垂直電晶體相變存儲器的製作方法
2023-10-28 10:49:32
專利名稱：垂直電晶體相變存儲器的製作方法
技術領域：
本發明大體來說涉及半導體存儲器裝置、方法及系統，且更特定來說，涉及垂直電晶體相變存儲器。
背景技術：
通常提供存儲器裝置作為 計算機或其它電子裝置中的內部半導體集成電路。存在許多不同類型的存儲器，包含隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)、同步動態隨機存取存儲器(SDRAM)、快閃記憶體及電阻式(例如電阻可變)存儲器以及其它存儲器。電阻式存儲器的類型包含可編程導體存儲器、電阻式隨機存取存儲器(RRAM)及相變隨機存取存儲器(PCRAM)以及其它電阻式存儲器。例如相變存儲器裝置的存儲器裝置可用作各種各樣的電子應用的非易失性存儲器以提供高存儲器密度、高可靠性及低功率消耗。非易失性存儲器可用於(舉例來說)個人計算機、可攜式存儲器棒、固態驅動器(SSD)、數位相機、蜂窩式電話、可攜式音樂播放器(例如MP3播放器)、電影播放器及其它電子裝置。例如電阻式存儲器裝置的存儲器裝置可包含布置成矩陣(例如，陣列)的若干個存儲器単元(例如電阻式存儲器単元)。舉例來說，所述存儲器単元的存取裝置(例如ニ極管、場效應電晶體(FET)或雙極結電晶體(BJT))可耦合到形成所述陣列的「行」的存取線(例如，字線)。每一存儲器單元的存儲器元件可耦合到呈所述陣列的「列」的數據線(例如，位線)。以此方式，可經由通過選擇耦合到存儲器単元行的柵極的字線來激活所述存儲器単元行的行解碼器來存取存儲器單元的存取裝置。可通過取決幹與特定存儲器単元的經編程狀態相關聯的電阻而致使不同電流在存儲器元件中流動來確定(例如，感測)選定存儲器單元行的經編程狀態。可將例如相變存儲器単元的存儲器單元編程(例如，寫入)到所要狀態。也就是說，可針對存儲器單元設定若干個經編程狀態(例如，電阻電平)中的一者。舉例來說，單電平單元(SLC)可表示兩個邏輯狀態中的一者，例如，I或O。還可將存儲器單元編程到兩個以上經編程狀態中的一者以便表示兩個以上ニ進位數字,例如，1111、0111、0011、1011、1001、0001、0101、1101、1100、0100、0000、1000、1010、0010、0110 或 1110。此些單元可稱為多狀態存儲器單元、多數字單元或多電平單元(MLC)。電阻式存儲器単元(例如PCRAM単元)可通過使電阻式存儲器単元材料(例如，電阻式存儲器元件)的電阻電平變化來存儲數據。PCRAM単元的電阻式存儲器元件可為相變材料，例如鍺-銻-碲化物(GST)。相變材料可以非晶較高電阻狀態或結晶較低電阻狀態存在。PCRAM單元的電阻狀態可通過向所述單元施加能量源(例如，電流脈衝或光脈衝以及其它能量源)來更改。舉例來說，向鄰近相變材料的加熱器電極施加編程電流可加熱所述加熱器電極，加熱器電極又可加熱鄰近相變材料且更改所述單元的電阻狀態。此可導致將PCRAM單元編程到特定電阻狀態，所述特定電阻狀態可對應於ー數據狀態。舉例來說，在ニ進位系統中，非晶較高電阻狀態可對應於數據狀態1，且結晶較低電阻狀態可對應於數據狀態O。然而，可反轉這些對應數據狀態的選擇，也就是說，在其它ニ進位系統中，非晶較高電阻狀態可對應於數據狀態O，且結晶較低電阻狀態可對應於數據狀態I
發明內容
圖IA到IG圖解說明與根據本發明的實施例形成相變存儲器単元相關聯的エ藝階段。圖IH圖解說明根據本發明的實施例的相變存儲器単元的透視圖。圖2A到2F圖解說明與根據本發明的實施例形成相變存儲器単元相關聯的エ藝階段。圖3A到3D圖解說明與根據本發明的實施例形成相變存儲器単元相關聯的エ藝階 段。圖3E圖解說明根據本發明的實施例在圖3D中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。圖3F圖解說明根據本發明的實施例在圖3D中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。圖3G圖解說明根據本發明的實施例的相變存儲器単元的透視圖。圖4是根據本發明的實施例的相變存儲器陣列的一部分的示意圖。
具體實施例方式本文中描述垂直電晶體相變存儲器及處理相變存儲器的方法。ー個或ー個以上方法實施例包含在垂直電晶體的至少一部分上形成電介質；在所述電介質上形成電極；及在所述電極的ー側的一部分上且在所述電介質的ー側的一部分上形成沿著所述電極及所述電介質延伸成與所述垂直電晶體接觸的垂直相變材料條帶。根據本發明的實施例製作相變存儲器(例如，相變存儲器単元或相變存儲器裝置)可提供具有相變材料與電極的自對準単元接觸的4F2架構。4F2架構可包含具有大約等於最小可實現特徵寬度(F)(例如，光學光刻尺寸)的平方的橫截面積的存儲器単元。此夕卜，根據本發明的實施例處理相變存儲器可減少用於編程相變存儲器単元(例如，改變其狀態)的編程電流。根據本發明的實施例製作相變存儲器可提供取決於僅ー個尺寸上的光刻及/或在一些實施例中完全獨立於光刻變化的有效電流路徑橫截面積。