專利名稱：具有相變材料和平行加熱器的電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有包含電阻器的體部的電子器件，電阻器包含能夠在第一相位和第二相位之間變化的相變材料，當(dāng)相變材料處于第一相位時(shí)電阻器具有第一電阻，并且當(dāng)相變材料處于第二相位時(shí)電阻器具有不同于第一電阻的第二電阻，以及能夠傳導(dǎo)電流的加熱元件，以能夠從第一相位轉(zhuǎn)換到第二相位。
US-5,933,365公開(kāi)了一種具有包含相變材料的電阻器的電子器件的實(shí)施例，相變材料能夠處于第一相位，例如結(jié)晶體相位，和第二相位，例如非晶體相位。具有處于第一相位的相變材料的電阻器和具有處于第二相位的相變材料的電阻器具有不同的電阻值。第一相位和/或第二相位可以是部分的非晶體和部分的結(jié)晶體。在本文后面的部分，術(shù)語(yǔ)“結(jié)晶體”和“非晶體”分別用于稱呼結(jié)晶體相位或主要為結(jié)晶體相位和非晶體相位或主要為非晶體相位。
電阻器電子地連接到第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體，以便測(cè)量電阻的值。電阻器、第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體能夠傳導(dǎo)電流，該電流經(jīng)過(guò)加熱能使相變材料在第一相位和第二相位之間轉(zhuǎn)換?？梢韵嘈?，對(duì)于從具有相對(duì)良好的導(dǎo)電性的相位，比如結(jié)晶體相位或主要為結(jié)晶體相位，到具有相對(duì)較差的導(dǎo)電性的相位，比如非晶體相位或主要為非晶體相位的轉(zhuǎn)換，通過(guò)足夠強(qiáng)的電流加熱來(lái)熔化相變材料。當(dāng)切斷電流時(shí)結(jié)束加熱。相變材料接著冷卻并呈現(xiàn)更加非晶體的順序。
當(dāng)引起從具有相對(duì)低的導(dǎo)電率的相位到具有相對(duì)高的導(dǎo)電率的相位的轉(zhuǎn)換時(shí)，加熱初始地受到較差導(dǎo)電性的抵消，這限制了通過(guò)相變材料傳導(dǎo)的電流?？梢韵嘈牛ㄟ^(guò)在電阻器兩端應(yīng)用足夠高的電壓，即高于所謂門限電壓的電壓，就可能局部地引起在相變材料中的電擊穿，這導(dǎo)致高的局部電流密度。因此，對(duì)應(yīng)的加熱足夠用于增加相變材料的溫度到其結(jié)晶化溫度之上，由此能夠進(jìn)行從非晶體相位到結(jié)晶體相位的轉(zhuǎn)換。
在已知的電子器件中，加熱至少是部分通過(guò)一個(gè)或多個(gè)加熱層完成的。加熱層是堆積在相變材料鄰近的薄膜結(jié)構(gòu)。它們分別是第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體的部分。一個(gè)或多個(gè)加熱層電子地與電阻器串連連接，并且當(dāng)導(dǎo)通電流時(shí)，它們通過(guò)焦耳加熱來(lái)加熱電阻器。它們被設(shè)計(jì)用于減少引起第一相位和第二相位之間轉(zhuǎn)換所需要的電能。
已知的電子器件是電可寫和可擦除的存儲(chǔ)器單元，其攜帶了在電阻值中加密的信息。例如當(dāng)電阻相對(duì)較低時(shí)，存儲(chǔ)器單元賦值為“0”，當(dāng)電阻相對(duì)較高時(shí)，賦值為“1”。該電阻可以容易通過(guò)在電阻器兩端施加電壓和測(cè)量對(duì)應(yīng)的電流而被測(cè)量。通過(guò)引起上述的從第一相位到第二相位的轉(zhuǎn)換來(lái)寫和擦除存儲(chǔ)元件。
已知電子器件的缺點(diǎn)在于，當(dāng)在第一相位和第二相位之間重復(fù)切換時(shí)，使電子器件惡化，即電子器件的壽命，也稱作生命周期或持久性受到限制。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供如開(kāi)篇所描述的具有相對(duì)良好持久性的電子器件。
由獨(dú)立權(quán)利要求限定本發(fā)明。從屬權(quán)利要求限定優(yōu)選實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的在于，加熱元件與電阻器平行排列。本發(fā)明基于已知電子器件的持久性是有限的概念，因?yàn)榍袚Q操作要求由大于閾值電壓的電壓所引起的電擊穿。重復(fù)引起電擊穿導(dǎo)致相變材料的惡化，特別是在相變材料和加熱層之間的接口處的惡化。
在根據(jù)本發(fā)明的電子器件中，因?yàn)榧訜嵩c電阻器平行排列，通過(guò)加熱元件的焦耳加熱即使在相變材料處于非晶體相位時(shí)也是有效的。當(dāng)相變材料處于非晶體相位時(shí)，施加到電阻器的電壓導(dǎo)致電流至少部分流經(jīng)加熱元件，從而導(dǎo)致對(duì)相變材料的有效加熱而不需要電擊穿。這樣的加熱促進(jìn)了相變，由此改善了電子器件的持久性。
在一個(gè)實(shí)施例中，加熱元件具有加熱元件電阻RH，其小于第一電阻和第二電阻，即尤其小于具有處于非晶體相位的相變材料的電阻器的電阻RR，A。結(jié)果，當(dāng)相變材料處于非晶體狀態(tài)時(shí)，電流主要流經(jīng)加熱元件。如果加熱元件電阻RH是十的因數(shù)或比電阻RR，A更小，將十分有利。當(dāng)引起相位轉(zhuǎn)換是由經(jīng)過(guò)電子器件的電流控制時(shí)，下面成立加熱元件電阻RH相對(duì)于電阻RR，A越小，流經(jīng)加熱元件的電流和對(duì)應(yīng)的焦耳加熱越高。當(dāng)引起相位轉(zhuǎn)換是由電阻器兩端的電壓控制時(shí)，平行的加熱元件具有可使用更低電壓的優(yōu)點(diǎn)。加熱元件電阻RH相對(duì)于電阻RR，A越小，加熱元件和電阻兩端要求的電壓也越小。在更低的電壓下，引起相變所要求的焦耳加熱因此是通過(guò)經(jīng)過(guò)加熱元件的更高的電流來(lái)達(dá)到的。這在電子器件被集成到電壓相對(duì)較低的先進(jìn)的IC過(guò)程中時(shí)具有特別的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，降低了經(jīng)過(guò)相變材料的電流，從而降低了相變材料中的電遷移，從而導(dǎo)致改善的持久性。
