二極管軌道212)。
[0062]接下來(lái)，如圖11E所示，納米-軌道電極202和絕緣材料204形成在第二二極管軌道212之上。納米-軌道電極可采用上面描述的任何方法形成，例如通過(guò)圖4A-6B所示的側(cè)壁間隔體法或者圖7A-8B所示且如上所述的平坦化法。
[0063]可替換地，納米-軌道電極202可作為側(cè)壁間隔體形成在第二絕緣結(jié)構(gòu)622的側(cè)壁上，如圖16A所示。換言之，不是在第二絕緣結(jié)構(gòu)622的突出部分之間形成分開(kāi)的芯棒404A，然后在芯棒404A之上形成層402，而是省略芯棒404A。替代地，第二絕緣結(jié)構(gòu)622的突出部分作為芯棒404A，并且層402形成在第二絕緣結(jié)構(gòu)622之上。然后，層402經(jīng)歷如圖5A所示的側(cè)壁間隔體蝕刻或者如圖7A所示的平坦化，以在第二絕緣結(jié)構(gòu)622的突出部分的側(cè)壁上形成納米-軌道電極202。絕緣填充層404B可形成為鄰近電極202的暴露側(cè)壁，如圖5A或7A所示。
[0064]在該構(gòu)造中，納米-軌道電極202設(shè)置為與第二絕緣結(jié)構(gòu)622的突出部分的側(cè)壁接觸，如圖16A所示。如果需要，電極202和絕緣材料204可被過(guò)平坦化或進(jìn)一步回蝕刻以略微凹進(jìn)于第二絕緣結(jié)構(gòu)622的頂表面的頂部之下，從而允許轉(zhuǎn)換材料222 (例如，存儲(chǔ)元件118)形成在第二絕緣結(jié)構(gòu)622之間，而不在第二絕緣結(jié)構(gòu)622的頂部之上，如圖16A所
/j、l Ο
[0065]接下來(lái)，轉(zhuǎn)換材料222然后可形成在納米-軌道電極202之上的軌道狀開(kāi)口或凹陷82以及二極管軌道212之上設(shè)置的絕緣材料204中，獲得圖11Ε和16Α所示的結(jié)構(gòu)。材料222可選擇性地與結(jié)構(gòu)622的頂部平坦化。在某些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換材料軌道222、納米-軌道電極202和第二二極管軌道212形成第二非易失性存儲(chǔ)器軌道232。此外，第三導(dǎo)電層531可形成在第二非易失性存儲(chǔ)器軌道232和第二絕緣結(jié)構(gòu)或軌道622之上，如圖11F和16Β所示。
[0066]轉(zhuǎn)到圖11G和16C，第二非易失性存儲(chǔ)器軌道232、設(shè)置在第二非易失性存儲(chǔ)器軌道232之間的第二絕緣結(jié)構(gòu)622和第三導(dǎo)電層531然后可圖案化以形成多個(gè)第三軌道，所述多個(gè)第三軌道在第一方向延伸，并由軌道狀開(kāi)口彼此分開(kāi)。繼之以在多個(gè)第三軌道之間形成第三絕緣結(jié)構(gòu)632，以形成由第二絕緣材料622和第三絕緣結(jié)構(gòu)632分開(kāi)的第二柱狀非易失性存儲(chǔ)單元203。結(jié)構(gòu)632分開(kāi)的層531的其余軌道狀部分形成上軌道狀電極。
[0067]因此，第三實(shí)施例的方法提供包括多個(gè)軌道232的裝置層級(jí)，其中每個(gè)軌道232包括導(dǎo)體軌道522、設(shè)置在導(dǎo)體軌道522之上的半導(dǎo)體軌道212和寬度為15nm或更小的納米-軌道電極202。軌道232可由絕緣結(jié)構(gòu)622分開(kāi)，并且軌道232在第一方向延伸。另一個(gè)導(dǎo)體層531形成在該裝置層級(jí)之上。導(dǎo)體層531、納米-軌道電極202和軌道232中的半導(dǎo)體軌道212圖案化為形成多個(gè)另外的軌道203 (例如，包含柱狀存儲(chǔ)單元203的軌道)，在與第一方向不同的第二方向延伸。圖案化將導(dǎo)體層531分成多個(gè)導(dǎo)體軌道，設(shè)置在在第二方向延伸的軌道203中。圖案化也將半導(dǎo)體軌道212分成多個(gè)半導(dǎo)體柱213，從上面觀察其具有矩形截面。最后，絕緣結(jié)構(gòu)632形成在包含存儲(chǔ)單元203的軌道之間。每個(gè)半導(dǎo)體柱213的頂部和底部(在其頂部上也包含電極202、絕緣材料204和轉(zhuǎn)換材料222)電接觸各導(dǎo)體軌道522、531。柱由其四側(cè)上的絕緣結(jié)構(gòu)圍繞，從而絕緣結(jié)構(gòu)622、632設(shè)置為鄰近柱213的各側(cè)壁。
[0068]可替換地，存儲(chǔ)單元203的軌道圖案化可在沉積第三裝置的幾層之后完成。在上面說(shuō)明的實(shí)施例中，第二柱狀非易失性存儲(chǔ)單元203的每一個(gè)包括二極管213、電極202和設(shè)置在二極管之上的轉(zhuǎn)換材料223。柱狀單元203具有正方形或矩形的截面。