另外，根據本發明的實施例製作相變存儲器可提供線及/或空間圖案化的有效實施方案。在本發明的以下詳細描述中，參考形成本發明的一部分的附圖，且在附圖中以圖解說明的方式展示可如何實踐本發明的若干個實施例。充分詳細地描述這些實施例以使所屬領域的技術人員能夠實踐本發明的若干個實施例，且應理解，可利用其它實施例且可做出過程、電或機械改變，此並不背離本發明的範圍。如將了解，可添加、交換及/或消除本文中的各種實施例中所展示的元件以便提供本發明的若干個額外實施例。另外，如將了解，所述圖中所提供的元件的比例及相對標度打算圖解說明本發明的實施例且不應視為限制意義。如本文中所使用，「若干個」某物可指代ー個或ー個以上此種事物。舉例來說，若干個存儲器裝置可指代ー個或ー個以上存儲器裝置。如本文中所使用，「底部電極」可指代(例如)通過存取裝置觸點直接連接到存取裝置的電極。如本文中所使用，「頂部電扱」可指代不直接連接到存取裝置的電極，例如，不包含存取裝置觸點的電極。當將元件稱為「直接連接」到另一元件時，所述兩個元件之間不存在介入元件，可在一個元件形成之後但在另一元件形成之前形成的任何原生氧化物除外。舉例來說，如本文中所使用的「底部電極」可不具有存在於所述底部電極與存取裝置之間的介入元件，可在所述底部電極形成之後但在所述存取裝置形成之前形成的任何原生氧化物除外。相比之下，如本文中所使用的「頂部電扱」可具有在所述頂部電極與存取裝置之間的介入元件，例 如電阻式存儲器単元材料及底部電極。本文中所描述的各種處理階段(包含使用材料形成組件)可包含使用以此項技術中已知的若干種方式沉積材料。一些實例包含化學氣相沉積(CVD)及/或原子層沉積(ALD)以及其它沉積。如所屬領域的技術人員將了解，涉及材料移除的處理階段可包含使用(舉例來說)光學光刻、圖案化、溼蝕刻及/或幹蝕刻等等。本文中的圖遵循其中第一數字或前幾個數字對應於圖式圖編號且其餘數字識別圖式中的元件或組件的編號慣例。不同圖之間的類似元件或組件可通過使用類似數字來識另|J。舉例來說，在圖IA到IH中114可指代元件「 14」，且在圖2A到2F中可將類似元件指代為214。如將了解，可添加、交換及/或消除本文中的各種實施例中所展示的元件以便提供本發明的若干個額外實施例。另外，如將了解，所述圖中所提供的元件的比例及相對標度打算圖解說明本發明的實施例且不應視為限制意義。圖IA到IG圖解說明與根據本發明的實施例形成相變存儲器単元相關聯的エ藝階段。圖IA到IH圖解說明若干個垂直電晶體115的俯視平面圖(XY)、沿著切割線X-X截取的第一橫截面圖(X)及沿著切割線Y-Y截取的第二橫截面圖(Y)。如圖IA中所圖解說明，可在襯底102上形成垂直電晶體115。所述襯底可為矽襯底、絕緣體上矽(SOI)襯底、來自晶片接合的金屬上矽或藍寶石上矽(SOS)襯底以及其它襯底，例如ニ氧化矽(SiO2)。垂直電晶體115可具有共同源極及共同側柵極106。側柵極106可由導電材料形成且可與垂直電晶體柱的基底108 (例如，P摻雜矽)的相對側接觸地形成，如在圖IA的Y橫截面圖中所展示。側柵極106可沿著多個垂直電晶體115延續，如在圖IA的X橫截面圖中所展示。側柵極106可形成於垂直電晶體柱108的基底的相對側上，使得其接觸垂直電晶體柱的基底108，但不接觸襯底102也不接觸區110 (例如N+摻雜矽)。側柵極106可通過薄柵極氧化物而與基底108分離。一些實施例可包含僅ー個側柵極106而非兩個側柵極106。鄰近垂直電晶體115可通過塊體電介質材料104(例如ニ氧化矽)分離。垂直電晶體柱的基底108的頂部可經處理以通過所屬領域的技術人員已知的方法形成N+摻雜矽區110。N+摻雜矽區110的頂部可經處理以形成矽化物112，例如，通過在所述垂直電晶體柱上沉積鈷後續接著熱退火而形成的矽化鈷(CoSi2)。垂直電晶體115可進ー步經處理以在矽化物112的頂部上(例如，在包含矽化物112的垂直柱的頂部上)包含電極114。電極114可由導電材料(例如，鎢、氮化鈦等)形成。如圖IA中所圖解說明，雖然電極114在垂直電晶體115的頂部上，但如根據本文中所描述的後續處理階段將變得明了，電極114可稱為垂直電晶體相變存儲器単元100的底部電極114。如本文中更詳細地描述，作為較大存儲器單元陣列的一部分，側柵極106可稱為存取線，例如，字線。垂直電晶體115(例如，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET))可充當相變存儲器単元100的存取裝置。雖然本發明包含MOSFET存取裝置的使用，但可使用其它存取裝置，例如雙極結電晶體(BJT)或ニ極管以及其它存取裝置。圖IB圖解說明在圖IA中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。可在垂直電晶體115的陣列上形成(例如，沉積)電介質116。更具體來說，可在底部電極114上且在塊體材料104上形成電介質116。電介質116可為(舉例來說)ニ氧化矽，然而，可使用其它電介質材料。在一些實施例中，電介質116可由與塊體材料104相同的材料形成；然而，實施例並不限於此。因此，舉例來說，在圖IB的Y橫截面圖中，將所形成的電介質116圖解說明為在電介質與塊體材料104之間無任何分界，例如，「 116/104」，然而，在圖IB的X橫截面圖中，將電介質116圖解說明為在其與塊體材料104之間具有分界。圖解說明的此變化打算展示電介質116可由與塊體材料104相同的材料或不同材料形成。
