开关元件、可变电阻存储器装置和制造开关元件的方法专利检索-电阻电子零件及设备专利检索查询-专利查询网

开关元件、可变 电阻 存储器装置和制造开关元件的方法

阅读：612发布：2021-04-11

专利汇可以提供开关元件、可变电阻存储器装置和制造开关元件的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种开关元件、可变电阻存储器装置和制造该开关元件的方法。所述开关元件包括：设置在衬底上的下阻挡电极；设置在下阻挡电极上的开关图案；以及设置在开关图案上的上阻挡电极。开关图案包括第一开关图案和第二开关图案，所述第二开关图案设置在第一开关图案上并具有与第一开关图案的密度不同的密度。，下面是开关元件、可变电阻存储器装置和制造开关元件的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种开关元件，包括：
下阻挡电极，其设置在衬底上；
开关图案，其设置在所述下阻挡电极上；以及
上阻挡电极，其设置在所述开关图案上，
其中，所述开关图案包括：
第一开关图案；和
第二开关图案，所述第二开关图案设置在所述第一开关图案上，并具有与所述第一开关图案的密度不同的密度。
2.根据权利要求1所述的开关元件，其中，所述第一开关图案和所述第二开关图案具有空隙，并包含填充所述空隙的惰性气体。
3.根据权利要求2所述的开关元件，其中，所述惰性气体包括具有不同的粘着系数的至少两种不同的气体。
4.根据权利要求2所述的开关元件，其中，所述惰性气体包括第一惰性气体和第二惰性气体，并且
其中，所述第一惰性气体比所述第二惰性气体轻。
5.根据权利要求4所述的开关元件，其中，所述第一惰性气体包括氩气，并且所述第二惰性气体包括氪气。
6.根据权利要求5所述的开关元件，其中，所述第二惰性气体还包括氙气或氡气。
7.根据权利要求1所述的开关元件，其中，所述第二开关图案的密度大于所述第一开关图案的密度。
8.根据权利要求7所述的开关元件，其中，所述开关图案还包括第三开关图案，所述第三开关图案设置在所述第二开关图案上并具有小于所述第二开关图案的密度且等于所述第一开关图案的密度的密度。
9.根据权利要求1所述的开关元件，其中，所述下阻挡电极包括：
第一下阻挡电极；以及
第二下阻挡电极，其设置在所述第一下阻挡电极与所述第一开关图案之间，并具有比所述第一下阻挡电极的密度大的密度。
10.根据权利要求1所述的开关元件，其中，所述上阻挡电极包括：
第一上阻挡电极；以及
第二上阻挡电极，其设置在所述第一上阻挡电极上并具有比所述第一上阻挡电极的密度小的密度。
11.一种可变电阻存储器装置，包括：
在第一方向上延伸的第一导电线路；
在与所述第一方向相交的第二方向上延伸的第二导电线路；
设置在所述第一导电线路与所述第二导电线路之间的可变电阻结构；以及根据权利要求1所述的开关元件，其设置在所述可变电阻结构与所述第二导电线路之间。
12.根据权利要求11所述的可变电阻存储器装置，还包括位于所述下阻挡电极与所述可变电阻结构之间的中间电极。
13.根据权利要求11所述的可变电阻存储器装置，其中，所述下阻挡电极包括：
第一下阻挡电极；以及
第二下阻挡电极，其设置在所述第一下阻挡电极与所述第一开关图案之间，并具有比所述第一下阻挡电极的密度大的密度，
其中，所述第一下阻挡电极包括低密度碳，并且
其中，所述第二下阻挡电极包括高密度碳。
14.一种存储器装置，包括：
多个存储器单元堆叠件，所述多个存储器单元堆叠件中的每一个均包括多个存储器单元；以及
设置在所述多个存储器单元堆叠件之间并连接所述多个存储器单元的多条导电线路，其中，所述多个存储器单元中的每个存储器单元包括：
可变电阻结构，所述可变电阻结构包括其相态根据第一温度在结晶相与非晶相之间可逆地改变的材料；以及
开关元件，其将所述可变电阻结构连接到所述多条导电线路中的至少一条，并包括具有用于将电流或电压提供到所述可变电阻结构的不同的阈值电压的多个层。
15.根据权利要求14所述的存储器装置，其中，所述开关元件包括：
具有第一阈值电压的第一开关层；以及
具有比所述第一阈值电压大的第二阈值电压的第二开关层。
16.根据权利要求15所述的存储器装置，其中，所述开关元件包括其相态根据比所述第一温度高的第二温度在所述结晶相与所述非晶相之间可逆地改变的材料。
17.一种制造开关元件的方法，所述方法包括：
在衬底上形成下阻挡层；
在所述下阻挡层上形成开关层；
在所述开关层上形成上阻挡层；以及
去除所述下阻挡层、所述开关层和所述上阻挡层中的每个的一部分以形成开关元件，其中，形成所述开关层包括：
形成第一开关层；以及
在所述第一开关层上形成第二开关层，并且
其中，所述第二开关层具有与所述第一开关层的密度不同的密度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过溅射方法来形成所述开关层，其中，使用第一惰性气体来形成所述第一开关层，并且
其中，使用与所述第一惰性气体不同的第二惰性气体来形成所述第二开关层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一惰性气体包括氩气，并且所述第二惰性气体包括氪气、氙气和氡气中的至少一种。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，形成所述开关层还包括通过使用所述第一惰性气体在所述第二开关层上形成第三开关层。
21.一种制造开关元件的方法，所述方法包括：
在衬底上形成下阻挡层；
在所述下阻挡层上形成开关层；以及
在所述开关层上形成上阻挡层，
其中，形成所述开关层包括使用Kr气在所述下阻挡层上形成高密度开关层。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，形成所述开关层还包括使用Ar气在所述下阻挡层与所述高密度开关层之间形成低密度开关层。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，通过溅射方法来形成所述高密度开关层和所述低密度开关层。
24.一种制造开关元件的方法，所述方法包括：
在衬底上形成下阻挡层；
在所述下阻挡层上形成开关层；以及
在所述开关层上形成上阻挡层，
其中，形成所述开关层包括形成包含Kr的高密度开关层。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述高密度开关层包括Xe或Rn。