在前面段落中描述的實(shí)施例中，引起了相位轉(zhuǎn)換而沒(méi)有在相變材料上的電擊穿。尤其對(duì)于包括諸如Te的相對(duì)活性的原子的相變材料來(lái)說(shuō)，通過(guò)電擊穿重復(fù)切換相變材料惡化了電子器件。因此，根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的避免了電擊穿的電子器件具有改善的持久性。
與通過(guò)電擊穿來(lái)切換關(guān)聯(lián)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，電擊穿是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程。因此，擊穿電壓的值也是統(tǒng)計(jì)參數(shù)，該參數(shù)可能依賴于溫度和從上一次切換過(guò)去的時(shí)間。為了保證可靠的切換，遠(yuǎn)在平均閾值電壓之上的電壓必須被施加到已知的電子器件中。但是，對(duì)于CMOS器件可用的電壓隨著COMS器件的尺寸的降低而降低。因此，在今后應(yīng)該在相對(duì)較低的電壓上可靠地操作電子器件。在根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的電子器件中，不要求電擊穿并且在閾值電壓以下的電壓足夠用于引起相位轉(zhuǎn)換。
加熱元件電阻RH優(yōu)選的更低界限大于第一電阻和第二電阻中最小值的0.3倍，即大于具有處于結(jié)晶體相位的相變材料的電阻器的電阻RR，C的0.3倍。滿足這個(gè)條件的電子器件具有可以可靠測(cè)量電阻變化的優(yōu)點(diǎn)。
在根據(jù)本發(fā)明的電子器件中，電阻器和加熱元件平行連接。這兩個(gè)元件的總電阻RT由RT＝RR*RH/(RR+RH)給出。電阻器的電阻RR依賴于相變材料的相位，然而加熱元件電阻RH獨(dú)立于相變材料的相位。在加熱元件電阻RH遠(yuǎn)小于電阻RR，A的情況下，具有處于非晶體相位的相變材料的總電阻RT，A近似等于RH。
如果縮放因子k被定義為RH＝k*RR，C，具有處于結(jié)晶體相位的相變材料的總電阻RT，C是RT，C＝RR，C*k/(k+1)。總電阻的變化為ΔRT＝RR，A-RT，C≈RH-RT，C＝(k-k/(k+1))*RR，C＝RR，C*k2/(k+1)。在這個(gè)近似中，總電阻的相對(duì)變化是ΔRT/RT，C＝k?？傠娮璧南鄬?duì)變化越小，就越難可靠地測(cè)量它。越小的總電阻的相對(duì)變化通常要求更完善的檢測(cè)電路和/或更長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間。發(fā)明人證實(shí)了0.3即30％或更多的相對(duì)變化可在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)相對(duì)容易地測(cè)量。
優(yōu)選地，縮放因子k應(yīng)當(dāng)在1和4之間，即1≤k≤4，因?yàn)榇藭r(shí)總電阻的變化ΔRT的檢測(cè)是相對(duì)健壯的，而與此同時(shí)通過(guò)加熱元件的焦耳加熱也相對(duì)有效。
如果加熱元件和電阻器直接接觸，那是十分有利的，因?yàn)榇藭r(shí)加熱元件的焦耳加熱特別有效。
在一個(gè)實(shí)施例中，相變材料構(gòu)成第一接觸面積和第二接觸面積之間的導(dǎo)電通路，導(dǎo)電通路的橫截面小于第一接觸面積和第二接觸面積。這里，術(shù)語(yǔ)“接觸面積”定義了相變材料電子地連接諸如第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體的電導(dǎo)體的面積，電導(dǎo)體是由不同于相變材料的材料組成。在已知的器件中，相變材料位于一個(gè)孔徑中。接觸面積和導(dǎo)電通路的橫截面都等于孔徑的橫截面，即接觸面積等于導(dǎo)電通路的橫截面。在已知的器件中，相變出現(xiàn)在一個(gè)相變材料的體積中，其包括這個(gè)接觸面積。在接口處，即在這個(gè)接觸面積處，重復(fù)的相變和對(duì)應(yīng)的高電流密度引起材料惡化，尤其是當(dāng)相變材料包括諸如Te的相對(duì)活性的原子時(shí)，導(dǎo)致了電子器件的惡化。在根據(jù)本實(shí)施例的電子器件中，導(dǎo)電通路的最小橫截面很好地位于相變材料的內(nèi)側(cè)，并且與接觸面積不相等，這與已知的電子器件不同。因此，相變材料內(nèi)側(cè)的電流密度最高，因此焦耳加熱在相變材料內(nèi)側(cè)更有效。這降低了相變材料和接口—即第一接觸面積和/或第二接觸面積處的其他材料之間的相互作用，從而導(dǎo)致改善的持久性。