可在電介質116上形成(例如，沉積)電極118。電極118可由導電材料(例如，鎢、氮化鈦或銅以及其它導電材料)形成。關於垂直電晶體相變存儲器単元，相對於電極114(例如，「底部電極114」)，電極118可在本文中稱為「頂部電極118」。作為較大存儲器單元陣列的一部分，頂部電極118可稱為數據線(例如，位線)，如本文中更詳細地描述。圖IC圖解說明在圖IB中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。可移除電介質116及頂部電極118的部分。舉例來說，可沿Y方向根據半間距將頂部電極118圖案化成若干線且接著對其進行蝕刻以移除電介質116材料與頂部電極118材料兩者。因此，電介質116與頂部電極118的經移除部分可沿X方向分離兩個特徵寬度(2F)，例如，電介質116與頂部電極118的剰餘部分的寬度可為2F。剰餘電介質116及頂部電極118材料的2F可沿X方向從第一垂直電晶體115上面的接近其中心點的位置橫跨到鄰近垂直電晶體115上面的接近其中心點的位置。因此，電介質116形成於垂直電晶體115的一部分上面，例如，垂直電晶體115的底部電極114的一部分上。電介質116及頂部電極118的經移除部分的寬度也可為2F，然而，實施例並不限於此。圖ID圖解說明在圖IC中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。可在頂部電極118上形成相變材料120。在一些實施例中，相變材料120可以保形方式沉積於頂部電極118上使得至少在頂部電極118的頂部上、在頂部電極118的側表面上、在電介質116的經暴露側表面上且在底部電極114的頂部表面上(例如，在垂直電晶體115的頂部上)形成沿垂直方向及/或水平方向(如圖ID的X及Y橫截面圖中所圖解說明)的大致均勻的厚度。如圖ID的沿X方向的橫截面圖中所圖解說明，還可在塊體材料104上形成相變材料120。相變材料120可包含(舉例來說)相變硫屬化物合金，例如鍺-銻-碲(GST)材料(例如，例如Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7等Ge-Sb-Te材料)。如本文中所使用，帶連字符的化學組成符號指示包含於特定混合物或化合物中的元素，且打算表示涉及所指示元素的所有化學計量。其它相變材料可包含(舉例來說)Ge-Te、In-Se、Ge-Sb、Sb-Te、Ga-Sb、In-Sb, As-Te, Al-Te, Ge-Sb-Te, Te-Ge-As, In-Sb-Te、Te-Sn-Se, Ge-Se-Ga、Bi-Se-Sb、Ga-Se-Te、Sn-Sb-Te, In-Sb-Ge、Te-Ge-Sb-S、Te-Ge-Sn-O、Te-Ge-Sn-Au, Pd-Te-Ge-Sn,In-Se-Ti-Co、Ge-Sb-Te-Pd、Ge-Sb-Te-Co、Sb-Te-Bi-Se、Ag-In-Sb-Te、Ge-Sb-Se-Te、Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn-Ni, Ge-Te-Sn-Pd 及 Ge-Te-Sn-Pt 以及各種其它相變材料。然而，本發明的實施例並不限於特定類型的相變材料。可在相變材料120上形成額外電介質122。在一些實施例中，額外電介質122可以保形方式沉積於相變材料120上使得至少在相變材料120的頂部及/或各側上形成沿垂直方向及/或水平方向(如圖ID的X及Y橫截面圖中所圖解說明)的大致均勻的厚度。所述電介質可為(舉例來說)氧化物電介質(例如ニ氧化矽)或氮化物電介質(例如氮化矽(Si3N4))。然而，本發明的實施例並不限於特定類型的電介質。圖IE圖解說明在圖ID中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。可從垂直電晶體115的陣列的頂部移除(例如，間隔件蝕刻)額外電介質122及相變材料120的部分達等於額外電介質122的厚度加上相變材料120的厚度(例如，額外電介質122及相變材料120兩者的保形沉積的厚度)的深度。如圖IE的X橫截面圖中所圖解說明，此移除可在電介質116及頂部電極118的各側上留下相變材料120。此外，此移除可在相變材料120的 頂部上及在相變材料120的與電介質116及頂部電極118的側表面相対的一側上留下垂直額外電介質122間隔件。