專利名稱：相變化存儲(chǔ)裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，而特別有關(guān)于一種相變化存儲(chǔ)裝置 及其制造方法。
背景技術(shù)：
相變化存儲(chǔ)器具有非易失性、高讀取信號(hào)、高密度、高擦寫次數(shù)以及低 工作電壓/電流的特質(zhì)、是相當(dāng)有潛力的非易失性存儲(chǔ)器。
相變化材料至少可呈現(xiàn)兩種固態(tài)，包括結(jié)晶態(tài)及非結(jié)晶態(tài)， 一般利用溫 度的改變來進(jìn)行兩態(tài)間的轉(zhuǎn)換，由于非結(jié)晶態(tài)混亂的原子排列而具有較高的 電阻，因此藉由簡單的電測量即可輕易區(qū)分出相變化材料的結(jié)晶態(tài)與非結(jié)晶 態(tài)。在各種相變化材料中，硫?qū)倩镆褟V泛應(yīng)用至各種光記錄元件中。
由于相變化材料的相轉(zhuǎn)變?yōu)?一種可逆反應(yīng)，因此相變化材料用來當(dāng)作存 儲(chǔ)器材料時(shí)，是藉由非結(jié)晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)兩態(tài)之間的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行記憶，也就是 說記憶位階(O 、 1 )是利用兩態(tài)間電阻的差異來區(qū)分。
請(qǐng)參照?qǐng)D1，部分顯示了一種習(xí)知相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。如圖l所示，
相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于一半導(dǎo)體基底10內(nèi)特定區(qū)域的一隔離物 12,以進(jìn)而定義出一有源區(qū)。于有源區(qū)內(nèi)則設(shè)置有互為隔離的一源極區(qū)16a 與一漏極區(qū)16b。于源極區(qū)16a與漏極區(qū)16b間的有源區(qū)上則設(shè)置有一柵極 14，以作為字線之用。柵極14、源極區(qū)16a與漏極區(qū)16b則組成了一開關(guān)晶 體管。于具有此開關(guān)晶體管的半導(dǎo)體基底10上則覆蓋一絕緣層20。于絕緣 層20內(nèi)則設(shè)置有一內(nèi)連導(dǎo)線24,內(nèi)連導(dǎo)線24形成于貫穿絕緣層20的一接 觸孔內(nèi)，藉以電連接于源極區(qū)16a。于內(nèi)連導(dǎo)線24上則形成有另一絕緣層 22。于上述絕緣層22與20內(nèi)則設(shè)置有一加熱插拴18,以電連接于漏極區(qū) 16b。于絕緣層22上則依序堆迭有一圖案化的相變化材料層28與一頂電極 34，其中相變化材料層28的底面接觸加熱插拴18。于絕緣層22上則還形成 有一絕緣層26。于絕緣層26上則形成有一位線36并接觸頂電極34。
于寫入模式時(shí)，經(jīng)由啟動(dòng)開關(guān)晶體管而使得加熱插拴通過一大電流，其結(jié)果為，介于相變化材料層28與加熱插拴18間的介面將被加熱，因而使得 相變化材料層28的一有源區(qū)30轉(zhuǎn)變成為非晶態(tài)相或結(jié)晶態(tài)相，其需視流經(jīng) 加熱插拴18的電流量與時(shí)間長短而決定。
圖2則部分顯示了美國第5,789,758號(hào)專利中所揭露的另一種習(xí)知相變 化存儲(chǔ)單元的剖面情形。如圖2所示，在此相變化存儲(chǔ)單元90包括依序埋 設(shè)于一氧化物層35內(nèi)并相互堆迭的底電極接觸層55、 60與65,其中底電極 接觸層65包括相變化材料。氧化物層35內(nèi)形成有一開口 70,開口 70部分 露出了底電極接觸層65。于氧化物層35上則依序形成有另一相變化材料層 75以及碳材料的上方接觸電極層80以及鉬材料的上方接觸電極層85，相變 化材料層75并填入于開口 70中且實(shí)體接觸了下方底電極接觸層65內(nèi)的相 變化材料。此些相變化材料層、碳材料的上方接觸電極層80以及鉬材料的 上方接觸電極層85則為一氧化物層95所部分包覆，于氧化物層95上則形 成有一鋁導(dǎo)線100，鋁導(dǎo)線100則部分設(shè)置于氧化物層95內(nèi)并電接觸了鉬材 料的上方接觸電極層85。于鋁導(dǎo)線IOO上則形成有一頂包覆層105。于如圖 2所示的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)中，于寫入^f莫式時(shí)，將加熱位于開口 70內(nèi)的一有源區(qū) A內(nèi)的部分相變化材料層75,并視電流量與時(shí)間長短而使得有源區(qū)A內(nèi)的 相變化材料層75轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)相或結(jié)晶態(tài)相。
然而，如圖1與圖2所示的習(xí)知相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)具有以下缺點(diǎn)，由
化物層，故于有源區(qū)A內(nèi)的加熱效果不可避免的將為相鄰的絕緣層或氧化物 材料所傳導(dǎo)逸散(如圖1內(nèi)的絕緣層20、 22以及圖2內(nèi)的氧化物層35、 95), 故于寫入模式時(shí)由于其需要較大電流以成功地轉(zhuǎn)變相變化材料的相態(tài)，因而 將增加此相變化存儲(chǔ)單元所需的搡作功率，而不利于其于相變化存儲(chǔ)裝置中 的應(yīng)用。
