用於存儲器件的方柱形開關元件及其製造方法
2023-05-16 17:13:16 2
專利名稱：用於存儲器件的方柱形開關元件及其製造方法
技術領域：
本發明一般性涉及用於存儲器件的開關元件及其製造方法，並且更具體涉及用於 存儲器件的方柱形開關元件及其製造方法。
背景技術：
近來，已經進行研究以希望開發可高度集成並具有簡單結構的具有非易失性存儲 器件特性的新型存儲器件。研究中的一類新型存儲器件是相轉變存儲器件。通常，在相轉變存儲器件中，在上電極和下電極之間插入相轉變膜。通過上電極和 下電極之間的電流流動，相轉變膜從有序結晶固態可逆地轉變為無序非晶固態。因此，相轉 變存儲器件可通過利用相轉變膜的可變物理性能例如可變電阻以區分存儲於單元中的信 息而用作存儲器件。例如，晶態相轉變膜和非晶態相轉變膜之間的電阻差異可用於確定存 儲於單元中的信息的邏輯水平。在開發相轉變存儲器件時必須考慮的最重要的設計因素之一是最小化編程電流。 一種減小編程電流的方法是採用垂直型PN 二極體取代電晶體用作單元開關元件。由於與 電晶體相比，垂直型PN 二極體能夠使得電流易於流動，由此導致編程電流減小，所以認為 垂直型PN 二極體可有利地用作單元開關元件。此外，垂直型PN 二極體能夠減小單元尺寸， 因此垂直型PN 二極體的應用有助於相轉變存儲器件的高度集成。然而，採用PN二極體作為開關元件的常規相轉變存儲器件的問題在於在PN二極 管和P-型襯底之間形成寄生雙極結電晶體，因此引起驅動電流損失。此外，包括PN 二極體的常規相轉變存儲器件具有其中PN 二極體通過形成在有源 區表面上的N+區域而電互連的結構。由於該結構，N+區域的電阻變高，導致單元之間驅動 電流的變化，因此需要改善其設計和工藝。此外，包括PN 二極體的常規相轉變存儲器件的問題在於其製造工藝複雜，這是因 為必須實施複雜的單元工藝例如外延工藝等以形成PN 二極體。此外，在包括PN 二極體的常規相轉變存儲器件中，形成用於將字線連接至矽襯底 的字線接觸，以解決可歸因於矽襯底高電阻的問題。然而，這引起製造相轉變存儲器件所需 工藝數量的增加以及相轉變存儲器件所佔用面積的增加，由此使得經濟效率降低。同時，為了解決可歸因於矽襯底高電阻的問題，使用肖特基二極體作為相轉變存 儲器件的開關元件。使用肖特基二極體作為開關元件的相轉變存儲器件可使矽襯底的電阻 減小為三分之一。這些肖特基二極體形成在利用圓柱形式的孔型掩模所形成的孔中。然而，在應用 4F2技術的存儲器件中，難以形成小尺寸的肖特基二極體。
換言之，隨著存儲器件高集成度的增加，通過曝光工藝很難實現作為肖特基二極 管形成區域的小尺寸的孔。此外，孔之間距離減小，從而使得光敏膜的容限也減小，導致孔 圖案化工藝逐漸變得更難。此外，由於作為肖特基二極體形成區域的孔是通過絕緣膜圖案化工藝形成的，所 以問題在於孔不能穩定地形成在期望區域中而是可形成為未對準的狀態，因此肖特基二極 管的特性會劣化。
發明內容
本發明的實施方案提供可防止單元之間驅動電流差異的用於存儲器件的開關元 件及其製造方法。此外，本發明的實施方案提供減小其所需工藝數量及其面積的用於存儲器件的開 關元件及其製造方法。此外，本發明的實施方案提供其中形成小尺寸二極體以有助於存儲器件高度集成 的用於存儲器件的開關元件及其製造方法。一方面，本發明提供一種用於存儲器件的開關元件，包括包括多個線型溝槽的基 底層；在除溝槽以外的基底層上形成的第一絕緣圖案；以薄膜形式在溝槽底部上形成的第 一二極體部；在溝槽中的第一二極體部上形成並彼此間隔以在每個溝槽中形成孔的第二絕 緣圖案；和在孔中形成以便與第一二極體部接觸的方柱形第二二極體部。包括溝槽的基底層可由氧化物膜構成。溝槽可具有直角傾斜。第一絕緣圖案可由選自非晶碳膜、氮化物膜、氮化矽膜和多晶矽膜(poly film)中 的任意一種構成。