一种包括自会聚底部电极环的方法及内存单元。该方法包括在基底上形成阶梯间隔件、顶部绝缘层、中介绝缘层以及底部绝缘层。该方法包括在该顶部绝缘层和该中介绝缘层内形成阶梯间隔件。该阶梯间隔件的尺寸容易控制。该方法也包括在具有阶梯间隔件的底部绝缘层中形成通道以做为屏蔽。该方法包括在通道内形成包括该通道内的杯型外部导电层的底部电极环以及在该杯型外部导电层内形成内部绝缘层。该方法包括在该底部电极环上形成相变层以及在该底部电极环上形成顶部电极。
1.一种形成内存单元结构的方法，该方法包括：在一基底上形成至少一底部绝缘层，该底部绝缘层由第一绝缘材料构成；
在该基底上形成至少一中介绝缘层，该中介绝缘层由第二绝缘材料构成，从该第一绝缘材料可独立地移除该第二绝缘材料；
在该基底上形成至少一顶部绝缘层，该顶部绝缘层由第三绝缘材料构成，从该第二绝缘材料可独立地移除该第三绝缘材料；
在该中介绝缘层中形成一切口，致使在该通孔内该顶部绝缘层突出于该中介绝缘层；
在该通孔中形成一间隔件材料的阶梯间隔件，致使在该底部绝缘层上产生一空腔，该空腔的直径与该通孔的直径无关，该阶梯间隔件环绕一通道，该通道延伸到该底部绝缘层；
蚀刻该底部绝缘层，致使该通道延伸穿过该底部绝缘层；
形成完全填充该底部绝缘层中的该通道的一底部电极环，该底部电极环由一外部导电材料以及一内部绝缘材料构成；
在该底部电极环上形成由一相变材料所构成的一相变层；以及在该相变材料上形成由一导电材料所构成的一顶部电极层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在该中介绝缘层中形成该切口的步骤包括蚀刻该中介绝缘层，致使该顶部绝缘层突出于该通孔内的该中介绝缘层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中形成该阶梯间隔件的步骤包括：在该通孔内且沿着该切口沉积一间隔件层，该间隔件层包含该空腔；以及蚀刻该间隔件层，致使在该间隔件层内形成该通道。
4.根据权利要求3所述的方法，其中该间隔件层是由非晶硅所构成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中蚀刻该底部绝缘层致使该通道延伸穿过该底部绝缘层的步骤包括：蚀刻该通道所延伸到而显露出的该底部绝缘层的表面，使该通道延伸穿过该底部绝缘层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中该基底包括位于该底部电极环正下方且由导电材料所构成的一底部接触。
7.根据权利要求1所述的方法，其中形成该底部电极环的步骤包括：形成由该外部导电材料所构成的一外部导电层，该外部导电层完全对齐于在该底部绝缘层中的该通道的侧壁和底部；
形成由该内部绝缘材料所构成的一内部绝缘层，该内部绝缘材料被包含在该外部导电层内且完全填充该底部绝缘层中的该通道；以及抛光该底部绝缘层、该中介绝缘层、该外部导电层以及该内部绝缘层，致使该底部绝缘层的顶部表面、该外部导电层的顶部表面以及该内部绝缘层的顶部表面平行于该基底的顶部表面，以及完全移除该中介绝缘层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中形成该相变层的步骤包括：在该底部电极环上以及在该底部绝缘层上形成一相变绝缘层；
在该底部电极环上的该相变绝缘层中形成沟槽，该沟槽至少与该底部电极环一样宽；
9.根据权利要求1所述的方法，其中该外部导电材料为钨。
10.根据权利要求1所述的方法，其中该第一绝缘材料和该第三绝缘材料为氮化硅。
11.根据权利要求1所述的方法，其中该第二绝缘材料为二氧化硅。
12.根据权利要求1所述的方法，其中该内部绝缘材料为氮化硅。
