专利名称：可编程相变材料结构及其形成方法
技术领域：
图3(a)是具有恒定电阻部分和可转换可变电阻部分的 PCM垫片的阻抗模型的示意图；图5(c)的阵列通过施加高电压到连接到单元的适当Vp线 (A， B等)，继之以施加脉冲到单元的栅极线而编程。再次，脉冲 的幅度和持续时间在具有低幅度和緩慢斜坡降低(例如写入逻辑0的 低电阻)的脉冲与具有大幅度和快速斜坡降低(例如写入逻辑l的高
电阻)的脉冲之间选择。可选地，编程可以同时在相同的栅极线上对
于所有0和所有1完成。为了读出阵列单元的状态，低电压(低于编 程阈值)施加到连接到单元的相应Vp线(A, B等)，继之以施加 脉沖到该单元的栅极线。连接到所选栅极线的所有单元的并行输出连 接到相应电流读出输出510，从而产生例如Sense—out_A。对于温度7V，,)，具有恒容时的比热Cv，扩散系数《(7)
和加热速率i/(。 o。材料性质看作温度无关并且对于相应材料是典型的。 图 14(a)-14(c)分别是说明具有外部尺寸 200nmx200nmx255nm (长度、宽度、高度)的加热器元件220和具 有尺寸40nmx40nm x40nm的PCM元件222的3D热仿真的结果的 顶视图、侧视图和正视图。置位期间PCM元件222的峰值温度发现
为大约793°C，加热器元件以0.4mW导通长达大约30ns。恰好淬火 之前
图14(a)-14(c)中显示的温度分布包括大约255。C的外部等温线 1404和呈现为大约607。C的PCM熔化温度的内部等温线1402。此 外，SiCOH材料215的温度保持为低，同时与加热器220接触的 PCM 222炫化。
[0060现在参考图15和16,分别显示设计成在所有方向上具有 冷却边界的，包括加热器元件220周围的空间的BEOL PCM元件的 另一种实施实施方案1500的侧一见图和正^L图。相对于图12和13的 设计，元件1500进一步引入在加热器220下面形成的空气隙1502的 使用，以便提供加热器220与SiCOH电介质215 (除了 N-BLoK材 料216之外)之间的热绝缘。但是，与图12和13的实施方案相对比 (但是与图2的实施方案类似)，加热器材料(例如TaN)沉积在 SiCOH电介质薄层215上，而不是直接沉积在一层N-BLoK 216 上。在对TaN材料形成图案以形成加热器220之后，各向同性刻蚀 步骤(例如DHF清洁&抗蚀剂条带)在TaN加热器220下面形成空 气隙1502。空气隙的尺寸可以通过控制湿法刻蚀步骤来控制。如图 15中特别显示的， 一些SiCOH材料215保留在TaN下面，其中尺 寸大并且该结构将机械坚固。 第三实例实施方案
[00611如先前提及的，在一些材料中，如果前沿速度快，则非 均匀结晶机制的优势(也就是，非晶区域被生长到样品的未修改结晶 部分外的结晶/非晶前沿再侵入)可以限制非晶化。这是因为PCM条 形中的熔化和可非晶化的层相对薄(例如在大约10-100nm的范 围)，并且因此侵入的再结晶前沿所花费的时间可能比复位过程中的 冷却时间短，从而防止非晶化发生。
[0062因此，图17(a)和17(b)分别是设计成与具有快速再结晶 前沿的PCM材料一起操作的BEOL PCM元件的另一种实例实施方 案1700的顶视图和侧视图。在该实施方案中，使用长度L的相对长 的加热器(例如大约500-700nm)。此外，PCM元件222的厚度制
造得对于连续薄膜实际上尽可能地小(例如大约10nm-25nm)，使 得它在置位过程期间熔化穿过它的整个厚度。同样如图17(b)中所 示，电绝缘薄层1702 (例如大约5nm的Si02)在加热器220和 PCM 222之间形成。电绝缘层1702目的在于阻挡加热器220与 PCM 222之间的导电，同时对于从加热器220到PCM 222中的热传 播(其蓄热系数为低于Si()2的数量级)几乎不具有影响。
