CN101383337A - 可编程相变材料结构及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

可编程相变材料结构及其形成方法
技术领域
[0001]本发明一般地涉及集成电路器件，尤其涉及使用外部加热相变材料的可编程熔丝/非易失性存储器结构(和阵列)。
背景技术
[0002]电可编程熔丝(eFUSE)器件具有许多实际应用，例如存储器阵列中的冗余实现、现场可编程阵列、电压微调电阻器/电容器、RF电路调谐、电子芯片识别、使用跟踪/诊断数据记录、报告被盗的设备/汽车的远程禁用、只读存储器(ROM)等。现有eFUSE技术基于各种不同技术，例如电迁移(IBM)、断裂(Infineon)和烧结(Intel)。但是，这些现有熔丝技术的每种都是“一次性的”，因为一旦熔丝烧断，它不能返回到导电状态。而且，这种器件占据相对大的面积，涉及大量功率/电流，并且编程非常慢(例如几微秒)。
[0003]另一方面，利用硫族化物材料(以及通过电阻加热器的间接加热)的可重复编程熔丝在Davis等人的美国专利6,448,576中描述。但是，这种硫族化物熔丝材料发出大量热量，并且据估计产生必需编程热量所需的开关电流大约为15mA。在这种假设下，15mA的必需加热器电流又将导致不方便地大的设计，需要大约15微米的驱动器FET宽度。
[0004]因此，随着eFUSE技术发展，能够解决与更高性能相关的现有关注将是期望的，包括因素例如:尤其是减少由熔丝占据的器件面积，解决由现有可编程熔丝器件所需的非标准高电压/电流的“日落”，具有多次可重复编程熔丝的期望，以及提高的速度。除了eFUSE技术的一般改进之外，也存在衬底(例如硅)材料对于eFUSE技术中使用的材料的污染敏感性问题，以及对于集成电路器件中温度敏感绝缘材料(例如低K SiCOH)的影响。
发明内容
[0005]现有技术的前述缺点和不足由可编程相变材料(PCM)结构解决或减轻。在一种实例实施方案中，该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。
[0006]在另一种实施方案中，一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，其中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***。
[0007]在再一种实施方案中，一种形成可编程相变材料(PCM)结构的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。
附图说明
[0008]参考实例附图，其中类似的元件在几幅图中类似地编号:
[0009]图1是说明相变材料的实例热循环操作的图；
[0010]图2(a)-2(c)是根据本发明一种实施方案，在器件加工的BEOL级形成并使用外部加热PCM的可编程eFUSE器件的顶视图和横截面视图；
[0011]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；
[0012]图3(b)是对于用于图3(a)的PCM垫片的一对不同PCM材料，说明实例ON/OFF电阻的表格；
[0013]图4是说明例如根据图2(a)-2(c)制造的PCM非易失性存储单元的操作的示意图；
[0014]图5(a)是说明根据本发明另一种实施方案，使用外部加热PCM的非易失性存储单元阵列和关联读出电路***的示意图；
[0015]图5(b)和5(c)是非易失性存储单元阵列的读出电路***的备选实施方案；
[0016]图6(a)-6(c)说明由与图2(a)-2(c)的实施方案类似的器件的PCM加热仿真产生的等温线；
[0017]图7-11是说明形成图2的器件的实例方法的更详细顺序描述的顶视图和横截面视图；
[0018]图12是根据本发明一种备选实施方案，在器件加工的BEOL级形成并使用外部加热PCM的可编程eFUSE器件的侧视图；
[0019]图13是图12中所示器件的正视图；
[0020]图14(a)-14(c)说明由与图12和13的实施方案类似的器件的PCM加热仿真产生的等温线；
[0021]图15是根据本发明一种备选实施方案，在器件加工的BEOL级形成并使用外部加热PCM的可编程eFUSE器件的侧视图；
[0022]图16是图15中所示器件的正视图；
