非易失性存储器单元中的电阻漂移减轻的制作方法

非易失性存储器单元中的电阻漂移减轻


背景技术：

1.本发明涉及半导体器件，更具体地，涉及形成具有漂移减轻内衬的蘑菇型相变存储器(pcm)器件的方法，其中相变材料的底表面与漂移减轻内衬和底电极两者直接接触。
2.相变存储器(pcm)基于硫属化物玻璃材料，当施加适当的电流时，该材料将其相从晶态变为非晶态并再次变回非晶态。gst合金(锗-锑-碲或ge2sb2te5)是一种这样的硫属化物玻璃材料。每个相具有不同的电阻水平，其在相变之前是稳定的。pcm器件中的最大和最小电阻水平是二进制一或零值的基础。
3.在pcm器件的电编程期间，至少一些(或者在一些情况下，全部)相变材料经历相变，这改变了pcm器件的电阻。
4.相变材料在非晶相中显著地遭受电阻漂移，其中电阻根据幂律随时间增加。对于需要多个状态以用于计算的模拟计算应用，需要减轻电阻漂移。
5.随时间的电阻漂移对于多电平单元操作，诸如与人工智能训练和推理应用结合使用的那些，尤其具有挑战性。多电平单元操作可以与常规(二进制)电阻式存储器单元相比较，传统(二进制)电阻式存储器单元具有两个状态，包括对应于1或0的高电阻状态和低电阻状态。电阻式存储器器件是多电平单元器件的示例，多电平单元器件具有多于两个状态，并且用于表示人工神经网络的突触权重。
6.为了减轻电阻漂移，已提出了具有调谐电阻率的内衬。然而，底电极之上和跨底电极的电阻内衬的存在可能导致多个挑战：(a)set态电阻的增加导致较低的动态范围(reset与set电阻比)，(b)焦耳加热可以集中在底电极的顶部上的衬膜中，因此使得单元的热效率更低，并且需要显著增加晶态到非晶态的相变的编程电压。这可能显著增加实现其中非晶体积完全覆盖底电极的reset条件所需的编程电压。


技术实现要素：

7.根据本发明的实施例，一种蘑菇型相变存储器(pcm)器件，包括：衬底；第一电介质层，设置在衬底上；底电极，设置在第一电介质层中；漂移减轻内衬，设置在第一电介质层上；pcm元件，直接设置在漂移减轻内衬和底电极的上表面上；顶电极，设置在pcm元件上；以及第二电介质层，设置在第一电介质层的暴露部分和顶电极上，其中第二电介质层设置在漂移减轻内衬、pcm元件和顶电极的侧壁上。
8.一种蘑菇型相变存储器(pcm)器件包括：衬底；下互连，设置在衬底中；第一电介质层，设置在衬底上；底电极，设置在第一电介质层中并且在第一电介质层的上表面上方延伸；漂移减轻内衬，环绕在第一电介质层的上表面上方延伸的底电极的上部；pcm元件，设置在内衬和底电极的上表面上；顶电极，设置在pcm元件上；以及第二电介质层，设置在第一电介质层的暴露部分和顶电极上，其中第二电介质层设置在内衬、pcm元件和顶电极的侧壁上。
9.根据一些实施例，一种制造蘑菇型相变存储器(pcm)器件的方法包括：提供中间器件，该中间器件包括衬底和设置在衬底中的下互连、设置在衬底上的第一电介质层、设置在
第一电介质层上的漂移减轻内衬、以及形成在漂移减轻内衬上的第二电介质层；在中间器件上顺序地沉积低温氧化物(lto)硬掩模层、含硅抗反射涂层(sicar)层和光致抗蚀剂(pr)层；图案化pr层，以形成pr掩模；通过使用pr掩模图案化穿过漂移减轻内衬层来形成底电极通孔；去除lto硬掩模层；执行底电极金属化工艺，以形成底电极金属；抛光pcm器件，以暴露第二电介质层；去除第二电介质层的剩余部分；沉积pcm层和顶电极金属，pcm层被直接沉积在漂移减轻内衬层和底电极上；图案化漂移减轻内衬层、pcm层和顶电极金属，以形成漂移减轻内衬、pcm和顶电极；在pcm器件之上沉积第三电介质层；在pcm器件之上沉积氧化物层间电介质(ild)；以及平坦化pcm器件。
