可变电阻存储器件及其制造方法
【专利摘要】提供了一种可变电阻存储器件及其制造方法。所述可变电阻存储器件可以包括：多层绝缘层，形成在半导体衬底上，在半导体衬底上形成有下电极。多层绝缘层可以包括同心地形成在其中的第一孔和第二孔以暴露出下电极，其中，第一孔的直径比第二孔的直径大。可变电阻材料层可以形成在第二孔中以接触下电极，并且上电极可以形成在第一孔中以接触可变电阻材料层。
【专利说明】可变电阻存储器件及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年6月21日向韩国专利局提交的申请号为10-2013-0071496的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
【技术领域】
[0003]各种实施方式涉及一种非易失性存储器件，更具体而言，涉及一种可变电阻存储器件及其制造方法。
【背景技术】
[0004]近年，随着对具有高性能和低功率的半导体器件的要求，研究了具有非易失性和非刷新性的下一代半导体存储器件。作为下一代半导体存储器件中的一种，提出了可变电阻存储器件，并且作为可变电阻存储器件有:相变随机存取存储器件(PCRAM)、阻变随机存取存储器件(ReRAM)、磁性随机存取存储器件(MRAM)、自旋转移力矩磁阻随机存取存储器件(STTRAM)、或聚合物随机存取存储器件(PoRAM )。
[0005]通过将构成数据存储单元的相变材料控制成结晶状态或非晶状态，可变电阻存储器件执行存储器操作以具有设定状态或复位状态。
[0006]已经试图来减少复位电流，即在PCRAM中将相变材料转换成非晶状态所需的电流。PCRAM的复位电流的减少可以通过相变材料层的电阻、以及下电极和相变材料层之间的接触面积来确定。
[0007]因而，目前越来越多地试图减少可以通过工艺控制的下电极和相变材料层之间的接触面积。
【发明内容】
[0008]针对能够减少复位电流的可变电阻存储器件及其制造方法，提供了各种实施方式。
[0009]在一个示例性实施方式中，提供了一种示例性可变电阻存储器件。所述示例性可变电阻存储器件包括:多层绝缘层，形成在半导体衬底上，在半导体衬底上形成有下电极，多层绝缘层包括同心地形成在其中的第一孔和第二孔以暴露出下电极，其中，第一孔的直径比第二孔的直径大；可变电阻材料层，形成在第二孔中以接触下电极；以及上电极，形成在第一孔中以接触可变电阻材料层。
[0010]在一个实施方式中，提供了一种制造可变电阻存储器件的示例性方法。所述示例性方法包括以下步骤:通过在形成有下电极的半导体衬底上交替地形成第一绝缘层和第二绝缘层来形成多层绝缘层；通过刻蚀多层绝缘层来形成暴露出下电极的第一孔；通过将第二绝缘层的一部分氧化来形成氧化物层；去除氧化物层使得第一绝缘层朝向第一孔的内部突出；在第一孔中形成包括空隙的间隔件材料；通过将间隔件材料的一部分去除至第一孔内部一定的深度，来形成暴露出下电极的第二孔；在第二孔中形成可变电阻材料层；以及在第一孔的去除间隔件材料的部分中形成上电极。
[0011]在以下标题为“【具体实施方式】”的部分中描述上述和其他的特征、方面以及实施方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]从以下结合附图的详细描述中将更清楚地理解本发明主题的以上和其他的方面、特征、以及其他的优点，其中:
[0013]图1至图6是说明一种制造可变电阻存储器件的示例性方法的视图；以及
[0014]图7至图12是说明一种制造可变电阻存储器件的示例性方法的视图。
【具体实施方式】
[0015]在下文中，将参照附图更详细地描述示例性实施方式。本文参照截面图来描述示例性实施方式，截面图是示例性实施方式(以及中间结构)的示意性图示。照此，可以预料到图示的形状变化源于例如制造技术和/或公差。因而，示例性实施例不应被解释为局限于本文所说明的区域的特定形状，而是可以包括例如来自于制造的形状上的偏差。在附图中，为了清楚起见，可能对层和区域的长度和尺寸进行夸大。在本公开中，附图标记直接对应于本发明的各个附图和实施例中相同编号的部分。应当容易理解的是:本公开中的“在…上”和“在…之上”的含义应当采用最广义的方式来解释，使得“在…上”的意思不仅是“直接在…上”，而是还包括在具有中间特征或中间层的情况下“在某物上”的意思；而“在…之上”的意思不仅是指直接在顶部上，还可以包括在具有中间特征或中间层的情况下在某物之上的意思。