因此，便需要一種結(jié)構(gòu)改善的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種相變化存儲(chǔ)裝置及其制造方法，以提供具 有較佳加熱效率與經(jīng)改善的熱逸散效應(yīng)的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。 依據(jù)一實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種相變化存儲(chǔ)裝置，包括 第一電極，設(shè)置于第一介電層內(nèi)；第二介電層，設(shè)置于該第一介電層與該第一電極之上；相變化材料層，設(shè)置于該第二介電層內(nèi)并電連接該第一電
極；第三介電層，設(shè)置于該第二介電層之上；第二電極，設(shè)置于該第三介電 層內(nèi)并電連接該相變化材料層；以及至少一空室(gap),設(shè)置于該第一介電層 或該第二介電層之內(nèi)，以至少隔離部分的該相變化材料層與其鄰近的該第一
介電層或該第二介電層。
依據(jù)另一實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種相變化存儲(chǔ)裝置，包括 第一電極，設(shè)置于第一介電層內(nèi)；第二介電層，設(shè)置于該第一介電層與 該第一電極上；I形相變化材料層，設(shè)置于該第二介電層內(nèi)并電連接該第一 電極；第三介電層，設(shè)置于該I形相變化材料層與該第二介電層上；第二電 極，設(shè)置于該第三介電層內(nèi)并電連接該I形相變化材料層；間隔物層，至少 設(shè)置于部分的該I形相變化材料層的第二部與該第二介電層間；以及至少一 空室(gap),設(shè)置于該間隔物層與相鄰的該第二介電層之間。上述I形相變化 材料層包括第一部，連結(jié)該第一電極，具有一第一寬度；第二部，設(shè)置于 部分的該第一部上，具有第二寬度；以及第三部，設(shè)置于該第二部上并部分 接觸該第二部，具有第三寬度，其中該第二寬度少于該第一寬度與該第三寬 度，其中該至少一空室設(shè)置鄰近于該I形相變化材料層的第二部的該間隔物 層與其相鄰的該第二介電層之間。
依據(jù)另一實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種相變化存儲(chǔ)裝置，包括 第一電極，設(shè)置于第一介電層內(nèi)；第二介電層，設(shè)置于該第一介電層與 該第一電極之上；相變化材料層，設(shè)置于該第二介電層內(nèi)并接觸該第一電極； 第三介電層，設(shè)置于該相變化材料層與該第二介電層之上；第二電極，設(shè)置 于該第三介電層內(nèi)并接觸該相變化材料層；以及至少一空室(gap),設(shè)置于該 第一介電層內(nèi)，以隔離部分的該相變化材料層的一底面與該第一介電層。
依據(jù)又一實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種相變化存儲(chǔ)裝置的制造方法，包括 下列步驟
提供第一介電層，其內(nèi)設(shè)置有第一電極；提供第二介電層，其內(nèi)設(shè)置有 第 一相變化材料層，該第一相變化材料層電接觸該第一電極且具有第一寬 度；于該第一相變化材料層上形成第二相變化材料層，以部分覆蓋該第一相 變化材料層，該第二相變化材料層具有少于該第一寬度的第二寬度；形成間 隔物層與犧牲層于該第一相變化材料層上，依序覆蓋該第二相變化材料層的
一側(cè)壁，并露出該第二相變化材料層的一頂面；形成一第三介電層于該第二介電層與該第一相變化材料層上，環(huán)繞該間隔物層且大體與該間隔物層、該
犧牲層及該第二相變化材料層共平面；于該第三介電層上形成第五介電層； 于該第五介電層內(nèi)形成開口，露出該第二相變化材料層、該犧牲層、該間隔 物層與部分的該第四介電層；去除該犧牲層，于該第四介電層與露出的該間 隔物層間形成間隙；于該開口內(nèi)形成第三相變化材料層，該第三相變化材料 層電接觸該第二相變化材料層并封口該間隙以形成空室，該第三相變化材料 層具有多于該第二寬度的第三寬度；以及形成第二電極于該第三相變化材料 層上，以電連接該第三相變化材料層。
依據(jù)另一實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種相變化存儲(chǔ)裝置的制造方法，包括
下列步驟
提供第一介電層，其內(nèi)設(shè)置有第一電極；提供第二介電層，其內(nèi)設(shè)置有 第一相變化材料層，該第一相變化材料層電接觸該第一電極且具有第一寬 度；形成第三介電層于該第二介電層與該第一相變化材料層上；定義該第三 介電層，于部分的該第三介電層內(nèi)形成第一開口以及大體位于該第一開口中 央處的介電插拴，該第一開口露出部分的該第二介電層與該第一相變化材料 層，而該介電插拴部分覆蓋該第一相變化材料層；順應(yīng)地形成第二相變化材 料層于該第三介電層與該介電插拴上并填入該第一開口內(nèi)，以覆蓋該第二介 電層與該第一相變化材料層；于該第一開口內(nèi)形成間隔物層與犧牲層，該間 隔物層與該犧牲層環(huán)繞并覆蓋沿該第一開口內(nèi)該第三介電層與該介電插拴 的一側(cè)壁設(shè)置的該第二相變化材料層部分；沉積介電材料于該第一開口內(nèi)及 該犧牲層、該間隔物層與該第二相變化材料層上；施行平坦化程序，以移除 高于該第三介電層的部分該犧牲層、該間隔物層、該第二相變化材料層與該 介電材料，以于該第一開口內(nèi)形成第四介電層并露出部分的該犧牲層、該間 隔物層與該第二相變化材料層；坦覆地形成第四介電層于該第三介電層上； 于該第四介電層內(nèi)形成第二開口 ，分別露出該介電插拴以及鄰近該介電插拴 的該第二相變化材料層、該間隔物層、該犧牲層與部分的該第三介電層；去 除該犧牲層，于該第三介電層與該間隔物層間形成間隙；于該第二開口內(nèi)形 成第三相變化材料層，該第三相變化材料層并封口該間隙，以于該第三介電 層與該第二相變化材料層間形成空室；以及形成第二電極于該第三相變化材 料層上，以電連接該第三相變化材料層。
為了讓本發(fā)明之上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實(shí)施例，并配合所附圖示，作詳細(xì)說明如下