[0069]在某些選擇性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換材料223可設(shè)置在二極管213之下，如圖12所示。在這些可替換性的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換材料可形成在第二導(dǎo)電層522和選擇性種子層291之間。第二二極管軌道可選擇性地或非選擇性地沉積在通過(guò)去除犧牲結(jié)構(gòu)形成的開(kāi)口中，以形成第二非易失性存儲(chǔ)器軌道，第二非易失性存儲(chǔ)器軌道包括設(shè)置在第二二極管軌道之下的轉(zhuǎn)換材料軌道。在圖案化第二非易失性存儲(chǔ)器軌道和設(shè)置在第二非易失性存儲(chǔ)器軌道之間的第二絕緣結(jié)構(gòu)以形成多個(gè)第三軌道且在多個(gè)第三軌道之間形成第三絕緣結(jié)構(gòu)632后，形成圖12所示的獲得結(jié)構(gòu)。因此，如圖11G和12所示，柱狀非易失性存儲(chǔ)單元103、203分別形成在第一和第二裝置層級(jí)中。導(dǎo)電軌道512、522作為單元103的下電極和上電極，而軌道522、532作為單元203的下電極和上電極。
[0070]第一裝置層級(jí)(例如，圖11A所示結(jié)構(gòu)的下部)可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ纬伞＠?，第一裝置層級(jí)可這樣形成:形成裝置層的堆疊，圖案化裝置層堆疊以形成軌道，并且在軌道之間形成絕緣結(jié)構(gòu)?？商鎿Q地，第一裝置層級(jí)也可通過(guò)鑲嵌法形成。非限定性示例如圖13A至13F所示，它們是示出各形成第一裝置層級(jí)中各階段的側(cè)視截面圖。
[0071]參見(jiàn)圖13A,第一導(dǎo)電層511可形成在襯底100之上，接著形成在第一導(dǎo)電層511之上的種子層191和在種子層191之上的犧牲層131。
[0072]接下來(lái)，多個(gè)犧牲材料軌道132、種子材料軌道192和第一導(dǎo)電軌道512可通過(guò)蝕刻層511、191、131的堆疊而形成，從而使在圖13B中的軌道721由軌道狀開(kāi)口 842分開(kāi)。蝕刻可采用軌道狀光致抗蝕劑掩模(未示出)執(zhí)行。第一軌道狀絕緣結(jié)構(gòu)612可形成在多個(gè)軌道721 (其包括犧牲材料軌道132)之間的開(kāi)口 842中，如圖13C所示。
[0073]犧牲材料軌道132然后可例如通過(guò)灰化和選擇性蝕刻被去除，在種子材料軌道192之上形成開(kāi)口 812，如圖13D所示。然后，第一半導(dǎo)體軌道182可選擇性地沉積在第一絕緣結(jié)構(gòu)612之間的種子材料軌道192之上。在某些實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體軌道182和種子材料軌道192形成第一二極管軌道112。此外，第一半導(dǎo)體軌道182然后可通過(guò)選擇性蝕刻而凹進(jìn)，以在第一二極管軌道112之上形成軌道狀開(kāi)口 81，獲得圖13E所示的結(jié)構(gòu)。可替換地，選擇性沉積第一半導(dǎo)體軌道182的步驟可部分地填充開(kāi)口 812，以在一個(gè)沉積步驟中在第一半導(dǎo)體軌道182之上形成凹陷(即軌道狀開(kāi)口 81)。
[0074]在另一個(gè)實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體軌道182可通過(guò)非選擇性沉積法形成。在該實(shí)施例中，種子材料層191可省略，并且第一半導(dǎo)體軌道182圍繞軌道狀二極管的整個(gè)結(jié)構(gòu)(即第一二極管軌道112)。
[0075]轉(zhuǎn)到圖13F，轉(zhuǎn)換材料軌道122然后可形成在凹陷81中的第一二極管軌道112之上，獲得圖13F所示的結(jié)構(gòu)。軌道122可與結(jié)構(gòu)612的頂部平坦化。轉(zhuǎn)換材料軌道122和第一二極管軌道112形成非易失性存儲(chǔ)器軌道102的結(jié)構(gòu)。
[0076]在上面說(shuō)明的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換材料軌道122設(shè)置在第一二極管軌道112之上。可替換地，轉(zhuǎn)換材料軌道122可形成在第一二極管軌道112之下。在這些科替換性實(shí)施例中，如圖14A所示，轉(zhuǎn)換材料層121可形成在第一導(dǎo)電層511和選擇性種子層191或犧牲層131(如果省略層191)之間。在類(lèi)似于圖13B所示的犧牲層131和選擇性層191圖案化、類(lèi)似于圖13B所示形成絕緣結(jié)構(gòu)612且類(lèi)似于圖13D所示去除犧牲結(jié)構(gòu)131之后，第一二極管軌道212可選擇性地或非選擇性地沉積在通過(guò)去除犧牲結(jié)構(gòu)形成的開(kāi)口中。所形成的第一非易失性存儲(chǔ)器軌道102包括設(shè)置在第一二極管軌道112之下的轉(zhuǎn)換材料軌道122，如圖14B所示。