10.如本文中所使用的，“促进”动作包括执行动作、使得动作更容易、帮助完成动作、或使动作被执行。因此，通过示例而非限制的方式，在一个处理器上执行的指令可以通过发送适当的数据或命令以使或辅助要执行的动作，来促进由在远程处理器上执行的指令执行的动作。为了避免疑义，在动作方通过执行动作之外的方式来促进动作的情况下，该动作仍然由某个实体或实体的组合执行。
11.本发明的一个或多个实施例或其元素可以以计算机程序产品的形式实现，该计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有用于执行所示方法步骤的计算机可用程序代码。此外，本发明的一个或多个实施例或其元素可以以系统(或者，装置)的形式实现，该系统(或者，装置)包括存储器和至少一个处理器，该至少一个处理器耦合到存储器并且操作以执行示例性方法步骤。此外，在另一方面，本发明的一个或多个实施例或其元件可以以用于执行本文中所述的一个或多个方法步骤的装置的形式实现；该装置可以包括(i)硬件模块，(ii)存储在计算机可读存储介质(或者，多个这样的介质)中并且在硬件处理器上实现的软件模块，或(iii)即(i)和(ii)的组合；(i)-(iii)中的任一项实现本文中所述的特定技术。
12.本发明的技术可以提供实质上有益的技术效果。例如，一个或多个实施例可以提供：
13.其中电阻漂移减轻是可能的而没有伴随的编程电压增加的结构；以及
14.其中set状态的读取电阻不随着内衬的存在而增加因而保持较大的动态范围(set/reset电阻比)的结构。
15.通过结合附图阅读的本发明的说明性实施例的以下详细描述，本发明的这些和其它特征和优点将变得清楚明白。
附图说明
16.下面将参考附图更详细地描述本发明的优选实施例：
17.图1示出了根据本发明的至少一个实施例的pcm器件；
18.图2示出了具有形成在底电极上的内衬的pcm器件；
19.图3示出了根据本发明的实施例的具有内衬的pcm器件中的温度；
20.图4示出了不具有内衬的pcm器件；
21.图5是示出了图2至图4的器件的性能特性的图；
22.图6是根据本发明的至少一个实施例的用于制造pcm器件的方法的流程图；以及
23.图7至图12示出了根据本发明的至少一个实施例的用于制造图1的pcm器件的方法
中的中间结构。
具体实施方式
24.本发明的实施例涉及一种蘑菇型pcm器件，该pcm器件包括漂移减轻内衬，其中底电极直接接触pcm，并且漂移减轻内衬在其侧面上接触底电极。当与没有内衬的存储器单元相比时，该结构实现了电阻漂移减轻，而没有编程电压(和电流)的增加，并且没有影响set电阻。
25.图1示出了根据本发明的实施例的蘑菇型pcm器件100的横截面。参考图1，蘑菇型pcm器件100包括衬底101和下互连102(下布线层)。蘑菇型pcm器件100被封装在第一电介质层103(例如，氮化硅(sin)层)和氧化物111中。蘑菇型pcm器件100还包括底电极104，其包括由氮化钽(tan)形成的外部105、由氮化钛(tin)形成的中部106和由tan形成的内部107。底电极104的上部被内衬108环绕。根据本发明的一些实施例，内衬108不覆盖底电极104的顶部。pcm 109形成在底电极104和内衬108的上表面上，并且顶电极110形成在pcm 109上。根据一个或一个以上实施例，pcm 109与底电极104及内衬108两者直接接触。
26.内衬108可由例如碳材料、tin、tan、碳化钛(tic)、碳化钽(tac)、氮化钛铝(tialn)、氮化钽铝(taaln)、碳化钛铝(tialc)、碳化钽铝(taalc)、氮化铪(hfn)或碳化钨(wc)形成。
27.pcm 109可以由例如gst(锗-锑-碲或ge2sb2te5)、gete、sb2te3、sb、或者具有ge、te和sb的其它二元或三元合金成分形成。pcm 109可以包括附加的掺杂剂，包括碳、氮、硅、二氧化硅、碳化硅或sin。