第一二極體部可由金屬膜構成。金屬膜可由選自鋁(A1)、鎢(W)、鈷(Co)、鎳(Ni)和銅(Cu)中的任意一種製成。第二絕緣圖案可由氧化物膜構成。第二二極體部可由P-型多晶矽膜構成。第二二極體部可由N-型多晶矽膜構成。用於存儲器件的開關元件還可包括插入在第一二極體部和第二二極體部之間的 阻擋層。阻擋層可由選自矽化鈦(TiSi2)、矽化鎢(WSi2)、矽化鈷(CoSi2)、矽化鎳(NiSi2) 和氮化鈦(TiN)中的任意一種製成。另一方面，本發明提供一種製造用於存儲器件的開關元件的方法，包括以下步驟 在基底層上形成彼此間隔規則間距的線型硬掩模圖案；蝕刻由硬掩模圖案暴露出的基底層 以形成多個線型溝槽；在溝槽底部上形成第一二極體部；在其中提供有第一二極體部的溝 槽中包埋絕緣材料；沿垂直於硬掩模圖案的方向在硬掩模圖案和絕緣材料上形成彼此間隔 規則間距的線型掩模圖案；移除由掩模圖案暴露出的絕緣材料以形成暴露出第一二極體部 表面的孔；移除掩模圖案；和在孔中形成第二二極體部。基底層可由氧化物膜構成。硬掩模圖案可由選自非晶碳膜、氮化物膜、氮化矽膜和多晶矽膜中的任意一種構成。第一二極體部可由金屬材料製成。金屬材料可包括選自鋁(A1)、鎢(W)、鈷(Co)、鎳(Ni)和銅(Cu)中的任意一種。絕緣材料可包括氧化物。掩模圖案可包括光敏膜圖案。製造用於存儲器件的開關元件的方法還可包括以下步驟在移除掩模圖案的步驟 和在孔中形成第二二極體部的步驟之間，在第一二極體部上形成阻擋層。阻擋層可由選自矽化鈦(TiSi2)、矽化鎢(WSi2)、矽化鈷(CoSi2)、矽化鎳(NiSi2) 和氮化鈦(TiN)中的任意一種製成。第二二極體部可由P-型型多晶矽膜或N-型多晶矽膜構成。
圖1是示出根據本發明一個實施方案的用於存儲器件的開關元件的透視圖；圖2A 2H是示出說明根據本發明一個實施方案製造用於相轉變存儲器件的開關 元件的方法的透視圖；圖3A 3H是示出說明根據本發明一個實施方案製造用於相轉變存儲器件的開關 元件的方法的平面圖；圖4A 4H是用於說明根據本發明一個實施方案製造用於相轉變存儲器件的開關 元件的方法的沿圖3A 3H的線X-X'截取的截面圖；和圖5A 5H是用於說明根據本發明一個實施方案製造用於相轉變存儲器件的開關 元件的方法的沿圖3A 3H的線Y-Y'截取的截面圖。
具體實施例方式以下，將參考附圖詳細描述本發明的優選實施方案。附圖沒有必要按比例繪製，在 有些情況下，可將比例放大以更清晰地描述本發明的一些特徵。圖1是示出根據本發明一個實施方案的用於存儲器件的開關元件的透視圖。如圖1所示，根據本發明的一個實施方案的開關元件160包括具有多個溝槽 110a的基底層110 ；和在除多個溝槽110a以外的基底層110上形成的第一絕緣圖案130a。 優選地，開關元件包括由氧化物膜構成並具有多個溝槽的基底層110，其中溝槽的底部與 溝槽的側面成直角。第一絕緣圖案130a由非晶碳膜、氮化物膜、氮化矽膜和多晶矽膜中的 任意一種構成。在溝槽110a的底部上形成由金屬薄膜構成的第一二極體部120。在一個實施方 案中，第一二極體部120由鋁(A1)、鎢(W)、鈷(Co)、鎳(Ni)和銅(Cu)中的任意一種製成。 在每個溝槽110a的第一二極體部120上設置第二絕緣圖案130d。第二絕緣圖案130d彼此 間隔以在具有第一二極體部120的溝槽110a中形成孔。在一個實施方案中，第二絕緣圖案 130d由氧化物膜構成。在第一二極體部120上方的孔中形成方柱形第二二極體部150。在一個實施方案 中，方柱形第二二極體部150由P-型多晶矽膜或N-型多晶矽膜構成。因此，每個肖特基二 極管均為具有第一二極體部120和第二二極體部150的層疊結構的開關元件，肖特基二極