[0077]接下來(lái)，如上所述，第二導(dǎo)電層521然后可形成在第一裝置層級(jí)之上，獲得圖15A所示的結(jié)構(gòu)。第二導(dǎo)電層521然后沉積在軌道122之上。該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于圖11A所示3D結(jié)構(gòu)的下部。然后，如圖11B-11GU2和16A-16C所示，第一非易失性存儲(chǔ)器軌道102圖案化為形成在第一裝置層級(jí)中的多個(gè)第一非易失性存儲(chǔ)單元103。每個(gè)單元103包括柱狀二極管控制元件和在二極管之上或之下的柱狀存儲(chǔ)元件。
[0078]在一個(gè)可替換性實(shí)施例中，沒(méi)有采用圖11A-11G、12或16A-16C所示的實(shí)施例中說(shuō)明的步驟，而是第一非易失性存儲(chǔ)器軌道102、第一絕緣結(jié)構(gòu)612和導(dǎo)電層521可被圖案化而形成多個(gè)第二軌道，其間形成第二絕緣結(jié)構(gòu)622，獲得圖15B所示的結(jié)構(gòu)。所形成的柱狀第一非易失性存儲(chǔ)單元103的每一個(gè)包括二極管控制元件和設(shè)置在二極管控制元件之上或之下的轉(zhuǎn)換材料的存儲(chǔ)元件。第一非易失性存儲(chǔ)單元103由第一絕緣軌道612和622的絕緣材料分開(kāi)。第二導(dǎo)電軌道522在與第一導(dǎo)電軌道512不同的第二方向延伸。軌道512和522分別形成每個(gè)單元103的下電極和上電極。
[0079]因此，如圖15B的可替換性方法所示，省略在兩個(gè)裝置層級(jí)采用圖11B所示的相同的蝕刻步驟形成軌道的步驟。替代地，柱狀裝置通過(guò)僅蝕刻第一裝置層級(jí)中的層和軌道而形成。
[0080]在第四實(shí)施例中，省略犧牲層(一個(gè)或多個(gè))，并且半導(dǎo)體層(一個(gè)或多個(gè))、納米-軌道電極導(dǎo)電層402、轉(zhuǎn)換材料層以及上和下導(dǎo)體層沉積在襯底之上。至少下導(dǎo)體層、轉(zhuǎn)換材料層、納米-軌道電極導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層(一個(gè)或多個(gè))圖案化成軌道，然后軌道之間的間隔用絕緣填充材料填充。這些軌道然后在隨后的圖案化步驟中圖案化成柱，在此期間，上部導(dǎo)體圖案化成軌道。柱之間的間隔然后用另外的絕緣填充材料填充。
[0081]例如，第四實(shí)施例的方法可用于僅在單一裝置層級(jí)形成軌道，如圖17A-17C所示。如圖17A所示，半導(dǎo)體層110 (例如，二極管110的p-1-n子層)形成在由絕緣填充結(jié)構(gòu)622分開(kāi)的下導(dǎo)體軌道522的頂部平面表面之上，如圖15B所示?？商鎿Q地，層110可形成在襯底400之上。
[0082]納米-軌道電極202、絕緣材料204和轉(zhuǎn)換材料層/存儲(chǔ)元件118然后采用圖4A-6B或7A-8B所示的方法形成在半導(dǎo)體層110之上。納米-軌道電極202、絕緣材料204、轉(zhuǎn)換材料層/存儲(chǔ)元件118和半導(dǎo)體層110然后通過(guò)光刻和蝕刻而圖案化成軌道922，其與下導(dǎo)體軌道522在相同的方向延伸，如圖17B所示。絕緣填充層642然后通過(guò)非選擇性沉積和平坦化或通過(guò)選擇性沉積形成在軌道522之間。
[0083]上導(dǎo)體層531然后沉積在絕緣填充層642和存儲(chǔ)元件118的頂部平面表面之上。上導(dǎo)體層531、存儲(chǔ)元件118、納米-軌道電極202、絕緣材料204和半導(dǎo)體層110然后通過(guò)光刻和蝕刻圖案化成軌道952，軌道952在與軌道922不同的方向(例如，垂直方向)延伸，如圖17C所示。最后，第二絕緣填充層962然后通過(guò)非選擇性沉積和平坦化或者通過(guò)選擇性沉積形成在軌道952之間，也如圖17C所示。這形成了柱存儲(chǔ)單元913，其包含在下軌道狀電極522/101和正交的上軌道狀電極531/100之間的半導(dǎo)體二極管110、納米-軌道電極202 (具有或沒(méi)有選擇性水平部分212)、絕緣材料204和存儲(chǔ)元件118。另外的裝置層級(jí)可通過(guò)重復(fù)上述的圖17A-17C的步驟而形成在該裝置層級(jí)之上。