13.根据权利要求1所述的方法，其中该相变材料为锗-锑-碲(GST)。
在该基底上的一底部绝缘层，该底部绝缘层由一第一绝缘材料所构成；
在该底部绝缘层内形成的一底部电极环，该底部电极环由一杯型外部导电材料与在该杯型外部导电材料内的内部绝缘材料所构成；
在该底部电极环和该底部绝缘层上由相变材料构成的一相变层，该底部电极环具有比该相变层的直径变化小的直径变化；以及一顶部电极层，该顶部电极层由一导电材料所构成。
15.根据权利要求14所述的内存单元，其中该相变层为至少与该底部电极环一样宽的一区块。
16.根据权利要求15所述的内存单元，还包括由第二绝缘材料所构成的一相变绝缘层，该相变层包含在该相变绝缘层内。
17.根据权利要求14所述的内存单元，其中该底部电极环包括：由该外部导电材料所构成的一外部导电层，该外部导电层被包含在该基底的顶部表面、该相变层的底部表面以及该底部绝缘层内；以及由该内部绝缘材料所构成的一内部绝缘层，该内部绝缘层被包含在该外部导电层与该相变层的底部表面内。
18.根据权利要求14所述的内存单元，其中该基底包括位于该底部电极环正下方且由导电材料所构成的底部接触。
自会聚底部电极环
技术领域
[0001] 本发明是涉及关于非易失性内存单元的自会聚底部电极环的形成，且更特别是关于相改变内存单元。
背景技术
[0002] 在计算机内存中有两个主要群组：非易失性内存和易失性内存。在非易失性内存中为了保持信息而持续输入能源是不需要的，但是在易失性内存中则是需要的。非易失性内存装置的范例是光盘(CD和DVD)，磁性硬盘装置以及相变内存。易失性内存装置的范例包括DRAM(动态随机存取内存)和SRAM(静态随机存取内存)。本发明是针对相变内存(phase changememory)和在相位变化内存中形成较小内存单元的方法。
[0003] 在相变内存中，信息是储存在可以被操控为不同相的材料中。这些相其中之一显示出可以用在储存信息的不同电子性质。该非晶相和结晶相是典型的用于位储存(0与1数据)的两个相，此因为他们在电子电阻中具有可检测的差异。更特别为，该非晶相具有比该结晶相高的电阻。通常玻璃硫族化合物(glass chalcogenides)是用于做为相变材料。这材料的基团包括硫族元素(chalcogen)(周期表第16/VIA族)以及更多正电性元素。当设计相变内存单元时，硒(Se)和碲(Te)是用在产生玻璃硫族化合物的最常用的半导体基团。此范例可以是Ge2Sb2Te5(GST)、SbTe以及In2Se3。然而，一些相变材料不利用硫族元素，例如GeSb。因此，只要他们可以保留单独的非晶以及结晶状态，种种材料均可以用在相变材料单元。
[0004] 在相变材料中该非晶和结晶相为可逆的。由于欧姆加热，电子脉冲流过相改变材料以熔化该相改变材料。相对高强度与短持续脉冲导致快速的熔化以及冷却时间；该相改变材料没有时间形成有组织的晶粒，藉此产生非晶相。相对低强度与长持续脉冲使该相变材料缓慢冷却，于是形成有组织的晶粒且被称为在该结晶相。同时，较小的项变化区域导致较少需要熔化该相变材料的能量。
[0005] 通常，底部电极是用来在该相变区域中加热该相变材料。该底部电极的形状、尺寸与形成影响该底部电极在提供该相改变材料的相改变所需的电流的有效质量。因此，其值得去制造最小化操作所需要的能量的底部电极且提供该相改变材料均匀分布加热。
发明内容
[0006] 本发明的例示性实施例为一种用于在基底上形成内存单元结构的方法。该基底可以是但不限制于：裸硅基底、具有沉积在硅基底的上表面的绝缘材料层的该硅基底、或是具有在硅基底内所形成的底部接触的该硅基底。