圖l為一示意圖，顯示了一習(xí)知相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的剖面情形； 圖2為一示意圖，顯示了另一習(xí)知相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的剖面情形； 圖3~4為一系列示意圖，部分顯示了依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的相變化存
儲(chǔ)裝置于不同制造階段中的剖面情形；
圖5 8為一系列示意圖，部分顯示了依據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的相變化
存儲(chǔ)裝置于不同制造階段中的剖面情形；
圖9-16為一系列示意圖，部分顯示了依據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的相變化
存儲(chǔ)裝置于不同制造階段中的制造情形，其中圖9、 11、 13、 15為上視情形，
而圖10、 12、 14、 16為剖面情形；以及
圖17為一示意圖，部分顯示了依據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的相變化存儲(chǔ)裝
置的剖面情形。
主要元件符號(hào)說明 10 半導(dǎo)體基底； 12 隔離物； 14~柵極； 16a 源才及區(qū)； 16b 漏才及區(qū)； 18~加熱插拴； 20、 22~絕緣層； 24 內(nèi)連導(dǎo)線； 26 絕緣層； 28 相變化材料層； 30 相變化材料層內(nèi)受加熱部； 32~相變化材料層與絕緣層間的介面； 34~頂電極； 36~位線； A 有源區(qū)；
1035、 95 氧化物層；
55、 60、 65 底接觸電極層；
70~開口 ;
75 相變化材料層；
80、 85 上方接觸電極層；
90 存儲(chǔ)單元；
100~鋁導(dǎo)線；
105 頂包覆層；
200~介電層；
202 第一電極；
204 介電層；
206 第一相變化材料層；
214 介電層；
212、 212a 犧牲層;
208 第二相變化材料層；
216~介電層；
218 第三相變化材料層；
220~介電層；
222 第二電極；
210、 314、 512 間隔物層;
300 相變化存儲(chǔ)裝置；
302、 500~介電層;
304、 502 第一電極；
306、 504 介電層；
308、 506 第一相變化材料層;
310、 508 介電層；
310a、 508a 介電插拴;
312、 510 第二相變化材料層;
315~犧牲層；
316、 516 介電層；
318、 412~介電層；320、 516 第三相變化材料層; 322 介電層； 324 第二電極； G 間隙/空室；
Wl、 W2、 W3、 W4 空室的寬度； D4、 D7 第一相變化材料層的寬度； D2、 D5、 D8 第二相變化材料層的寬度; D3、 D6、 D9 第三相變化材料層的寬度。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的相變化存儲(chǔ)裝置的多個(gè)實(shí)施例將分別配合圖3至圖17做一詳 纟田名又ii^口下。
圖3 4為一系列示意圖，分別顯示了本發(fā)明一實(shí)施例的相變化存儲(chǔ)裝置 于不同制造步驟中的剖面情形。在此，上述圖式中僅繪示了相變化存儲(chǔ)裝置 中 一相變化存儲(chǔ)單元的制作情形，熟悉此技藝應(yīng)能理解本實(shí)施例中的相變化 存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)單元還包括適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電構(gòu)件(如內(nèi)連插拴或內(nèi)連導(dǎo)線等)以將 的電連接于一有源裝置(例如晶體管或二極體)與一導(dǎo)線等元件，此些構(gòu)件并 未繪示于上述圖式中以簡化圖式。
請(qǐng)參照?qǐng)D3,部分顯示了依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一相變化存儲(chǔ)裝置中一 存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的剖面情形。首先，提供一大體制備的一相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)， 其包括了設(shè)置于一介電層104內(nèi)的一導(dǎo)電層106,于介電層104上則形成有 一第一電極112,而第一電極112則堆迭于部分的導(dǎo)電層106上且于其側(cè)壁 上分別形成有一犧牲層110,犧牲層110具有一寬度Wl，而此時(shí)第一電極 112的頂面為露出的一頂面。在此，犧牲層110的寬度Wl優(yōu)選不大于第一 電極112線寬的1/2。
請(qǐng)參照?qǐng)D4，接著于介電層104、第一電極112與犧牲層110上坦覆地 沉積一介電材料，例如是硼磷摻雜氧化硅玻璃(Borophosphosilicate glass , BPSG)、氧化硅、或旋涂式玻璃(SOG)等材料。接著藉由施行一平坦化程序(未 顯示)，例如是回蝕刻程序或化學(xué)機(jī)械研磨程序，以移除高于第一電極112 與犧牲層110的介電材料部分，因而形成環(huán)繞第一電極112與犧牲層110的 一介電層108。此時(shí)，介電層108大體與第一電極112以及犧牲層IIO共平
12面。
請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D4,接著于介電層108、第一電極112與犧牲層110上形 成一介電層114，介電層114優(yōu)選包括不同于介電層108的介電材料，例如 是硼磷摻雜氧化硅玻璃(Borophosphosilicate glass, BPSG)、氧化硅、或旋涂 式玻璃(SOG)等材料，并接著藉由光刻與蝕刻等程序(皆未圖示)于介電層114 內(nèi)形成一開口OPl。開口 0P1露出了第一電極112、犧牲層110以及鄰近上 述膜層的部分介電層108。接著，藉由施行如蝕刻程序的一薄膜去除程序(未 圖示)，以完全移除犧牲層110并于第一電極112的側(cè)壁與介電層108間形成 了一間隙G，間隙G向下直達(dá)導(dǎo)電層106處。同樣地，間隙G具有相同于 犧牲層110寬度Wl的一寬度。