说明书全文

开关元件、可变 电阻 存储器装置和制造开关元件的方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2018年9月13日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2018-0109498的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文中。

技术领域

[0003] 根据本发明构思的示例性实施例的设备和方法涉及一种半导体，更具体地，涉及一种开关元件、可变电阻存储器装置。

背景技术

[0004] 半导体存储器装置可以分为易失性存储器装置和非易失性存储器装置。易失性存储器装置会在其电源中断时丢失其存储的数据。例如，易失性存储器装置可以包括动态随机存取存储器(DRAM)装置和静态随机存取存储器(SRAM)装置。相反，非易失性存储器装置即使在其电源被中断时也可以保留其存储的数据。例如，非易失性存储器装置可以包括可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电EPROM(EEPROM)和闪速存储器装置。

[0005] 已经开发了下一代半导体存储器装置(例如，铁电随机存取存储器(FRAM)装置、磁随机存取存储器(MRAM)装置和相变随机存取存储器(PRAM)装置)以提供高性能和低功耗的半导体存储器装置。这些下一代半导体存储器装置的材料可以具有根据向其施加的电流或电压而可变的电阻值，并且即使在电流或电压中断时也可以保持它们的电阻值。

发明内容

[0006] 发明构思的示例实施例可以提供一种能够减少漏电流并改善阈值电压的均匀性的开关元件、包括该开关元件的可变电阻存储器装置以及制造该开关元件的方法。

[0007] 根据示例实施例，提供了一种开关元件，其可以包括设置在衬底上的下阻挡电极、设置在下阻挡电极上的开关图案和位于开关图案上的上阻挡电极。开关图案可以包括第一开关图案和第二开关图案，所述第二开关图案设置在第一开关图案上并具有与第一开关图案的密度不同的密度。

[0008] 根据示例实施例，提供了一种可变电阻存储器装置，其可以包括在第一方向上延伸的第一导电线路、在与第一方向相交的第二方向上延伸的第二导电线路、设置在第一导电线路与第二导电线路之间的可变电阻结构以及上述开关元件。

[0009] 根据示例实施例，提供了一种存储器装置，其可以包括均包含多个存储器单元的多个存储器单元堆叠件。存储器装置还可以包括设置在多个存储器单元堆叠件之间并连接多个存储器单元的多条导电线路。每个存储器单元可以包括：可变电阻结构，其由其相态根据温度在结晶相与非晶相之间可逆地改变的材料形成；以及开关元件，其将可变电阻结构连接到多条导电线路中的至少一条。这里，开关元件可以包括具有用于将电流或电压提供到可变电阻结构的不同的阈值电压的多个层。

[0010] 根据示例实施例，提供了一种制造开关元件的方法，其可以包括：在衬底上形成下阻挡层；在下阻挡层上形成开关层；在开关层上形成上阻挡层；以及去除下阻挡层、开关层和上阻挡层中的每个的一部分以形成开关元件。形成开关层可以包括形成第一开关层以及在第一开关层上形成第二开关层，其中，第二开关层具有与第一开关层的密度不同的密度。

[0011] 根据示例实施例，提供了一种制造开关元件的方法，其可以包括：在衬底上形成下阻挡层；在下阻挡层上形成开关层以及在开关层上形成上阻挡层。形成开关层包括使用Kr气在下阻挡层上形成高密度开关层。

[0012] 根据示例实施例，提供了一种制造开关元件的方法，其可以包括：在衬底上形成下阻挡层；在下阻挡层上形成开关层；以及在开关层上形成上阻挡层。形成开关层包括形成包含Kr的高密度开关层。附图说明

[0013] 鉴于附图及所附示例实施例的详细描述，发明构思将变得更加显而易见。

[0014] 图1是示出根据一些示例实施例的可变电阻存储器装置的概念图。

[0015] 图2是示出图1的存储器单元堆叠件的电路图。

[0016] 图3是示出图2的第一导电线路和第二导电线路以及存储器单元的示例实施例的平面图。

[0017] 图4A和图4B分别是根据示例实施例的沿图3的线I-I'和线II-II'截取的截面图。

[0018] 图5和图6是示出图4A和图4B的第一开关图案和第二开关图案的一些示例实施例的截面图。

[0019] 图7A和图7B是根据一些示例实施例的示出可变电阻存储器装置的沿图3的线I-I'和线II-II'截取的截面图。

[0020] 图8是示出图7A和图7B的开关图案的示例实施例的截面图。

[0021] 图9是示出根据示例实施例的制造图3的可变电阻存储器装置的方法的流程图。

[0022] 图10A和图10B至图18A和图18B分别是根据示例实施例的示出制造图3的可变电阻存储器装置的方法的沿图3的线I-I'和线II-II'截取的截面图。

[0023] 图19是示出形成图9中的开关元件的操作的示例实施例的流程图。

[0024] 图20是示出根据示例实施例的用于沉积图16A和图16B的开关层的薄层沉积设备的示意图。

具体实施方式

[0025] 图1是示出根据一些实施例的可变电阻存储器装置100的概念图。

[0026] 参照图1，根据一些实施例的可变电阻存储器装置100可以包括顺序地堆叠在衬底W上的多个存储器单元堆叠件MCA。每个存储器单元堆叠件MCA可以包括二维布置的多个可变电阻存储器单元。根据一些实施例的可变电阻存储器装置100还可以包括设置在存储器单元堆叠件MCA之间并用来写入、读取和/或擦除可变电阻存储器单元的导电线路(未示出)。图1示出了五个存储器单元堆叠件MCA。然而，发明构思不限于此。

[0027] 图2是示出图1的存储器单元堆叠件的电路图。第一存储器单元堆叠件MCA1在图2中作为示例示出。第一存储器单元堆叠件MCA1可以包括设置在第一导电线路CL1和第二导电线路CL2的相交点处的存储器单元MC。尽管图2中未示出，但是第二存储器单元堆叠件可以设置在第一存储器单元堆叠件MCA1上。与第一存储器单元堆叠件MCA1一样，第二存储器单元堆叠件可以包括设置在第三导电线路和第四导电线路的相交点处的存储器单元。例如，第三导电线路可以是与第二导电线路CL2竖直地间隔开的单独的导电线路。可替代地，第二存储器单元堆叠件可以与第一存储器单元堆叠件MCA1共享第二导电线路CL2。在此情况下，第三导电线路可以与第二导电线路CL2对应。第一存储器单元堆叠件MCA1的存储器单元MC可以在衬底W上二维布置以构成各行和各列。