在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電通路具有所述橫截面的部分構(gòu)成一個(gè)體積的相變材料，該體積具有大于在第一接觸面積和/或第二接觸面積上的電接觸電阻的電阻，與相變材料是處于第一相位還是第二相位無(wú)關(guān)。在這樣一個(gè)電子器件中，第一接觸面積和/或第二接觸面積上的焦耳加熱均小于相變材料中電流密度高的體積內(nèi)側(cè)的焦耳加熱。這進(jìn)一步降低了相變材料和第一接觸面積和/或第二接觸面積處的其他材料之間的相互作用，從而導(dǎo)致改善的持久性。另外的優(yōu)點(diǎn)是，電能被耗散，即主要在相變出現(xiàn)的位置轉(zhuǎn)換成了熱量。通過(guò)降低在沒(méi)有出現(xiàn)相變的位置的耗散，降低了引起相位轉(zhuǎn)換所要求的總電能。
優(yōu)選地，所述體積的電阻大于在第一接觸面積和第二接觸面積的電接觸電阻，與相變材料處于第一相位或第二相位無(wú)關(guān)。在該情況下，假設(shè)相變出現(xiàn)在該體積，該體積位于相變材料的內(nèi)側(cè)。
優(yōu)選地，在第一接觸面積和第二接觸面積的接觸電阻小于10-7Vcm2/A，因?yàn)樵诘谝唤佑|面積和第二接觸面積的耗散相對(duì)較小。
在一個(gè)實(shí)施例中，加熱元件材料具有成分X100-(t+s)SisYt，其中t和s表示滿足t＜0.7和s+t＞0.3的原子百分比，并且X包括一個(gè)或多個(gè)從Ti和Ta選擇的元素，Y包括一個(gè)或多個(gè)從C和N選擇的元素。優(yōu)選地，X基本上沒(méi)有Ti，因?yàn)門a對(duì)相變材料的活性比Ti小。優(yōu)選地，s小于或等于0.7，否則平行的加熱器的導(dǎo)電率相對(duì)較小，從而要求相對(duì)較大的平行的加熱器。當(dāng)相變材料包括Ge時(shí)，Ge與Si的混合在當(dāng)s小于或等于0.7時(shí)降低。如果Y包括N，將有進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榧訜嵩牧贤ǔ＞哂杏傻臃€(wěn)定的多晶體結(jié)構(gòu)，即當(dāng)加熱相變材料時(shí)，多晶體結(jié)構(gòu)變化的程度很小。
在一個(gè)實(shí)施例中，電阻器構(gòu)成存儲(chǔ)元件，體部包括存儲(chǔ)器單元陣列，每個(gè)存儲(chǔ)器單元包括相應(yīng)的存儲(chǔ)器元件和相應(yīng)的選擇器件，并且包括選擇線的網(wǎng)格，每個(gè)存儲(chǔ)器單元分別可經(jīng)由連接到相應(yīng)選擇器件的相應(yīng)的選擇線來(lái)訪問(wèn)。選擇器件可包括雙極晶體管或二極管，諸如pn二極管。這樣的電子器件是隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RAM)器件，該器件適合作為非易失性存儲(chǔ)器器件。
在該實(shí)施例優(yōu)選的變化中，選擇器件包括具有源極區(qū)、漏極區(qū)和柵極區(qū)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，并且選擇線的網(wǎng)格包括N條第一選擇線、M條第二選擇線，N和M都為整數(shù)，以及一條輸出線，每個(gè)存儲(chǔ)器元件的電阻器電子地把從對(duì)應(yīng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極區(qū)和漏極區(qū)選擇的第一區(qū)連接到輸出線，從源極區(qū)和漏極區(qū)選擇并且不與第一區(qū)接觸的對(duì)應(yīng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的第二區(qū)電子地連接到N條第一選擇線的其中之一，柵極區(qū)電子地連接到M條第二選擇線的其中之一。在這樣的存儲(chǔ)器器件中，由允許相對(duì)較高的操作速度和相對(duì)較低的操作電壓的MOSFET選擇存儲(chǔ)器元件。
參考下列附圖，根據(jù)本發(fā)明的電子器件的這些和其他方面將被進(jìn)一步闡述和描述，其中


圖1是電子器件的實(shí)施例的橫截面，圖2是在制造第一階段的電子器件的另一個(gè)實(shí)施例的頂視圖，圖3是圖2沿著III-III線的預(yù)先制作的電子器件的橫截面，圖4是在制造第二階段的電子器件的另一個(gè)實(shí)施例的頂視圖，圖5是圖4沿著V-V線的預(yù)先制作的電子器件的橫截面，圖6是在制造第三階段的電子器件的另一個(gè)實(shí)施例的頂視圖，圖7是圖6沿著VII-VII線的在第四階段預(yù)先制作的電子器件的橫截面，圖8和圖9是分別在制造第五階段和第六階段的電子器件的其他附圖不是按比例作出的。
如圖1所示電子器件1具有包括襯底10的體部2，襯底10包括例如單晶p型摻雜的硅半導(dǎo)體晶片。在襯底10的主要表面上，電阻器7嵌入在電介質(zhì)13中，例如二氧化硅。電阻器7包括可在第一相位和第二相位之間變化的相變材料。當(dāng)相變材料處于第一相位時(shí)電阻器7具有第一電阻，并且當(dāng)相變材料處于第二相位時(shí)電阻器7具有不同于第一電阻的第二電阻。
在一個(gè)實(shí)施例中，相變材料是公式為Sb1-cMc的成分，其中c滿足0.05≤c≤0.61，并且M是從Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的組中選擇的一個(gè)或多個(gè)元素。在具有號(hào)03100583.8(PHNL030259)的非提前公開(kāi)的歐洲專利申請(qǐng)中描述了具有該成分的相變材料的電子器件，本申請(qǐng)要求了該申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)并將其作為整體合并于此作為參考。優(yōu)選地，c滿足0.05≤c≤0.5。更優(yōu)選地，c滿足0.10≤c≤0.5。有利的相變材料組具有一個(gè)或多個(gè)不同于Ge和Ga的元素M，Ge和Ga的總濃度小于25個(gè)原子百分?jǐn)?shù)和/或總地包括少于30個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的Ge和/或Ga。包括多于20個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的Ge和Ga以及一個(gè)或多個(gè)從總濃度在5到20個(gè)原子百分?jǐn)?shù)之間的In和Sn選擇的元素的相變材料具有相對(duì)較高的結(jié)晶速度并且同時(shí)具有非晶體相位的相對(duì)較高的穩(wěn)定性。