[0023]图17(a)和17(b)是根据本发明再一种备选实施方案，在器件加工的BEOL级形成并使用外部加热PCM的可编程eFUSE器件的顶视图和侧视图，各个侧视图；以及
[0024]图18(a)-18(c)说明由与图17(a)和17(b)的实施方案类似的器件的PCM加热仿真产生的等温线。
具体实施方式
[0025]这里公开的是使用外部加热相变材料的电可重复编程熔丝(eFUSE)器件和例如相变随机存取存储器(“PCRAM”，也称作“PRAM”)的非易失性存储器结构及其阵列。这种器件可以有利地集成在器件形成的后段制程(BEOL)区域，从而将最小改变引入到标准CMOS加工技术中。因为某些PCM因污染敏感性而在硅制造级可能是不期望的，所以BEOL位置更工艺兼容。因此，这里描述的实施方案包括逻辑芯片低温区域的基于PCM的eFUSE设计。该区域在BEOL，在低温环境下，在远离硅的基于氧化物的芯片位置中制造。该类型的设计对于避免PCM成分(例如碲)到硅中的扩散和污染是期望的。
[0026]如在下文更特别描述的，公开的本发明实施方案采用集成电路器件的较低BEOL级的位置的解决方法。例如，PCM器件使用CMOS器件中现有“K1”(BEOL级)电阻器(例如TaN电阻器技术)作为外部加热器元件。另外，PCM材料保持与晶体管距离相对远(因为GST可能不利地影响晶体管)。而且，对标准CMOSBEOL加工的最小工艺改变仅通过将PCM沉积和图案形成增加到加工中实现。
[0027]三种实例实施方案在这里以三端子器件的形式提出。对于避免硅结构被PCM污染所期望的BEOL位置确实引入低K材料(例如SiCOH)因热循环操作期间所达到的高温而损坏的可能性。因此，这里提出的实例实施方案中的一种或多种包括消除该问题的设计。
相变材料
[0028]某些相变材料(例如Ge-Sb-Te(GST)合金)具有随着温度变化的可编程电阻。对于相变材料，其他组成例如GeSb4，更一般地GexSby(包括其他元素的取代/添加)也是可能的。各个相变元件(PCE)因此用作可编程eFUSE或用作存储器件的存储单元。各个PCE的状态通过加热和冷却过程编程，该过程通过使电流经过PCE(或PCE附近的分立加热元件)以及作为结果发生的欧姆加热来电气控制。依赖于施加到PCE元件的具体施加温度和加热持续时间，该结构或者“置位”到较低电阻结晶态或者“复位”到较高电阻非晶态。基本上，对于PCE可以从结晶态编程到非晶态或者反之的次数没有实际限制。
[0029]PCE相态的改变典型地需要高温(例如显著高于大约600℃的PCM熔化温度)，如可以由流过相变材料或分立电阻器的电流产生的焦耳加热获得。当加热相变材料高于它的熔化温度此后再快速冷却时，相变材料变得非晶，从而在eFUSE的情况下导致切断的电连接，或者在存储元件的情况下存储一逻辑值的数据位。作为选择，当加热相变材料高于它的结晶温度并且在冷却之前维持在该温度长达预先确定的时间时，相变材料变得结晶，从而在eFUSE的情况下导致恢复的电连接，或者在存储元件的情况下存储相反逻辑值的数据位。
[0030]更具体地，图1是说明相变材料的实例热循环操作的图。如所示，第一热循环操作包括将PCM从结晶态转变成非晶态的“复位”脉冲，并且第二热循环操作包括将PCM从非晶态转变成结晶态的“置位”脉冲。在复位脉冲期间，PCM的温度升高到它的熔化温度(Tm)之上，继之以在短时间t1上的快速淬火。作为快速淬火的结果，保持因熔化引起的PCM原子的无序排列。因此，在复位脉冲之后，PCM处于非晶高电阻态。在置位脉冲期间，PCM在相对于熔化温度的较低温度下退火，并且长达相对于t1的较长时间t2。该过程使得非晶态能够结晶成较低电阻态。
[0031]从实际观点，基于PCM的eFUSE或非易失性存储器件的设计需求的一些包括在功能上执行置位和复位操作非常多次循环(例如大约1011)的能力，读取/读出熔丝/存储元件的状态的能力，对于编程PCM所需的功率/电流的量的限制，以及以对标准CMOS加工的最小改变使得实现该结构的成本和时间需求达到最小的要求。
第一实例实施方案
[0032]现在参考图2(a)-2(c)，显示根据本发明一种实施方案，在器件加工的BEOL级形成并且使用外部加热PCM的可编程eFUSE器件200的各种顶视图和横截面视图。在描绘的实例单个单元实现中，eFUSE结构的形成导致低K绝缘材料(例如SiCOH)对加热器的暴露。因此，如在存储器应用中，与实现大量循环的存储器应用相对比，该设计可能更适合于单次(或者也许几次)激发的eFUSE。在单个单元实现中，器件200在硅或衬底级使用标准CMOS晶体管作为加热器的驱动器。