垂直額外電介質122間隔件保留於相變材料120的凹口上，相變材料120保留於底部電極114上。圖IF圖解說明在圖IE中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。如圖IF的X橫截面圖及XY俯視平面圖中所最佳圖解說明，可移除ー個特徵寬度(F)的材料(例如，頂部電極118及電介質116)。可在電介質116及頂部電極材料118的沿X方向寬度為2F的剰餘部分之間(例如，沿X方向從中間)移除材料。可將材料向下移除到垂直電晶體115的陣列的高度，例如，如所圖解說明，移除到塊體材料104的頂部及/或底部電極114的頂部。舉例來說，可通過沿Y方向進行光學光刻及幹蝕刻以隔離相變材料120的鄰近剩餘部分來實現此移除。圖IG圖解說明在圖IF中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。如圖IG的XY俯視平面圖中所最佳圖解說明，可在沿Y方向彼此鄰近的垂直電晶體115之間移除相變材料120及額外電介質122的部分。舉例來說，可通過沿X方向對相變材料120及/或額外電介質122進行光學光刻及幹蝕刻以形成隔離的垂直間隔件單元來實現此移除。因此，此移除可留下形成於頂部電極118的ー側的一部分及電介質116的ー側的一部分上沿著頂部電極118及電介質116沿垂直方向延伸成與底部電極114 (例如，下伏於相變材料120下的垂直電晶體115)接觸的垂直相變材料120條帶。通過圖IH中所提供的垂直電晶體相變存儲器単元100的透視圖更詳細地對此進行圖解說明。圖IH圖解說明根據本發明的實施例的相變存儲器單元100的透視圖。如圖IH中所圖解說明，相變材料120僅延伸跨越電介質116及頂部電極118的側的寬度(沿Y方向)的一部分。也就是說，相變材料120的寬度(沿Y方向)小於頂部電極118的側表面的寬度(沿Y方向)。相變材料120延伸跨越電介質116及頂部電極118的整個高度(沿Z方向)，例如，從頂部電極118的頂部表面到底部電極114的頂部表面。相變材料120與頂部電極118、電介質116及底部電極114直接物理接觸。相變材料120的寬度(沿Y方向)小於底部電極114的頂部表面的寬度(沿Y方向)。相變材料120可在電介質116及頂部電極118上且通過共同平面(例如，如圖IH中所圖解說明的Y-Z平面)與電介質116及頂部電極118接觸。所述共同平面可包含電介質116、頂部電極118及相變材料120的側表面。從圖IH的圖解說明省略額外電介質122以便提供對根據本發明的實施例通過垂直電晶體相變存儲器単元100的操作形成的相變材料120的作用區121的更好圖解說明。如所屬領域的技術人員將了解，相變存儲器単元100的作用區121為可在較非晶狀態與較結晶狀態之間切換以便表示(例如，存儲)數據的區。相變材料120的剰餘部分可在相變存儲器単元100的操作期間保持處於大體結晶狀態。如圖IH中所圖解說明，作用區121位於底部電極114與頂部電極118之間。根據本發明的ー個或ー個以上實施例，作用區121可與電介質116接觸，但不與底部電極114或頂部電極118中的任一者直接物理接觸。相變材料120條帶與頂部電極118形成自對準接觸。圖2A到2F圖解說明與根據本發明的實施例形成相變存儲器単元相關聯的エ藝階段。圖2A到2F圖解說明若干個垂直電晶體215的俯視平面圖(XY)、沿著切割線X-X所截取的第一橫截面圖(X)及沿著切割線Y-Y所截取的第二橫截面圖(Y)。圖2A到2B分別類 似於圖IA到1B。因此，垂直電晶體215可形成於襯底202上且可具有共同源極及側柵極206。側柵極206可與垂直電晶體柱的基底208的相對側接觸地形成，如圖2A的Y橫截面圖中所展示。鄰近垂直電晶體215可通過塊體材料204分離。垂直電晶體柱的基底208的頂部可經處理以形成N+摻雜區210。N+摻雜區210的頂部可經處理以形成矽化物212。垂直電晶體215可進ー步經處理以在矽化物212的頂部上包含底部電極214。可在垂直電晶體215的陣列上形成電介質216。可在電介質216上形成頂部電極218。圖2C圖解說明在圖2B中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。可移除電介質216及頂部電極218的部分。舉例來說，可沿Y方向根據間距將頂部電極218圖案化成若干線且接著對其進行蝕刻以移除電介質216材料及頂部電極218材料兩者。因此，電介質216及頂部電極218的經移除部分可沿X方向分離ー個特徵寬度(F)，例如，電介質116及頂部電極118的剰餘部分的寬度可為1F。剰餘電介質216及頂部電極218材料的IF可沿X方向從特定垂直電晶體215上面的位置橫跨到沿X方向在特定垂直電晶體215與鄰近垂直電晶體215之間的鄰近塊體材料204上面的位置。因此，電介質216形成於垂直電晶體215的一部分上面，例如，垂直電晶體215的底部電極214的一部分上。