[0028] 图3是示出图2的第一导电线路CL1和第二导电线路CL2以及存储器单元MC的实施例的平面图。图4A和图4B分别是沿图3的线I-I'和线II-II'截取的截面图。

[0029] 参照图3以及图4A和图4B，第一导电线路CL1可以在衬底W上在第一方向D1上延伸，第二导电线路CL2可以在衬底W上在第二方向D2上延伸。衬底W可以包括单晶半导体材料。例如，衬底W可以是硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、锗衬底、绝缘体上锗(GOI)衬底或者硅-锗(SiGe)衬底。第一导电线路CL1可以是字线，第二导电线路CL2可以是位线。可替代地，第一导电线路CL1可以是位线，第二导电线路CL2可以是字线。第一导电线路CL1和第二导电线路CL2可以包括诸如铜或铝的导电材料。第一导电线路CL1和第二导电线路CL2还可以包括诸如TiN或WN的导电金属氮化物。第一导电线路CL1可以设置在下绝缘层105中。第二导电线路CL2可以设置在上绝缘层119中。例如，下绝缘层105和上绝缘层119可以包括氧化硅或氮氧化硅。

[0030] 存储器单元MC可以设置在第一导电线路CL1与第二导电线路CL2之间。在一些实施例中，每个存储器单元MC可以包括可变电阻结构CR和开关元件SW。可变电阻结构CR可以连接到第一导电线路CL1。可变电阻结构CR可以具有可变的电阻值以存储数据。开关元件SW可以连接到第二导电线路CL2。开关元件SW可以通过比开关元件SW的阈值电压(Vth)高的电压将第二导电线路CL2连接到可变电阻结构CR。存储器单元MC还可以包括位于可变电阻结构CR与开关元件SW之间的中间电极ME。可变电阻结构CR可以设置在开关元件SW与衬底W之间。可替代地，开关元件SW可以设置在可变电阻结构CR与衬底W之间。在下文中，出于容易且便于解释的目的，将描述可变电阻结构CR设置在第一导电线路CL1与开关元件SW之间的实施例。然而，实施例不限于此。

[0031] 可变电阻结构CR可以设置在形成于第一导电线路CL1上的第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115中的凹陷区域RS中。例如，第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115可以包括氮化硅或氮氧化硅。当从平面图中观看时，多个凹陷区域RS可以分别设置在第一导电线路CL1和第二导电线路CL2的相交点处，并且可以是二维布置的。可替代地，可变电阻结构CR可以具有在第一方向D1或第二方向D2上延伸的线形状。

[0032] 可变电阻结构CR可以由具有能够存储数据的性质的材料中的至少一种来形成。当根据一些实施例的可变电阻存储器装置100是相变存储器装置时，可变电阻结构CR可以包括其相态根据温度在结晶相与非晶相之间可逆地改变的材料。

[0033] 例如，用于可变电阻结构CR的结晶相与非晶相之间的相转变的相转变温度可以在大约250摄氏度至大约350摄氏度的范围内。可变电阻结构CR可以由包括Te和Se(即，硫族元素)中的至少一种以及Ge、Sb、Bi、Pb、Sn、Ag、As、S、Si、In、Ti、Ga、P、O和C中的至少一种的化合物形成。例如，可变电阻结构CR可以包括GeSbTe、GeTeAs、SbTeSe、GeTe、SbTe、SeTeSn、GeTeSe、SbSeBi、GeBiTe、GeTeTi、InSe、GaTeSe和InSbTe中的至少一种。在特定实施例中，可变电阻结构CR可以具有包括Ge的层和不包括Ge的层重复地且交替地堆叠的超晶格结构。例如，可变电阻结构CR可以具有GeTe层和SbTe层重复地且交替地堆叠的结构。

[0034] 在特定实施例中，可变电阻结构CR可以包括钙钛矿化合物和导电金属氧化物中的至少一种。例如，可变电阻结构CR可以包括氧化铌、氧化钛、氧化镍、氧化锆、氧化钒、(Pr,Ca)MnO3(PCMO)、氧化锶钛、氧化钡锶钛、氧化锶锆、氧化钡锆和氧化钡锶锆中的至少一种。当可变电阻结构CR包括过渡金属氧化物时，可变电阻结构CR的介电常数可以大于氧化硅的介电常数。在特定实施例中，可变电阻结构CR可以具有导电金属氧化物层和隧道绝缘层的双层结构，或者可以具有第一导电金属氧化物层、隧道绝缘层和第二导电金属氧化物层的三层结构。隧道绝缘层可以包括氧化铝、氧化铪或氧化硅。

[0035] 加热器电极HE可以设置在第一导电线路CL1与可变电阻结构CR之间。加热器电极HE可以将在第一方向D1上彼此相邻的一对可变电阻结构CR连接到第一导电线路CL1。例如，加热器电极HE可以包括：水平部分BP，其连接到第一导电线路CL1；以及一对竖直部分SP，其从水平部分BP的两个端部分别延伸到该对可变电阻结构CR。可替代地，多个加热器电极HE可以分别设置在第一导电线路CL1和第二导电线路CL2的相交点处，并且可以是二维布置的。加热器电极HE可以加热可变电阻结构CR以改变可变电阻结构CR的相态。加热器电极HE可以由电阻率大于第一导电线路CL1的电阻率的材料形成。例如，加热器电极HE可以包括W、Ti、Al、Cu、C、CN、TiN、TiAlN、TiSiN、TiCN、WN、CoSiN、WSiN、TaN、TaCN、TaSiN和TiO中的至少一种。