[0007] 在该基底上用以形成该内存单元结构的该方法必须在基底上沉积第一绝缘材料的底部绝缘层、在该底部绝缘层上沉积第二绝缘材料的中介绝缘层以及在该中介绝缘层上沉积第三绝缘材料的顶部绝缘层。该第二绝缘材料是从该第一绝缘材料可独立地移除以及该第三绝缘材料是从该第二绝缘材料可独立地移除。通孔形成步骤为在该顶部绝缘层以及该中介绝缘层中形成通孔。切口步骤为在该通孔中形成切口，致使该顶部绝缘层在该通孔空间内突出于该中介绝缘层。
[0008] 阶梯间隔件形成步骤为在该通孔中形成阶梯间隔件，致使在该底部绝缘层上产生空腔。该空腔的大小是无关于该通孔大小和光刻。该空腔的大小是依据该切口和沉积量。典型地，较大通孔将得到较多沉积，而较小通孔将得到较少沉积。因此，该空腔的关键尺寸将自会聚到该切口的大小。该阶梯间隔件形成步骤也形成了容纳在该阶梯间隔件内而延伸到该底部绝缘层的丨通道。蚀刻步骤是在该阶梯间隔件中的该通道而被延伸穿过该底部绝缘层和延伸到该基底的顶部表面。在本发明的丨特定实施例中，其该第一绝缘材料和该第三绝缘材料由相同材料所构成，在该蚀刻步骤期间中该顶部绝缘层也被移除。底部电极环形成步骤为在该底部绝缘层内的该通道中形成底部电极环。该底部电极环包含外部导电材料以及内部绝缘材料。相变形成步骤为相变材料沉积在该底部电极环上。顶部电极层形成步骤为顶部电极形成在该相变材料上。
[0009] 本发明的另一例示性方面为一种内存单元结构。该内存单元结构由基底所构成。该基底可以包括但不限制于裸硅基底、具有沉积在硅基底的顶部表面的绝缘材料层的该硅基底、或是具有在硅基底内所形成的底部接触的该硅基底。
[0010] 该内存单元结构具有在该基底上的底部绝缘层，其由第一绝缘材料所构成。底部电极环是在该底部绝缘层内形成。该底部电极环是由杯型外部导电材料以及在该外部导电材料内的丨内部绝缘材料所构成。相变层是由相变材料所构成且在该底部电极环和该底部绝缘层上，该底部电极环相较于该相变层的直径变化具有较小的直径变化。顶部电极层是由导电材料所构成且在该相变层上形成。
附图说明
[0011] 被视为本发明的主题是在说明书的结论中特别地被指出且在申请权利要求书中被具体请求。本发明的前述和其它目的、特征以及优点是从结合伴随着图式与采用以下详细描述而为明显，其中：
[0012] 第1图表示起始晶圆、基底和绝缘层。
[0013] 第2图表示通孔形成。
[0014] 第3图表示切口形成。
[0015] 第4图表示间隔件材料沉积以及空腔形成。
[0016] 第5图表示阶梯间隔件形成。
[0017] 第6图表示底层电极环的通道形成。
[0018] 第7图表示阶梯间隔件移除。
[0019] 第8至10图表示底层电极环形成。
[0020] 第11图表示相改变组件以及顶部电极形成。
具体实施方式
[0021] 本发明是以参考第1至11图而被描述。当参考这些图式时，整体全部显示的类似组件是以类似的组件符号来指示。本发明的实施例通常是针对但并未限制在于形成相变内存(PCM)装置的自会聚尺寸(关键尺寸)的电极环。该电极环可以用在PCM装置中改变相变状态。
[0022] 第1图表示起始晶圆102。在本发明的特定实施例中，该起始晶圆是由基底104、底部绝缘层106、中介绝缘层108、顶部绝缘层110以及底部接触112所构成。该基底可以由硅、在硅上的二氧化硅或是任何其它前段制程(front-end-of-line；FEOL)的起始晶圆所构成，其包括在该晶圆里面的存取晶体管。该底部接触112可以由可以携带该PCM装置的足够驱动电流的任何导电材料所构成。在本发明的一特定实施例中，该底部接触112是由钨(W)所构成。