圖2C中所圖解說明的處理階段與圖IC中所圖解說明的處理階段的不同之處在幹，關於圖2C頂部電極218是根據間距進行圖案化，而非關於圖IC根據半間距進行圖案化。因此，圖IC中所圖解說明的實施例留下2F寬度的剰餘電介質116及頂部電極118，而圖2C中所圖解說明的實施例留下IF寬度的剰餘電介質216及頂部電極218。圖2D到2E的處理階段分別類似於圖ID到IE的那些處理階段，上文關於圖IC及2C所描述的基礎結構及/或材料差異除外。也就是說，如本文中所描述，可在頂部電極218上形成(例如，以保形方式沉積)相變材料220。如本文中所描述，可在相變材料220上形成(例如，以保形方式沉積)額外電介質222。可從垂直電晶體215的陣列的頂部移除(例如，間隔件蝕刻)額外電介質222及相變材料220的部分達等於額外電介質222的厚度加上相變材料220的厚度(例如，額外電介質222及相變材料220兩者的保形沉積的厚度)的深度。如圖2E的X橫截面圖中所圖解說明，此移除可在電介質216及頂部電極218的各側上留下相變材料220。此外，此移除可在相變材料220的頂部上及在相變材料220的與電介質216及頂部電極218的側表面相対的一側上留下垂直額外電介質222間隔件。在圖IE中，垂直額外電介質122間隔件保留於在電介質116及頂部電極118的任ー側上保留於底部電極114上的相變材料120的凹口上。相比之下，在圖2E中，剩餘電介質216及頂部電極218的ー側包含在保留於底部電極214上的相變材料220的凹口上的垂直額外電介質222間隔件。然而，電介質216及頂部電極218的相對側包含在保留於塊體材料204上(例如，不在導電結構上)的相變材料220的凹口上的垂直額外電介質222間隔件。因此,不使用塊體材料204上面的相變材料220及垂直額外電介質222間隔件來形成相變存儲器単元的一部分，例如，其並不促成存儲器単元的操作。然而，在一些實施例中，維持相變材料220及垂直額外電介質222間隔件的未使用部分可減少處理階段數目及/或減少處理時間量。舉例來說，圖2A到2F的實施例可包含比圖IA到IG的實施例少的處理階段。也就是說，圖2A到2F的實施例不包含類似於與圖IF相關聯地描述的處理階段(例如，移除電介質116及頂部電極118的部分以隔離相變材料120的鄰近剩餘部分)的處理階段。如從對圖2E的回顧顯而易見，已根據本文中所描述的エ藝流程將導電錶面上面的相 變材料220的部分彼此隔離。然而，在一些實例中，如果未使用的材料促成藉此形成的存儲器裝置的性能降級，那麼圖IA到IG的實施例可比圖2A到2F的實施例有利。圖2F圖解說明在圖2E中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。圖2F的處理階段類似於圖IG的處理階段，上文所描述的基礎結構及/或材料差異除外。如圖2F的XY俯視平面圖中所最佳圖解說明，如本文中所描述，可在沿Y方向彼此鄰近的垂直電晶體215之間移除相變材料220及額外電介質222的部分。相變材料220及額外電介質222的經移除部分可沿Y方向從特定垂直電晶體215的遠端邊緣上面延伸到鄰近垂直電晶體215的近端邊緣上面，其中特定垂直電晶體215的遠端邊緣沿Y方向到鄰近垂直電晶體215的近端邊緣比到鄰近垂直電晶體215的遠端邊緣更近。因此，此移除可留下形成於頂部電極218的ー側的一部分及電介質216的ー側的一部分上沿著頂部電極218及電介質216沿垂直方向延伸成與底部電極214(例如，下伏於相變材料220下的垂直電晶體215)接觸的垂直相變材料220條帶。然而，不同於圖IG中所圖解說明的實施例，電介質216及頂部電極218的相對側也包含相變材料220及額外電介質222的垂直條帶。然而，所得垂直電晶體相變存儲器単元可類似於與圖IA到IG的實施例相關聯地形成的垂直電晶體相變存儲器單元，例如，如圖IH中所圖解說明。圖3A到3D圖解說明與根據本發明的實施例形成相變存儲器単元相關聯的エ藝階段。圖3A到3D圖解說明若干個垂直電晶體315的俯視平面圖(XY)、沿著切割線X-X所截取的第一橫截面圖(X)及沿著切割線Y-Y所截取的第二橫截面圖(Y)。如圖3A中所圖解說明，垂直電晶體315(例如，M0SFET)可形成於襯底302(例如，矽)上，且可具有共同源極及側柵極306。側柵極306可由導電材料形成且可與垂直電晶體柱的基底308(例如，P摻雜矽)的相對側接觸地形成(如圖3A的Y橫截面圖中所展示)，或可通過柵極氧化物與基底308分離。鄰近垂直電晶體315可通過塊體材料304(例如ニ氧化矽)分離。垂直柱的基底308上可包含電介質316。舉例來說，電介質316可為ニ氧化矽，例如，與塊體材料304相同的材料。電介質316上可包含犧牲材料324 (例如，氮化矽)。圖3B圖解說明在圖3A中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。可移除犧牲材料324，例如，可移除氮化矽硬掩模。隨後，可處理經暴露的柱(例如，電介質316)。