專利名稱：不需要專用選擇器晶體管的自選擇相變存儲器設備的制作方法
技術領域：
本申請涉及存儲器領域。
背景技術：
可變門電路存儲器是自選擇設備，在其中選擇功能和存儲功能在唯一的設備中 實現。然而，這一類型的非易失性存儲器正被相變存儲器(PCM)取代成為新一代，這是由 于PCM具有有利的寫入速度，較小的單元尺寸，較簡單的電路和與互補金屬氧化物半導體 (CMOS)工序的制作兼容性。當前的PCM使用專門的選擇設備，通常是MOS或BJT晶體管，從 而選擇存儲單元來讀和寫。選擇設備需要另外的掩膜和工序組合，因此，在用于選擇存儲單 元的選擇設備上需要進行改進。
發明內容
根據本發明的一方面，提供了一種相變存儲器存儲元件，該相變存儲器存儲元件 包含n型半導體層，與ρ型硫族化合物材料直接接觸來形成嵌入所述相變存儲器存儲元件 的二極管，其中所述二極管被用來選擇所述相變存儲器存儲元件。根據本發明的另一方面，提供了一種存儲單元，該存儲單元包括選擇器二極管， 通過氧化鋅層直接接觸相變存儲器層而形成，其中所述選擇器二極管被偏置以允許所述存 儲單元的狀態通過讀取所述相變存儲器層的阻抗而被檢測到。根據本發明的又一方面，提供了一種一種相變存儲器，該相變存儲器包括具有η 型氧化鋅層的存儲器單元，該η型氧化鋅層通過直接接觸天然P型結晶相變存儲器材料而 被沉積，從而形成嵌入在所述相變存儲器材料中的二極管結；以及覆蓋層，鄰近所述氧化鋅 層以與所述氧化鋅層和所述相變存儲器材料形成堆疊(stack)。
在說明書的總結部分特別指出并且單獨要求保護了本發明的主題。然而，對于本 發明的組織、操作方法、目的、特征以及益處，當閱讀以下附圖時，參考下面的詳細描述可以 更好地加以理解。圖1示出了說明第一視圖A-A’和第二視圖B-B’的存儲設備；圖2是沿著所沉積的銅字線的A-A’軸以及沿著B-B’軸顯示的其他字線的視圖；圖3說明了依照本發明沿著A-A’軸和B-B’軸顯示的包括η型&ι0，ρ型GST以及 TiN的沉積材料堆疊的橫截面圖；圖4說明了被定義為PCM存儲器存儲設備的點橫截面，該PCM存儲器存儲設備是 依照本發明采用原子層沉積(ALD)工序鄰近GST材料沉積的氧化鋅(SiO)來制造的；圖5說明了依照本發明的在堆疊沉積之后的單元密封和電介質填充；圖6說明了依照本發明的位線構成及定義；圖7說明了依照本發明的在PCM結構中的切隙(lance)加熱器定義；
圖8示出了在利用在圖7中說明的加熱元件的存儲器設備的實施例中GST/ZnO異 質結的I-V電特性；以及圖9示出了自選擇設備的I-V電特性，其展示了用于檢測存儲器設備的阻抗的取 消選擇區和選擇區；需要理解的是，圖中示出的元件是為了簡單清楚的說明而不必要作為限制。例如， 為清楚起見，一些元件的尺寸可能相對于其他的元件被夸大。進一步地，在被認為是恰當的 地方，參考標號在圖中被重復來指示相應或類似的元件。
具體實施例方式在下面的詳細描述中，大量的特定細節被提出以便提供對本發明的全面理解。然 而，本領域技術人員可以理解的是，本發明可以在沒有這些特定細節的情況下實施。在其他 實例下，已知方法、程序、組件和電路并未被詳細描述，以便不會使本發明難以理解。需要被理解的是條件“耦合”和“連接”，與衍生物一起，不被意在做為彼此的同義 詞。在具體的實施例中，“連接”可以被用來顯示兩個或更多的元件彼此直接物理或電接觸。 “耦合”可以被用來顯示兩個或更多的元件彼此直接或非直接(通過其它的介于他們之間 的元件)物理或電接觸，和/或兩個或更多的元件協作或相互作用(例如以原因和效果關 系)。圖1顯示存儲設備的俯視圖，說明了沿著A-A’軸的第一視圖和沿著B-B’軸的第 二垂直視圖。這兩個視圖被用在圖2-圖6來顯示將PCM設備放置到互補金屬氧化物半導 體工序的制作兼容性。特別地，圖2是顯示所沉積的銅字線的沿著A-A’軸和B-B’軸的側 視圖。需要注意的是這些視圖舉例說明在PCM存儲元件制作中的初始工序步驟，其跟隨在 制造CMOS邏輯門電路的CMOS工序之后。圖3說明了依照本發明沿著堆疊有η型SiO 302、ρ型GST 304以及 Ν308的沉 積材料的A-A’軸和B-B’軸的截面圖。