在此，第一電極112可包括導(dǎo)電材料，例如鈦、銅、鋁、鎢或上述材料 的合金。而介電層104、 108與犧牲層110則可包括硼磷摻雜氧化硅玻璃 (Borophosphosilicate glass , BPSG)、氧化硅或氮化硅等介電材料。犧牲層110 與介電層104間優(yōu)選包括不同類型的材料，以于此兩膜層間表現(xiàn)出適當(dāng)?shù)奈g 刻選擇關(guān)系，以利制備出貼附于第一電極112側(cè)壁的犧牲層110。
請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D4，接著于開口 0P1內(nèi)形成一相變化材料層116,其材料 可包括硫?qū)倩锘衔铮缡荊e-Te-Sb三元硫?qū)倩衔锘騎e-Sb 二元硫?qū)?化合物，其形成方法例如為物理氣相沉積法。因此，由于采用物理氣相沉積 法，故于沉積相變化材料層116時(shí)，其于開口 0P1內(nèi)的臺(tái)階覆蓋(step coverage) 效果較差且由于間隙G的寬度Wl極小，故形成相變化材料層116的材料不 會(huì)沉積于間隙G內(nèi)。接著，于介電層114與相變化材料層116上形成一介電 層118，并接著利用后續(xù)的光刻與蝕刻程序于介電層內(nèi)形成一開口(未顯示)， 并接著于開口內(nèi)形成一第二電極120。
如圖4所示，于本實(shí)施例的相變化存儲(chǔ)單元中，第一電極112可作為一 加熱電極之用。于本實(shí)施例中，由于相變化材料層116以及相鄰的第一電極 112與鄰近的介電層108間為一間隙G所完全或部分隔離，而間隙G內(nèi)僅殘 存有空氣或處于真空狀態(tài)因而分別于加熱電極112與介電層108之間形成一 空室，其于如圖4所示的相變化存儲(chǔ)單元寫入操作時(shí)，可有效地阻絕或降低 用于加熱用的第一電極112以及經(jīng)第一電極112所加熱的部分相變化材料層 116的熱能逸散至介電層108內(nèi)，進(jìn)而改善了加熱電極(即第一電極112)的加 熱效率，并解決了習(xí)知相變化存儲(chǔ)單元所遭遇的操作功率相關(guān)問題。于一實(shí);:施例中，上述空室可環(huán)繞加熱電極112而設(shè)置。
圖5 8為一系列示意圖，分別顯示了本發(fā)明另一實(shí)施例的相變化存儲(chǔ)裝 置于不同制造步驟甲的剖面情形。在此，上述圖式中僅繪示了相變化存儲(chǔ)裝 置中相變化存儲(chǔ)單元的制作情形，熟悉此技藝應(yīng)能理解本實(shí)施例中的相變化 存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)單元還包括適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電構(gòu)件(如內(nèi)連插拴或內(nèi)連導(dǎo)線等)以將 的電連接于一有源裝置(例如晶體管或二極體)與一導(dǎo)線等元件，此些構(gòu)件并 未繪示于上述圖式中以簡化圖式。
請(qǐng)參照?qǐng)D5，部分顯示了依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一相變化存儲(chǔ)裝置中一
存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的剖面情形。首先，提供一大體制備的一相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，
其包括了設(shè)置于一介電層200內(nèi)的一第一電極202,于介電層200上則依序 堆迭有一圖案化的第一相變化材料層206與一圖案化的第二相變化材料層 208，第一相變化材料層206設(shè)置于一介電層204中，而第二相變化材料層 208則堆迭于部分的第一相變化材料層206上且于其側(cè)壁上分別形成有一間 隔物層210。此外，于間隔物層210、第二相變化材料層208、第一相變化材 料層206與介電層204上則順應(yīng)地形成有一犧牲層212,其具有一寬度/厚度 W2。在此，犧牲層212的寬度/厚度W2優(yōu)選不大于間隔物層210的寬度。
在此，第一電極202可包括導(dǎo)電材料，例如鈦、銅、鋁、鴒或上述材料 的合金，而第一相變化材料層206與第二相變化材料層208可包括硫?qū)倩?化合物，例如是Ge-Te-Sb三元硫?qū)倩衔锘騎e-Sb二元硫?qū)倩衔铩６殡?層200、 204、間隔物層210與犧牲層212則可包括硼磷摻雜氧化硅玻璃 (Borophosphosilicate glass, BPSG)、氧化硅或氮化硅等介電材料。優(yōu)選地， 間隔物層210與犧牲層212包括不同類型的介電材料，以于此兩膜層間表現(xiàn) 出適當(dāng)?shù)奈g刻選擇關(guān)系。
請(qǐng)參照?qǐng)D6，接著經(jīng)由一蝕刻程序(未顯示)，回蝕刻犧牲層212，以于間 隔層210的側(cè)壁上留下圖案化的一犧牲層212a。接著于介電層204、第二相 變化材料層208、間隔層210與犧牲層212a上坦覆地沉積一介電材料，例如 是硼磷摻雜氧化硅玻璃(Borophosphosilicate glass ，BPSG)、氧化硅、或旋涂 式玻璃(SOG)等材料。接著藉由施行一平坦化程序(未顯示)，例如一回蝕刻 程序或一化學(xué)機(jī)械研磨程序，以移除高出第二相變化材料層208、間隔物層 210與犧牲層212a的介電材料部分，因而形成環(huán)繞第二相變化材料層208、 間隔物層210與犧牲層212a的一介電層214。此時(shí)，介電層214大體與第二相變化材料層208、間隔物層與犧牲層212a共平面。