28.根据一些实施例，且如图1中所示，内衬108是与pcm 109直接接触的漂移减轻内衬，并且底电极104也与pcm 109直接接触。根据至少一个实施例，内衬108不覆盖底电极104的顶部。根据一些实施例，内衬108可以部分地覆盖底电极的顶部。根据至少一个实施例，内衬108沿pcm 109的整个宽度延伸，并且内衬108不与顶电极110直接接触。
29.顶电极110和底电极104可以由例如tin、tan、氮化钨(wn)、hfn、wc、tic或tac形成。根据一些实施例，电极可由前述膜的单个层或多个层形成。根据一些实施例，底电极104包括sin膜作为这些层中的一个层。
30.图2至图4示出了当施加2.5伏(v)时不同器件的温度曲线。
31.图2示出了现有技术器件200，其包括将底电极202与pcm 203完全分离的内衬201。当在器件200上施加电压(例如，2.5v)时，由于跨直接在底电极202上方的内衬201的显著电压降以及内衬201中的焦耳热的集中，pcm 203中的温度不会达到熔点(即，非晶相变所需的温度)。
32.图3示出了根据本发明的实施例的蘑菇型pcm器件100，其中内衬108包括开口，底电极104延伸穿过该开口，并且内衬108和底电极接触pcm 109。也就是说，内衬108不覆盖底电极104的顶部，并且pcm 109与底电极104和内衬108两者直接接触。如图3中所示，当施加2.5v的电压时，pcm 109的温度被加热到5.231e+02开尔文(k)的最低温度，导致set电阻减小、动态范围增加、以及开关电压减小。
33.图4示出了省略内衬的现有技术器件400，使得底电极401接触pcm 402，并且pcm 402接触下层内衬，从而不导致电阻漂移减轻。
34.图5是示出了电压对图2至图4的不同器件的影响的图500。图5展示器件100、200和400的电阻对编程电压特性。
35.根据本发明的一些实施例，具有不覆盖底电极的顶部的内衬的并且其中pcm与底电极和内衬两者直接接触的本发明的器件100，示出了与没有内衬的器件400的情况相比，set态电阻(最低电阻状态)501不改变。也就是说，器件100具有大的动态范围(高电阻与低电阻比)。注意，具有设置在底电极上的内衬的器件200的set态电阻相对较高(例如，参见503)，导致动态范围减小。
36.此外，本发明的器件100的编程电压502(器件从低电阻状态切换到较高电阻状态的电压)比具有设置在底电极上的内衬的器件200的编程电压(例如，见504处的编程电压)小，实现较低电压操作。较低的编程电压可以实现包括人工智能的应用所需的单位单元(例如，最小电路块)的面积足迹的减小。
37.根据一些实施例，图6中示出了用于制造包含与pcm直接接触的漂移减轻内衬并且其中底电极也与pcm直接接触的非易失性存储器单元的方法600，在框601处，提供了中间器件，其包括衬底和设置在衬底中的下互连、第一电介质层、内衬层和第二电介质层(参见，图7)。第一电介质层和第二电介质层可以由例如sin形成。根据一些实施例，第二电介质层是封装内衬层的牺牲sin膜，其防止内衬层在后续工艺步骤(例如，底电极通孔的图案化)期间的氧化。
38.内衬层可以通过例如物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)或原子层沉积(ald)来沉积。
39.在框602处，该方法包括沉积堆叠，以用于图案化底电极通孔(参见，图8)。该叠层可以包括低温氧化物(lto)硬掩模层、含硅抗反射涂层(sicar)层和光致抗蚀剂(pr)层。在框603，图案化pr层，以形成pr掩模。
40.在框604处，使用pr掩模，图案化底电极通孔穿过漂移减轻内衬层(参见，图9)。
41.在框605，lto硬掩模被去除(例如，通过湿法蚀刻工艺)，并且在框606，执行底电极金属化工艺。底电极金属化工艺可以包括顺序沉积第一tan层、tin层和第二tan层(参见，图10)。在框607，器件被抛光，停止在第二电介质层上或第二电介质层中。