[0036] 间隔件图案120可以设置在加热器电极HE与第二层间绝缘层113之间。间隔件图案120可以沿加热器电极HE的水平部分BP和竖直部分SP延伸。例如，间隔件图案120可以包括氧化硅和/或氮氧化硅。

[0037] 凹陷区域RS的下部分可以被可变电阻结构CR占据，凹陷区域RS的上部分可以被中间电极ME占据。中间电极ME可以电连接可变电阻结构CR和开关元件SW，并且可以防止可变电阻结构CR与开关元件SW直接接触。例如，中间电极ME可以包括W、Ti、Al、Cu、C、CN、TiN、TiAlN、TiSiN、TiCN、WN、CoSiN、WSiN、TaN、TaCN和TaSiN中的至少一种。第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115的顶表面可以基本与中间电极ME的顶表面共面。根据实施例，中间电极ME也可以设置在第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115上。

[0038] 开关元件SW可以设置在中间电极ME与第二导电线路CL2之间。开关元件SW可以包括具有双方向特性的双向阈值开关(OTS)元件。开关元件SW可以包括基于具有非线性I-V曲线(例如，S-形状的I-V曲线)的阈值开关现象的元件。在一些实施例中，开关元件SW可以包括下阻挡电极130、开关图案140、上阻挡电极150和上电极160。

[0039] 下阻挡电极130可以设置在中间电极ME与开关图案140之间。下阻挡电极130可以防止中间电极ME与开关图案140之间的热传递或者使中间电极ME与开关图案140之间的热传递最小化。下阻挡电极130可以根据密度差、电阻率差或表面粗糙度差而包括多电极。在一些实施例中，下阻挡电极130可以包括第一下阻挡电极132和第二下阻挡电极134。

[0040] 第一下阻挡电极132可以设置在中间电极ME与开关图案140之间。第一下阻挡电极132可以减小中间电极ME与开关图案140之间的应力，并可以增大中间电极ME与开关图案
140之间的粘合强度。在一些实施例中，第一下阻挡电极132可以在第一方向D1和/或第二方向D2上比中间电极ME宽。中间电极ME可以具有第一宽度WD1，第一下阻挡电极132可以具有比第一宽度WD1大的第二宽度WD2。因此，第一下阻挡电极132也可以设置在开关图案140与第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115的一部分之间。第一下阻挡电极132可以减小开关图案140与第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115的一部分之间的应力，并且可以增大开关图案140与第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115的一部分之间的粘合强度。例如，第一下阻挡电极132可以包
3
括具有小于大约2.0g/cm 的密度的低密度碳。例如，第一下阻挡电极132可以具有大约
1.73g/cm3的密度。第一下阻挡电极132可以具有大约46.5mΩ·cm的电阻率以及大约1.0nm的表面粗糙度。

[0041] 第二下阻挡电极134可以设置在第一下阻挡电极132与开关图案140之间。第二下阻挡电极134的密度可以高于第一下阻挡电极132的密度。例如，第二下阻挡电极134可以包括具有大于大约2.0g/cm3的密度的高密度碳。例如，第二下阻挡电极134可以具有大约2.34g/cm3的密度。第二下阻挡电极134可以使包括在开关图案140中的元素的扩散最小化，或者防止包括在开关图案140中的元素的扩散。另外，第二下阻挡电极134可以使第一下阻挡电极132和开关图案140的混合最小化，或者防止第一下阻挡电极132和开关图案140的混合。第二下阻挡电极134的电阻率可以小于第一下阻挡电极132的电阻率。第二下阻挡电极
134的表面粗糙度可以小于第一下阻挡电极132的表面粗糙度。例如，第二下阻挡电极134可以具有大约24.8mΩ的电阻率以及大约0.4nm的表面粗糙度。

[0042] 开关图案140可以设置在第二下阻挡电极134上。开关图案140可以具有用于结晶相与非晶相之间的相转变的相转变温度，其高于可变电阻结构CR的相转变温度。例如，开关图案140的相转变温度可以在大约350摄氏度至大约450摄氏度的范围内。因此，当操作根据实施例的可变电阻存储器装置100时，可变电阻结构CR的相态可以通过操作电压(例如，编程电压)在结晶相与非晶相之间可逆地改变，但是即使向其施加操作电压也可以保持开关图案140的基本非晶态而不改变相态。在本说明书中，术语“基本非晶态”可以包括非晶态，并且也可以包括晶界或结晶部分局部存在于一部分成分中的情况。例如，开关图案140可以由包括Te和Se(即，硫族元素)中的至少一种以及Ge、Sb、Bi、Al、Pb、Sn、Ag、As、S、Si、In、Ti、Ga和P中的至少一种的化合物形成。除了所述化合物之外，开关图案140还可以包括热稳定元素。热稳定元素可以包括C、N和O中的至少一种。例如，开关图案140可以包括AsTe、AsSe、GeTe、SnTe、GeSe、SnTe、SnSe、ZnTe、AsTeSe、AsTeGe、AsSeGe、AsTeGeSe、AsSeGeSi、AsSeGeC、AsTeGeSi、AsTeGeS、AsTeGeSiIn、AsTeGeSiP、AsTeGeSiSbS、AsTeGeSiSbP、AsTeGeSeSb、AsTeGeSeSi、AsTeGeSiSeNS、SeTeGeSi、GeSbTeSe、GeBiTeSe、GeAsSbSe、GeAsBiTe和GeAsBiSe中的至少一种。

[0043] 另外，开关图案140可以具有包括根据密度差而区分的层的多层结构。例如，开关图案140可以包括第一开关图案142和第二开关图案144。第一开关图案142可以设置在第二下阻挡电极134上。第二开关图案144可以设置在第一开关图案142上。

[0044] 图5和图6是示出图4A和图4B的第一开关图案142和第二开关图案144的一些实施例的截面图。

[0045] 参照图5和图6，第二开关图案144的密度可以与第一开关图案142的密度不同。例如，第一开关图案142和第二开关图案144可以具有空隙148，并且可以根据空隙148的数量和/或尺寸来确定第一开关图案142和第二开关图案144的密度。空隙148的数量和/或尺寸可以与第一开关图案142和第二开关图案144的密度成反比。随着空隙148的数量增多，密度可以减小。随着空隙148的数量减少，密度可以增大。