以于前述工藝中于不同膜層間表現(xiàn)出適當(dāng)?shù)奈g刻選擇性，以利制備出貼附于 第二相變化材料層208側(cè)壁之間隔物層210與犧牲層212a。
請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D7，接著于介電層214、第二相變化材料層208、間隔物層 210與犧牲層212a上形成一介電層216,介電層216優(yōu)選地包括不同于介電 層214的介電材料，并接著藉由光刻與蝕刻等程序(皆未圖示)于介電層216 內(nèi)形成一開口 OP2。開口 OP2露出了第二相變化材料層208、間隔物層210、 犧牲層212a以及鄰近上述膜層的部分介電層214。接著，藉由施行如蝕刻程 序的一程序(未圖示)，以完全移除犧牲層212a并于鄰近第二相變化材料層 112側(cè)壁之間隔層210與介電層214間形成了 一間隙G，間隙G并向下直達(dá) 第一相變化材料層206處。同樣地，間隙G具有相同于犧牲層212a的一寬 度W2。
請(qǐng)參照?qǐng)D8，接著于如圖7內(nèi)的開口 OP2內(nèi)形成一第三相變化材料層 218，其材料相同于第一與第二相變化材料層206、 208,其形成方法例如為 物理氣相沉積法。因此，由于采用物理氣相沉積法，故于沉積第三相變化材 料層218時(shí)，其于開口 OP2內(nèi)的臺(tái)階覆蓋(step coverage)效果較差且由于間 隙G的寬度W2極小，故形成第三相變化材料層218的材料不會(huì)沉積于間隙 G內(nèi)。接著，于介電層216與第三相變化材料層218上形成一介電層220, 并接著利用后續(xù)的光刻與蝕刻程序于介電層內(nèi)形成一開口(未顯示)，并接著 于開口內(nèi)形成一第二電極222。
如圖8所示，第三相變化材料層218、第二相變化材料層208以及第一 相變化材料層206組成了本實(shí)施例的相變化存儲(chǔ)單元的相變化材料層，其具 有一大體I形的剖面。第三相變化材料層218、第二相變化材料層208以及 第一相變化材料層206分別具有一第三寬度D6、第二寬度D5與第一寬度 D4，其中第二寬度D5少于第三寬度D6與第一寬度D4，而第三寬度D6與 第一寬度D4可相同或不同。優(yōu)選地，第一寬度D4相同于第三寬度D6，而 第二寬度D5則少于第一寬度D4與第三寬度D6。第一電極202與第二電極 222則皆可作為本實(shí)施例的存儲(chǔ)單元的加熱電極之用，熟悉此技藝者可視實(shí) 際元件設(shè)計(jì)需求而分別將其連結(jié)于適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電構(gòu)件。于本實(shí)施例中，所使用 的復(fù)合相變化材料層大體由具有不同寬度的三個(gè)相變化材料次層所組成。在此，相對(duì)于復(fù)合相變化材料層的第二次層(即第二相變化材料層208)，復(fù)合 相變化材料層的第 一次層(即第 一相變化材料層206)與第三次層(即第三相變 化材料層218)具有相對(duì)寬的一寬度，其寬度分別往復(fù)合相變化材料層的第二 次層方向遞減。具有上述型態(tài)的復(fù)合相變化材料層有助于集中電流于第二次 層(即第二相變化材料層208)及其相鄰部分處，進(jìn)而達(dá)到高電流密度的目的 并有利于寫入模式的進(jìn)行，因此第二次層可扮演記憶效應(yīng)相關(guān)的一有源區(qū)。 再者，由于此復(fù)合相變化材料層內(nèi)的第二次層(即第二相變化材料層208)與 鄰近的介電層214間為一間隙G所隔離，而間隙G內(nèi)僅殘存有空氣或可能 為真空環(huán)境因而于介電層214與第二次層間形成一空室，其于如圖8所示的 相變化存儲(chǔ)單元寫入操作時(shí)，可有效地阻絕經(jīng)加熱的相變化材料層部分的熱 能逸散至介電層214內(nèi)，進(jìn)而改善了加熱效率并可降低供應(yīng)此復(fù)合相變化材 料層的電流密度，進(jìn)而解決了習(xí)知相變化存儲(chǔ)單元所遭遇的操作功率相關(guān)問 題。另外，藉由在復(fù)合相變化材料層的第二次層(即第二相變化材料層208) 的側(cè)壁上設(shè)置一間隔物層210,因而可于存儲(chǔ)單元操作時(shí)結(jié)構(gòu)地支撐了受加 熱的上述膜層而不至于對(duì)于存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毀損情形。
圖9 16為一系列示意圖，分別顯示了本發(fā)明又一實(shí)施例的相變化存儲(chǔ) 裝置于不同制造步驟中的制作情形，其中圖9、 11、 13與15顯示了上視情 形，而圖10、 12、 14與16顯示了剖面情形。在此，上述圖式中僅繪示了相 變化存儲(chǔ)裝置中相變化存儲(chǔ)單元的制作情形，熟悉此技藝應(yīng)能理解本實(shí)施例 中的相變化存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)單元還包括適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電構(gòu)件(如內(nèi)連插拴或內(nèi)連 導(dǎo)線等)以將其電連接于一有源裝置(例如晶體管或二管)與一導(dǎo)線等元件，此 些構(gòu)件并未繪示于上述圖式中以簡化圖式。
請(qǐng)參照?qǐng)D9與圖IO，其分別部分顯示了依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一相變化 存儲(chǔ)裝置300中一存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的上視情形與沿圖9中線段10-10的剖面情 形。首先，提供一大體制備的一相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，其包括了設(shè)置于一介 電層302內(nèi)的一第一電極304,于介電層302上則堆迭有一圖案化的第一相 變化材料層308，第一相變化材料層308設(shè)置于一介電層306中。于第一相 變化材料層308與介電層306上則設(shè)置有一圖案化的介電層310,其內(nèi)定義 出一開口 0P3,開口 OP3環(huán)繞一介電插拴310a設(shè)置。介電插拴310a部分重 迭于下方的第一相變化材料層308，而開口 0P3則部分露出第一相變化材料 層308與介電層306。請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D11與圖12,其分別部分顯示了依據(jù)于如圖9與圖10所示 的結(jié)構(gòu)上形成一第二相變化材料層312、 一保護(hù)層314以及一犧牲層315后 的制作情形，其中圖12為沿圖11中線段12-12的剖面情形。