在一個(gè)實(shí)施例中，相變材料是公式SbaTebX100-(a+b)的成分，其中a、b和100-(a+b)表示滿足1≤a/b≤8和4≤100-(a+b)≤22的原子百分?jǐn)?shù)，并且X是從Ge、In、Ag、Ga、和Zn的組中選擇的一個(gè)或多個(gè)元素。相變材料可以例如是Sb72Te20Ge8。
在又另一個(gè)實(shí)施例中，相變材料是公式(TeaGebSb100-(a+b))cTM100-c的成分，其中下標(biāo)是原子百分?jǐn)?shù)，a在70個(gè)百分?jǐn)?shù)以下，b在5個(gè)百分?jǐn)?shù)以上50個(gè)百分?jǐn)?shù)以下，c在90到99.99百分?jǐn)?shù)之間，并且TM表示一個(gè)或多個(gè)過(guò)渡金屬元素?？商鎿Q地，可以省略過(guò)渡金屬，并且相變材料是公式TeaGebSb100-(a+b)的成分，其中下標(biāo)是原子百分?jǐn)?shù)，a在70個(gè)百分?jǐn)?shù)以下，b在5個(gè)百分?jǐn)?shù)以上50個(gè)百分?jǐn)?shù)以下，例如Ge2Sb2Te5。相變材料的其他例子是Te81Ge15S2As2和Te81Ge15S2Sb2。
相變材料可通過(guò)濺蝕來(lái)沉積，如論文“Phase-change media forhigh-numerical-aperture and blue-wavelength recording”by H.JBorg et al.，J apanese Journal of Applied Physical，volume 40，pages 1592-1597，2001中所描述的。
體部2還具有能夠傳導(dǎo)電流的加熱元件6，使第一相位能轉(zhuǎn)換到第二相位。加熱元件6與電阻器7平行排列。在圖1的實(shí)施例中，電阻器7和加熱元件6連接第一接觸面積5和第二接觸面積9。
加熱元件6是由熔點(diǎn)高于相變材料的加熱元件材料組成。加熱元件材料的熔點(diǎn)優(yōu)選地至少比相變材料的熔點(diǎn)高100攝氏度，更優(yōu)選地，至少高250攝氏度。優(yōu)選地，加熱元件材料不與相變材料起作用。優(yōu)選地，加熱元件材料的電阻率在0.1到10cm mV/A的范圍。當(dāng)相變材料是從TeaGebSb100-(a+b)的族中選擇的時(shí)，其中下標(biāo)是原子百分?jǐn)?shù)，a在70個(gè)百分?jǐn)?shù)以下，b在5個(gè)百分?jǐn)?shù)以上50個(gè)百分?jǐn)?shù)以下，相變材料具有1到4cm mV/A的電阻率，例如2cm mV/A，并且加熱元件材料的電阻率優(yōu)選地在0.5和20cm mV/A之間。當(dāng)相變材料是從Sb1-cMc的族中選擇的時(shí)，其中c滿足0.05≤c≤0.61，并且M是從Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的組中選擇的一個(gè)或多個(gè)元素，相變材料具有大概0.2到0.8cm mV/A的電阻率，并且加熱元件材料的電阻率優(yōu)選地在0.1和4cm mV/A之間。
在該實(shí)施例中，加熱元件材料具有成分X100-(t+s)SisYt，其中t和s表示滿足t＜0.7和s+t＞0.3的原子百分比，并且X包括一個(gè)或多個(gè)從Ti和Ta選擇的元素，Y包括一個(gè)或多個(gè)從C和N選擇的元素。優(yōu)選地，X基本上沒(méi)有Ti，因?yàn)門a對(duì)相變材料的活性比Ti小。優(yōu)選地，s小于或等于0.7，否則平行的加熱器的導(dǎo)電率相對(duì)較小，從而要求相對(duì)較大的平行的加熱器。當(dāng)相變材料包括Ge時(shí)，Ge與Si的混合在當(dāng)s小于或等于0.7時(shí)降低。如果Y包括N，將有進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榧訜嵩牧贤ǔ＞哂杏傻臃€(wěn)定的多晶體結(jié)構(gòu)，即當(dāng)加熱相變材料時(shí)，多晶體結(jié)構(gòu)變化的程度很小。加熱元件材料的該族的例子為TaSiN、Ta20Si40N40、TiSiN或Ta20Si40N40?？商鎿Q地，加熱元件材料可以由TiN、TaSi2、TaNx、TiAlN、TiC，TiWC或例如p型摻雜的多晶體硅組成，其中x滿足0.3＜x＜0.7。
體部2還包括例如電子地連接到第一接觸面積5的鉭化硅(TaSi2)的第一導(dǎo)體3，和電子地連接到第二接觸面積9的氮化鈦(TiN)的第二導(dǎo)體4。在相對(duì)遠(yuǎn)離第一接觸面積5和第二接觸面積9的體積中，第一導(dǎo)體3和第二導(dǎo)體4可包括具有相對(duì)良好的導(dǎo)電率的材料，比如鎢、鋁或銅，以便增加第一導(dǎo)體3和第二導(dǎo)體4的導(dǎo)電率。第一導(dǎo)體3和第二導(dǎo)體4分別具有接觸點(diǎn)11和12，用于將電流傳導(dǎo)經(jīng)過(guò)第一導(dǎo)體3、第二導(dǎo)體4、電阻器7和用于加熱相變材料使第一相位轉(zhuǎn)換到第二相位的加熱元件6。