[0084]第四實(shí)施例的方法也可用于在相同的光刻和蝕刻步驟中圖案化多個(gè)裝置層級(jí)中的軌道。例如，半導(dǎo)體層可與下層裝置層級(jí)中的第二導(dǎo)體層、納米-軌道電極層402和半導(dǎo)體軌道212/282 —起圖案化以形成多層級(jí)軌道。這些多層級(jí)軌道包括半導(dǎo)體柱213、納米-軌道電極202、絕緣材料204、轉(zhuǎn)換材料222、上導(dǎo)體軌道532和上半導(dǎo)體軌道、以及下導(dǎo)體軌道522在與多層級(jí)軌道不同的方向延伸的一部分。絕緣填充結(jié)構(gòu)642然后形成在多層級(jí)軌道之間，并且在半導(dǎo)體柱213、導(dǎo)體軌道532、納米-軌道電極202、轉(zhuǎn)換材料222和上半導(dǎo)體軌道之間延伸。
[0085]上導(dǎo)體層然后形成在多層級(jí)軌道和絕緣填充結(jié)構(gòu)642之上。上導(dǎo)體層、納米-軌道電極202和上半導(dǎo)體軌道被圖案化而形成在第一方向延伸的多個(gè)上層級(jí)軌道，從而上半導(dǎo)體軌道分成上半導(dǎo)體柱，上半導(dǎo)體柱包含納米-軌道電極和在柱頂部中的電阻轉(zhuǎn)換材料，并且上導(dǎo)體層分成上導(dǎo)體軌道。最后，上絕緣填充結(jié)構(gòu)形成在上層級(jí)軌道之間。
[0086]另外的層級(jí)然后可采用與上述類(lèi)似的技術(shù)形成。例如，裝置可包括4-8個(gè)層級(jí)，其中每個(gè)層級(jí)中的軌道狀電極在相同的方向延伸，并且相鄰測(cè)層級(jí)中的電極在垂直方向延伸。換言之，所有偶數(shù)層級(jí)上的電極優(yōu)選在一個(gè)第一方向延伸，而所有奇數(shù)層級(jí)的電極在垂直的第二方向延伸。每個(gè)裝置層級(jí)包括在下電極和上電極之間的柱狀存儲(chǔ)單元。
[0087]導(dǎo)電軌道512、522和532的導(dǎo)電材料可獨(dú)立地包括本領(lǐng)域已知的任何一個(gè)或多個(gè)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料，例如鎢、銅、鋁、鉭、鈦、鈷、氮化鈦或其合金。例如，在某些實(shí)施例中，優(yōu)選鎢以允許在相對(duì)高溫下進(jìn)行處理。在某些其它實(shí)施例中，銅或鋁是優(yōu)選材料。
[0088]結(jié)構(gòu)612、622、632、642和962的絕緣材料可為任何的電絕緣材料，例如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅或其它高_(dá)k絕緣材料。犧牲材料131和231可包括任何適當(dāng)?shù)臓奚牧?，包括有機(jī)硬掩模材料，例如非晶碳或氮化硅材料。例如，犧牲材料可為非晶碳，并且硬掩模材料可為氮化硅。犧牲材料應(yīng)具有與絕緣結(jié)構(gòu)612和/或622不同的蝕刻特性以允許選擇性蝕刻或灰化。
[0089]任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料可用于結(jié)構(gòu)110和213，例如硅、鍺、硅鍺或其它化合物半導(dǎo)體材料，例如II1-V、I1-VI族等材料。如上所述，半導(dǎo)體材料可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)倪x擇性或非選擇性沉積法形成。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二裝置層級(jí)的至少一個(gè)中的半導(dǎo)體材料通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)選擇性沉積。例如，2008年7月11日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)N0.12/216，924或美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)N0.12/007, 781 (公開(kāi)為美國(guó)公開(kāi)申請(qǐng)2009/0179310A1)中描述的方法，通過(guò)引用全文結(jié)合于本文，可用于沉積多晶硅?？商鎿Q地，2005年6月22日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)N0.11/159，031 (其公開(kāi)為美國(guó)公開(kāi)申請(qǐng)2006/0292301A1)和2008年1月15日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)N0.12/007，780中描述的方法，通過(guò)引用全文結(jié)合于本文，可用于沉積鍺。半導(dǎo)體材料可為非晶的、多晶的或單晶的。例如，該材料可包括多晶硅。選擇性種子層材料可包括任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體或硅化物種子材料，其允許選擇性生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)213的半導(dǎo)體材料。例如，種子層可包括多晶硅，以生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)213的另外的多晶娃。