舉例來說，可使用N+摻雜來形成區310 (例如，N+摻雜矽)。N+摻雜矽區310的頂部可經處理以形成矽化物312，例如，通過在垂直電晶體柱上沉積鈷後續接著熱退火而形成的矽化鈷(CoSi2)。圖3C圖解說明在圖3B中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。可在經暴露垂直電晶體柱315的頂部上(例如，在矽化物312的頂部上)及在塊體材料304的頂部上形成間隔件材料326。在一些實施例中，間隔件材料326可以保形方式沉積於垂直電晶體柱315的頂部上及塊體材料304的頂部上使得至少在矽化物312的頂部上(例如，在垂直電晶體315的頂部上)、在塊體材料304的頂部上及在塊體材料304的側表面上形成沿垂直方向及/或水平方向(如圖3C的X及Y橫截面圖中所圖解說明)的大致均勻的厚度。如圖3C的Y橫截面圖中所圖解說明，可形成間隔件材料326使得僅保留狹窄(沿X方向)垂直開ロ。如關於圖3C所使用，所述狹窄垂直開ロ至少指示所述開ロ大致窄於ー個特徵寬度(IF)。 間隔件材料326可為(舉例來說)電介質間隔件材料。電介質間隔件材料可包含(舉例來說)氧化物電介質間隔件(例如ニ氧化矽)及氮化物電介質間隔件(例如氮化矽)。然而，本發明的實施例並不限於特定類型的間隔件材料。圖3D圖解說明在圖3C中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。可從垂直電晶體315的陣列的頂部移除(例如，間隔件蝕刻)間隔件材料326的部分到達等於間隔件材料326的厚度(沿圖3C到3D的X橫截面圖中所圖解說明的垂直方向)(例如，間隔件材料326的保形沉積的厚度)的深度。此移除可留下圍繞垂直電晶體315的經暴露柱的內外圍(例如，在塊體材料304的各側上及在矽化物312的頂部上)的間隔件材料326。可在矽化物312的頂部上的開口中形成電極314(例如，底部電極)且電極314在四個側上由垂直電晶體315的柱上的間隔件326環繞。電極314可由導電材料形成。如圖3D的Y橫截面圖及XY俯視平面圖中所圖解說明，底部電極314可形成於間隔件材料326之間的狹窄(沿X方向)垂直開口中。如關於圖3D所使用，所述狹窄垂直開ロ至少指示所述開ロ大致窄於ー個特徵寬度(IF)。因此，可以說底部電極314形成垂直線電極314。圖3E圖解說明根據本發明的實施例在圖3D中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。從圖3D到達圖3E的處理階段類似於圖IB到IG的那些處理階段，上文關於圖3A到3D所描述的基礎結構及/或材料差異除外。圖3F圖解說明根據本發明的實施例在圖3D中所圖解說明的處理階段之後的進ー步處理。從圖3D到達圖3E的處理階段類似於圖2B到2F的那些處理階段，上文關於圖3A到3D所描述的基礎結構及/或材料差異除外。也就是說，可在垂直線電極314的至少一部分上(例如，在垂直線電極314的頂部表面上)形成電介質316。可在電介質316上(例如,在電介質316的頂部表面上)形成頂部電極318 (例如，位線)。可在垂直線電極314、電介質316及頂部電極318上且與其接觸地形成相變材料320。更具體來說，可在垂直線電極314的頂部表面上、在電介質316的側表面上及在頂部電極318的側表面上形成相變材料320。相變材料320可形成為沿正交於垂直線電極314的方向(例如，X方向)的方向(例如，Y方向)的垂直線。可在相變材料320的側表面上形成額外電介質322。圖3G圖解說明根據本發明的實施例的相變存儲器単元的透視圖。如圖3G中所圖解說明，相變材料320延伸跨越電介質316及頂部電極318的側的寬度(沿Y方向)。相變材料320延伸跨越電介質316及頂部電極318的整個高度(沿Z方向)，例如，從頂部電極318的頂部表面到垂直線電極314的頂部表面。相變材料320與頂部電極318、電介質316及垂直線電極314直接物理接觸。由於相變材料320的窄度(沿X方向)與垂直線電極314的窄度(沿Y方向)，所述兩者的相交點可稱為點觸點。此點觸點可顯著減少用於更改相變材料320的狀態的編程電流量。相變材料320可在電介質316及頂部電極318上且通過共同平面(例如，圖3G中所圖解說明的Y-Z平面)與電介質316及頂部電極318接觸。所述共同平面可包含電介質316、頂部電極318及相變材料320的側表面。從圖3G的圖解說明省略額外電介質322以便提供對根據本發明的實施例通過垂直電晶體相變存儲器単元300的操作形成的相變材料320的作用區321的較好圖解說明。如圖3G中所圖解說明，作用區321位於電介質316上及相變材料320與垂直線電極314之 間的點觸點上。根據本發明的ー個或ー個以上實施例，作用區321可不與頂部電極318直接物理接觸。圖4是根據本發明的實施例的相變存儲器陣列450的一部分的示意圖。相變存儲器陣列450包含各自具有相關聯的存取裝置415及相變存儲器材料420的若干個相變存儲器単元400。