42.在框608，执行湿法蚀刻，其去除第二电介质层的剩余部分。根据一些实施例，湿法蚀刻不影响内衬层(见图11)。
43.在框609处，沉积pcm层和顶电极金属(参见图12)。
44.根据一些实施例，通过pvd沉积pcm层和顶电极金属。
45.在框610处，图案化漂移减轻内衬层、pcm层和顶电极金属以形成漂移减轻线、pcm和顶电极。此外，在非易失性存储器单元上沉积第三电介质层(例如，sin)，并且沉积并平坦化氧化物层间电介质(ild)，从而形成图1的器件100。
46.在框611，可以在所得器件100上形成随后的布线层。
47.参考图7至图12，在如图1中所示的用于制造包含与pcm直接接触的漂移减轻衬层的非易失性存储器单元100的方法中，图7示出了中间器件700，其包括衬底101以及设置在衬底中的下互连102、第一电介质层701、漂移减轻衬层702和第二电介质层703。第一电介质层和第二电介质层可以由例如sin形成。根据一些实施例，第二电介质层是封装内衬层的牺牲sin膜，其防止内衬层在后续工艺步骤(例如，底电极通孔图案化)期间的氧化。内衬层702
可以通过例如物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)或原子层沉积(ald)沉积。
48.图8示出了用于图案化底电极通孔(未示出)的沉积叠层800。叠层800可以包括lto硬掩模层801、sicar层802和pr层803。通过光刻工艺图案化pr层以形成pr掩模(未示出)。
49.根据一些实施例，使用pr层作为掩模图案化底电极通孔901穿过漂移减轻内衬层702图案化(见图9)。底电极通孔901延伸到下互连102。pr掩模(未示出)可以通过例如溶剂去除。
50.如图10所示，去除lto硬掩膜801以暴露第二电介质层703。进行底电极金属化工艺以形成底电极104，其包括由tan形成的外部105、由tin形成的中部106、以及由tan形成的内部107。例如，底电极金属化工艺包括顺序沉积tan、tin和tan层。图10的器件1000已被抛光以暴露第二电介质层703。底电极金属化工艺可以包括顺序沉积第一tan层、tin层和第二tan层(见图10)。
51.根据一些实施例，执行湿法蚀刻以去除第二电介质层703的剩余部分(参见图10)，而不影响漂移减轻内衬层702(参见图11)。
52.图12示出了沉积在漂移减轻内衬层702上的pcm层1201和顶电极金属1202。根据一些实施例，通过pvd沉积pcm层1201和顶电极金属1202。
53.漂移减轻内衬层702、pcm层1201和顶电极金属1202被图案化以形成漂移减轻内衬108、pcm 109和顶电极110，如图1中所示，此外，第三电介质层112(例如，sin)在非易失性存储器单元之上被沉积，并且氧化物层间电介质(ild)111被沉积和平坦化(参见图1)。
54.综述：
55.根据本发明的实施例，一种蘑菇型相变存储器(pcm)器件，包括：衬底(101)；第一电介质层(103)，被设置在衬底上；底电极(104)，被设置在第一电介质层中；漂移减轻内衬(108)，被设置在第一电介质层上；pcm元件(109)，被直接设置在漂移减轻内衬和底电极的上表面上；顶电极(110)，被设置在pcm元件上；以及第二电介质层(112)，被设置在第一电介质层的暴露部分和顶电极上，其中第二电介质层被设置在漂移减轻内衬、pcm元件和顶电极的侧壁上。
56.根据一些实施例，一种蘑菇型相变存储器(pcm)器件，包括：衬底(101)；下互连(102)，被设置在衬底中；第一电介质层(103)，被设置在衬底上；底电极(104)，被设置在第一电介质层中并且在第一电介质层的上表面上方延伸；漂移减轻内衬(108)，环绕在第一电介质层的上表面上方延伸的底电极的上部；pcm元件(109)，被设置在内衬和底电极的上表面上；顶电极(110)，被设置在pcm元件上；以及第二电介质层(112)，设置在第一电介质层的暴露部分和顶电极上，其中第二电介质层被设置在内衬、pcm元件和顶电极的侧壁上。
