[发明专利]具有PCM存储器单元和纳米管的半导体器件及相关方法

说明书

技术领域

本公开内容涉及电子器件领域，并且更具体地涉及半导体器件及相关方法。

背景技术

固态存储器器件由于较典型有源存储器器件而言的若干优点，已经变得很流行。首先，固态存储器器件不包括活动部件，因此它消耗更少功率并且提供稳健的可靠性。另外，固态存储器器件耐受机械应力，诸如冲击和振动。

用于固态存储器器件的一类存储器是闪存器件。闪存器件可以基于例如NAND或者NOR逻辑门。例如Nakamura的公开号为2009／0080236的美国专利申请公开一种存储器器件。该存储器器件包括多个存储器单元和耦合到每个存储器单元的位线。存储器器件经由位线向存储器单元中的每个存储器单元提供电源电压。即使固态存储器器件使用比典型方式更少的功率，仍然希望减少固态存储器器件的功率消耗。

另一固态存储器方式是相变存储器。这些器件将硫族化物玻璃用于存储数据而不是使用闪存浮置栅极方式。具体而言，可以通过使硫族化物玻璃暴露于指定水平的热度，来迫使它采用非晶态或者晶态形式。通过检测基于硫族化物玻璃的电阻率来检测当前状态，该电阻率可预测地基于硫族化物玻璃的形式变化。

这些相变存储器的潜在缺点是增加的功率消耗。具体而言，对硫族化物玻璃进行相变(即对存储器单元编程)所需的电流可能很高，由此增加功率需求。在典型方式中，已经使用氮化钛(TiN)加热元件来加热和冷却硫族化物玻璃。

Pop等人在2011年4月29日的Science Magazine第332卷中的“Low-Power Switching of Phase-Change Materials with Carbon Nanotube Electrodes”中公开了一种针对这样的功率消耗缺点的解决方式，该文章的内容通过完全引用并入本文。这一解决方式包括使用碳纳米管作为电极来形成相变存储器单元。碳纳米管在衬底上水平延伸从而减少存储器密度。

发明内容

鉴于前文，本公开内容的目的是提供一种具有相变材料(PCM)存储器单元的功率高效型半导体存储器器件。

这个和其它目的、特征和优点由一种可以包括衬底和在衬底上方的PCM存储器单元阵列的半导体器件提供。每个PCM存储器单元可以包括竖直对准的第一电极和第二电极、在第一电极与第二电极之间的第一电介质层、从第二电极并且朝着第一电极经过第一电介质层竖直延伸的至少一个碳纳米管以及在第一电极与至少一个碳纳米管之间的PCM本体。有利地，使用竖直碳纳米管对PCM存储器单元高效编程。另外，PCM存储器单元的密度也很高。

在一些实施例中，第一电极可以竖直在第二电极上方。在其它实施例中，第一电极可以竖直在第二电极下方。例如PCM本体可以包括硫族化物。

此外，该半导体器件还可以包括在衬底与第一电介质层之间的阻挡层。半导体器件也可以进一步包括包围PCM本体和第一电极的第一屏障层。半导体器件还可以包括包围第二电极的第二屏障层。

另外，该半导体器件还可以包括在第一电介质层下方的第二电介质层，并且第一电介质层可以具有比第二电介质层更低的介电常数。在一些实施例中，半导体器件还可以包括耦合到PCM存储器单元阵列的读／写电路装置。

另一方面涉及一种制作半导体器件的方法。该方法可以包括在衬底上方形成PCM存储器单元阵列，使得每个PCM存储器单元包括竖直对准的第一电极和第二电极、在第一电极与第二电极之间的第一电介质层、从第二电极并且朝着第一电极经过第一电介质层竖直延伸的至少一个碳纳米管以及在第一电极与至少一个碳纳米管之间的PCM本体。

附图说明

图1是根据本公开内容的半导体器件的示意截面图。

图2是根据本公开内容的半导体器件的另一实施例的示意截面图。

图3是用于制作图1的半导体器件的方法的流程图。

图4-17是用于制作图1的半导体器件的步骤的示意截面图。

具体实施方式

现在将参照其中示出优选实施例的附图更完全描述当前实施例。然而本公开可以用许多不同形式体现，而不应解释为本公开限于这里阐述的实施例。相反地，提供这些实施例使得本公开内容将透彻而完整，并且这些实施例将向本领域技术人员完全传达本公开内容的范围。相似标号全篇指代相似元件，并且撇符号用来在备选实施例中指示相似元件。