在圖1的橫截面中所示的實(shí)施例中，電阻器7被放置在電介質(zhì)13的接觸孔的內(nèi)表面。接觸孔可具有直徑d在25到250nm之間并且高h(yuǎn)在25到300nm之間的圓柱形狀。相變材料可通過(guò)濺蝕來(lái)沉積，如論文“Phase-change media for high-numerical-aperture andblue-wavelength recording”by H.J Borg et al.，Japanese Journalof Applied Physical，volume 40，pages 1592-1597，2001中所描述的。優(yōu)選地，相變材料具有3到25nm的層厚度LT。在接觸孔配有相變材料之后，加熱元件6被放置在接觸孔的內(nèi)表面。優(yōu)選地，加熱元件6的加熱元件材料具有3到15nm的層厚度MT。在圖1所示的實(shí)施例中，加熱元件6和電阻器7直接接觸。
在一個(gè)實(shí)施例中，接觸孔具有40nm的直徑d和50nm的高度h，相變材料層具有成分Ge2Sb2Te5并具有5nm的層厚度LT，加熱元件6具有成分Ta20Si40N40并具有5nm的層厚度MT。如圖1將其放置在接觸孔的內(nèi)側(cè)。加熱元件6具有大概1400Ohm的加熱元件電阻。在結(jié)晶體相位和非晶體相位中，該電阻器6分別具有大概1600Ohm的第一電阻和大于100kOhm的第二電阻。因此，加熱元件電阻小于第一電阻和第二電阻中的最大值，并且比第一電阻和第二電阻中的最小值的0.3倍大。
在另一個(gè)實(shí)施例中，接觸孔、相變材料和加熱元件的幾何尺寸相同，但是加熱元件6具有成分Ta40Si50N10。那么，加熱元件電阻大約為160Ohm并因此比第一電阻和第二電阻中的最小值的0.3倍小。
在一個(gè)替換實(shí)施例中，交換電阻器7和加熱元件6，即把加熱元件6提供給接觸孔的內(nèi)側(cè)，而把電阻器7提供到加熱元件6的頂端。在另一個(gè)未示出的實(shí)施例中，加熱元件6通過(guò)中間層與電阻器7分開(kāi)，該中間層可包括例如二氧化硅。該中間層可以是絕緣體或電導(dǎo)體。如果將相變層與平行的加熱器層分開(kāi)的中間層是絕緣體，那么是有利的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這種方式防止了相變層與平行加熱器之間的電流分布沿著電流的通路而變化。結(jié)果，獲得沿著電流通路的相變的均勻變化。中間層可降低，并優(yōu)選地防止相變材料與電加熱器材料的混合。優(yōu)選地，中間層的厚度足夠得小，以對(duì)平行加熱器的加熱效率沒(méi)有顯著的影響。優(yōu)選地，中間層的厚度，即加熱元件和電阻器之間的距離小于5nm。優(yōu)選地，該厚度在1和3nm之間。該中間層可以由硫化鋅石英(ZnS-SiO2)和/或氮化硅構(gòu)成。
在電子器件100的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖2-9中的制造過(guò)程的不同階段所顯示的，電阻器構(gòu)成存儲(chǔ)器元件170，并且體部102包括半導(dǎo)體襯底101，襯底101可包括例如單晶p型摻雜的硅半導(dǎo)體晶片，以及存儲(chǔ)器單元陣列，每個(gè)存儲(chǔ)器單元包括相應(yīng)的存儲(chǔ)器元件170和相應(yīng)的選擇器件171。在圖2-9所示的實(shí)施例中，電子器件100具有3×3的陣列，但是本發(fā)明不局限于這個(gè)尺寸的陣列也不限于這種形狀的陣列。體部102還包括選擇線120、121的網(wǎng)格，使得每個(gè)存儲(chǔ)器單元分別可經(jīng)由連接到相應(yīng)選擇器件171的相應(yīng)的選擇線120、121來(lái)訪問(wèn)。
在圖2-9所示的實(shí)施例中，選擇器件171包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，更具體的為NMOS晶體管。MOSFET具有n型摻雜的源極區(qū)172、n型摻雜的漏極區(qū)173和柵極區(qū)174。源極區(qū)172和漏極區(qū)173可包括多于一個(gè)部分的n型摻雜材料，即是輕摻雜n-部分和較重?fù)诫s的n+部分。n型摻雜的源極區(qū)172和漏極區(qū)173由溝道區(qū)分開(kāi)。由在溝道區(qū)上面形成的柵極區(qū)174控制從源極區(qū)172流經(jīng)溝道區(qū)到漏極區(qū)173的電流。柵極區(qū)174優(yōu)選地包括多晶硅層。柵極區(qū)174通過(guò)柵極電介質(zhì)層與溝道區(qū)分開(kāi)。
選擇線120、121的網(wǎng)格包括N＝3條的第一選擇線120和M＝3條的第二選擇線121，和輸出線。每個(gè)存儲(chǔ)元件的電阻器107電子地將從對(duì)應(yīng)MOSFET的源極區(qū)172和漏極區(qū)173選擇的第一區(qū)連接到輸出線。從源極區(qū)172和漏極區(qū)173選擇的并且不與第一區(qū)接觸的對(duì)應(yīng)MOSFET的第二區(qū)電子地連接到N條第一選擇線120的其中之一。柵極區(qū)174電子地連接到M條第二選擇線121的其中之一。在圖2-9所示的實(shí)施例中，第一區(qū)是源極區(qū)172，以及第二區(qū)是漏極區(qū)173。在另一個(gè)實(shí)施例(未示出)中，第一區(qū)是漏極區(qū)173，以及第二區(qū)是源極區(qū)172。選擇線120、121分別連接到線選擇器件和行選擇器件。后面提到的這些選擇器件沒(méi)有示出。