如圖11與圖12所示，于如圖9與圖IO所示的結(jié)構(gòu)上(包括開口 OP3內(nèi) 的結(jié)構(gòu))順應(yīng)地形成一第二相變化材料層312、 一間隔物材料與 一犧牲層材料 后，藉由施行一回蝕刻程序(未顯示)以部分移除犧牲層材料以及間隔物材料 后，于開口 OP3內(nèi)的一第二相變化材料層312的側(cè)壁部分上依序留下一間隔 物層314與一犧牲層315,其中犧牲層315厚度不大于位于介電插拴310a 側(cè)壁上的第二相變化材料層312的一垂直部的一寬度。間隔物層314與犧牲 層315則可包括如硼磷摻雜氧化硅玻璃(Borophosphosilicate glass , BPSG)、 氧化硅或氮化硅等介電材料。優(yōu)選地，間隔物層314與犧牲層315包括不同 類型的介電材料，以于此兩膜層間表現(xiàn)出適當(dāng)?shù)奈g刻選擇關(guān)系。
請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D13與圖14,其分別部分顯示了依據(jù)于如圖11與圖12所 示的結(jié)構(gòu)上形成一介電層316與一圖案化介電層318后的制作情形，其中圖 14為沿圖13中線段14-14的剖面情形。
如圖13與圖14所示，于如圖11與圖12所示的結(jié)構(gòu)上(包括開口 OP3 內(nèi)的結(jié)構(gòu))接著沉積一介電材料并將其填入開口 OP3內(nèi)，介電材料例如是硼 磷摻雜氧化硅玻璃(Borophosphosilicate glass, BPSG)、氧化硅、或旋涂式玻 璃(SOG)等材料。接著藉由施行一平坦化程序(未顯示)，例如一化學(xué)機(jī)械研 磨程序，以移除高出介電層310與介電插拴310a的部分介電材料與第二相 變化材料層312，因而形成埋設(shè)于開口 OP3內(nèi)的介電層316以及位于開口 OP3內(nèi)的經(jīng)圖案化的第二相變化材料層312、間隔物層314、犧牲層315以 及鄰近于犧牲層315的介電層316，此時(shí)介電層316與介電層310、介電插 拴310a、第二相變化材料層312、間隔物層314及犧牲層315共平面。接著 于介電層310與316、第二相變化材料層312與犧牲層315上形成一圖案化 的介電層318，介電層318較佳地包括不同于介電層316、間隔物層314與 犧牲層315的介電材料。于圖案化的介電層318內(nèi)形成有一開口 OP4,其可 藉由光刻與蝕刻等程序(皆未圖示)的施行所形成。在此，開口OP斗大體位于 介電插拴310a的上方，其部分露出了第二相變化材料層312、間隔物層314、 犧牲層315以及鄰近上述膜層的部分介電層316。接著，藉由施行如蝕刻程 序的一程序(未圖示)，以完全移除露出的犧牲層315并于形成于第二相變化材料層312側(cè)壁上之間隔物層314與鄰近的介電層316之間形成了一間隙G, 間隙G并向下直達(dá)第二相變化材料層312處。同樣地，間隙G具有相同于 犧牲層315的一寬度W3。
請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D15與圖16，其分別部分顯示了依據(jù)于如圖13與圖14所 示的結(jié)構(gòu)上形成一第三相變化材料層320與第二電極324后的制作情形，其 中圖16為沿圖15中線段16-16的剖面情形。
如圖15與圖16所示，于如圖13與圖14所示的結(jié)構(gòu)上(包括開口 OP4 內(nèi)的結(jié)構(gòu)上)接著形成一第三相變化材料層320，其材料相同于第一相變化材 料層308與第二相變化材料層312,其形成方法例如為物理氣相沉積法。因 此，由于采用物理氣相沉積法，故于沉積第三相變化材料層320時(shí)，其于開 口 OP4內(nèi)的臺(tái)階覆蓋(step coverage)效果較差且由于間隙G的寬度W3極小， 故形成的第三相變化材料層320的材料不會(huì)沉積于間隙G內(nèi)。接著，于介電 層318與第三相變化材料層320上形成一介電層322,并接著利用后續(xù)的光 刻與蝕刻程序于介電層內(nèi)形成一開口(未顯示)，并接著于開口內(nèi)形成一第二 電才及324。
如圖16所示，第三相變化材料層320、第二相變化材料層312以及第一 相變化材料層308組成了本實(shí)施例的相變化存儲(chǔ)單元的相變化材料層，其具 有一大體I形的剖面。在此，第三相變化材料層320、第二相變化材料層312 以及第一相變化材料層308分別具有一第三寬度D9、第二寬度D8與第一寬 度D7，其中第二寬度D8少于第三寬度D9與第一寬度D7,而第三寬度D9 與第一寬度D7可相同或不同。第一寬度D7、第二寬度D8與第三寬度D9 間具有一比例介于3 10:1 1:4 20。如圖16所示，鄰接于第一相變化材料層 308與第二相變化材料層320的第二相變化材料層310的部分具有L或反L( J) 的外形。第一電極304與第二電極324則皆可作為本實(shí)施例的存儲(chǔ)單元的加 熱電極之用，熟悉此技藝者可視實(shí)際元件設(shè)計(jì)需求而分別將其連結(jié)于適當(dāng)?shù)?導(dǎo)電構(gòu)件。于本實(shí)施例中，所使用的復(fù)合相變化材料層大體由具有不同寬度 的三個(gè)相變化材料次層所組成。在此，相對(duì)于復(fù)合相變化材料層的第二次層 (即部分的第二相變化材料層312)，復(fù)合相變化材料層的第一次層(即第一相 變化材料層308)與第三次層(即第三相變化材料層320)具有相對(duì)寬.的一寬度， 其寬度分別往復(fù)合相變化材料層的第二次層方向遞減。具有上述型態(tài)的復(fù)合 相變化材料層有助于集中電流于第二次層(即第二相變化材料層208)及其相鄰部分處，進(jìn)而達(dá)到高電流密度的目的并有利于寫入模式的進(jìn)行。再者，由