[0016]图1至图6是说明根据本发明构思的一个实施方式的制造可变电阻存储器件的方法的视图。
[0017]如图1中所示，可以在半导体衬底110上形成第一层间绝缘层120，并且可以在第一层间绝缘层120中形成孔(未示出)。可以将导电材料掩埋在孔的内部以形成下电极130。在一个示例性实施方式中，尽管未示出，半导体衬底110可以包括字线和开关器件。可以在形成有下电极130的第一层间绝缘层120上形成第二层间绝缘层140。这里，第二层间绝缘层140可以是交替层叠有第一材料层141a和141b以及第二材料层142a和142b的多层绝缘层。例如，第一材料层141a和141b可以包括氮化物，而第二材料层142a和142b可以包括多晶硅。暴露出下电极130的上表面的电阻变化区H形成在第二层间绝缘层140中。
[0018]如图2中所示，可以将第二材料层142a和142b的限定电阻变化区H的外部侧壁的部分氧化以形成牺牲氧化物层145。
[0019]如图3中所示，可以刻蚀牺牲氧化物层145。然后可以沿着电阻变化区H的表面和第二层间绝缘层140的上表面来沉积氧化物层150。氧化物层150可以保护限定电阻变化区H的外部侧壁的第二材料层142a和142b，并防止泄漏。氧化物层150可以例如通过原子层沉积(ALD)方法来沉积。
[0020]如图4中所示，可以在电阻变化区H中形成间隔件材料160。由于仅将第二层间绝缘层140的第二材料层142a和142b氧化和然后刻蚀，所以第二层间绝缘层140的第一材料层141a和141b具有朝向电阻变化区H的内部突出的形式。这样，因为电阻变化区H具有突出的结构，所以不易进行间隔件材料160的掩埋。因此，可以在间隔件材料160未被完全掩埋在电阻变化区H内部，并且在电阻变化区H的内部产生空隙V的状态下形成间隔件材料160。空隙V可以通过电阻变化区H的物理形状来产生，并且空隙V的尺寸可以根据第二层间绝缘层140的第一材料层141a和141b的突出程度来控制。例如，第二层间绝缘层140的第一材料层141a和141b的突出增加，则空隙V的尺寸可以增加，即根据第二材料层142a和142b的氧化宽度。间隔件材料160可以包括例如氮化物。
[0021]如图5中所示，可以将间隔件材料160刻蚀至电阻变化区H内部一定的高度，以形成间隔件165。当间隔件材料160的部分被刻蚀时，可以利用例如CH3F气体和O2等离子体气体的刻蚀气体。刻蚀气体可以被传送至空隙V中，且空隙V之下的间隔件材料160也被刻蚀以形成暴露出下电极130的关键孔KH。可变电阻材料170可以形成在关键孔KH和电阻变化区H中。可变电阻材料170可以包括例如Ge2Sb2Te5 (GST)0
[0022]如图6中所示，可变电阻材料170可以被刻蚀以便仅保留在关键孔KH中来形成可变电阻层175。通过在电阻变化区H中形成导电材料，可以在可变电阻层175上形成上电极180。
[0023]图7至图12是说明一种制造可变电阻存储器件的示例性方法的视图。
[0024]如图7中所示，可以在半导体衬底210中形成第一层间绝缘层220，并且可以在第一层间绝缘层220中形成孔(未示出)。将导电材料掩埋在孔的内部以形成下电极230。在一个示例性实施例方式中，尽管未示出，半导体衬底210可以包括字线和开关器件。在形成有下电极230的第一层间绝缘层220上形成第二层间绝缘层240。这里，第二层间绝缘层240可以是交替层叠有第一材料层241a和241b以及第二材料层242a和242b的多层绝缘层。例如，第一材料层241a和241b可以包括氮化物,而第二材料层242a和242b可以包括多晶硅。在第二层间绝缘层240中形成暴露出下电极230的上表面的电阻变化区H。
[0025]如图8中所示，可以将第二材料层242a和242b的限定电阻变化区H的外部侧壁的部分氧化，以形成氧化物缓冲层250。与图2相比，氧化物缓冲层250可以被形成为具有比在图2中形成的牺牲氧化物层145更大的宽度。
[0026]如图9中所示，可以刻蚀氧化物缓冲层250的一部分。当刻蚀氧化物缓冲层250的一部分时，第二层间绝缘层240的第一材料层241a和241b的一部分朝向电阻变化区H的内部突出。