[0023] 前述三个绝缘层106、108和110可以由任何电绝缘材料所构成，然而具有限制因素。该底部绝缘层106必须从该中介绝缘层108独立地可移除，以及该中介绝缘层108必需从该顶部绝缘层110独立地可移除。在本发明的一特定实施例中，该底部绝缘层106是由氮化硅所构成，该中介绝缘层108是由二氧化硅所构成，以及该顶部绝缘层110是由氮化硅所构成。前述三个绝缘层的沉积技术对在此领域的具有通常知识者为熟知。例如：该沉积可以利用各种化学气相沉积(CVD)过程。
[0024] 现转向第2图，通孔(via)202在该顶部绝缘层110和该中介绝缘层108中形成。该通孔202的底部是该底部绝缘层106的顶部表面。该通孔可以用此领域中具有通常知识者熟知的光刻屏蔽(mask)和反应性离子蚀刻(RIE)技术来形成。在本发明的特定实施例中，该通孔202直接形成在该底部电极112上。
[0025] 第3图显示在该通孔202中的切口302的形成。在该通孔202内该顶部绝缘层110突出于该中介绝缘层108。此领域中具有通常知识者将了解各种湿蚀刻可以施用于形成切口。所使用的湿蚀刻是根据用在该顶部绝缘层110和该中介绝缘层110的材料。在本发明的实施例中，其中该顶部绝缘层110是由氮化硅所构成以及该中介绝缘层108是由二氧化硅所构成，使用稀氢氟酸(dilute hydrofluoric acid；DHF)湿蚀刻，以便该中介绝缘层108可以用相较于该顶部绝缘层110为非常高的速率而被蚀刻以形成该切口302。
[0026] 在第4图中，高度适形(conformal)间隔件层402沉积在该顶部绝缘层110上并且沉积在该中介绝缘层108内所容纳的通孔202中。空腔404在该间隔件层402内且大约到该通孔202的中心(请参见第3图)中形成。该切口302(请参见第3图)避免该间隔件材料完全填充该通孔202。该空腔404的直径是无关于该通孔202的直径且是两倍于形成在该顶部绝缘层110和该中介绝缘层108之间形成的该切口的直径。较大通孔202将可得到较多的沉积而较小的通孔202可得到较少的沉积。因此，该空腔404的直径(关键尺寸)将自会聚到该切口的大小。再者，该关键尺寸为无关于光刻。在本发明的实施例中，该间隔件层是由非晶硅所构成且利用CVD工艺而沉积。
[0027] 第5图表示阶梯间隔件(step spacer)502与在该阶梯间隔件502内的通道504的形成。该阶梯间隔件502以及该通道是藉由蚀刻该间隔件层402(请参考第4图)所形成。该空腔404(请参考第4图)导致该蚀刻穿透到该通孔202的中心以及在该阶梯间隔件402被蚀刻完之前而蚀刻到在该空腔404下的该间隔件层，因此在该通孔202内留下一环。该通道504从该阶梯间隔件502的顶部延伸到该底部绝缘层106的顶部表面。该通道504的侧壁为该阶梯间隔件502。此领域具有通常知识者将了解可以对该蚀刻采用指向性RIE工艺。
[0028] 现转向第6图，该通道504延伸穿过该底部绝缘层106。该阶梯间隔件502是用于作为蚀刻到该底部绝缘层106的硬屏蔽。该通道504向下延伸以穿过该底部绝缘层106，致使该通道504的底部为该基底104的顶部表面或是该底部接触112的顶部表面。此外，该顶部绝缘层也被移除。在本发明的一特定实施例中，该顶部绝缘层和该底部绝缘层106都是由氮化硅所构成，对于蚀刻到该底部绝缘层和移除该顶部绝缘层可以采用指向性RIE。
[0029] 在第7图中，该阶梯间隔件被移除。此领域中具有通常知识者将了解所采用的蚀刻将依据用于该阶梯间隔件的材料类型。在本发明的一特定实施例中，该阶梯间隔件是由非晶硅所构成，而氢氧化钾(KOH)和氢氧化四甲铵(tetramethylammonium hydroxide；TMAH)则可以用于该蚀刻中。
[0030] 第8图显示由导电材料所构成的外部导线层802的形成。该外部导电层802是沿着且对齐于(line)该通道504的侧壁和底部而形成。在本发明的特定实施例中，该外部导电层802是与该底部接触112接触。此领域具有通常知识者将了解可以使用各种电性导线材料，例如但不限制在氮化钛(TiN)或是氮化钽(TaN)。对于各种导线材料的沉积可以采用常规的CVD工艺。
