[发明专利]制造存储单元的自对准空洞及底电极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及以存储材料为基础的高密度存储装置，例如电阻随机存取存储器(RRAM)，本发明还涉及用以制造这种装置的方法。

背景技术

存储材料可通过施加能量而在不同的电性质状态之间切换。此存储材料可为以相变化为基础的材料，包括硫属化物材料与其他材料。

相变化存储材料广泛地用于读写光碟中。这些材料包括有至少两种固态相，包括如为非晶态的固态相，以及为结晶态的固态相。激光脉冲用于读写光碟片中，以在两种相中切换，并读取此种材料在相变化的后的光学性质。

如硫属化物及类似材料的这种相变化存储材料，可通过施加其幅度适用于集成电路中的电流，而致使晶相变化。一般而言非晶态的特征为其电阻高于结晶态，此电阻值可轻易测量得到而用以作为指示。这种特性则引发使用可编程电阻材料以形成非挥发性存储器电路等兴趣，此电路可用于随机存取读写。

从非晶态转变至结晶态一般为低电流步骤。从结晶态转变至非晶态(以下指称为重置(reset))一般为高电流步骤，其包括短暂的高电流密度脉冲以融化或破坏结晶结构，其后此相变化材料会快速冷却，抑制相变化的过程，使得至少部分相变化结构得以维持在非晶态。理想状态下，致使相变化材料从结晶态转变至非晶态的重置电流幅度应越低越好。欲降低重置所需的重置电流幅度，可通过减低在存储器中的相变化材料元件的尺寸、以及减少电极与此相变化材料的接触面积而达成，因此可针对此相变化材料元件施加较小的绝对电流值而达到较高的电流密度。

此领域发展的一种方法致力于在集成电路结构上形成微小孔洞(pores)，并使用微量可编程的电阻材料填充这些微小孔洞(pores)。致力于这种微小孔洞(pores)的专利包括：于1997年11月11日公布的美国专利第5,687,112号“Multibit Single Cell Memory Element Having TaperedContact”、发明人为Ovshinky；于1998年8月4日公布的美国专利第5,789,277号“Method of MakingChalogenide[sic]Memory Device”、发明人为Zahorik等；于2000年11月21日公布的美国专利第6,150,253号“Controllable Ovonic Phase-Change SemiconductorMemory Device and Methods of Fabricating the Same”、发明人为Doan等。

在相变化存储器中，通过施加电流而致使相变化材料在非晶态与结晶态之间切换而储存数据。电流会加热此材料并致使在各状态之间转换。从非晶态转变至结晶态一般为低电流步骤。从结晶态转变至非晶态(以下指称为重置(reset))一般为高电流步骤。优选将用以导致相变化材料进行转换(从结晶态转换至非晶态)的重置电流幅度最小化。重置所需要的重置电流幅度可以通过将存储单元中的有源相变化材料元件的尺寸减少而降低。相变化存储装置的问题之一在于，重置操作所需要的电流幅度，会随着相变化材料中需要进行相变化的体积大小而改变。因此，使用标准集成电路工艺所制造的单元，将会受到工艺设备的最小特征尺寸所限制。因此，必须研发可提供亚光刻尺寸的技术以制造存储单元，在大尺寸高密度存储装置中，通常缺少均一性与可靠性。

一种用以在相变化单元中控制有源区域尺寸的方式，设计非常小的电极以将电流传送至相变化材料体中。此微小电极结构将在相变化材料的类似蕈状小区域中诱发相变化，亦即接触部位。请参照2002/8/22发证给Wicker的美国专利6,429,064号“Reduced Contact Areas of SidewallConductor”、2002/10/8发证给Gilgen的美国专利6,462,353“Method for Fabricating a Small Area ofContact Between Electrodes”、2002/12/31发证给Lowrey的美国专利6,501,111号“Three-Dimensional(3D)Programmable Device”、以及2003/7/1发证给Harshfield的美国专利6,503,156号“Memory Elements and Methodsfor Making same”。

因此，需要一种存储单元的制造方法与结构，使存储单元的结构可具有微小的可编程电阻材料有源区域，使用可靠且可重复的工艺技术制造。

发明内容