57.根据一些实施例，一种制造蘑菇型相变存储器(pcm)器件的方法包括：提供中间器件(801)，该中间器件(801)包括衬底和设置在衬底中的下互连、设置在衬底上的第一电介质层、设置在第一电介质层上的漂移减轻内衬、以及形成在漂移减轻内衬上的第二电介质层；在中间器件上顺序地沉积低温氧化物(lto)硬掩模层、含硅抗反射涂层(sicar)层和光致抗蚀剂(pr)层(802)；图案化pr层，以形成pr掩模(803)；通过使用pr掩模图案化穿过漂移减轻内衬层来形成底电极通孔(804)；去除lto硬掩模层(805)；执行底电极金属化工艺，以形成底电极金属(807)；抛光pcm器件以暴露第二电介质层(807)；去除第二电介质层的剩余部分(808)；沉积pcm层和顶电极金属(809)；图案化漂移减轻内衬层、pcm层和顶电极金属以
形成漂移减轻内衬、pcm和顶电极(810)；在pcm器件(810)之上沉积第三电介质层；在pcm器件(810)之上沉积氧化物层间电介质(ild)；以及平坦化pcm器件(810)。
58.在说明书中对本原理的“一个实施例”或“实施例”及其它变型的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性等被包括在本原理的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”以及任何其它变型的出现不一定都指相同的实施例。
59.附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示指令的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些备选的实现中，框中所注明的功能可不按图中所注明的次序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定功能或动作或执行专用硬件和计算机指令的组合的专用的基于硬件的系统来实现。
60.本文中所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不是要限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
61.以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于与如具体要求保护的其它要求保护的元件组合执行功能的任何结构、材料或动作。已出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文中所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。

技术特征：
1.一种蘑菇型相变存储器(pcm)器件，包括：衬底；第一电介质层，被设置在所述衬底上；底电极，被设置在所述第一电介质层中；漂移减轻内衬，被设置在所述第一电介质层上；pcm元件，被直接设置在所述漂移减轻内衬和所述底电极的上表面上；顶电极，被设置在所述pcm元件上；以及第二电介质层，被设置在所述第一电介质层的暴露部分和所述顶电极上，其中所述第二电介质层被设置在所述漂移减轻内衬、所述pcm元件和所述顶电极的侧壁上。2.根据权利要求1所述的pcm器件，其中所述第一电介质层和所述第二电介质层由氮化硅(sin)形成。3.根据权利要求1所述的pcm器件，还包括氧化物层，被设置在所述pcm器件上，其中所述pcm器件被平坦化到所述第二电介质层的顶部。4.根据权利要求1所述的pcm器件，其中所述底电极包括由氮化钽(tan)形成的外部部分、由氮化钛(tin)形成的中间部分，以及由tan形成的内部部分。5.根据权利要求1所述的pcm器件，其中所述pcm元件由锗-锑-碲(gst)材料形成的材料形成。