該圖示出了制造有Ge-Sb-Te (GST)材料304的自動 加熱PCM存儲設備300，該GST材料304直接沉積在氧化鋅(SiO)層的頂部，而不失去GST 材料的存儲能力。該堆疊在P型GST材料304和η型ZnO層的結合處形成了異質結二極管 306。使用如同在圖3中示出的制造工序，有相變材料的系統存儲器可以被制作以展 示由于溫度改變的相位轉變。由于包含周期表VI族的元素合金(如稱為硫族化合物 (chalcogenide)或硫化物(chalcogenic)材料)，存儲器單元可以通過用將存儲器單元在 高電阻狀態(非晶相，復位狀態)和低電阻狀態(結晶相，設置狀態)之間轉換的脈沖電流 來加熱電阻的方式編程。因此，在所描述的工序上有利地使用硫族化合物可以在即使電源 從非易失性存儲器上移除后保持穩定的相變存儲單元上提供數據記憶。在CM0S/PCM制造工序中，ZnO覆蓋層可以使用原子層沉積(ALD)來進行沉積，原 子層沉積提供了薄膜生長，該薄膜生長基于表面反應來進行自身限制，該表面反應使原子 標度(scale)沉積控制變為可能。在制造期間，在晶圓表面上沉積單層(monolayer)的涂 覆方法將氣體引進到處理腔。引進到所述腔中的第二氣體與第一氣體相互反應以在襯底上 產生單層薄膜，單層薄膜的厚度由沉積循環的數量來精確控制。因此，ALD工序可以在相對 低的溫度下被實現，并且用無針孔(pinhole-free)的超共形(super-conformal)薄膜來提供了埃級(Angstrom-level)厚度控制。正如先前提及的，經過使得GST層304接觸ZnO層302，而在接口形成了 GST/ZnO 異質結。晶狀GST材料304是自然ρ型，并且ZnO材料302是η型，由此造成的二極管306 有良好的整流性能。二極管306可以用來選擇GST存儲器單元存儲元件，這避免了在PCM 矩陣中針對每個存儲器單元使用專用選擇晶體管。因此，在η型氧化鋅(SiO)層302上直 接沉積P型晶狀GST層304形成了嵌入在PCM存儲元件中的GST/ZnO結，并且所形成的二 極管減少了堆疊和后續工序復雜性，也節約了有關選擇設備制造的掩膜的數量。圖4說明了定義為由ρ型GST材料304鄰近η型SiO材料302來制造自加熱PCM 存儲設備300的點402的橫截面。圖5說明了依照本發明在堆疊沉積之后的單元密封SiN 502和介質填充504。圖6說明了位線602構成和定義。相對于底部接觸(Wb)而應用到頂 部接觸(Wt)的正偏置啟動選擇器設備。圖7說明了具有加熱器700和在相變中涉及的GST點區域712的PCM存儲設備700 的實施例。η型ZnO層704覆蓋GST層702來形成PN結。需要注意的是基于切隙(lance) 的單元被描述，但是例如諸如間隔(wall)設備、孔隙(pore)設備或鉤槽(Trench)設備等 的其他PCM單元結構可以結合當前發明的特征。因此，在沉積GST層702后，其他PCM單元 結構可以沉積ZnO層704和覆蓋層708，其中所有堆疊隨后被蝕刻。GST點區域712被形成 接近加熱器元件、在相變中被涉及并且也是通過GST層702和ZnO層704整流結的一部分。 需要清楚的是GST層702同時是選擇器和存儲元件的一部分，由此實現自選擇設備。圖8提供了 ρ型GST層和η型ZnO異質結的I-V電特性。該結的電特性被說明為施 加在ZnO層704的地電勢和施加在GST層702上的正電壓，以及為了反向偏置所述結而施加 在GST層的負電壓。X軸上的電壓與底部接觸電壓及頂部接觸電壓不同。對于IOOnmX IOOnm 的區域和3伏特偏置的ImA “Ion”電流的二極管，“導通”電流到“斷開”電流的比率(如由 Ion/Ioff指定)有近似109的值。電流Ion/Ioff的數據被作為一個例子提供，并且其他比 率可以被使用，而不限制所要求保護的主題。圖9描述了自選擇設備的I-V電氣特性。用形成于反向偏置的GST/ZnO結處的二 極管，PCM存儲設備700的兩個狀態如描述一樣被取消選擇區902取消選擇。