[0046] 第一开关图案142和第二开关图案144可以包含不同的惰性气体。例如，第一开关图案142和第二开关图案144中的每个可以包含保留在空隙148中的第一惰性气体10或第二惰性气体12。第一惰性气体10和第二惰性气体12可以是形成第一开关图案142和第二开关图案144时保留的气体。第一惰性气体10或第二惰性气体12可以具有不同的原子量。例如，第一惰性气体10的原子量可以小于第二惰性气体12的原子量。换言之，第一惰性气体10可以比第二惰性气体12轻。第二惰性气体12的粘着系数可以小于第一惰性气体10的粘着系数。因此，由第二惰性气体12产生的空隙148的数量可以小于由第一惰性气体10产生的空隙148的数量。例如，第一惰性气体10可以包括氩(Ar)气，第二惰性气体12可以包括氪(Kr)气。
另外，第二惰性气体12还可以包括氙(Xe)气或氡(Rn)气。

[0047] 参照图5，第一开关图案142中的空隙148的数量可以大于第二开关图案144中的空隙148的数量。换言之，第一开关图案142可以具有低密度，第二开关图案144可以具有高密度。另外，第一开关图案142可以包含第一惰性气体10，第二开关图案144可以包含第二惰性气体12。空隙148可以用作电流I的路径或者可以用作陷阱。

[0048] 当空隙148用作电流I的路径时，具有低密度的第一开关图案142可以具有比具有高密度的第二开关图案144的阈值电压(Vth)低的阈值电压(Vth)。这可能是因为具有低密度的第一开关图案142中的空隙148之间的距离比具有高密度的第二开关图案144中的空隙148之间的距离短。换言之，随着空隙148之间的距离减小，阈值电压(Vth)可以减小。另外，具有低密度的第一开关图案142可以补偿具有高密度的第二开关图案144的阈值电压(Vth)的不均匀性的劣化。例如，具有高密度的第二开关图案144会使开关元件SW的阈值电压(Vth)的均匀性劣化大约11％或更多。具有低密度的第一开关图案142可以将开关元件SW的阈值电压(Vth)的均匀性提高至大约4.7％或更小，因此可以改善开关元件SW的可靠性。

[0049] 当空隙148用作陷阱时，具有高密度的第二开关图案144的漏电流可以小于具有低密度的第一开关图案142的漏电流。另外，具有高密度的第二开关图案144可以补偿由具有低密度的第一开关图案142造成的漏电流增大。例如，具有低密度的第一开关图案142可以将开关元件SW的漏电流增大至大约1.2nA或更大。然而，第二开关图案144可以将开关元件SW的漏电流减小至大约0.8nA或更小，因此，可以使开关元件SW的电力损耗最小化，或者防止开关元件SW的电力损耗。

[0050] 参照图6，在特定实施例中，第二开关图案144的密度可以小于第一开关图案142的密度。具有低密度的第二开关图案144可以补偿具有高密度的第一开关图案142的阈值电压(Vth)的均匀性的劣化，从而改善开关元件SW的可靠性。具有高密度的第一开关图案142可以补偿具有低密度的第二开关图案144的漏电流增大，从而使开关元件SW的电力损耗最小化，或者防止开关元件SW的电力损耗。第一开关图案142可以在空隙148中包含第二惰性气体12，第二开关图案144可以在空隙148中包含第一惰性气体10。

[0051] 再次参照图4A和图4B，上阻挡电极150可以设置在开关图案140上。上阻挡电极150可以使开关图案140与第二导电线路CL2之间的热传递最小化，或者防止开关图案140与第二导电线路CL2之间的热传递。上阻挡电极150可以根据密度差、电阻率差或表面粗糙度差来划分多电极。在一些实施例中，上阻挡电极150可以包括第一上阻挡电极152和第二上阻挡电极154。

[0052] 第一上阻挡电极152可以设置在开关图案140与第二上阻挡电极154之间。例如，第一上阻挡电极152可以包括高密度碳。例如，第一上阻挡电极152可以具有大约2.34g/cm3的密度。第一上阻挡电极152可以使包括在开关图案140中的元素的扩散最小化，或者防止包括在开关图案140中的元素的扩散。第一上阻挡电极152可以使开关图案140和第二上阻挡电极154的混合最小化，或者防止开关图案140和第二上阻挡电极154的混合。例如，第一上阻挡电极152可以具有大约24.8mΩ·cm的电阻率以及大约0.4nm的表面粗糙度。

[0053] 第二上阻挡电极154可以设置在第一上阻挡电极152与上电极160之间。第二上阻挡电极154的密度可以小于第一上阻挡电极152的密度。例如，第二上阻挡电极154可以包括3
低密度碳。例如，第二上阻挡电极154可以具有大约1.73g/cm的密度。第二上阻挡电极154可以减小第一上阻挡电极152与上电极160之间的应力，并且可以提高第一上阻挡电极152与上电极160之间的粘合强度。第二上阻挡电极154可以具有大约46.5mΩ·cm的电阻率以及大约1.0nm的表面粗糙度。

[0054] 上电极160可以设置在第二上阻挡电极154上。上电极160可以将第二导电线路CL2电连接到开关图案140。例如，上电极160可以包括W、Ti、Al、Cu、C、CN、TiN、TiAlN、TiSiN、TiCN、WN、CoSiN、WSiN、TaN、TaCN、TaSiN和TiO中的至少一种。

[0055] 可以提供第四层间绝缘层117来填充上电极160之间的空间。第四层间绝缘层117可以设置在上绝缘层119与第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115之间。第四层间绝缘层117的顶表面可以基本与上电极160的顶表面共面。例如，第四层间绝缘层117可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮氧化硅和碳氮化硅中的至少一种。上绝缘层119和第二导电线路CL2可以设置在第四层间绝缘层117上。

[0056] 图7A和图7B分别是根据一些实施例的为示出可变电阻存储器装置的沿图3的线I-I'和线II-II'截取的截面图。在下文中，出于容易且便于解释的目的，将省略与以上实施例中的元件相同的元件的描述。