柵極區(qū)174和漏極區(qū)173配有硅化鎢和鎢插塞122層，用于分別電子地將柵極區(qū)174和漏極區(qū)173連接到選擇線121和120。通過(guò)諸如鋁或銅的導(dǎo)電材料來(lái)形成選擇線120和121。源極區(qū)172也配有硅化鎢和鎢插塞層。
在制造電子器件100的過(guò)程中，首先例如利用標(biāo)準(zhǔn)IC技術(shù)形成選擇器件171的陣列和選擇線120、121的網(wǎng)格。在每個(gè)選擇器件171的一個(gè)接線端，在圖2-9的實(shí)施例中，源極區(qū)172配有電導(dǎo)體124，諸如鎢插塞。選擇器件171、選擇線120、121和電導(dǎo)體124通過(guò)電介質(zhì)材料123相互絕緣并嵌入在電介質(zhì)材料123中，例如二氧化硅中，使得電導(dǎo)體124如圖2和3所示的那樣暴露。優(yōu)選地，包括暴露的電導(dǎo)體124的表面通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)被拋光，以獲得光滑和平整的表面。
在后續(xù)的步驟中，該表面配有諸如氮化硅或炭化硅的電介質(zhì)材料層109。在層109中，開(kāi)口108通過(guò)例如光刻技術(shù)的方式形成，使得電導(dǎo)體124和與電導(dǎo)體124相鄰的電介質(zhì)123的部分如圖5中所示的那樣暴露。隨后，由此獲得的預(yù)先制作的電子器件100的層109和開(kāi)口108配有如圖5所示的相變材料層107。相變材料可包括任何由上述電子器件1的電阻器7構(gòu)成的相變材料。通常為5-50nm，優(yōu)選大概為15nm的層107的厚度LT確定了相變材料的最小橫截面的寬度，這將在下面描述。諸如TiN的導(dǎo)電材料的層110被沉積在層107之上。層110用于減少電導(dǎo)體124和正進(jìn)行相變的層107的部分之間的電阻。在另一個(gè)未示出的實(shí)施例中，省略層110。
在層107之上，或者如果有的話，在層110之上，通過(guò)例如光刻技術(shù)或電子束成象來(lái)形成掩模111和112。掩模111的每一個(gè)覆蓋部分的層107和層110(如果存在)，被覆蓋的部分覆蓋了相應(yīng)的電導(dǎo)體124。掩模112覆蓋層107和層110(如果存在)的其他部分，在其之上將在之后形成另外的電導(dǎo)體125。對(duì)于每個(gè)存儲(chǔ)元件，掩模111和112相距的距離為L(zhǎng)，通常小于300nm，并且優(yōu)選地在20和200nm之間。當(dāng)光刻技術(shù)用于形成掩模111和掩模112時(shí)，最小距離L優(yōu)選地近似等于光刻技術(shù)可獲得的最小尺寸。距離L越短，引起第一和第二相位之間相位轉(zhuǎn)換所需的電能也就越小。距離L確定了相變材料的長(zhǎng)度，該相變材料具有的橫截面小于在電導(dǎo)體124上的相變材料的橫截面，這將在下面進(jìn)行描述。具有減少的橫截面的相變材料被稱為相變材料的體積。
如果存在的話，層110不被掩模111和112覆蓋的部分通過(guò)利用例如包括HF的蝕刻的各向同性選擇蝕刻來(lái)移除。制造電子器件100的過(guò)程的這個(gè)階段所獲得的結(jié)果如圖5所示。注意，由于各向同性蝕刻，發(fā)生下部蝕刻，參看圖5和6。接著，層107不被掩模111和112覆蓋的部分利用例如包括Cl的活性離子蝕刻被各向異性地蝕刻。結(jié)果，由相變材料組成的側(cè)墻隔板在不被掩模111和112覆蓋的位置處的開(kāi)口108的內(nèi)側(cè)形成。這暗指減少了由掩模111覆蓋的第一接觸面積和由掩模112覆蓋的第二接觸面積之間的層107中的導(dǎo)電通路的橫截面。該橫截面小于第一接觸面積和第二接觸面積。對(duì)于每個(gè)存儲(chǔ)元件170，由層107形成的側(cè)墻隔板電子地連接到層107和層110(如果存在)在蝕刻步驟期間被掩模111和112覆蓋的那些部分。如圖6的橫截面所示，由層107形成的側(cè)墻隔板具有基本上等于層107的厚度LT的寬度W。換句話說(shuō)，主表面具有由層109形成的臺(tái)階狀剖面，并且降低橫截面的步驟包括各向同性蝕刻步驟，用于沿著至少一部分的臺(tái)階狀剖面形成側(cè)墻隔板。
在移除掩模111和112之后，獲得在圖6的頂視圖所示的預(yù)先制作的電子器件100。該電子器件100的每個(gè)存儲(chǔ)單元具有相變材料層107，包括由掩模111定義的部分和掩模112定義的部分。這兩個(gè)部分通過(guò)兩個(gè)由層107形成的側(cè)墻隔板連接。
在后續(xù)的步驟中，在圖6所示的預(yù)先制作的電子器件100被加熱元件的層覆蓋，這與參考圖1的描述相同。
在提供加熱元件材料的層106之后，形成掩模111’和112’，它們類似于掩模111和112。接著，利用例如包括CF4CHF3的等離子蝕刻，層106被各向異性地蝕刻。如圖7的橫截面所示，以類似于形成層107的側(cè)墻隔板的方式由層106形成側(cè)墻隔板。由層106形成的側(cè)墻隔板具有基本上等于層106的厚度的寬度V。
在一個(gè)替換實(shí)施例中，交換層107和層106，即在將層107提供到層106的頂端之前提供層106。在另一個(gè)實(shí)施例中，層106由一個(gè)可能包括例如二氧化硅的中間層與層107分開(kāi)。并且，在該實(shí)施例中，加熱元件106平行于電阻器107。與前述的實(shí)施例對(duì)比，在該實(shí)施例中，電阻器107沒(méi)有與加熱元件106直接接觸。
在一個(gè)替換實(shí)施例中，在形成掩模111和112之前提供層107和層106。接著，層107和層106都被各向異性蝕刻而不需要形成掩模111’和112’的附加步驟。