[0090]非易失性存儲(chǔ)單元103和203可為一次可編程的(0ΤΡ)或可重寫(xiě)的。例如，每個(gè)柱二極管110可作為存儲(chǔ)單元的控制元件，而轉(zhuǎn)換材料可作為存儲(chǔ)元件118 (即，通過(guò)改變電阻系數(shù)狀態(tài)等來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù))，設(shè)置為與控制元件串聯(lián)。二極管可具有下重?fù)诫sη-型區(qū)域、選擇性本征區(qū)域(非有意摻雜的區(qū)域)和上重?fù)诫sΡ-型區(qū)域。二極管的取向可翻轉(zhuǎn)。二極管可這樣形成:在η-型或Ρ-型材料上沉積本征半導(dǎo)體材料，接著在二極管的上部中注入η-型或ρ-型中的另一個(gè)的摻雜劑?？商鎿Q地，p-1-n 二極管的上部區(qū)域可通過(guò)在本征半導(dǎo)體材料上沉積摻雜的半導(dǎo)體材料而形成。
[0091]轉(zhuǎn)換材料可為下述之一:反熔絲、熔絲、金屬氧化物存儲(chǔ)器，可轉(zhuǎn)換復(fù)合金屬氧化物、碳納米管存儲(chǔ)器，石墨烯電阻可轉(zhuǎn)換材料(graphene resistivity switchablematerial)、碳電阻可轉(zhuǎn)換材料、相變材料存儲(chǔ)器，導(dǎo)電橋元件或可轉(zhuǎn)換聚合物存儲(chǔ)器。反熔絲介電層可為下面之一:氧化鉿、氧化招、氧化鈦、氧化鑭、氧化鉭、氧化釕、錯(cuò)娃氧化物、招硅氧化物、鉿硅氧化物、鉿鋁氧化物、鉿硅氧化物、鋯硅鋁氧化物、鉿鋁硅氧化物、鉿鋁硅氧氮化物、鋯硅鋁氧氮化物、氧化硅、氮化硅或其組合。
[0092]上面已經(jīng)描述了形成一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)裝置層級(jí)的方法。在上述的第一、第二或第三存儲(chǔ)器層級(jí)之上或之下可形成另外的存儲(chǔ)器層級(jí)，以形成多于兩個(gè)或三個(gè)裝置層級(jí)的單片三維存儲(chǔ)器陣列。
[0093]根據(jù)該公開(kāi)的教導(dǎo)，預(yù)期本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可容易地實(shí)施本發(fā)明。本文提供的各種實(shí)施例的描述相信提供了本發(fā)明的充分的理解和細(xì)節(jié)以使普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。盡管某些支持電路和制造步驟沒(méi)有具體描述，但是這樣的電路和規(guī)程是熟知的，在實(shí)施本發(fā)明的上下文中這樣步驟的具體變化不提供特別的優(yōu)點(diǎn)。而且，相信據(jù)根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能實(shí)施本發(fā)明而不需要過(guò)度的實(shí)驗(yàn)。
[0094]前述的詳細(xì)描述僅描述了本發(fā)明很多可能實(shí)施方式中的幾個(gè)。為此，此詳細(xì)描述旨在是示例性的，而不是限制性的。本文公開(kāi)的實(shí)施例的變化和修改可根據(jù)本文闡述的描述進(jìn)行，而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。僅下面的權(quán)利要求，包括所有的等同物，用于限定本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種非易失性存儲(chǔ)裝置，包括多個(gè)非易失性存儲(chǔ)單元，其中該非易失性存儲(chǔ)單元的每一個(gè)包括: 第一電極； 二極管控制元件； 存儲(chǔ)元件，設(shè)置為與該二極管控制元件串聯(lián)； 第二電極；以及 納米-軌道電極，寬度為15nm或更小。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中， 該非易失性存儲(chǔ)單元的每一個(gè)包括位于襯底之上的柱狀存儲(chǔ)單元； 該存儲(chǔ)元件設(shè)置在該二極管之上或之下；以及 該存儲(chǔ)元件和該二極管設(shè)置在該第一電極和該第二電極之間。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中該納米-軌道電極設(shè)置在該存儲(chǔ)元件和該二極管之間的該柱狀存儲(chǔ)單元中。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中， 該存儲(chǔ)元件設(shè)置在該二極管之上； 該納米-軌道電極的底部設(shè)置為與該二極管的上表面電接觸； 該納米-軌道電極的頂部設(shè)置為與該存儲(chǔ)元件的下表面電接觸； 該第一電極設(shè)置為與該二極管的下表面電接觸；以及 該第二電極設(shè)置為與該存儲(chǔ)元件的上表面電接觸。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，還包括絕緣材料，設(shè)置為鄰近該納米-軌道電極在該存儲(chǔ)元件的該下表面和該二極管的該上表面之間的第一側(cè)和第二側(cè)。