6.根据权利要求1所述的pcm器件，其中所述pcm元件由包括锗(ge)、锑(sb)和碲(te)中的至少一项的二元或三元合金组合物形成。7.根据权利要求1所述的pcm器件，其中所述pcm元件包括掺杂剂。8.一种蘑菇型相变存储器(pcm)器件，包括：衬底；下互连，被设置在所述衬底中；第一电介质层，被设置在所述衬底上；底电极，被设置在所述第一电介质层中并且在所述第一电介质层的上表面上方延伸；漂移减轻内衬，环绕在所述第一电介质层的所述上表面上方延伸的所述底电极的上部；pcm元件，被设置在所述漂移减轻内衬和所述底电极的上表面上；顶电极，被设置在所述pcm元件上；以及第二电介质层，被设置在所述第一电介质层的暴露部分和所述顶电极上，其中所述第二电介质层被设置在所述漂移减轻内衬、所述pcm元件和所述顶电极的侧壁上。9.根据权利要求8所述的pcm器件，其中所述第一电介质层和所述第二电介质层由氮化硅(sin)形成。10.根据权利要求8所述的pcm器件，还包括氧化物层，被设置在所述pcm器件上，其中所述pcm器件被平坦化到所述第二电介质层的顶部。11.根据权利要求8所述的pcm器件，其中所述底电极包括由氮化钽(tan)形成的外部部分、由氮化钛(tin)形成的中间部分，以及由tan形成的内部部分。12.根据权利要求8所述的pcm器件，其中所述底电极的所述上表面直接接触所述pcm元件。
13.根据权利要求8所述的pcm器件，其中所述pcm元件由锗-锑-碲(gst)材料形成的材料形成。14.根据权利要求8所述的pcm器件，其中所述pcm元件由包括锗(ge)、锑(sb)和碲(te)中的至少一项的二元或三元合金组合物形成。15.根据权利要求8所述的pcm器件，其中所述pcm元件包括掺杂剂。16.一种制造蘑菇型相变存储器(pcm)器件的方法，所述方法包括：提供中间器件，所述中间器件包括衬底和被设置在所述衬底中的下互连、被设置在所述衬底上的第一电介质层、被设置在所述第一电介质层上的漂移减轻内衬、以及被形成在所述漂移减轻内衬上的第二电介质层；在所述中间器件上顺序地沉积低温氧化物(lto)硬掩模层、含硅抗反射涂层(sicar)层和光致抗蚀剂(pr)层；使所述pr层图案化，以形成pr掩模；通过使用所述pr掩模图案化穿过所述漂移减轻内衬层，形成底电极通孔；去除所述lto硬掩模层；执行底电极金属化工艺，以形成底电极金属；对所述pcm器件进行抛光，以暴露所述第二电介质层；去除第二电介质层的剩余部分；沉积pcm层和顶电极金属，所述pcm层被直接沉积在所述漂移减轻内衬层和所述底电极上；使所述漂移减轻内衬层、所述pcm层和所述顶电极金属图案化，以形成所述漂移减轻内衬、pcm和顶电极；在所述pcm器件之上沉积第三电介质层；在所述pcm器件之上沉积氧化物层间电介质(ild)；以及使所述pcm器件平坦化。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述底电极金属化工艺包括顺序地沉积第一氮化钽(tan)层、氮化钛(tin)层和第二tan层。18.根据权利要求16所述的方法，其中所述pcm器件的平坦化暴露所述第三电介质层的上表面。

技术总结
一种蘑菇型相变存储器(PCM)器件，包括：衬底；下互连，被设置在衬底中；第一电介质层，被设置在衬底上；底电极，被设置在第一电介质层中并且在第一电介质层的上表面上方延伸；类型漂移减轻内衬，环绕在第一电介质层的上表面上方延伸的底电极的上部；PCM元件，被设置在内衬和底电极的上表面上；顶电极，被设置在PCM元件上；以及第二电介质层，被设置在第一电介质层的暴露部分和顶电极上，其中第二电介质层被设置在内衬、PCM元件和顶电极的侧壁上。PCM元件和顶电极的侧壁上。PCM元件和顶电极的侧壁上。


技术研发人员：P
受保护的技术使用者：国际商业机器公司
技术研发日：2021.10.18
技术公布日：2023/8/13