利用被提供 以前向偏置所述二極管的正電壓低于兩伏特限度(由區域904定義)，PCM存儲設備700的 兩個狀態可以通過讀取設備的阻抗來檢測到。可以預料的是兩伏特正偏置電壓被描述為可 以被調整的限度。同時需要理解的是當偏置電壓高于兩伏特限度時，二極管706的電特性 疊加在編程區域。到現在為止，顯而易見的是鄰近ZnO層沉積的相變材料GST形成了自選擇存儲設 備。形成在&10/GST接口處的二極管清楚地說明了在該PCM結構中的整流和存儲能力。雖然發明的特定的特征在這里被舉例說明和描述，本領域技術人員可以理解的 是，許多修改、代替、變化和等價方式均是可行的。因此，需要理解的是，附加的權利要求是 意在覆蓋所有這樣的修改和變換，這些修改和變換落入本發明的實質精神中。
權利要求
1.一種相變存儲器存儲元件，該相變存儲器存儲元件包含η型半導體層，該η型半導體層與ρ型硫族化合物材料直接接觸來形成嵌入所述相變存 儲器存儲元件的二極管，其中所述二極管被用來選擇所述相變存儲器存儲元件。
2.根據權利要求1所述的相變存儲器存儲元件，其中所述相變存儲器存儲元件利用或 不利用加熱器元件來改變狀態。
3.根據權利要求1所述的相變存儲器存儲元件，其中所述η型半導體層是氧化物系半 導體層，并且所述P型硫族化合物材料是相變合金。
4.根據權利要求3所述的相變存儲器存儲元件，其中所述氧化物系半導體層是氧化鋅層。
5.根據權利要求3所述的相變存儲器存儲元件，其中所述相變合金是Ge、Sb、Te合金。
6.根據權利要求5所述的相變存儲器存儲元件，其中應用于所述二極管的偏置允許所 述相變存儲器存儲元件的兩種狀態通過讀取所述Ge、Sb、Te合金的阻抗而被檢測到。
7.根據權利要求5所述的相變存儲器存儲元件，其中所述氧化鋅層直接在所述Ge、Sb、 Te合金之上。
8.根據權利要求5所述的相變存儲器存儲元件，其中所述Ge、Sb、Te合金直接在所述 氧化鋅層之上。
9.一種存儲單元，該存儲單元包括選擇器二極管，通過氧化鋅層直接接觸相變存儲器層而形成，其中所述選擇器二極管 被偏置以允許所述存儲單元的狀態通過讀取所述相變存儲器層的阻抗而被檢測到。
10.根據權利要求9所述的存儲單元，其中所述存儲單元利用或者不利用加熱元件來 實現。
11.根據權利要求9所述的存儲單元，其中所述相變存儲器層是天然P型，并且所述氧 化鋅層是η型，從而形成被用來選擇所述存儲單元的所述選擇器二極管。
12.根據權利要求9所述的存儲單元，其中使用原子層沉積來沉積所述氧化鋅層。
13.根據權利要求9所述的存儲元件，其中所述氧化鋅層被直接沉積在所述相變存儲器層之上。
14.根據權利要求9所述的存儲元件，其中所述相變存儲器層被直接沉積在所述氧化 鋅層之上。
15.根據權利要求9所述的存儲元件，其中所述相變存儲器層是硫族化合物材料。
16.一種相變存儲器，該相變存儲器包括具有η型氧化鋅層的存儲器單元，該η型氧化鋅層通過直接接觸天然ρ型結晶相變存 儲器材料而被沉積，從而形成嵌入在所述相變存儲器材料中的二極管結；以及覆蓋層，該覆蓋層鄰近所述氧化鋅層以與所述氧化鋅層和所述相變存儲器材料形成堆疊。
17.根據權利要求16所述的相變存儲器，其中在所述相變存儲器材料中的存儲利用或 不利用加熱器元件來完成。
18.根據權利要求16所述的相變存儲器，其中兩伏特或更少的正偏置使二極管結前向 偏置以允許通過讀取所述相變存儲器材料的阻抗來檢測所述存儲器單元的狀態。
19.根據權利要求16所述的相變存儲器，其中使用原子層沉積來沉積所述氧化鋅層。
20.根據權利要求15所述的相變存儲器，其中所述氧化鋅層直接沉積在所述相變存儲 器材料之上。
21.根據權利要求書15所述的相變存儲器，其中所述相變存儲器材料直接沉積在所述 氧化鋅層之上。
全文摘要
使用原子層沉積(ALD)而沉積在相變材料上的氧化鋅(ZnO)層形成了自選擇存儲設備。形成在ZnO/GST接口處的二極管顯示了在PCM結構內的整流和存儲性能。
文檔編號H01L45/00GK102117884SQ20101054810
公開日2011年7月6日 申請日期2010年11月16日 優先權日2009年12月31日
發明者A·皮羅瓦諾, A·里德艾里 申請人:恒憶公司