6.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中該納米-軌道電極設(shè)置在該第一電極或該第二電極之一和該存儲(chǔ)元件或該二極管之一之間的該存儲(chǔ)單元中，從而該納米-軌道電極在該第一電極或該第二電極之一和該存儲(chǔ)元件或該二極管之一之間提供電連接。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該納米-軌道電極的寬度為2-15nm、高度為1-1OOnm和長(zhǎng)度為lO-lOOnm，并且其中該寬度小于該長(zhǎng)度。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中， 該納米-軌道電極包括導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料選自多晶硅、金屬或金屬合金，作為減小存儲(chǔ)單元中電流的串聯(lián)電阻； 該二極管包括p-1-n 二極管； 該存儲(chǔ)元件包括可轉(zhuǎn)換金屬氧化物、復(fù)合金屬氧化物層、碳納米管材料、石墨烯電阻可轉(zhuǎn)換材料、碳電阻可轉(zhuǎn)換材料、相變材料、導(dǎo)電橋元件或可轉(zhuǎn)換聚合物材料的至少一個(gè)；該存儲(chǔ)單元是可重寫(xiě)存儲(chǔ)單元；以及該存儲(chǔ)裝置包括該存儲(chǔ)單元的單片三維陣列。
9.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中， 該第一電極和該第二電極包括導(dǎo)體軌道； 每個(gè)柱狀存儲(chǔ)單元具有從上面觀察的矩形截面； 該絕緣材料設(shè)置為鄰近該存儲(chǔ)單元的相對(duì)的第一側(cè)和第二側(cè)，并且在相鄰的第一電極導(dǎo)體軌道之間延伸；以及 該絕緣材料還設(shè)置為鄰近該存儲(chǔ)單元的相對(duì)的第三側(cè)和第四側(cè)，并且在相鄰的第二電極導(dǎo)體軌道之間延伸。
10.一種制造非易失性存儲(chǔ)單元的方法，包括: 形成第一電極； 形成二極管控制元件； 形成第一結(jié)構(gòu)； 在該第一結(jié)構(gòu)之上形成導(dǎo)電層，從而該導(dǎo)電層在該第一結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上的一部分形成寬度為15nm或更小的納米-軌道電極； 形成存儲(chǔ)元件；以及 形成第二電極。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括各向異性蝕刻該導(dǎo)電層以在該第一結(jié)構(gòu)的該側(cè)壁上形成側(cè)壁間隔體，其中該納米-軌道電極包括該側(cè)壁間隔體。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括: 形成與該第一結(jié)構(gòu)分隔的第二結(jié)構(gòu)，從而該導(dǎo)電層形成在該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)的上表面之上、該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)之間、并且在該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上；以及 平坦化該導(dǎo)電層，從而從該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)的該上表面去除該導(dǎo)電層，而該導(dǎo)電層保留在該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)之間、以及在該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該第一結(jié)構(gòu)包括鄰近該納米-軌道電極的第一側(cè)的第一絕緣結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括: 在該納米-軌道電極之上以及在該第一絕緣結(jié)構(gòu)之上形成絕緣填充層；以及平坦化該絕緣填充層，從而該平坦化的絕緣填充層仍鄰近該納米-軌道電極的該第二偵牝并且該納米-軌道電極的上表面在該第一絕緣結(jié)構(gòu)和該平坦化的絕緣填充層之間是暴露的。