[0063如此构造，再结晶过程(呈现非均匀)将通过PCM的中 心熔化部分与端部的未熔化部分(其因通孔的散热而冷却)之间的前 沿而发生。该前沿将向内移动以再结晶熔化的材料。但是，当关断加 热器电流时，冷却主要沿着负z方向朝向加热器220内发生，同时再 结晶前沿以恒定的再结晶前沿速度沿着x方向移动，花费与L/2成比 例的时间以达到加热器的中心。因为加热器的冷却时间与L无关， 通过扩展尺寸L，冷却时间因此可以变得比再结晶时间短，使得置位 之后剩下的PCM样品的中心将存在非晶区域222a。举例来说，冷却 时间代表加热器从大约650-1000。C的温度范围冷却到大约50(TC (在 该点再结晶动力变得非常低)所花费的时间。
[0064读出操作的可行性取决于电绝缘薄层1702的存在；否 则，高电阻非晶区域222a将由于PCM材料与加热器220之间的直 接连接在读出操作期间短路。因此，在置位之后，读出和公共端子之 间的导电性由非晶区域222a阻挡，并且电阻非常高。另一方面，因 为PCM 222与加热器220之间不存在直接接触，读出电流通路将需 要通过PCM 222的长度并且到达加热器220的一端(该端对于加热 器电流的编程电流通路也是公用的)。因此，图17(a)和17(b)也描绘 通过M2布线1706电连接到通孔224 (从而到加热器220的一端) 的另外通孔1704的形成。作为使用通孔1704和M2导线1706连接 到通孔224 (从而到加热器220 )用于读出电流通路的备选方案，形 成通过Si02层1702的小通孔以将PCM 222电连接到加热器220也 是同等可行的，假如通孔在非晶区域222a相对于读出电压通孔228 的相对端上。
[0065J最后，图18(a)-18(c)分别是说明在置位操作期间具有外 部尺寸650nmx200nmxl90nm (长度、宽度、高度)的加热器元件 220和具有尺寸330nmx80nmx20nm的PCM元件222的3D热仿真 的结果的顶视图、侧视图和正视图。置位期间PCM元件222的峰值 温度发现为大约1330°C，加热器元件以1.12mW导通长达大约 70ns。恰好淬火之前图18(a)-18(c)中显示的温度分布包括大约255°C 的外部等温线1804和呈现为大约607。C的PCM熔化温度的内部等温 线1802。
[0066熔化温度仅在PCM的中心区域中实现，如对于在PCM 条形边缘处形成再结晶前沿所必需的。熔化温度的内部等温线1802 延伸贯穿中心区域中PCM的厚度并且也延续该条带的全部宽度。因 此，复位之后沿着条带不存在导电通路。如果加热时间较长，加热器 中的峰值温度和功率需求将较小。
[0067虽然已经参考一种或多种优选实施方案描述了本发明， 但是本领域技术人员应当理解，可以进行各种改变并且可以用等价物 代替其元件而不脱离本发明的范围。另外，可以进行许多修改以使特 殊的情况或材料适应于本发明的教条而不脱离本发明的本质范围。因 此，本发明并不打算局限于作为预期实施本发明的最佳方式而公开的 特定实施方案，但是本发明将包括落在附加权利要求范围内的所有实 施方案。
权利要求
1. 一种可编程相变材料(PCM)结构，包括:在半导体器件的后段制程(BEOL)级形成的加热器元件，该BEOL级包括低K电介质材料于其中；与加热器元件的第一端电接触的第一通孔和与加热器元件的第二端电接触的第二通孔，从而限定通过第一通孔、加热器元件和第二通孔的编程电流通路；置于加热器元件上的PCM元件，其中该PCM元件配置成通过使用经过加热器元件的置位和复位编程电流在较低电阻结晶态与较高电阻非晶态之间被编程；以及与PCM元件电接触的第三通孔，从而限定通过第三通孔、PCM元件、加热器元件和第二通孔的读出电流通路，其中该读出电流通路用来检测PCM元件的编程电阻状态。
2. 根据权利要求1的可编程PCM结构，其中PCM元件直接形 成在加热器元件上。
3. 根据权利要求2的可编程PCM结构，还包括置于加热器元 件与BEOL级的低K电介质材料之间的热、电绝缘材料。
4. 根据权利要求3的可编程PCM结构，其中热、电绝缘材料 也置于PCM元件与BEOL级的低K电介质材料之间。
5. 根据权利要求3的可编程PCM结构，还包括在加热器的底 面与一层热、电绝缘材料之间形成的空气隙。
6. 根据权利要求5的可编程PCM结构，其中热、电绝缘材料 也置于PCM元件与BEOL级的低K电介质材料之间。
7. 根据权利要求1的可编程PCM结构，还包括在加热器元件 与PCM元件之间形成的热传导、电绝缘层。