6管形成為每個肖特基二極體的上部末端均具有方柱形狀。此外，在第一二極體部120和第 二二極體部150之間可分別形成阻擋膜140。在一個實施方案中，在相應的第一二極體部 120和第二二極體部150之間形成阻擋膜，所述阻擋膜由矽化鈦(TiSi2)膜、矽化鎢(WSi2) 膜、矽化鈷(CoSi2)膜、矽化鎳(NiSi2)膜和氮化鈦(TiN)膜中的任意一種構成。同時，在上述用於存儲器件的開關元件中，根據本發明的一個實施方案的開關元 件可具有氧化物膜和金屬膜的層疊結構或N-型矽膜和P-型矽膜的層疊結構，而不是金屬 膜和P-型矽膜的層疊結構或金屬膜和N-型矽膜的層疊結構。如上所述，根據本發明的一個實施方案的用於存儲器件的開關元件包括在提供 於基底層110中的多個溝槽110a中形成薄膜形式的第一二極體部120、以及在孔中形成方 柱形式的第二二極體部150。因此，根據本發明的一個實施方案的相轉變存儲器件可具有與圓柱形二極體相 比具有更大截面面積的二極體用作開關元件，並因此預期電流特性得到改善。此外，根據本發明的一個實施方案的用於存儲器件的開關元件可控制二極體和基 底層的未對準，這與圓柱形二極體用作開關元件的情況相反。圖2A 2H是示出說明根據本發明一個實施方案製造用於相轉變存儲器件的開關 元件的方法的透視圖，圖3A 3H是用於說明根據本發明一個實施方案製造用於相轉變存 儲器件的開關元件的方法的平面圖，圖4A 4H是用於說明根據本發明一個實施方案製造 用於相轉變存儲器件的開關元件的方法的沿圖3A 3H的線X-X'截取的截面圖，圖5A 5H是用於說明根據本發明一個實施方案製造用於相轉變存儲器件的開關元件的方法的沿 圖3A 3H的線Y-Y'截取的截面圖。在本發明的實施方案中，在製造用於存儲器件的開關元件的方法中，將示出和描 述製造用於相轉變存儲器件的開關元件的方法。參考圖2A、3A、4A和5A，在由氧化物製成的基底層110上以規則間隔形成線型硬掩 模圖案130a，以使它們彼此間隔。在一個實施方案中，硬掩模圖案130a由非晶碳膜、氮化物 膜、氮化矽膜和多晶矽膜中的任意一種構成。優選地，硬掩模圖案由氮化物膜構成。參考圖2B、3B、4B和5B，使用硬掩模圖案130a作為蝕刻掩模，通過蝕刻由硬掩模圖 案130a暴露出的基底層110而形成多個線型溝槽110a。溝槽110a形成為具有直角(90° ) 傾斜，其中溝槽底部與溝槽側表面形成為直角。參考圖2C、3C、4C和5C，通過在溝槽110a中包埋第一二極體形成材料，然後蝕刻 該第一二極體形成材料，在每個溝槽110a的底部上形成薄膜形式的第一二極體部120。在 一個實施方案中，第一二極體部120由金屬膜構成，所述金屬膜由選自鋁(A1)、鎢(W)、鈷 (Co)、鎳(Ni)和銅(Cu)中的任意一種製成，優選由鎢(W)製成。參考圖2D、3D、4D和5D，在溝槽110a(其中提供有第一二極體部120)中填埋由氧 化物製成的絕緣材料130b，並然後使其平坦化，直至暴露出硬掩模圖案130a。此處，由氮化 物膜構成的硬掩模圖案130a在平坦化絕緣材料130b時用作蝕刻停止膜。參考圖2E、3E、4E和5E，沿垂直於硬掩模圖案130a的方向，在硬掩模圖案130a和 絕緣材料130b上形成線型掩模圖案例如光敏膜圖案130c。線型掩模圖案彼此間隔規則間 距。參考圖2F、3F、4F和5F，通過移除由光敏膜圖案130c暴露出的絕緣材料130b，形成從中暴露出第一二極體部120的表面的多個孔110b，然後移除光敏膜圖案130c。在此， 當通過蝕刻工藝移除絕緣材料130b時，由於硬掩模圖案130a和絕緣材料130b的蝕刻選擇 比，所以由氮化物膜構成的硬掩模圖案130a未受到蝕刻，而由氧化物製成的絕緣材料130 受到蝕刻。結果，在溝槽110a(其中具有第一二極體部120)中形成絕緣圖案130d使得它 們彼此間隔；同時，通過硬掩模圖案130a和絕緣圖案130d在溝槽110a中形成矩形孔110b。