可根據本發明的若干個實施例來處理相變存儲器材料420。存取裝置415可經操作(例如，接通/關斷)以存取存儲器単元以便對所述存儲器單元執行例如編程(例如，寫入及/或感測(例如讀取)操作)的操作。在本文中所圖解說明的實施例中，存取裝置415為場效應電晶體(FET)。其它存取裝置可包含ニ極管及雙極結電晶體(BJT)。ニ極管可包含(舉例來說)p-n ニ極管、齊納ニ極管及肖特基ニ極管。如圖4中所展示，與每一存儲器單元400相關聯的每一存取裝置415耦合到若干個存取線430(例如字線WL0、WL1、WL2等)中的一者。每一字線430耦合到一「行」相變存儲器單元400。術語「行」的使用並非意在暗示存儲器単元400的特定線性及/或水平定向。而是，一行可意指耦合到特定字線430的若干個存儲器単元400，而不管存儲器単元400的定向如何。舉例來說，一行可包含以交錯的非線性定向耦合到特定字線430的若干個存儲器單元400。如圖4中所展示，每ー相變存儲器材料420耦合到若干個數據線428 (例如，位線BL0、BL1、BL2等)中的一者。每一位線428耦合到一「列」相變存儲器単元400。為便於在數字環境中尋址，字線430的數目及位線428的數目可各自為2的某一冪，例如，256個字線430X4，096個位線428。然而，實施例並不限於特定數目個字線430及/或位線428。此夕卜，術語「列」的使用並非意在暗示存儲器単元400的特定線性及/或垂直定向。而是，一列可意指耦合到特定位線428的若干個存儲器単元400，而不管存儲器単元400的定向如何。舉例來說，一列可包含以交錯(例如非線性)方式耦合到特定位線428的若干個存儲器單元 400。在操作中，可向位線428及/或字線430施加適當電壓及/或電流信號(例如，脈衝)以便將數據編程到相變存儲器陣列450的相變存儲器単元400及/或從相變存儲器陣列450的相變存儲器単元400感測數據。舉例來說，在編程操作期間，可使用電流(例如，編程電流)來加熱與相變存儲器材料420相關聯的電極以編程相變存儲器単元400，如本文中先前所描述。相變存儲器陣列450中所展示的存儲器単元400可為單電平単元(SLC)及/或多電平單元(MLC)，例如，單電平PCRAM單元400及/或多電平PCRAM單元400。可將單電平PCRAM單元400編程到大體較非晶(復位)狀態或大體較結晶(設定)狀態。此些復位及/或設定狀態可對應於ニ進位O及/或I。復位脈衝可包含施加到PCRAM單元400 (例如，PCRAM單元400的電極)達相對短的時間周期的相對高的電流脈衝。在PCRAM單元400的PCRAM單元材料420「熔化」之後可快速減小施加到PCRAM單元400的電流，從而允許PCRAM單元材料420快速冷卻成較非晶狀態，其中(至少部分地)由於PCRAM單元材料420的相對迅速冷卻，通常在較低程度上發生可允許結晶的原子運動。相反地，設定脈衝可包含施加到單元400達相對較長時間周期的具有較慢淬滅速度的相對較低電流脈衝，例如，可較緩慢地減小所述電流從而允許PCRAM單元材料420有更長時間來冷卻。因此，PCRAM單元材料420可在比復位脈衝之後更大的程度上結晶。ー些PCRAM単元材料420可具有與較非晶狀態相關聯的較大電阻率及與較結晶狀態相關聯的較小電阻率。
可將多電平PCRAM單元400編程到在非晶與結晶之間的若干個中間狀態。舉例來說，可將多電平PCRAM単元400編程到各種結構次序電平。經由施加處於特定電流電平的若干個編程脈衝，可將PCRAM単元400編程到給定電阻狀態。藉助適當編程電流，可將PCRAM単元400編程到具有部分非晶及部分結晶結構的若干個中間狀態，從而提供多電平電阻狀態。為特定PCRAM単元400選擇的數據狀態的數目可基於(舉例來說)所要應用、設計及エ藝限制(例如，編程時間、感測時間及感測電流的準確性)以及其它因素。在若干個實施例中，相變存儲器陣列450可包含堆疊成三維配置的相變存儲器單元400。也就是說，相變存儲器陣列450可包含第一數目個相變存儲器単元400及堆疊於第一數目個相變存儲器単元400的頂部上的第二數目個相變存儲器単元400。舉例來說，相變存儲器陣列450可包含堆疊於耦合到字線430的相變存儲器単元400行的頂部上的ー個或ー個以上額外相變存儲器単元400行。相變存儲器陣列450還可包含堆疊於耦合到位線428的相變存儲器単元400列的頂部上的ー個或ー個以上額外相變存儲器単元400列。在若干個實施例中，特定列堆疊中的每ー相變存儲器単元400列可耦合到共同(例如，同一)位線428。本發明的實施例並不限於圖4中所圖解說明的相變存儲器陣列450。舉例來說，如所屬領域的技術人員將理解，存儲器陣列可具有除圖4中所圖解說明的架構以外的架構。此外，如所屬領域的技術人員將了解，相變存儲器陣列450可耦合到控制器(例如，控制電路及/或編程及感測電路)(圖4中未展示)。結論本文中描述垂直電晶體相變存儲器及處理相變存儲器的方法。