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中， 該存儲(chǔ)單元包括設(shè)置在襯底之上的柱狀存儲(chǔ)單元； 該存儲(chǔ)元件設(shè)置在該二極管之上或之下；以及 該存儲(chǔ)元件和該二極管設(shè)置在該第一電極和該第二電極之間。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中， 形成該第一電極包括在該襯底之上形成該第一電極； 形成該二極管控制元件包括在該第一電極之上形成該二極管且該二極管與該第一電極電接觸； 形成該第一結(jié)構(gòu)包括在該二極管之上形成該第一結(jié)構(gòu)； 形成該導(dǎo)電層包括在該第一結(jié)構(gòu)與該二極管電接觸的該側(cè)壁上形成該納米-軌道電極； 形成該存儲(chǔ)元件包括在該第一結(jié)構(gòu)和該納米-軌道電極二者之上形成該存儲(chǔ)元件且與該納米-軌道電極電接觸；以及 形成該第二電極包括在該存儲(chǔ)元件之上形成該第二電極且該第二電極與該存儲(chǔ)元件電接觸。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該納米-軌道電極設(shè)置在該第一電極或該第二電極之一和該存儲(chǔ)元件或該二極管之一之間的該存儲(chǔ)單元中，從而該納米-軌道電極在該第一電極或該第二電極之一和該存儲(chǔ)元件或該二極管之一之間提供電連接。
18.如權(quán)利要求10所述的方法，其中， 該納米-軌道電極的寬度為2-15nm、高度為1-1OOnm和長(zhǎng)度為1-1OOnm ; 該寬度小于該長(zhǎng)度； 該納米-軌道電極包括導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料選自多晶硅、金屬或金屬合金，作為減小該存儲(chǔ)單元中電流的串聯(lián)電阻； 該二極管包括p-1-n 二極管；以及 該存儲(chǔ)元件包括可轉(zhuǎn)變金屬氧化物、復(fù)合金屬氧化物層、碳納米管材料、石墨烯電阻可轉(zhuǎn)換材料、碳電阻可轉(zhuǎn)換材料、相變材料、導(dǎo)電橋元件或可轉(zhuǎn)換聚合物材料的至少一個(gè)。
19.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括: 提供包括多個(gè)第一軌道的第一裝置層級(jí)，其中每個(gè)第一軌道包括在第一導(dǎo)體軌道中的該第一電極、設(shè)置在該第一導(dǎo)體軌道之上的第一半導(dǎo)體軌道、存儲(chǔ)材料層和該納米-軌道電極，該第一軌道由第一絕緣結(jié)構(gòu)分隔，并且該第一軌道在第一方向延伸； 在該第一裝置層級(jí)之上形成第二導(dǎo)體層； 圖案化該第二導(dǎo)體層、該第一軌道中的該納米-軌道電極和該第一軌道中的該第一半導(dǎo)體軌道以形成在第二方向延伸的多個(gè)第二軌道，該第二方向與該第一方向不同；以及在該第二軌道之間形成第二絕緣結(jié)構(gòu)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中每個(gè)第二軌道包括: 多個(gè)第一柱，包括該二極管控制元件、該納米-軌道電極和該存儲(chǔ)元件；以及 在第二導(dǎo)體軌道中的該第二電極。
21.一種制造半導(dǎo)體裝置的方法，包括: 提供包括多個(gè)第一軌道的第一裝置層級(jí)，其中每個(gè)第一軌道包括第一導(dǎo)體軌道、設(shè)置在該第一導(dǎo)體軌道之上的第一半導(dǎo)體軌道和寬度為15nm或更小的納米-軌道電極，該第一軌道由第一絕緣結(jié)構(gòu)分開(kāi)，并且該第一軌道在第一方向延伸； 在該第一裝置層級(jí)之上形成第二導(dǎo)體層； 圖案化該第二導(dǎo)體層、該納米-軌道電極和該第一軌道中的該第一半導(dǎo)體軌道以形成在第二方向延伸的多個(gè)第二軌道，該第二方向與該第一方向不同；以及在該第二軌道之間形成第二絕緣結(jié)構(gòu)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中， 圖案化的步驟將該第二導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)體軌道，設(shè)置在在該第二方向延伸的該第二軌道中； 圖案化的步驟將該第一半導(dǎo)體軌道分成多個(gè)第一半導(dǎo)體柱； 每個(gè)第一半導(dǎo)體柱的底部電接觸一個(gè)第一導(dǎo)體軌道； 每個(gè)第一半導(dǎo)體柱的頂部電接觸一個(gè)第二導(dǎo)體軌道； 