[0027]如图10中所示，可以在电阻变化区H中形成间隔件材料260。第二层间绝缘层240的第一材料层241a和241b朝向电阻变化区H的内部突出。此外，因为电阻变化区H具有突出的结构，所以不易进行间隔件材料160的掩埋。因此，可以在间隔件材料260未被完全掩埋在电阻变化区H的内部，并且在电阻变化区H的内部产生空隙V的状态下形成间隔件材料260。空隙V可以通过电阻变化区H的物理形状来产生，并且空隙V的尺寸可以根据第二层间绝缘层240的第一材料层241a和241b的突出程度来控制。例如，第二层间绝缘层140的第一材料层141a和141b的突出增加，则空隙V的尺寸可以增加。即根据氧化物层250的宽度和氧化物层250的部分的刻蚀程度。间隔件材料260可以包括例如氮化物。
[0028]如图11中所示，可以将间隔件材料260刻蚀至电阻变化区H内部一定的高度，以形成间隔件265。当间隔件材料260的一部分被刻蚀时，可以利用例如CH3F气体和O2等离子体气体的刻蚀气体。刻蚀气体可以被传送至空隙V中，并且空隙V之下的间隔件材料260也被刻蚀以形成暴露出下电极230的关键孔KH。可变电阻材料270可以形成在关键孔KH和电阻变化区H的内部。可变电阻材料270可以包括例如Ge2Sb2Te5 (GST)0
[0029]如图12中所示，可变电阻材料270可以被刻蚀以便仅保留在关键孔KH中，以形成可变电阻层275。通过在电阻变化区H中形成导电材料，可以在可变电阻层270上形成上电极 280。
[0030]在根据本发明构思的实施方式的可变电阻存储器件中，由于下电极130和230以及可变电阻层170和270通过关键孔KH相互接触，所以接触面积减少且因而可以减少复位电流。
[0031]本发明的以上实施方式是示例性的，而不是限制性的。各种替换和等同形式也是可以的。本发明不限于本文描述的实施方式。本发明也不限于任何特定类型的半导体器件。考虑到本公开内容，其他的增加、删减或修改也是明显的，且意在落入所附权利要求书的范围内。
[0032]通过以上实施例可以看出，本申请提供了以下的技术方案。
[0033]技术方案1.一种可变电阻存储器件，包括:
[0034]多层绝缘层，所述多层绝缘层形成在半导体衬底上，在所述半导体衬底上形成有下电极，所述多层绝缘层包括同心地形成在其中的第一孔和第二孔以暴露出所述下电极，其中，所述第一孔的直径比所述第二孔的直径大；
[0035]可变电阻材料层，所述可变电阻材料层形成在所述第二孔中以接触所述下电极；以及
[0036]上电极，所述上电极形成在所述第一孔中以接触所述可变电阻材料层。
[0037]技术方案2.根据技术方案I所述的可变电阻存储器件，其中，所述多层绝缘层包括:
[0038]第一绝缘层，所述第一绝缘层形成在所述半导体衬底上，所述第一绝缘层包括第一材料；以及
[0039]第二绝缘层，所述第二绝缘层形成在所述第一绝缘层上，并且包括具有刻蚀选择性与所述第一材料的刻蚀选择性不同的第二材料；
[0040]其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层交替地层叠以形成多个层。
[0041]技术方案3.根据技术方案2所述的可变电阻存储器件，其中，所述第一绝缘层包括氮化物，而所述第二绝缘层包括多晶硅。
[0042]技术方案4.根据技术方案2所述的可变电阻存储器件，还包括:
[0043]氧化物层，所述氧化物层形成在所述第一孔和所述第二孔的内侧壁上；以及
[0044]间隔件，所述间隔件形成在所述第二孔中，所述间隔件具有与所述第二孔的高度大体相同的高度。
[0045]技术方案5.根据技术方案4所述的可变电阻存储器件，其中，所述氧化物层由所述第二绝缘层的被氧化的部分形成。
[0046]技术方案6.根据技术方案5所述的可变电阻存储器件，其中，所述间隔件由与所述第一绝缘层相同的材料形成。
[0047]技术方案7.—种制造可变电阻存储器的方法，所述方法包括:
[0048]通过在形成有下电极的半导体衬底上交替地形成第一绝缘层和第二绝缘层来形成多层绝缘层；
[0049]通过刻蚀所述多层绝缘层来形成暴露出所述下电极的第一孔；
[0050]通过氧化所述第二绝缘层的一部分来形成氧化物层；
[0051]去除所述氧化物层使得所述第一绝缘层朝向所述第一孔的内部突出；