ー個或ー個以上方法實施例包含在垂直電晶體的至少一部分上形成電介質；在所述電介質上形成電極；及在所述電極的ー側的一部分上且在所述電介質的ー側的一部分上形成沿著所述電極及所述電介質延伸成與所述垂直電晶體接觸的垂直相變材料條帶。雖然本文中已圖解說明及描述了特定實施例，但所屬領域的技術人員將了解可用旨在實現相同結果的布置來替代所展示的特定實施例。本發明打算涵蓋本發明的各種實施例的修改或變化形式。應理解，已以圖解說明方式而非限定方式做出以上描述。在審閱以上描述之後，所屬領域的技術人員將即刻明了以上實施例的組合及本文中未具體描述的其它實施例。本發明的各種實施例的範圍包含其中使用以上結構及方法的其它應用。因此，應參考所附權利要求書連同授權此權利要求書的等效物的全部範圍來確定本發明的各種實施例的範圍。在前述實施方式中，出於簡化本發明的目的而將各種特徵一起集合在單個實施例中。本發明的此方法不應解釋為反映本發明所掲示實施例必須使用比明確陳述於每ー權利要求中多的特徵的意圖。而是，如以上權利要求書反映，發明性標的物在於少於單個所掲示實施例的所有特徵。因此,特此將以上權利要求書併入到實施方式中,其中每ー權利要求獨立地作為單獨實施例。 ·
權利要求
1.一種相變存儲器単元，其包括 垂直電晶體，其包含在柱上的底部電極； 電介質，其在所述底部電極的一部分的頂部表面上； 頂部電極，其在所述電介質上； 相變材料，其在所述頂部電極的側表面上、在所述電介質的側表面上且在所述底部電極的頂部表面上。
2.根據權利要求I所述的相變存儲器単元，其中所述相變材料的寬度小於所述底部電極的所述頂部表面的寬度。
3.根據權利要求I所述的相變存儲器単元，其中所述相變材料的寬度小於所述頂部電極的所述側表面的寬度。
4.根據權利要求I所述的相變存儲器単元，其中所述相變存儲器単元在所述頂部電極的相對側表面上且在所述電介質的相對側表面上包含額外相變材料。
5.根據權利要求I所述的相變存儲器単元，其中所述相變存儲器単元在所述相變材料的與所述頂部電極的所述側表面相對且與所述電介質的所述側表面相對的側表面上包含額外電介質。
6.根據權利要求I所述的相變存儲器単元，其中所述相變材料在所述電介質上所述頂部電極與所述底部電極之間包含作用區。
7.根據權利要求I所述的相變存儲器単元，其中所述相變材料從所述頂部電極的頂部表面延伸到所述底部電極的頂部表面。
8.—種相變存儲器単元，其包括 垂直電晶體，其包含垂直線電極； 電介質，其在所述垂直線電極的一部分的頂部表面上； 頂部電極，其在所述電介質的頂部表面上 '及 相變材料，其在所述頂部電極的側表面上、在所述電介質的側表面上且在所述垂直線電極的頂部表面上。
9.根據權利要求8所述的相變存儲器単元，其中所述相變材料與所述垂直線電極點接觸。
10.根據權利要求9所述的相變存儲器単元，其中所述相變材料在所述電介質上且在所述點觸點上包含作用區。
11.根據權利要求8所述的相變存儲器単元，其中所述相變存儲器単元包含環繞所述垂直線電極的側表面的間隔件。
12.根據權利要求8所述的相變存儲器単元，其中所述頂部電極包括數據線。
13.根據權利要求8所述的相變存儲器単元，其中所述垂直電晶體為金屬氧化物半導體場效應電晶體MOSFET。
14.一種相變存儲器單元陣列，其包括 電介質，其在垂直電晶體陣列上； 電極，其在所述電介質上；及 相變材料，其在所述電介質及所述電極上且通過共同平面與所述電介質及所述電極接觸，其中所述相變材料在所述垂直電晶體陣列中的若干個垂直電晶體上且與所述若干個垂直電晶體接觸。
15.根據權利要求14所述的相變存儲器單元陣列，其包含所述電介質及所述電極的經移除部分，其中所述經移除部分分離剩餘電介質及電極的ー個特徵寬度跨距，且其中所述剰餘電介質及電極沿第一方向從特定垂直電晶體上面的位置橫跨到所述特定垂直電晶體與鄰近垂直電晶體之間的位置。
16.根據權利要求15所述的相變存儲器單元陣列，其中所述相變材料至少在所述電極的頂部上、在所述電極的側上、在所述電介質的側上且在所述垂直電晶體陣列的頂部上。
17.根據權利要求16所述的相變存儲器單元陣列，其中所述陣列在所述相變材料上包含額外電介質；且 其中所述額外電介質及所述相變材料的經移除部分延伸到等於所述所形成額外電介質及所述相變材料的厚度的深度。
18.根據權利要求17所述的相變存儲器單元陣列，其中所述額外電介質及相變材料的經移除部分沿第二方向從第一垂直電晶體的遠端邊緣上面延伸到鄰近於所述第一垂直電晶體的第二垂直電晶體的近端邊緣上面。
全文摘要
本文中描述垂直電晶體相變存儲器及處理相變存儲器的方法。一種或一種以上方法包含在垂直電晶體的至少一部分上形成電介質；在所述電介質上形成電極；及在所述電極的一側的一部分上且在所述電介質的一側的一部分上形成沿著所述電極及所述電介質延伸成與所述垂直電晶體接觸的垂直相變材料條帶。
文檔編號H01L21/8247GK102870215SQ201180019878
公開日2013年1月9日 申請日期2011年4月11日 優先權日2010年4月19日
發明者劉峻 申請人:美光科技公司