于此復(fù)合相變化材料層內(nèi)的第二次層(即部分的第二相變化材料層312)與鄰 近的介電層316間為一間隙G所隔離，而間隙G內(nèi)僅殘存有空氣或處于真 空狀態(tài)下因而于介電層316與第二次層間形成一空室，其于如圖8所示的相 變化存儲(chǔ)單元寫入操作時(shí)，可有效地阻絕經(jīng)加熱的相變化材料層部分的熱能 逸散至介電層316內(nèi)，改善了加熱效率并可降低供應(yīng)此復(fù)合相變化材料層的 電流密度，進(jìn)而解決了習(xí)知相變化存儲(chǔ)單元所遭遇的操作功率相關(guān)問題。另 外，藉由在復(fù)合相變化材料層的第二次層(即部分的第二相變化材料層312) 的側(cè)壁上設(shè)置一間隔物層314，因而可于存儲(chǔ)單元操作時(shí)結(jié)構(gòu)地支撐了受加 熱的上述膜層而不至于對(duì)于存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毀損情形。
請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D17,顯示了依據(jù)本發(fā)明另 一 實(shí)施例的相變化存儲(chǔ)裝置的一 變化情形，其具有類似圖16的一剖面結(jié)構(gòu)。
請(qǐng)參照?qǐng)D17，相變化存儲(chǔ)裝置包括了設(shè)置于一介電層500內(nèi)的一第一電 極502。于介電層500上則依序堆迭有一圖案化的復(fù)合相變化材料層與一第 二電極510,復(fù)合相變化材料層由依序堆迭的一第一相變化材料層506、埋 設(shè)有介電插拴508a的兩第二相變化材料層510以及一第三相變化材料層516 等三個(gè)主要部分所組成，其具有大體I形的一外形，其中第一相變化材料層 506同時(shí)接觸了上述兩第二相變化材料層510,且于第二相變化記憶層510 與鄰近的空室G間更設(shè)置有一間隔物層512?？帐褿優(yōu)選地具有不大于介電 插拴508a線寬1/2的一厚度W4，而本實(shí)施例中所應(yīng)用的材料與工藝則相似 于前述實(shí)施例的應(yīng)用，故不在此重復(fù)說明。
于如圖17所示的相變化存儲(chǔ)器亦可表現(xiàn)出如圖4、圖8以及圖16所示 的相變化存儲(chǔ)裝置的類似加熱效果，并可避免如圖1與圖2所示的習(xí)知相變 化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)中位于經(jīng)加熱的相變化材料層與鄰近介電層接面處的熱傳 導(dǎo)逸散現(xiàn)象，因而確保了相變化存儲(chǔ)裝置內(nèi)的加熱效果并提升了相變化存儲(chǔ) 單元內(nèi)加熱電極的加熱效率，其同時(shí)有助于降低此相變化存儲(chǔ)裝置的操作功率。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤飾， 因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。 '
權(quán)利要求
1. 一種相變化存儲(chǔ)裝置，包括 第一電極，設(shè)置于第一介電層內(nèi)；第二介電層，設(shè)置于該第一介電層與該第一電極之上； 相變化材料層，設(shè)置于該第二介電層內(nèi)并電連接該第一電極； 第三介電層，設(shè)置于該第二介電層之上；第二電極，設(shè)置于該第三介電層內(nèi)并電連接該相變化材料層；以及 至少一空室，設(shè)置于該第一介電層或該第二介電層之內(nèi)，以至少隔離部 分的該相變化材料層與其鄰近的該第一介電層或該第二介電層。
2. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)裝置，其中該至少一空室設(shè)置于該第 二介電層內(nèi)，以隔離部分的該相變化材料層的 一側(cè)壁與該第二介電層。
3. 如權(quán)利要求2所述的相變化存儲(chǔ)裝置，還包括間隔物層，設(shè)置于該相 變化材料層的該側(cè)壁與該至少 一 空室之間。
4. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)裝置，其中該至少一空室設(shè)置于該第 一介電層內(nèi)，以至少隔離部分的該相變化材料層的一底面與該第一介電層。
5. 如權(quán)利要求4所述的相變化存儲(chǔ)裝置，其中該空室設(shè)置于該第一電極 的一側(cè)壁上，以隔離該第一電極與該第一介電層。
6. —種相變化存儲(chǔ)裝置，包括 第一電極，設(shè)置于第一介電層內(nèi)；第二介電層，設(shè)置于該第一介電層與該第一電極上；I形相變化材料層，設(shè)置于該第二介電層內(nèi)并電連接該第一電極，該I形相變化材料層包括第一部，連結(jié)該第一電極，具有第一寬度；第二部，設(shè)置于部分的該第一部上，具有第二寬度；以及第三部，設(shè)置于該第二部上并部分接觸該第二部，具有第三寬度，其中該第二寬度少于該第一寬度與該第三寬度；第三介電層，設(shè)置于該I形相變化材料層與該第二介電層上； 第二電極，設(shè)置于該第三介電層內(nèi)并電連接該I形相變化材料層的該第三部；間隔物層，至少設(shè)置于部分的該l形相變化材料層的第二部與該第二介電層間；以及至少一空室，設(shè)置于該間隔物層與相鄰的該第二介電層之間。
7. 如權(quán)利要求6所述的相變化存儲(chǔ)裝置，其中該I形相變化材料層的第 二部具有正L或反L的外形。