在一個(gè)實(shí)施例中，制造電子器件100的方法包括以下步驟，其中提供具有開(kāi)口129的掩模128，使得對(duì)于每個(gè)存儲(chǔ)器單元，由層107形成的兩個(gè)側(cè)墻隔板之一如圖8那樣暴露。在后續(xù)步驟中，該掩模繼續(xù)用于例如通過(guò)蝕刻移除層106和層107的暴露部分。結(jié)果，在每個(gè)存儲(chǔ)器單元中，這兩個(gè)部分現(xiàn)在通過(guò)由層107形成的僅一個(gè)側(cè)墻隔板連接。隨后，移除掩模128。在另一個(gè)實(shí)施例中，省略掩模128，并且層106和層107的每一個(gè)具有兩個(gè)側(cè)墻隔板。
由此獲得的例如具有一個(gè)或兩個(gè)側(cè)墻隔板的層107形成電子器件100的電阻器170。預(yù)先制作的電子器件100配有電介質(zhì)層126，例如二氧化硅。在一個(gè)實(shí)施例中，圖7所示的預(yù)先制作的電子器件接著受到材料移除處理，比如化學(xué)機(jī)械拋光，以減少層106和層107的側(cè)墻隔板的高度并獲得對(duì)后續(xù)處理有利的光滑表面。如果層109由不同材料的兩個(gè)層組成，例如相對(duì)較硬的材料，例如氮化硅的較低層，以及在其上存在例如二氧化硅的相對(duì)較軟的材料的層，將是有利的。在材料移除處理期間，相對(duì)較硬的層被用作停止層，產(chǎn)生的層107具有良好定義的高度H，優(yōu)選地為10到100nm。在這個(gè)材料移除處理之后，獲得如圖7所示的表面199。
接著，提供附加的電介質(zhì)層126’，在其中創(chuàng)建如圖9所示的開(kāi)口132，以為每個(gè)存儲(chǔ)器單元暴露部分的層106、導(dǎo)電層110(如果存在)、或在較早階段由掩模112覆蓋的層107。這些開(kāi)口132配有另一個(gè)用于電子地接觸電阻器170的電導(dǎo)體。在之后的步驟中，該另一個(gè)電導(dǎo)體電子地連接到輸出線。
由此獲得的電子器件100具有體部102，其具有電阻器170。電阻器170由可在第一相位和第二相位之間變化的相變材料層107構(gòu)成。當(dāng)相變材料處于第一相位時(shí)電阻器170具有第一電阻，并且當(dāng)相變材料處于第二相位時(shí)電阻器170具有不同于第一電阻的第二電阻。體部102還具有由層106形成的加熱元件。該加熱元件能夠傳導(dǎo)電流，以便能夠從第一相位轉(zhuǎn)換到第二相位。該加熱元件與電阻器平行排列。
在電子器件100的該實(shí)施例中，相變材料層107構(gòu)成第一接觸面積和第二接觸面積之間的導(dǎo)電通路。當(dāng)省略層110時(shí)，第一接觸面積是電導(dǎo)體124接觸相變材料層107的面積，參看圖2和5，并且第二接觸面積是提供給開(kāi)口132的另一個(gè)電導(dǎo)體接觸相變材料層107的面積，參看圖9。由相變材料層構(gòu)成的導(dǎo)電通路的橫截面小于第一接觸面積和第二接觸面積。當(dāng)層110存在時(shí)，第一接觸面積和第二接觸面積有效地為電流從層110移動(dòng)到層107的面積。由于層110的各向同性蝕刻以及層107的各向異性蝕刻，層110沒(méi)有直接接觸層107的側(cè)墻隔板，而是有一定的距離，參看圖5和6。在該情況下，第一接觸面積和第二接觸面積仍然不在由側(cè)墻隔板定義的體積的邊界，并且大于側(cè)墻隔板的橫截面。
在側(cè)墻隔板內(nèi)側(cè)的電流密度高于第一接觸面積和第二接觸面積的電流密度，因此將是在側(cè)墻隔板上的相變材料而不是在第一接觸面積和/或第二接觸面積上的相變材料上進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換。
在一個(gè)實(shí)施例中，層110被省略，并且具有減少的橫截面的相變材料的體積具有50nm的長(zhǎng)度L、20nm的高度H和15nm的寬度W。橫截面因此為H乘以W，等于300nm2。由電導(dǎo)體124定義的第一接觸面積等于由開(kāi)口132定義的第二接觸面積，等于100nm乘以100nm。因此，第一接觸面積和第二接觸面積的每一個(gè)具有10000nm2的尺寸，大于300nm2的橫截面。相變材料是Sb72Te20Ge8。具有減少的橫截面的電阻器的體積在相變材料處于結(jié)晶體相位時(shí)，具有800Ohm的電阻，并且在相變材料處于非晶體相位時(shí)，具有大于100kOhm的電阻。電導(dǎo)體124和另一個(gè)電導(dǎo)體由鎢組成。第一接觸面積和第二接觸面積中的接觸電阻的每一個(gè)為100Ohm。因此，在第一接觸面積和第二接觸面積上的接觸電阻的每一個(gè)小于具有減少的橫截面的相變材料的體積的電阻。
當(dāng)相變材料是以1m/s或更高的結(jié)晶速度的快速生長(zhǎng)材料時(shí)，電子器件100是尤其有利的。這種相變材料包括公式為Sb1-cMc的成分，其中c滿足0.05≤c≤0.61，并且M是從Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的組中選擇的一個(gè)或多個(gè)元素，對(duì)于M包括Te的情況，這種相變材料具有結(jié)晶速度vrc，近似地為速率Sb/M的線性函數(shù)，參看圖10。對(duì)于給定想要的切換時(shí)間t，其受選擇器件171的帶寬影響，調(diào)整相變材料的長(zhǎng)度L和成分，以便使L/(2t)≈vrc。這里，因子2說(shuō)明以下事實(shí)，結(jié)晶開(kāi)始于具有減少的橫截面的相變材料的體積的兩個(gè)外部末端。
綜上，電子器件1、100具有包括電阻器7、107的體部2、102，電阻器7、107包括可在第一相位和第二相位之間變化的相變材料。當(dāng)相變材料處于第一相位時(shí)電阻器7、107具有第一電阻，并且當(dāng)相變材料處于第二相位時(shí)電阻器7、107具有不同于第一電阻的第二電阻。體部2、102還具有能夠傳導(dǎo)電流的加熱元件6、106，以便能夠從第一相位轉(zhuǎn)換到第二相位。該加熱元件6、106與電阻器7、107平行排列。
