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单晶 相变材料

阅读：1045发布：2020-05-11

专利汇可以提供单晶相变材料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种制造相变存储器（PCM）单元的方法，包括：在电极之上形成电介质层，电极包括电极材料；在电介质层中形成通孔，使通孔向下延伸到该电极；以及在通孔中的电极上生长相变材料的单晶。一种相变存储器（PCM）单元，包括：包含电极材料的电极；电极之上的电介质层；电介质层中的通孔；以及位于通孔中的相变材料的单晶，该单晶与通孔底部的电极接触。，下面是单晶相变材料专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种制造相变存储器(PCM)单元的方法，该方法包括：
在电极之上形成电介质层，该电极包含电极材料；
在该电介质层中形成通孔，使该通孔向下延伸到该电极；以及
在该通孔中的该电极上生长相变材料的单晶，其中该相变材料在指定温度下在该电极材料上生长时具有一典型晶体尺寸；并且
其中该通孔的直径小于该典型晶体尺寸,
所述方法进一步包括：
在所述相变材料的单晶上形成多晶相变材料，以及在所述多晶相变材料中形成凹槽并且在所述凹槽中形成导电层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在该通孔中的该电极上生长相变材料的单晶包括原子层沉积。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在该通孔中的该电极上生长相变材料的单晶包括化学气相沉积。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该电极材料包括钨和氮化钛之一。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该相变材料包括锗、锑、碲或硒中的一种或者多种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中该相变材料采用多个前躯体形成，并且该多个前躯体选择为使得该前躯体与该电极材料反应。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该相变材料采用多个前躯体形成，并且该多个前躯体选择为使得该前躯体不与该电介质材料反应。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该电介质层包括栓孔，并且在该电介质层中形成通孔包括经由栓孔反应离子蚀刻该电介质层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中该栓孔的直径决定该通孔的直径。
10.一种相变存储器(PCM)单元，包括：
包含电极材料的电极；
该电极之上的电介质层；
该电介质层中的通孔；以及
位于该通孔中的相变材料的单晶，该单晶与该通孔底部的该电极接触，其中该相变材料在指定温度下在该电极材料上生长时具有一典型晶体尺寸；并且其中该通孔的直径小于该典型晶体尺寸，
相变材料的单晶上的多晶相变材料，其中在所述多晶相变材料中形成凹槽并且在所述凹槽中形成导电层。
11.根据权利要求10所述的PCM单元，其中在该通孔中的该电极上生长相变材料的单晶包括原子层沉积。
12.根据权利要求10所述的PCM单元，其中在该通孔中的该电极上生长相变材料的单晶包括化学气相沉积。
13.根据权利要求10所述的PCM单元，其中该电极材料包括钨和氮化钛之一。
14.根据权利要求10所述的PCM单元，其中该相变材料包括锗、锑、碲或者硒中的一种或多种。
15.根据权利要求10所述的PCM单元，其中该相变材料采用多个前躯体形成，并且该多个前躯体选择为使得该前躯体与该电极材料反应。
16.根据权利要求10所述的PCM单元，其中该相变材料采用多个前躯体形成，并且该多个前躯体选择为使得该前躯体不与该电介质材料反应。
17.一种相变存储器(PCM)阵列，包括多个单元，每个单元包括：
包含电极材料的电极；
该电极之上的电介质层；
该电介质层中的通孔；以及
位于该通孔中的相变材料的单晶，该单晶与该通孔底部的该电极接触，其中该相变材料在指定温度下在该电极材料上生长时具有一典型晶体尺寸；并且其中该通孔的直径小于该典型晶体尺寸，
相变材料的单晶上的多晶相变材料，其中在所述多晶相变材料中形成凹槽并且在所述凹槽中形成导电层。

说明书全文

单晶相变材料

技术领域

[0001] 本发明大体涉及相变存储器（PCM）的制造领域。

背景技术

[0002] 相变存储器（PCM）是一种非易失性计算机存储器。PCM将数据存储在包括相变材料的单元中，所述相变材料在施加热的情况下能够在两个不同的状态（即，结晶态和非晶态）之间转换。可沉积且图案化相变材料以形成独立的PCM单元。然而，随着PCM单元变小，难以采用诸如反应离子蚀刻（RIE）的蚀刻技术将单元图案化，这是因为RIE可能改变从该特征的边缘起大约10nm的区域中相变材料的化学构成，在尺寸小的情况下损坏的区域将构成单元中留下的所有材料，因此可能妨碍后续的绘制线路图。