[0033]更具体地，图2(a)是可编程eFUSE结构200的顶视图，图2(b)是沿着图2(a)的B-B而获得的横截面视图，并且图2(c)是沿着图2(a)的C-C而获得的横截面视图。如在图2(b)和2(c)的横截面视图中特别说明的，衬底202(例如硅、绝缘体上硅等)具有形成于其中的绝缘层(例如浅槽隔离)204。如本领域中已知的，CMOS晶体管包括在衬底中形成的源极/漏极扩散区206，以及在衬底202上(并且在栅极绝缘层(例如氧化物)上，没有显示)形成的栅电极208，以及侧壁隔离物210。应当注意，在图2(a)的顶视图中，栅电极208和侧壁隔离物210(在衬底级形成)不会从加工的BEOL级可见。但是，栅电极208和侧壁隔离物210相对于BEOL区域的相对位置在图2(a)中也为了说明性目的而显示。
[0034]接触区(CA)支柱212用来提供晶体管的源极/漏极扩散区206中的一个与通常在本领域中称作M1的第一级金属互连之间的电接触。CA支柱212在第一层间电介质(ILD)层214，也可以称作中段制程(MOL)电介质层内形成。MOL电介质层214可以是例如氧化物的材料，或者可以作为选择是低K电介质层。但是，如图2(b)和2(c)中所示，例如，M1金属布线层在例如SiCOH的低K电介质材料215内形成。
[0035]置于M1级金属上的是刻蚀阻挡层216(例如N-BLoK)，继之以一低K电介质材料的薄层218(例如大约300
Figure A200810129458D0011160055QIETU
)和一电阻加热器材料诸如氮化钽(TaN)的薄层(例如大约300
Figure A200810129458D0011160055QIETU
)，例如，该后一薄层图案化以形成PCM加热器元件220。然后，PCM材料(例如GST(GeSbTe)或GeSb)沉积并图案化，用作PCMNVM(相变材料非易失性存储器)元件222。一旦形成，另外的低K电介质材料然后可以在通孔(V1)和下一级金属(M2)镶嵌加工的准备中形成。进一步如图2(a)-2(c)中所示，第一组V1级通孔224(通过M2级布线)将晶体管源极或漏极206连接到TaN加热器元件220的一端。PCM元件222与加热器元件220紧密热耦合，并且与其电连接，其中PCM元件222在加热器220的上面形成条形(如在图2(a)中最佳看到的)，并且横穿它。因此，在低K SiCOH环境中，加热器220和PCM 222都置于器件的M1与M2级之间，该SiCOH提供电和热绝缘。
[0036]如图2(a)和2(b)中进一步说明的，加热器元件220相对于晶体管源极/漏极连接的相对端通过第二组V1级通孔226连接到编程电路***(没有显示)。另外，如图2(a)和2(c)中最佳看到的，PCM条形222远离加热器220的端部使用另一个V1级通孔228连接到M2级(和读出电路***，没有显示)。更详细地说明图2(a)-2(c)的结构200的形成步骤的顺序加工视图，以及实例加工条件在下文提出。
电气操作
[0037]现在参考图3(a)和3(b)，基于关于PCM尺寸的一对假设，以及关于PCM材料的一对假设(包括高电阻率材料(A)和低电阻率材料(B))，说明对于ON和OFF态的PCM阻抗的估计。特别地，图3(a)描绘具有长度L、宽度w(图3(a)中没有显示)和高度h的PCM垫片222的阻抗模型。PCM垫片222置于加热器元件220上，使得PCM垫片222的第一部分222a与加热器元件220接触并且PCM垫片222的第二部分222b不与加热器元件220接触。作为相对缺少加热的结果，部分222a具有基本上恒定的电阻R。另一方面，在描绘的实例实施方案中代表大约1/2L×w×1/2h的部分的可转换部分222b具有可变电阻。图3(b)中的表格进一步说明一对不同的PCM材料A，B(例如分别为Ge2Sb2Te5，GeSb4)的实例ON/OFF电阻。
[0038]图4是说明单个PCM非易失性存储单元400(例如根据图2(a)-2(c)制造的存储单元)的操作(编程和读出)的示意图。具有电阻Rh的加热器元件402在一侧连接到具有栅极电压V_gate的驱动晶体管404的源极/漏极，并且在另一侧连接到编程电压Vp。具有可变电阻Rv的PCM元件406在其一端与加热器元件402的中心(附近)电接触，读出电压Vs连接到PCM元件406的另一端。