[0057] 参照图7A和图7B，开关元件SW的开关图案140还可以包括第三开关图案146。第三开关图案146可以设置在第二开关图案144与第一上阻挡电极152之间。

[0058] 图8是示出图7A和图7B的开关图案140的实施例的截面图。

[0059] 参照图7A和图7B以及图8，分布在第一开关图案142和第三开关图案146中的每个中的空隙148的数量可以大于分布在第二开关图案144中的空隙148的数量。第一开关图案142和第三开关图案146可以包含相同的气体，第二开关图案144可以包含与第一开关图案
142和第三开关图案146的气体不同的气体。当第一开关图案142包含第一惰性气体10且第二开关图案144包含第二惰性气体12时，第三开关图案146可以包含第一惰性气体10。第一惰性气体10和第二惰性气体12可以具有不同的原子量。例如，第一惰性气体10的原子量可以小于第二惰性气体12的原子量。换言之，第一惰性气体10可以比第二惰性气体12轻。第三开关图案146的密度可以小于第二开关图案144的密度，并且可以等于第一开关图案142的密度。另外，第一开关图案142和第三开关图案146中的每个的表面粗糙度可以大于第二开关图案144的表面粗糙度。第一开关图案142和第三开关图案146可以增大开关图案140的表面积。第一开关图案142和第三开关图案146可以增大开关图案140与第二下阻挡电极134和第一上阻挡电极152的粘合强度。

[0060] 尽管附图中未示出，但是在特定实施例中，第一开关图案142和第三开关图案146可以包含第二惰性气体12，第二开关图案144可以包含第一惰性气体10。在此情况下，分布在第二开关图案144中的空隙148的数量可以大于分布在第一开关图案142和第三开关图案146中的每个中的空隙148的数量。第一开关图案142和第三开关图案146的密度可以大于第二开关图案144的密度。

[0061] 在下文中将描述根据一些实施例的制造可变电阻存储器装置100的方法。

[0062] 图9是示出制造图3的可变电阻存储器装置100的方法的流程图。

[0063] 参照图9，根据一些实施例的制造可变电阻存储器装置100的方法可以包括：形成第一导电线路CL1(S100)；形成加热器电极HE(S200)；形成可变电阻结构CR和中间电极ME(S300)；形成开关元件SW(S400)；以及形成第二导电线路CL2(S500)。

[0064] 图10A和图10B至图18A和图18B分别是为示出制造图3的可变电阻存储器装置的方法的沿图3的线I-I'和线II-II'截取的截面图。

[0065] 参照图9以及图10A和图10B，可以在衬底W上形成第一导电线路CL1(S100)。在一些实施例中，可以通过金属层的沉积工艺、光刻工艺和蚀刻工艺来形成多个第一导电线路CL1。之后，可以在第一导电线路CL1之间形成下绝缘层105。在特定实施例中，可以通过镶嵌方法来形成第一导电线路CL1。换言之，可以在衬底W上形成具有下沟槽的下绝缘层105，然后可以通过金属层的沉积工艺以及对金属层执行的化学机械抛光(CMP)工艺在下沟槽中形成第一导电线路CL1。

[0066] 参照图9、图11A和图11B以及图12A和图12B，可以在第一导电线路CL1上形成加热器电极HE(S200)。在一些实施例中，可以利用第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115来形成加热器电极HE。

[0067] 参照图11A和图11B，可以在第一导电线路CL1和下绝缘层105上形成第一层间绝缘层111。上凹槽TC可以形成在第一层间绝缘层111中。形成上凹槽TC的方法可以包括各向异性蚀刻工艺。上凹槽TC可以与第一导电线路CL1相交。例如，第一层间绝缘层111可以由氮化硅或氮氧化硅形成。接着，可以在具有上凹槽TC的第一层间绝缘层111上顺序地形成电极层121和间隔件层126。可以沿上凹槽TC的形状或轮廓来共形地形成电极层121和间隔件层
126。例如，电极层121可以包括W、Ti、Al、Cu、C、CN、TiN、TiAlN、TiSiN、TiCN、WN、CoSiN、WSiN、TaN、TaCN、TaSiN和TiO中的至少一种。例如，间隔件层126可以包括氧化硅和氮氧化硅中的至少一种。可以在间隔件层126上形成填充上凹槽TC的第二层间绝缘层113。例如，第二层间绝缘层113可以由与第一层间绝缘层111的材料相同的材料形成。

[0068] 参照图12A和图12B，可以使第二层间绝缘层113、间隔件层126和电极层121平坦化直到第一层间绝缘层111被暴露，从而形成加热器电极HE(S200)。之后，可以蚀刻不与第一导电线路CL1重叠的第一层间绝缘层111和第二层间绝缘层113、间隔件层126以及电极层121以形成开口区域OP。结果，可以由电极层121形成加热器电极HE，并且可以由间隔件层
126形成间隔件图案120。多个加热器电极HE可以在第一方向D1和第二方向D2上彼此间隔开。之后，可以形成第三层间绝缘层115来填充开口区域OP。形成第三层间绝缘层115的方法可以包括电介质的沉积工艺和CMP工艺。例如，第三层间绝缘层115可以由与第一层间绝缘层111的材料相同的材料来形成。

[0069] 参照图9、图13A和图13B至图15A和图15B，可以在加热器电极HE上形成可变电阻结构CR和中间电极ME(S300)。在一些实施例中，可以通过镶嵌方法来形成可变电阻结构CR和中间电极ME。

[0070] 参照图13A和图13B，可以形成凹陷区域RS以使加热器电极HE暴露。形成凹陷区域RS的方法可以包括蚀刻间隔件图案120的上部分的处理和蚀刻加热器电极HE的上部分的处理。间隔件图案120和加热器电极HE的蚀刻工艺中的每个可以是湿法蚀刻工艺。之后，可以执行各向同性湿法蚀刻工艺以扩展通过蚀刻加热器电极HE的上部分和间隔件图案120的上部分形成的空的空间。例如，可以使用包括磷酸的蚀刻剂来执行各向同性湿法蚀刻工艺。