[0003] 可替换的，少量的相变材料可沉积在小孔或通孔中，以形成独立的PCM单元。化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）方法可用于沉积相变材料。然而，这些方法可能产生多晶相变材料或者非晶相变材料，多晶相变材料具有大于通孔的尺寸的晶体，从而可能不能适当地填充通孔，非晶相变材料在结晶时可能形成空隙并且使得与位于通孔底部的电极之间的接触不牢固，这是因为相变材料随着其从非晶态变为结晶态而可能收缩。

发明内容

[0004] 在一个方案中，一种制造相变存储器（PCM）单元的方法包括：在电极之上形成电介质层，电极包含电极材料；在电介质层中形成通孔，使通孔向下延伸到电极；以及在通孔中的电极上生长相变材料的单晶。

[0005] 在一个方案中，一种相变存储器（PCM）单元包括：包含电极材料的电极；电极之上的电介质层；电介质层中的通孔；以及位于通孔中的相变材料的单晶，单晶与通孔底部的电极接触。

[0006] 在一个方案中，一种相变存储器（PCM）阵列包括多个单元，每个单元包括：包含电极材料的电极；电极之上的电介质层；电介质层中的通孔；以及位于通孔中的相变材料的单晶，单晶与通孔底部的电极接触。

[0007] 附加的特征可通过本发明的示例性实施例的技术实现。其它实施例在这里被详细描述并且应视为要求保护的一部分。为了更好地理解示例性实施例的特征，参见说明书和附图。

附图说明

[0008] 现在参照附图，其中在几个附图中相同的元件以相同的标号表示。

[0009] 图1示出形成单晶相变材料的方法的实施例。

[0010] 图2示出形成单晶相变材料的工艺的实施例的截面图。

[0011] 图3示出在电极中形成凹槽之后形成单晶相变材料的工艺的实施例的截面图。

[0012] 图4示出在氧化物区域中形成凹槽之后形成单晶相变材料的工艺的实施例的截面图。

[0013] 图5示出形成电介质层和栓孔（keyhole）之后形成单晶相变材料的工艺的实施例的截面图。

[0014] 图6示出形成通孔之后形成单晶相变材料的工艺的实施例的截面图。

[0015] 图7示出在通孔中沉积单晶相变材料之后形成单晶相变材料的工艺的实施例的截面图。

[0016] 图8示出抛光之后形成单晶相变材料的工艺的实施例的截面图。

[0017] 图9示出在多晶相变材料中形成凹槽、在凹槽中形成导电层以及抛光之后形成单晶相变材料的工艺的实施例的截面图。

[0018] 图10示出形成氧化物和透明导电层之后形成单晶相变材料的工艺的实施例的截面图。

具体实施方式

[0019] 下面提供用于形成单晶相变材料的系统和方法的实施例，并且详细讨论示例性实施例。

[0020] 相变材料的单晶可生长在通孔内的电极上，填充通孔并且防止在相变材料晶体和电极之间形成空隙。单晶相变材料可采用CVD或者ALD方法形成。用于形成相变材料的CVD/ALD前躯体和电极材料可选择为使得用于形成相变材料的前躯体与电极材料反应，并且在电极上直接发生相变材料的选择性晶体生长。相变材料也可选择为使得前躯体不与电介质层反应，电介质层中形成有通孔。在一些实施例中，电极可包括钨（W）或氮化钛（TiN），并且相变材料可包括锗（Ge）、锑（Sb）、碲（Te）或者硒（Se）。