[0039]为了将PCM元件406的电阻置位为高态(例如高电阻)，编程电压Vp设置为高电压并且V_gate被施加持续相对短时间的相对高电流的脉冲(例如如图1中描绘的)。这样一来，高电平电流流过加热器元件402(例如TaN)并且将PCM元件406的温度升高到高温。一旦栅极脉冲结束，PCM元件406变得非晶并且呈现高电阻。相反地，为了将PCM元件的电阻复位为低态(例如低电阻)，编程电压Vp设置为非零低电压并且V_gate被施加持续相对长时间和相对低电流的脉冲(例如如图1中描绘的)。这样一来，低电平电流流过加热器元件402并且将PCM元件406的温度升高到中等温度。一旦栅极脉冲结束，PCM元件406变得结晶并且呈现低电阻。
[0040]为了读出PCM元件406的电阻态，非零电压施加到Vs(读出端子)，然后施加脉冲到驱动晶体管404的V_gate。流过PCM元件406的电流的量取决于其状态(也就是电阻值)。
[0041]一般地参考图5(a)-5(c)，描绘例如图2(a)-2(c)和图4中所示的PCM存储单元阵列的读出电路***的各种实施方案。为了简单，阵列描绘为2×2；但是，应当理解，这里描述的原理可适用于更大的阵列。
[0042]图5(a)说明实例读出阵列电路500。除了编程晶体管502之外，每个单元包括另外的读出晶体管504，其配置为相对于编程晶体管502流过较低电流。该构造防止电流在编程线(PA，PB等)和读出线(SA，SB等)之间通过给定列中的未选择单元而循环。同样如图5(a)中所示，可调节电源506(VpA，VpB等)和固定电源508(VsA，VsB等)为每列提供，像读出电流放大器510一样。这些器件由开关PA，PB等和SA，SB等连接到列线。应当注意，对于读出电路实施方案的任何一种，电源(例如可调节和固定电源506，508)可以与读出阵列电路500位于相同的电路板上，或者它们可以完全位于不同的组件上。在后者实例中，片外源将连接到包含读出阵列电路500的芯片上的相应电源节点。
[0043]为了编程单元(例如，列A中)，PA开关闭合而SA开关打开。编程(高)电压因此由可调节电源506施加到连接到单元的适当Vp线，并且施加脉冲到与待编程单元相对应的栅极线(例如Vg1，Vg2等)。脉冲的幅度和持续时间在具有低幅度和缓慢斜坡降低(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1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。
[0044]为了读出(读取)列A中的单元，例如，PA开关打开而SA开关闭合。低于编程阈值的读出(低)电压然后施加到读出线VsA，并且施加脉冲到与待读出单元相对应的栅极线(例如Vg1，Vg2等)。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，从而产生例如列A中的Sense_out_A。
[0045]图5(b)说明图5(a)的读出阵列电路的备选实施方案520，其中每个单元中的读出晶体管504代替地由***电路***中每行(栅极线)的公共晶体管512取代。编程/读出单个单元的操作与图5(a)中描述的相同。应当注意，在图5(b)设计中，如果公共晶体管512不得不非常大，则同时读出或编程所选行中的大量单元可能是不实际的。
[0046]图5(c)说明读出阵列电路的再一种实施方案540，其中经过Rv的读出电流通过小参考电阻器“r”转换成电压(其中r大约1-100Ω)。参考电阻器的值保持非常小；否则，它将在读出和编程线之间以多达N个(其中N是行数，例如512)电阻器(Rv+Rh/2)分流。分流导致读出输出对于存储器状态而不是仅仅所选单元的状态的不期望的依赖。因此，r<(Rv+Rh/2)/N，其中Rv是结晶态中PCM的电阻值。因为r的值小，列读出放大器510是具有N(例如大约1000)阶高增益的脉冲电压放大器；它们的设计由低源电阻r简化。同样应当注意，单个可调节电源506(VpA，VpB等)为每列而提供。在该实施方案中，编程和读出线的电压的接近防止在给定列中未选择单元中的编程和读出线之间循环的显著电流。
[0047]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缓慢斜坡降低(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1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)，继之以施加脉冲到该单元的栅极线。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。