在本發明的實施方案中，由於孔110b是通過利用線型硬掩模圖案130a和光敏膜 圖案130c的蝕刻工藝形成的，所以在作為相轉變存儲器件的二極體形成區域的孔110b的 形成工藝期間，與常規的孔形成工藝相比，可省去曝光工藝。因此，在製造相轉變存儲器件 時，可簡化工藝並且可降低生產成本。參考圖2G、3G、4G和5G中，在一個實施方案中，在孔110b的底部中，即在溝槽110a 底部上所形成的相應的第一二極體部120上，形成阻擋層140。在一個實施方案中，阻擋層 140由矽化鈦(TiSi2)、矽化鎢(WSi2)、矽化鈷(CoSi2)、矽化鎳(NiSi2)和氮化鈦(TiN)中的 任意一種製成。參考圖2H、3H、4H和5H，在孔110b (其中具有阻擋層140)中填埋第二二極體形成 材料，並然後使其平坦化直至暴露出硬掩模圖案130a，因此在孔110b中形成方柱形第二二 極管部150 ；由此完成肖特基二極體，其中每個肖特基二極體均為具有第一二極體部120和 第二二極體部150的層疊結構的開關元件。優選地，當第二二極體部150由P-型多晶矽膜 構成時，可形成均具有金屬膜和P-型多晶矽膜的層疊結構的P-型肖特基二極體；當第二二 極管部150由N-型多晶矽膜構成時，可形成均具有金屬膜和N-型多晶矽膜的層疊結構的 N-型肖特基二極體。同時，在本發明的上述實施方案中，使用均具有金屬膜和多晶矽膜的層疊結構的 肖特基二極體來製造用於相轉變存儲器件的開關元件。作為替代方案，開關元件可使用 均具有氧化物膜和金屬膜的層疊結構的二極體製造；並且可使用均具有N-型多晶矽膜和 P-型多晶矽膜的層疊結構的二極體製造。在上述根據本發明的一個實施方案製造用於相轉變存儲器件的開關元件的方法 中，作為開關元件形成區域的孔通過利用硬掩模圖案和光敏膜圖案的圖案化工藝而形成， 因此與常規孔形成工藝相比，可省去曝光工藝。此外，根據本發明，由於作為開關元件形成區域的孔不通過曝光工藝形成，所以即 使存儲器件高度集成時，也可克服孔和基底層的未對準。此外，根據本發明，由於具有低電阻的肖特基二極體被用來製造開關元件，所以在 一個單元中的二極體的串數可增加，因此實現單元尺寸的減小。雖然本發明的優選實施方案已經公開用於說明性目的，但是本領域技術人員會理 解的是，各種改變、增加和替代是可能的，其並沒有脫離本發明在所附權利要求中公開的範 圍和精神。
權利要求
一種用於存儲器件的開關元件，包括包括多個線型溝槽的基底層；在除所述溝槽以外的所述基底層上形成的第一絕緣圖案；在所述溝槽底部上形成的薄膜形式的第一二極體部；第二絕緣圖案，所述第二絕緣圖案在所述溝槽中的所述第一二極體部上形成並彼此間隔以在每個所述溝槽中形成多個孔；和在所述第一二極體部上方的所述孔中形成的方柱形第二二極體部。
2.根據權利要求1所述的用於存儲器件的開關元件，其中包含所述溝槽的所述基底層 包括氧化物膜。
3.根據權利要求1所述的用於存儲器件的開關元件，其中所述溝槽的底部與所述溝槽 的側表面形成直角。
4.根據權利要求1所述的用於存儲器件的開關元件，其中所述第一絕緣圖案包括非晶 碳膜、氮化物膜、氮化矽薄膜和多晶矽膜中的任意一種。
5.根據權利要求1所述的用於存儲器件的開關元件，其中所述第一二極體部包括金屬膜。
6.根據權利要求5所述的用於存儲器件的開關元件，其中所述金屬膜包括鋁(Al)、鎢 (W)、鈷(Co)、鎳(Ni)和銅(Cu)中的任意一種。
7.根據權利要求1所述的用於存儲器件的開關元件，其中所述第二絕緣圖案包括氧化 物膜。
8.根據權利要求1所述的用於存儲器件的開關元件，其中所述第二二極體部包括P-型多晶矽膜。
9.根據權利要求1所述的用於存儲器件的開關元件，其中所述第二二極體部包括N-型多晶矽膜。
10.根據權利要求1所述的用於存儲器件的開關元件，還包括插入在所述第一二極體 部和每個所述第二二極體部之間的阻擋層。