[0071] 参照图14A和图14B，可以在凹陷区域RS中形成可变电阻结构CR。在一些实施例中，可以形成可变电阻层以填充凹陷区域RS，然后可以蚀刻可变电阻层的上部分以形成可变电阻结构CR。例如，可变电阻层可以包括GeSbTe、GeTeAs、SbTeSe、GeTe、SbTe、SeTeSn、GeTeSe、SbSeBi、GeBiTe、GeTeTi、InSe、GaTeSe和InSbTe中的至少一种。可以通过物理气相沉积(PVD)方法或化学气相沉积(CVD)方法来形成可变电阻层。

[0072] 参照图15A和图15B，可以在凹陷区域RS的上部分中形成中间电极ME。在一些实施例中，可以在具有可变电阻结构CR的所得结构上形成电极层，然后，可以对电极层执行平坦化工艺以形成中间电极ME。可替代地，可以省略形成中间电极ME的工艺。例如，中间电极ME可以包括W、Ti、Al、Cu、C、CN、TiN、TiAlN、TiSiN、TiCN、WN、CoSiN、WSiN、TaN、TaCN和TaSiN中的至少一种。

[0073] 参照图9、图16A和图16B以及图17A和图17B，可以在具有中间电极ME的所得结构上形成开关元件SW(S400)。可以通过薄层沉积工艺、光刻工艺和蚀刻工艺来形成开关元件SW。

[0074] 图19示出了形成图9中的开关元件SW的操作S400的实施例。

[0075] 参照图19，形成开关元件SW的操作S400可以包括形成下阻挡层131(S410)、形成开关层141(S420)、形成上阻挡层151(S430)、沉积上电极层162(S440)以及蚀刻下阻挡层131、开关层141、上阻挡层151和上电极层162中的每个的一部分(S450)。

[0076] 参照图16A和图16B以及图19，可以使用溅射方法来形成下阻挡层131(S410)。在一些实施例中，下阻挡层131的形成S410可以包括沉积第一下阻挡层133(S412)和沉积第二下阻挡层135(S414)。

[0077] 可以在衬底W的所得结构上沉积第一下阻挡层133(S412)。第一下阻挡层133可以包括低密度碳。

[0078] 可以在第一下阻挡层133上沉积第二下阻挡层135(S414)。第二下阻挡层135的密度可以高于第一下阻挡层133的密度。例如，第二下阻挡层135可以包括高密度碳。

[0079] 图20示出了用于沉积图16A和图16B的开关层141的薄层沉积设备1000。

[0080] 参照图20，薄层沉积设备1000可以是溅射设备。例如，薄层沉积设备1000可以包括腔室1、加热器卡盘2、靶3、磁控管4、第一电源单元6和第二电源单元7以及第一气体供应单元9和第二气体供应单元11。加热器卡盘2可以设置在腔室1的下部分中，磁控管4可以设置在腔室1的上部分中。衬底W可以设置在加热器卡盘2上。靶3可以固定在磁控管4的底表面上。靶3可以包括包含Te和Se(即，硫族元素)中的至少一种以及Ge、Sb、Bi、Al、Pb、Sn、Ag、As、S、Si、In、Ti、Ga和P中的至少一种的化合物。第一电源单元6可以将第一射频功率5(例如，源功率)提供到磁控管4。第一射频功率5可以激发工艺气体以在腔室1中诱导等离子体。第一射频功率5可以朝向靶3加速等离子体以产生靶颗粒。靶颗粒可以在衬底W上沉积为薄层。第二电源单元7可以将第二射频功率8(例如，偏置功率)提供到加热器卡盘2。第二射频功率8可以朝向衬底W加速靶颗粒和等离子体以增大薄层的密度。第一气体供应单元9和第二气体供应单元11可以分别将第一惰性气体10和第二惰性气体12提供到腔室1中。

[0081] 参照图16A和图16B、图19以及图20，薄层沉积设备1000可以通过溅射方法来形成开关层141(S420)。例如，开关层141可以由包含Te和Se(即，硫族元素)中的至少一种以及Ge、Sb、Bi、Al、Pb、Sn、Ag、As、S、Si、In、Ti、Ga和P中的至少一种的化合物来形成。除了所述化合物之外，开关层141还可以包括热稳定元素。热稳定元素可以包括C、N和O中的至少一种。例如，开关层141可以包括AsTe、AsSe、GeTe、SnTe、GeSe、SnTe、SnSe、ZnTe、AsTeSe、AsTeGe、AsSeGe、AsTeGeSe、AsSeGeSi、AsSeGeC、AsTeGeSi、AsTeGeS、AsTeGeSiIn、AsTeGeSiP、AsTeGeSiSbS、AsTeGeSiSbP、AsTeGeSeSb、AsTeGeSeSi、AsTeGeSiSeNS、SeTeGeSi、GeSbTeSe、GeBiTeSe、GeAsSbSe、GeAsBiTe和GeAsBiSe中的至少一种。加热器卡盘2可以将衬底W加热至大约200摄氏度或更低。在一些实施例中，开关层141的形成S420可以包括沉积第一开关层
143(S422)、沉积第二开关层145(S424)和沉积第三开关层147(S426)。

[0082] 详细地，第一气体供应单元9可以将第一惰性气体10供应到腔室1中以沉积第一开关层143(S422)。第一惰性气体10可以通过第一射频功率5形成为等离子体，以等离子体充入的第一惰性气体10可以通过第一射频功率5被加速到靶3以产生靶颗粒。第一惰性气体10和靶颗粒可以被提供到第二下阻挡层135上。因此，第一开关层143可以包含第一惰性气体10。第一惰性气体10可以包括氩。

[0083] 接着，第二气体供应单元11可以将第二惰性气体12供应到腔室1中以沉积第二开关层145(S424)。因此，第二开关层145可以包含第二惰性气体12。第二惰性气体12的粘着系数可以小于第一惰性气体10的粘着系数，通过第二惰性气体12产生的空隙的数量可以少于通过第一惰性气体10产生的空隙的数量。第二惰性气体12可以包括氪(Kr)、氙(Xe)和/或氡(Rn)。当第二惰性气体12的原子量大于第一惰性气体10的原子量时，第二开关层145的密度可以高于第一开关层143的密度。第二开关层145的表面粗糙度可以小于第一开关层143的表面粗糙度。可替代地，第二射频功率8可以增大第二开关层145的密度。当第一射频功率5由第二惰性气体12产生等离子体然后由靶3产生靶颗粒时，第二射频功率8可以将靶颗粒和第二惰性气体12加速到衬底W。加速的第二惰性气体12可以使第二开关层145的密度大于第一开关层143的密度。