[0048]仍然如上所述PCM器件的特殊应用(例如可重复编程eFUSE，非易失性PRAM等)，PCM器件的操作的某些关键方面包括淬火时间和淬火(复位)功率。例如，淬火时间必须短(例如纳秒时间级)，以便熔化的PCM材料冷却到非晶态而不是再结晶。对于GST(Ge2Sb2Te5)材料，再结晶通过相对缓慢的均匀成核过程而发生，容易非晶化。在其他材料中，如果前沿速度快(例如每秒几十米)，则非均匀再结晶(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。复位所需的温度升高更适度，大约200℃，但是复位需要非常长的时间(例如对于GST大约500ns)来完成再结晶。
[0049]熔化PCM材料所需的功率(例如大约600℃的温度)通过编程晶体管供给，该晶体管的宽度根据由此提供的编程电流而换算。另外，晶体管宽度是每个存储的存储位的面积的主要因素。因此，使得编程功率达到最小是最小化每位面积的关键因素。
[0050]因此，需要论证并且可以通过仿真测试的关键需求是熔化PCM所需的最大加热器温度的合理性，非晶化PCM所需的温度的快速降低，以及功率需求。
热流的3D仿真
[0051]热仿真基于求解热扩散方程:
C V dT / dt = &dtri; K &dtri; T + H
[0052]对于温度T(r，t)，具有恒容时的比热Cv，扩散系数K(T)和加热速率H(r，t)。材料性质看作温度无关并且对于相应材料是典型的。
[0053]图6(a)-6(c)分别是说明具有外部尺寸360nm×200nm×145nm(长度、宽度、高度)的加热器元件220和具有尺寸40nm×80nm×40nm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730℃，加热器元件以0.2mW导通长达大约70ns。较长时间的较低功率将产生大约相同的结果。恰好淬火之前图6(a)-6(c)中显示的温度分布包括大约255℃的外部等温线606和呈现为大约607℃的PCM熔化温度的内部等温线608。熔化温度需要扩展到PCM材料中远离加热器仅一小段距离，以便打断从读出电压到接地的电气通路。
材料问题
[0054]期望避免硅结构被PCM材料污染的PCM NVM单元的BEOL位置确实引入低K材料(例如SiCOH)因复位期间所达到的高温而损坏的可能性。虽然该高温问题的可用设计解决方法在美国申请序列号11/467,294(转让给本申请的受让人，在此并入其全部内容)中提出，同样避免环境过度加热的另外实施方案在下面描述。
制造
[0055]如上所指出的，图7-11是说明形成图2的器件的实例方法的更详细顺序描述的顶视图和横截面视图。同样如先前所指出的，在这里描述的实施方案依照标准CMOS加工形成。图7(a)-7(c)描绘根据标准CMOS加工，STI(浅槽隔离)204形成，栅极导体208(例如多晶硅)形成，以及源极/漏极扩散区206掺杂之后的自顶向下和横截面视图的简化形式。标准CMOS加工也继续直到M1金属线形成，这在图8(a)-8(c)中说明。例如，氮化物刻蚀阻挡层(没有显示)和中段制程(MOL)电介质214沉积并平面化。金属支柱(CA)212随着MOL电介质214形成，与源极/漏极扩散区206中的一个接触。然后，对于M1金属铜镶嵌工艺，BEOL低K电介质215(例如SiCOH)沉积并形成图案。M1阻挡金属和铜种子层沉积并且M1铜电镀并平面化。
[0056]然后，如图9(a)-9(c)中所示，沉积刻蚀阻挡层216(例如N-BloK)，继之以一低K SiCOH的薄层218(例如大约300
Figure A200810129458D0011160055QIETU
)和一薄层TaN(例如大约
Figure A200810129458D00171
)。TaN层(其在常规CMOS加工中用作电阻器材料)在我们的发明中用作随后PCM材料的加热器。TaN层通过光刻和刻蚀技术形成图案以便形成加热器220。如图10(a)-10(c)中所示，PCM材料(例如GST(GeSbTe)或GeSb)沉积并形成图案以形成PCM NVM(相变材料非易失性存储器)元件222。PCM元件图案化通过光刻和刻蚀形成。最后，图11(a)-11(c)说明使用另外的低K电介质形成，V1和M2双镶嵌金属(例如W)沉积和平面化之后的自顶向下和横截面。随后的器件加工根据标准CMOS加工技术实现。