11.根據權利要求10所述的用於存儲器件的開關元件，其中所述阻擋層包括矽化鈦 (TiSi2)、矽化鎢(WSi2)、矽化鈷(CoSi2)、矽化鎳(NiSi2)和氮化鈦(TiN)中的任意一種。
12.一種製造用於存儲器件的開關元件的方法，包括以下步驟 在基底層上形成彼此間隔規則間距的線型硬掩模圖案；蝕刻由所述硬掩模圖案暴露出的所述基底層以形成多個線型溝槽； 在所述溝槽的底部上形成第一二極體部； 在其中具有所述第一二極體部的所述溝槽中包埋絕緣材料；沿垂直於所述硬掩模圖案的方向，在所述硬掩模圖案和所述絕緣材料上形成彼此間隔 規則間距的線型掩模圖案；移除由所述掩模圖案暴露出的所述絕緣材料，以形成暴露出所述第一二極體部表面的孔；除去所述掩模圖案；和 在所述孔中形成第二二極體部。
13.根據權利要求12所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，其中形成第一二極體部的步驟包括在每個所述溝槽中包埋第一二極體形成材料和蝕刻所述第一二極體材 料，以形成所述第一二極體部，從而使其在每個所述溝槽中延伸所述溝槽的長度。
14.根據權利要求12所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，其中所述基底層包 括氧化物膜。
15.根據權利要求12所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，其中所述硬掩模圖 案由非晶碳膜、氮化物膜、氮化矽膜和多晶矽膜中的任意一種形成。
16.根據權利要求12所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，其中所述第一二極 管部包括金屬材料。
17.根據權利要求16所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，其中所述金屬材料 包括鋁(Al)、鎢(W)、鈷(Co)、鎳(Ni)和銅(Cu)中的任意一種。
18.根據權利要求13所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，其中所述絕緣材料 包括氧化物。
19.根據權利要求12所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，其中所述掩模圖案 包括光敏膜圖案。
20.根據權利要求12所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，還包括以下步驟 在移除所述掩模圖案的步驟和在所述孔中形成所述第二二極體部的步驟之間，在所述第 一二極體部上形成阻擋層。
21.根據權利要求20所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，其中所述阻擋層包 括矽化鈦(TiSi2)、矽化鎢(WSi2)、矽化鈷(CoSi2)、矽化鎳(NiSi2)和氮化鈦(TiN)中的任 意一種。
22.根據權利要求12所述的製造用於存儲器件的開關元件的方法，其中所述第二二極 管部包括P-型多晶矽膜或N-型多晶矽膜。
全文摘要
一種用於存儲器件的開關元件，包括具有多個線型溝槽的基底層。在除溝槽以外的基底層上形成第一絕緣圖案。在溝槽底部上形成薄膜形式的第一二極體部。在第一二極體部上形成第二絕緣圖案並使其彼此間隔以在其中具有第一二極體部的溝槽中形成孔。在第一二極體部上方的孔中形成方柱形第二二極體部。
文檔編號H01L27/24GK101853873SQ20091020543
公開日2010年10月6日 申請日期2009年10月23日 優先權日2009年4月3日
發明者樸海贊 申請人:海力士半導體有限公司