[0031] 第9图显示由绝缘材料所构成的内部绝缘层902的形成。该内部绝缘层902是沉积在该外部导电层802上且填充该通道504的剩余部分。在本发明的实施例中，该内部绝缘层902是由氮化硅所构成。此领域具有通常知识者将了解对于该内部绝缘层902的形成可以采用常规的CVD介电质工艺。
[0032] 转到第10图，该通道外面的该中介绝缘层和该内部绝缘层902以及该通道外面的外部导电层802会被移除。此领域具有通常知识者将了解对于该通道外面的该中介绝缘层和该内部绝缘层902以及该通道外面的外部导电层802的移除可以采用譬如但不限制于化学机械抛光(CMP)工艺。
[0033] 对于该通道外面的该中介绝缘层和该内部绝缘层902以及该通道外面的外部导电层802的移除会露出该底部绝缘层106的顶部表面和所形成的该底部电极环1002的顶部表面。该底部绝缘层106的顶部表面和所形成的该底部电极环1002的顶部表面是平行于该基底的顶部表面，藉此对于相改变层的沉积而形成平坦表面。该底部电极环1002是由容纳在该内部绝缘层902其中的该外部导电层802杯所构成。该底部电极环1002是容纳在该底部绝缘层106内。在本发明的一特定实施例中，该底部电极环1002是直接定位在该底部接触112上。
[0034] 如第11图所示，该相改变层1102和顶部电极1104是在该底部绝缘层106和该底部电极环1002上形成。在本发明的实施例中，该相改变层1102为与该底部电极环1002至少相同宽的区块。该顶部电极1104是在该相改变层1102上形成。在本发明的特定实施例中，该相改变层1102是由锗-锑-碲(GST)所构成以及该顶部电极1104是由氮化钛(TiN)所构成。此领域具有通常知识者将了解对于该相改变层1102和该顶部电极1104的形成可以采用各种工艺，例如但并不限制于，相改变材料沉积的CVD工艺以及金属沉积的金属溅镀(sputter)工艺。再者，由于该底部电极802是被形成以作为该自会聚空腔404(请参见第4图)的结果，该底部电极802具有比该相变层1102的直径变化小的直径变化。
[0035] 在本发明的替换实施例中，该相改变层1102是在相改变绝缘层1106内形成。该相改变绝缘层1106是在该底部绝缘层106上和在该底部电极环1002上形成。沟槽随后在该相改变绝缘层1106中的该底部电极环102上形成，致使该沟槽的底部是该底部电极环1002的顶部表面和该底部绝缘层106的顶部表面。该顶部电极1104随后在该相改变层1102和该相改变绝缘层1106上形成。在本发明的实施例中，该相改变绝缘层1106是由二氧化硅所构成。此领域具有通常知识者将了解对于该相改变绝缘层1106的形成、沟槽形成以及适用于形成该顶部电极1104的表面的形成可以采用各种工艺。这些工艺可以包括和并未限制在对于该相改变绝缘层1106的形成的CVD工艺、对于沟槽形成的光刻屏蔽和RIE工艺、以及对于过量相改变层1102的移除的CMP工艺。
[0036] 本发明具有对于子光刻印刷方法(sub-lithographic printing method)所描述的较佳实施例(其倾向作为说明性而非为限制)，然而应注意到可以按照上述教导可使领域具有通常知识者可以进行改良与改变。因此，应可以了解到在该特定实施例所揭示者所进行的任何改变均属于在本发明的范围与精神内而由所附加的申请权利要求书所涵盖。于是，具有本发明所描述的观点以及带有由专利法所需的细节和特质，其是由专利特许证(Letters Patent)所请求并渴望保护而被提出在该附加的申请权利要求书中。