第二实例实施方案
[0057]现在参考图12和13，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BEOL PCM元件的另一种实例实施方案1200的侧视图和正视图。为了清晰，类似的结构元件相对于这里描述的各种实施方案使用相同的参考数字指定。如果器件形成在其中的制造级的电介质材料(例如SiCOH 215)是温度敏感的，则图12和13中的该类型设计是有用的。同时，重新编程PCM元件1200多次同时维持稳定的器件性能是期望的。因此，在该实施方案中，加热器220和PCM 222的侧面都由热和电绝缘体216(例如N-BLoK)包围。
[0058]与图2的实施方案相比较，加热器元件220也直接形成在N-BLoK 216上而不是低K SiCOH 215上。N-BLoK层216的形成可以集成在BEOL加工技术中。同样如图2的实施方案的情况一样，通孔224和226形成在加热器条带220的相对的两端，以便于编程电流通路通过它们，同时第三通孔228用来限定通过PCM元件222、加热器220和通孔224的读出电流通路。
[0059]图14(a)-14(c)分别是说明具有外部尺寸200nm×200nm×255nm(长度、宽度、高度)的加热器元件220和具有尺寸40nm×40nm×40nm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℃，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℃的外部等温线1404和呈现为大约607℃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熔化。
[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的侧视图和正视图。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
[0061]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SiO2)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SiO2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℃的温度范围冷却到大约500℃(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SiO2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。
[0065]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650nm×200nm×190nm(长度、宽度、高度)的加热器元件220和具有尺寸330nm×80nm×20nm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℃，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℃的外部等温线1804和呈现为大约607℃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。

Claims (20)

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SiO2。
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。
15.一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；以及
配置以读出PCM元件的电阻的读出电路***。
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、第四通孔、第二通孔和加热器元件。
20.一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。
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