[0021] 相变材料的典型晶体尺寸将根据材料和晶体生长温度而改变。对于选定的相变材料、电极材料以及温度，在大于典型晶体尺寸的通孔中可形成多晶，多晶可能不能适当地填充通孔。然而，对于选定的相变材料和电极材料，在小于典型晶体尺寸的通孔中可形成单晶。因此，通孔可形成为使得其小于选定的相变材料在选定的温度下在选定的电极材料上生长时该选定的相变材料的典型晶体尺寸。例如，对于在约300℃下在具有W底部电极的200nm CD的通孔内通过CVD沉积的Ge2Sb2Te5（GST），典型的晶体尺寸约为80nm。对于类似的条件，GeTe的典型晶体尺寸约为120nm。

[0022] 图1示出形成单晶相变材料的方法100的实施例。参照图2至图10讨论图1。如图2的截面图200中所示，PCM字线205位于氧化物区域203中，氧化物区域203位于氮化物区域204之下。电极201可包括钨（W）或氮化钛（TiN），并且位于氧化物区域203之间。电极201连接到PCM的前端线（front end of line,FEOL）部分。保护条202保护电极206（电极206连接到一行选择晶体管的端子，未示出）。在方框101中，凹槽301（如图3的截面图300中所示）形成在电极201中，并且包括悬突部411的凹槽401（如图4的截面图400中所示）延伸到氧化物区域203中。凹槽301和凹槽401可通过任何适当的蚀刻技术形成。

[0023] 在方框102中，电介质层502通过保形沉积而形成，如图5的截面图500中所示。电介质层502填充凹槽401，并且包括栓孔501。在一些实施例中，电介质层502可包括保形的氧化物或者硅之一。栓孔501可具有约等于凹槽401中悬突部411的宽度的二倍的最大宽度。

[0024] 在方框103中，通孔601和通孔环（via hole collar）602形成在电介质层502中，如图6的截面图600中所示。通孔601和通孔环602可通过电介质层502经由栓孔501的RIE而形成。栓孔501用作RIE期间的硬掩模。栓孔501的直径决定通孔601的直径。通孔601向下延伸到电极201，并且其直径小于相变材料在在包括电极201的材料上生长时的典型晶体尺寸（下面关于方框401进一步详细讨论）。因为通孔601中电流密度较高，所以在通孔601中将发生的相变材料由于焦耳热（Joule heating）而在非晶态和结晶态之间转换。

[0025] 在方框104中，在通孔601中沉积相变材料701，如图7的截面图700中所示。相变材料701包括单晶相变材料，其可包括锗（Ge）、锑（Sb）、碲（Te）或者硒（Se）的组合。相变材料701可采用CVD或者ALD方法形成。用于形成相变材料701的CVD/ALD前躯体以及包括电极201的材料选择为使得相变材料701的选择性晶体生长直接发生在通孔601中的电极201上。在通孔环602中也形成多晶相变材料702（包括与相变材料701相同的材料）。

[0026] 在方框105中，包括氮化物204和多晶相变材料702的表面被抛光，如图8的截面图800中所示。然后，在多晶相变材料702中形成凹槽并且在凹槽中形成导电层901，并且包括氮化物204和导电层901的表面被抛光，如图9的截面图900中所示。在一些实施例中，导电层901可包括氮化钛。可采用化学机械抛光（CMD）来执行抛光。

[0027] 在方框106中，形成氧化物层1001和导电层1002，如图10的PCM截面图1000中所示。PCM 1000包括与电极201接触的单晶相变材料701，从而避免了当相变材料701在非晶态与结晶态之间转换时在相变材料701与电极201之间形成空隙。

[0028] 示例性实施例的技术效果和优点包括：形成相对小的PCM单元，同时防止在转换区域中构成PCM单元的电极与相变材料之间形成空隙。

[0029] 本文采用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。本文使用的单数形式“一”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另有说明。还应当理解的是说明书中所用的术语“包括”和/或“包含”是指所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，而不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。

[0030] 权利要求书中的所有方法或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作及等同物旨在包括与按着具体要求提出的其它元件相结合执行该功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述是处于示例和说明的目，而不旨在用于穷举或将本发明限制为公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，很多修改和变化对本领域的普通技术人员是显而易见的。选择和描述的实施例是为了最好地说明本发明的原理和实际应用，从而使得其他本领域普通技术人员对于适合于预期的特定使用的具有各种变型的各种实施来理解本发明。

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