[0084] 随后，第一气体供应单元9可以将第一惰性气体10供应到腔室1中以沉积第三开关层147(S426)。第一惰性气体10可以通过第一射频功率5形成为等离子体，以等离子体充入的第一惰性气体10可以通过第一射频功率5被加速到靶3以产生靶颗粒。靶颗粒和第一惰性气体10可以被提供在第二开关层145上。因此，第三开关层147可以包含第一惰性气体10。第三开关层147的密度可以小于第二开关层145的密度，第三开关层147的表面粗糙度可以大于第二开关层145的表面粗糙度。

[0085] 可以通过溅射方法在第三开关层147上形成上阻挡层151(S430)。在一些实施例中，上阻挡层151的形成S430可以包括沉积第一上阻挡层153(S432)和沉积第二上阻挡层155(S434)。

[0086] 可以在第三开关层147上沉积第一上阻挡层153(S432)。例如，第一上阻挡层153可以包括高密度碳。在实施例中，第一上阻挡层153可以包括掺杂有氮(N)的高密度碳。

[0087] 可以在第一上阻挡层153上沉积第二上阻挡层155(S434)。例如，第二上阻挡层155可以包括低密度碳。

[0088] 接着，可以通过溅射方法来沉积上电极层162(S440)。例如，上电极层162可以包括W、Ti、Al、Cu、C、CN、TiN、TiAlN、TiSiN、TiCN、WN、CoSiN、WSiN、TaN、TaCN、TaSiN和TiO中的至少一种。

[0089] 参照图9以及图17A和图17B，蚀刻设备(未示出)可以蚀刻下阻挡层131、开关层141、上阻挡层151和上电极层162中的每个的一部分以形成开关元件SW(S450)。例如，可以通过反应性离子蚀刻(RIE)方法来蚀刻下阻挡层131、开关层141、上阻挡层151和上电极层
162中的每个的一部分。开关元件SW可以包括下阻挡电极130、开关图案140、上阻挡电极150和上电极160。

[0090] 下阻挡电极130可以包括第一下阻挡电极132和第二下阻挡电极134，第一下阻挡电极132和第二下阻挡电极134可以分别由第一下阻挡层133和第二下阻挡层135形成。第一下阻挡层133可以增大开关元件SW相对于中间电极ME以及/或者第一层间绝缘层111、第二层间绝缘层113和第三层间绝缘层115的粘合强度。另外，第一下阻挡层133可以在用于形成开关元件SW的蚀刻工艺期间使开关元件SW的倾斜现象和/或脱落现象最小化，或者防止开关元件SW的倾斜现象和/或脱落现象。

[0091] 开关图案140可以包括第一开关图案142、第二开关图案144和第三开关图案146，第一开关图案142、第二开关图案144和第三开关图案146可以分别由第一开关层143、第二开关层145和第三开关层147形成。第一开关层143可以增大第二下阻挡层135与第二开关层145之间的粘合强度。第三开关层147可以增大第二开关层145与第一上阻挡层153之间的粘合强度。第一开关层143和第三开关层147可以在蚀刻工艺中使开关图案140的分离和/或脱落最小化，或者防止开关图案140的分离和/或脱落。

[0092] 上阻挡电极150可以包括第一上阻挡电极152和第二上阻挡电极154，第一上阻挡电极152和第二上阻挡电极154可以分别由第一上阻挡层153和第二上阻挡层155形成。第二上阻挡电极154可以在第一上阻挡层153和第二上阻挡层155的蚀刻工艺中增大第一上阻挡电极152与上电极160之间的粘合强度。因此，可以通过增大的粘合强度来使上电极160的脱落最小化或者防止上电极160的脱落。上电极160可以通过蚀刻工艺由上电极层162形成。

[0093] 参照图18A和图18B，可以在开关元件SW之间形成第四层间绝缘层117。可以通过电介质的沉积工艺和对沉积的电介质执行的CMP工艺来形成第四层间绝缘层117。

[0094] 再次参照图7A和图7B以及图9，可以在第四层间绝缘层117的一部分和开关元件SW上形成第二导电线路CL2(S500)。可以通过金属层的沉积工艺、光刻工艺和蚀刻工艺来形成第二导电线路CL2。

[0095] 之后，可以在多条第二导电线路CL2之间形成上绝缘层119。可以通过电介质的沉积工艺和对沉积的电介质执行的CMP工艺来形成上绝缘层119。

[0096] 根据实施例的开关元件可以通过使用具有不同的密度的且堆叠的第一开关图案和第二开关图案来减小漏电流并改善阈值电压的均匀性。

[0097] 尽管已经参照示例实施例描述了发明构思，但是对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离发明构思的精神和范围的情况下，可以做出各种改变和修改。因此，应理解的是，以上的实施例不是限制性的，而是说明性的。因此，发明构思的范围将由所附权利要求极其等同物的最宽可允许的解释来确定，并且将不受前述描述限制或限定。

标题	发布/更新时间	阅读量
快恢复二极管及其制备方法	2020-05-08	101
一种基于银基键合丝的半导体键合工艺	2020-05-11	762
高压开关及断口结构	2020-05-11	379
一种用于单体电池的安全栅电路	2020-05-08	592
一种实现热插拔MOSFET均流的电路结构	2020-05-08	898
静电卡盘装置	2020-05-08	105
一种异步电机自适应矢量控制系统	2020-05-08	722
一种可控磁敏电阻	2020-05-08	912
开关电阻器DC-DC转换器	2020-05-08	769
聚苯乙烯在有机薄膜晶体管抗辐照中的应用	2020-05-08	616

开关元件、可变电阻存储器装置和制造开关元件的方法

开关元件、可变电阻存储器装置和制造开关元件的方法

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：