每個(gè)第一半導(dǎo)體柱具有從上面觀察的矩形截面； 一個(gè)第一絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)置為鄰近第一半導(dǎo)體柱的第一側(cè)壁； 另一個(gè)第一絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)置為鄰近該第一半導(dǎo)體柱的第二側(cè)壁，該第二側(cè)壁設(shè)置為與該第一側(cè)壁相對(duì)； 一個(gè)第二絕緣結(jié)構(gòu)，設(shè)置為鄰近該第一半導(dǎo)體柱的第三側(cè)壁，該第三側(cè)壁設(shè)置在該第一側(cè)壁和該第二側(cè)壁之間；并且 另一個(gè)第二絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)置為鄰近該第一半導(dǎo)體柱的第四側(cè)壁，該第四側(cè)壁設(shè)置為與該第三側(cè)壁相對(duì)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括在第二裝置層級(jí)中形成第二半導(dǎo)體層，該第二裝置層級(jí)設(shè)置在該第一裝置層級(jí)之上。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中， 圖案化的步驟包括圖案化第二半導(dǎo)體層，同時(shí)圖案化該第二導(dǎo)體層、該納米-軌道電極和該第一半導(dǎo)體軌道以形成該第二軌道； 該第二軌道包括該第一半導(dǎo)體柱、該第二導(dǎo)體軌道、該納米-軌道電極和第二半導(dǎo)體軌道；以及 該第二絕緣結(jié)構(gòu)在該第一半導(dǎo)體柱、該第二導(dǎo)體軌道、該納米-軌道電極和該第二半導(dǎo)體軌道之間延伸。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，還包括: 在該第二軌道和該第二絕緣結(jié)構(gòu)之上形成第三導(dǎo)體層； 圖案化該第三導(dǎo)體層、該納米-軌道電極和該第二半導(dǎo)體軌道形成在該第一方向延伸的多個(gè)第三軌道，從而該第二半導(dǎo)體軌道分成第二半導(dǎo)體柱，并且該第三導(dǎo)體層分成第三導(dǎo)體軌道；以及 在該第三軌道之間形成第三絕緣結(jié)構(gòu)。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括: 圖案化該第二半導(dǎo)體層以形成在該第二方向延伸的第三軌道；以及 在該第三軌道之間形成第三絕緣結(jié)構(gòu)。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括: 在該第三軌道和該第三絕緣結(jié)構(gòu)之上形成第三導(dǎo)體層； 圖案化該第三導(dǎo)體層、該第三絕緣結(jié)構(gòu)和第三軌道以形成在該第一方向延伸的多個(gè)第四軌道，每個(gè)第四軌道包括第四導(dǎo)體軌道和多個(gè)第二半導(dǎo)體柱，該多個(gè)第二半導(dǎo)體柱設(shè)置在該第二導(dǎo)體軌道和該第三導(dǎo)體軌道之間；以及在該第四軌道之間形成多個(gè)第四絕緣結(jié)構(gòu)。
28.如權(quán)利要求22所述的方法，其中， 該半導(dǎo)體裝置包括具有多個(gè)非易失性存儲(chǔ)單元的非易失性存儲(chǔ)裝置； 該第一裝置層級(jí)還包括該設(shè)置在該第一半導(dǎo)體柱的每一個(gè)之上或之下的該多個(gè)非易失性存儲(chǔ)單元之一的存儲(chǔ)元件； 每個(gè)第一半導(dǎo)體柱包括該多個(gè)非易失性存儲(chǔ)單元之一的二極管控制元件； 每個(gè)第一導(dǎo)體軌道包括該多個(gè)非易失性存儲(chǔ)單元的下電極； 每個(gè)第二導(dǎo)體軌道包括該多個(gè)非易失性存儲(chǔ)單元的上電極。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中每個(gè)納米-軌道電極設(shè)置在該存儲(chǔ)元件和該二極管之間的相應(yīng)的非易失性存儲(chǔ)單元中。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中每個(gè)納米-軌道電極設(shè)置在該存儲(chǔ)元件或該二極管之一和該上電極或該下電極之一之間的相應(yīng)的非易失性存儲(chǔ)單元中。
【文檔編號(hào)】H01L27/24GK104303308SQ201380014814
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月23日
【發(fā)明者】J.K.卡伊, H.奇恩, G.瑪塔米斯, V.R.普魯亞思 申請(qǐng)人:桑迪士克3D有限責(zé)任公司