應(yīng)當(dāng)注意，上述的實(shí)施例說(shuō)明而不是限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)許多可替換的實(shí)施例而不會(huì)偏離所附權(quán)利要求的范圍。在權(quán)利要求中，在括號(hào)之間放置的任何參考標(biāo)記都不能被理解為限制權(quán)利要求。詞語(yǔ)“包括”不排除除了在權(quán)利要求中所列出之外的其他元素或步驟的存在。在元素之前的詞語(yǔ)“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)這樣元素的存在。
權(quán)利要求
1.一種具有的體部(2、102)的電子器件(1、100)，具有電阻器(7、107)，包括可在第一相位和第二相位之間變化的相變材料，當(dāng)相變材料處于第一相位時(shí)電阻器(7、107)具有第一電阻，并且當(dāng)相變材料處于第二相位時(shí)電阻器(7、107)具有不同于第一電阻的第二電阻，能夠傳導(dǎo)電流的加熱元件(6、106)，以便能夠從第一相位轉(zhuǎn)換到第二相位，該加熱元件(6、106)與電阻器(7、107)平行排列。
2.如權(quán)利要求1所述的電子器件(1)，其中，加熱元件(6)具有小于第一電阻和第二電阻中的最大值的加熱元件電阻。
3.如權(quán)利要求2所述的電子器件(1)，其中，加熱元件的電阻比第一電阻和第二電阻中的最小值的0.3倍大。
4.如權(quán)利要求1所述的電子器件(1、100)，其中，加熱元件(6、106)與電阻器(7、107)直接接觸。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的電子器件(100)，其中，相變材料構(gòu)成第一接觸面積和第二接觸面積之間的導(dǎo)電通路，導(dǎo)電通路的橫截面小于第一接觸面積和第二接觸面積。
6.如權(quán)利要求5所述的電子器件(100)，其中，導(dǎo)電通路具有所述橫截面的部分構(gòu)成一個(gè)體積的相變材料，該體積具有小于在第一接觸面積和/或第二接觸面積上的電接觸電阻的電阻，與相變材料是處于第一相位還是第二相位無(wú)關(guān)。
7.如權(quán)利要求1所述的電子器件(1、100)，其中，加熱元件材料具有成分X100-(t+s)SisYt，其中t和s表示滿足t＜0.7和s+t＞0.3的原子百分比，X包括一個(gè)或多個(gè)從Ti和Ta選擇的元素，以及Y包括一個(gè)或多個(gè)從C和N選擇的元素。
8.如權(quán)利要求7所述的電子器件(1、100)，其中，X基本上沒(méi)有Ti。
9.如權(quán)利要求7所述的電子器件(1、100)，其中，s小于或等于0.7。
10.如權(quán)利要求7所述的電子器件(1、100)，其中，Y包括N。
11.如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，其中，電阻器構(gòu)成存儲(chǔ)元件，體部(102)包括存儲(chǔ)器單元陣列，每個(gè)存儲(chǔ)器單元包括相應(yīng)的存儲(chǔ)器元件和相應(yīng)的選擇器件(171)，和選擇線(120、121)的網(wǎng)格，每個(gè)存儲(chǔ)器單元分別可經(jīng)由連接到相應(yīng)選擇器件(170)的相應(yīng)的選擇線(120、121)來(lái)訪問(wèn)。
12.如權(quán)利要求11所述的電子器件(100)，其中選擇器件(171)包括具有源極區(qū)(172)、漏極區(qū)(173)和柵極區(qū)(174)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并且選擇線(120、121)的網(wǎng)格包括N條第一選擇線(120)、M條第二選擇線(121)，以及一條輸出線，每個(gè)存儲(chǔ)器元件(170)的電阻器電子地把從對(duì)應(yīng)于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極區(qū)(172)和漏極區(qū)(173)選擇的第一區(qū)連接到輸出線，從對(duì)應(yīng)于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極區(qū)(172)和漏極區(qū)(173)選擇并且不與第一區(qū)接觸的第二區(qū)電子地連接到N條第一選擇線(120)的其中之一，柵極區(qū)(174)電子地連接到M條第二選擇線(121)的其中之一。
全文摘要
電子器件(1、100)具有包括電阻器(7、107)的體部(2、102)，電阻器(7、107)包括可在第一相位和第二相位之間變化的相變材料。當(dāng)相變材料處于第一相位時(shí)電阻器(7、107)具有第一電阻，并且當(dāng)相變材料處于第二相位時(shí)電阻器(7、107)具有不同于第一電阻的第二電阻。體部(2、102)還包括能夠傳導(dǎo)電流的加熱元件(6、106)，以便能夠從第一相位轉(zhuǎn)換到第二相位，該加熱元件(6、106)與電阻器(7、107)平行排列。
文檔編號(hào)H01L45/00GK1729575SQ200380106626
公開(kāi)日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者M·H·R·蘭克霍斯特, E·R·梅恩德斯, R·A·M·沃特斯, F·P·維德肖文 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司