[0052]在所述第一孔中形成包括空隙的间隔件材料；
[0053]通过将所述间隔件材料的一部分去除至所述第一孔内一定的深度，来形成暴露出所述下电极的第二孔；
[0054]在所述第二孔中形成可变电阻材料层；以及
[0055]在第一孔的去除所述间隔件材料的部分中形成上电极。
[0056]技术方案8.根据技术方案7所述的方法，其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层由具有彼此不同的刻蚀选择性的材料形成。
[0057]技术方案9.根据技术方案8所述的方法，其中，所述第一绝缘层包括氮化物，而所述第二绝缘层包括多晶硅。
[0058]技术方案10.根据技术方案8所述的方法，在形成氧化物层的步骤和形成间隔件材料的步骤之间，还包括:
[0059]完全去除所述氧化物层的步骤；以及
[0060]将氧化物材料沉积在所述第一孔的内侧壁上的步骤。
[0061]技术方案11.根据技术方案8所述的方法，其中，在形成所述第二孔的步骤中，将在去除所述间隔件材料的一部分时朝向所述第一孔的内部突出的第一绝缘层去除，以及
[0062]所述第二孔通过空隙形成。
[0063]技术方案12.根据技术方案11所述的方法，其中，所述第一绝缘层和所述间隔件材料由相同材料形成。
【权利要求】
1.一种可变电阻存储器件，包括: 多层绝缘层，所述多层绝缘层形成在半导体衬底上，在所述半导体衬底上形成有下电极，所述多层绝缘层包括同心地形成在其中的第一孔和第二孔以暴露出所述下电极，其中，所述第一孔的直径比所述第二孔的直径大； 可变电阻材料层，所述可变电阻材料层形成在所述第二孔中以接触所述下电极；以及 上电极，所述上电极形成在所述第一孔中以接触所述可变电阻材料层。
2.根据权利要求1所述的可变电阻存储器件，其中，所述多层绝缘层包括: 第一绝缘层，所述第一绝缘层形成在所述半导体衬底上，所述第一绝缘层包括第一材料；以及 第二绝缘层，所述第二绝缘层形成在所述第一绝缘层上，并且包括具有刻蚀选择性与所述第一材料的刻蚀选择性不同的第二材料； 其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层交替地层叠以形成多个层。
3.根据权利要求2所述的可变电阻存储器件，其中，所述第一绝缘层包括氮化物，而所述第二绝缘层包括多晶硅。
4.根据权利要求2所述的可变电阻存储器件，还包括: 氧化物层，所述氧化物层形成在所述第一孔和所述第二孔的内侧壁上；以及间隔件，所述间隔件形成在所述第二孔中，所述间隔件具有与所述第二孔的高度大体相同的高度。
5.根据权利要求4所述的可变电阻存储器件，其中，所述氧化物层由所述第二绝缘层的被氧化的部分形成。
6.根据权利要求5所述的可变电阻存储器件，其中，所述间隔件由与所述第一绝缘层相同的材料形成。
7.—种制造可变电阻存储器的方法，所述方法包括: 通过在形成有下电极的半导体衬底上交替地形成第一绝缘层和第二绝缘层来形成多层绝缘层； 通过刻蚀所述多层绝缘层来形成暴露出所述下电极的第一孔； 通过氧化所述第二绝缘层的一部分来形成氧化物层； 去除所述氧化物层使得所述第一绝缘层朝向所述第一孔的内部突出； 在所述第一孔中形成包括空隙的间隔件材料； 通过将所述间隔件材料的一部分去除至所述第一孔内一定的深度，来形成暴露出所述下电极的第二孔； 在所述第二孔中形成可变电阻材料层；以及 在第一孔的去除所述间隔件材料的部分中形成上电极。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层由具有彼此不同的刻蚀选择性的材料形成。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一绝缘层包括氮化物，而所述第二绝缘层包括多晶硅。
10.根据权利要求8所述的方法，在形成氧化物层的步骤和形成间隔件材料的步骤之间，还包括:完全去除所述氧化物层的步骤；以及将氧化物材料沉积在所述第一孔的内侧壁上的步骤。
【文档编号】H01L45/00GK104241524SQ201310556978
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年6月21日
【发明者】金玟锡, 尹孝燮 申请人:爱思开海力士有限公司