8. 根据权利要求7的可编程PCM结构，其中PCM元件材料包 括形式GexSby的二元材料。
9. 根据权利要求7的可编程PCM结构，其中配置加热器元件的长度L，使得加热器元件的冷却时间比PCM元件的再结晶时间 短，其中加热器元件的冷却时间与L无关而PCM元件的再结晶时间 取决于L。
10. 根据权利要求7的可编程PCM结构，还包括与PCM元件电接触的第四通孔，其中第三和第四通孔位于相对 于PCM元件的可非晶化区域的相对侧；以及第四通孔也与第二通孔电接触，使得读出电流通路通过第三通 孔、PCM元件、第四通孔、第二通孔和加热器元件。
11. 根据权利要求7的可编程PCM结构，其中热传导、电绝缘 层包括SiCh。
12. 根据权利要求1的可编程PCM结构，其中低K电介质材料 包括SiCOH。
13. 根据权利要求3的可编程PCM结构，其中热、电绝缘材料 包括N-BLoK。
14. 根据权利要求1的可编程PCM结构，其中加热器元件包括 TaN。
15. —种非易失性可编程相变材料(PCM)存储器阵列，包括以行和列排列的多个存储单元，每个存储单元包括在半导体器件 的后段制程(BEOL)级形成的加热器元件，该BEOL级包括低K 电介质材料于其中；与加热器元件的笫一端电接触的第一通孔和与加热器元件的第二 端电接触的第二通孔，从而限定通过第一通孔、加热器元件和第二通 孔的编程电流通路；置于加热器元件上的PCM元件，其中PCM元件配置成通过4吏 用经过加热器元件的置位和复位编程电流在较低电阻结晶态与较高电 阻非晶态之间,皮编程；以及与PCM元件电接触的第三通孔，从而限定通过第三通孔、PCM 元件、加热器元件和第二通孔的读出电流通路，其中该读出电流通路用来检测PCM元件的编程电阻状态；以及配置以读出PCM元件的电阻的读出电路系统。
16. 根据权利要求15的存储器阵列，还包括在加热器元件与 PCM元件之间形成的热传导、电绝缘层。
17. 根据权利要求16的存储器阵列，其中PCM元件材料包括 形式GexSby的二元材料。
18. 根据权利要求16的存储器阵列，其中配置加热器元件的长 度L,使得加热器元件的冷却时间比PCM元件的再结晶时间短，其 中加热器元件的冷却时间与L无关而PCM元件的再结晶时间取决于 L。
19. 根据权利要求16的存储器阵列，还包括与PCM元件电接触的第四通孔，其中第三和第四通孔位于相对 于PCM元件的可非晶化区域的相对侧；以及第四通孔也与第二通孔电接触，使得读出电流通路通过第三通 孔、PCM元件、笫四通孔、第二通孔和加热器元件。
20. —种形成可编程相变材料(PCM)结构的方法，该方法包括在半导体器件的后段制程(BEOL)级形成加热器元件，该 BEOL级包括低K电介质材料于其中；形成与加热器元件的第一端电接触的第一通孔和与加热器元件的 第二端电接触的第二通孔，从而限定通过第一通孔、加热器元件和第 二通孔的编程电流通路；在加热器元件上形成PCM元件，其中该PCM元件配置成通过 使用经过加热器元件的置位和复位编程电流在较低电阻结晶态与较高 电阻非晶态之间被编程；以及形成与PCM元件电接触的第三通孔，从而限定通过第三通孔、 PCM元件、加热器元件和第二通孔的读出电流通路，其中该读出电 流通路用来检测PCM元件的编程电阻状态。
全文摘要
一种可编程相变材料(PCM)结构包括在半导体器件的BEOL级形成的加热器元件，该BEOL级包括低K电介质材料于其中；与加热器元件的第一端电接触的第一通孔和与加热器元件的第二端电接触的第二通孔，从而限定通过第一通孔、加热器元件和第二通孔的编程电流通路；置于加热器元件上的PCM元件，该PCM元件配置成通过使用经过加热器元件的编程电流在较低电阻结晶态与较高电阻非晶态之间编程；以及与PCM元件电接触的第三通孔，从而限定通过第三通孔、PCM元件、加热器元件和第二通孔的读出电流通路。
文档编号H01L23/525GK101383337SQ200810129458
公开日2009年3月11日 申请日期2008年7月31日 优先权日2007年9月6日
发明者B·G·埃尔米格林, C·科桑达拉曼, D·M·纽恩斯, L·克鲁辛-艾尔鲍姆, S·波卢索萨曼, 朴炳柱, 林仲汉, 金德起, 陈冠能 申请人:国际商业机器公司