8. 如權(quán)利要求6所述的相變化存儲(chǔ)裝置，還包括介電插拴，埋設(shè)于該I 形相變化材料層的第二部內(nèi)，該介電插拴僅接觸該I形相變化材料層的第一 部與第三部而不接觸該間隔物層。
9. 如權(quán)利要求8所述的相變化存儲(chǔ)裝置，其中該I形相變化材料層的第 二部環(huán)繞該介電插拴。
10. 如權(quán)利要求6所述的相變化存儲(chǔ)裝置，其中該I形相變化材料層包括 -克屬化物。
11. 如權(quán)利要求6所述的相變化存儲(chǔ)裝置，其中該第一電極與該第二電極 包括鋁、銅、鴒或上述材料的合金。
12. —種相變化存儲(chǔ)裝置的制造方法，包括下列步驟 提供第一介電層，其內(nèi)設(shè)置有第一電極；提供第二介電層，其內(nèi)設(shè)置有第一相變化材料層，該第一相變化材料層 電接觸該第一電極且具有第一寬度；于該第一相變化材料層上形成第二相變化材料層，以部分覆蓋該第 一相 變化材料層，該第二相變化材料層具有少于該第一寬度的第二寬度；形成間隔物層以及犧牲層于該第 一相變化材料層上，依序覆蓋該第二相 變化材料層的一側(cè)壁，并露出該第二相變化材料層的一頂面；形成第三介電層于該第二介電層與該第一相變化材料層上，環(huán)繞該間隔 物層且大體與該間隔物層、該犧牲層及該第二相變化材料層共平面；于該第三介電層上形成第四介電層；于該第四介電層內(nèi)形成開口，露出該第二相變化材料層、該犧牲層、該間隔物層與部分的該第三介電層；去除該犧牲層，于該第三介電層與露出的該間隔物層間形成間隙； 于該開口內(nèi)形成第三相變化材料層，該第三相變化材料層電接觸該第二相變化材料層并封口該間隙以形成空室，該第三相變化材料層具有大于該第二寬度的第三寬度；以及形成第二電極于該第三相變化材料層上，以電連接該第三相變化材料層。
13. 如權(quán)利要求第12所述的相變化存儲(chǔ)裝置的制造方法，其中該第一相 變化材料層、該第二相變化材料層以及該第三相變化材料層組成I形復(fù)合相 變化材料層。
14. 如權(quán)利要求第12所述的相變化存儲(chǔ)裝置的制造方法，其中該第三相變化材料層由物理氣相沉積方式所形成。
15. 如權(quán)利要求第12所述的相變化存儲(chǔ)裝置的制造方法，其中該第一電 極與該第二電極包括鋁、銅、鴒或上述材料的合金。
16. —種相變化存儲(chǔ)裝置的制造方法，包括下列步驟 提供第一介電層，其內(nèi)設(shè)置有第一電極；提供第二介電層，其內(nèi)設(shè)置有第一相變化材料層，該第一相變化材料層電接觸該第一電極且具有第一寬度；形成第三介電層于該第二介電層與該第一相變化材料層上；定義該第三介電層，于部分的該第三介電層內(nèi)形成第一開口以及大體位 于該第一開口中央處的介電插拴，該第一開口露出部分的該第二介電層與該 第 一相變化材料層，而該介電插拴部分覆蓋該第 一相變化材料層；順應(yīng)地形成第二相變化材料層于該第三介電層與該介電插拴上并填入 該第一開口內(nèi)，以覆蓋該第二介電層與該第一相變化材料層；于該第一開口內(nèi)形成間隔物層與犧牲層，該間隔物層與犧牲層環(huán)繞并覆 蓋沿該第一開口內(nèi)該第三介電層與該介電插拴的一側(cè)壁設(shè)置的該第二相變 化材料層部分；沉積一介電材料于該第一開口內(nèi)及該犧牲層該間隔物層、與該第二相變 化材料層上；施行平坦化程序，以移除高于該第三介電層的部分該犧牲層、該第二相 變化材料層與該介電材料，以于該第一開口內(nèi)形成第四介電層并露出部分的 該犧牲層、該間隔物層與該第二相變化材料層；坦覆地形成第五介電層于該第三介電層上；于該第五介電層內(nèi)形成第二開口 ，分別露出該介電插拴以及鄰近該介電 插拴的該第二相變化材料層、該間隔物、該犧牲層與部分的該第四介電層； 去除該犧牲層，于該第四介電層與該間隔物層間形成間隙； 于該第二開口內(nèi)形成第三相變化材料層，該第三相變化材料層并封口該間隙，以于該第四介電層與該第二相變化材料層間形成空室；以及形成第二電極于該第三相變化材料層上，以電連接該第三相變化材料層。
17. 如權(quán)利要求第16所述的相變化存儲(chǔ)裝置的制造方法，其中該第三相 變化材料層由物理氣相沉積方式所形成。
18. 如權(quán)利要求第16所述的相變化存儲(chǔ)裝置的制造方法，其中該第一電 極與該第二電極包括鋁、銅、鴒或上述材料的合金。
19. 一種相變化存儲(chǔ)裝置，包括 第一電極，設(shè)置于第一介電層內(nèi)；第二介電層，設(shè)置于該第一介電層與該第一電極之上； 相變化材料層，設(shè)置于該第二介電層內(nèi)并接觸該第一電極； 第三介電層，設(shè)置于該相變化材料層與該第二介電層之上； 第二電極，設(shè)置于該第三介電層內(nèi)并接觸該相變化材料層；以及 至少一空室，設(shè)置于該第一介電層內(nèi)，以隔離部分的該相變化材料層的 一底面與該第一介電層。
20. 如權(quán)利要求19所述的相變化存儲(chǔ)裝置，其中該至少一空室環(huán)繞該第 一電極的一側(cè)壁而設(shè)置，并隔離該第一電極與其鄰近的該第一介電層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種相變化存儲(chǔ)裝置及其制造方法，該相變化存儲(chǔ)裝置包括第一電極，設(shè)置于第一介電層內(nèi)；第二介電層，設(shè)置于該第一介電層與該第一電極之上；相變化材料層，設(shè)置于該第二介電層內(nèi)并電連接該第一電極；第三介電層，設(shè)置于該第二介電層之上；第二電極，設(shè)置于該第三介電層內(nèi)并電連接該相變化材料層；以及至少一空室(gap)，設(shè)置于該第一介電層與該第二介電層之內(nèi)，以至少隔離部分的該相變化材料層與其鄰近的該第一介電層或該第二介電層。
文檔編號(hào)G11C11/56GK101312230SQ20071010450
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者言 卓, 葉吉田, 蔡銘進(jìn), 許宏輝, 達(dá) 陳 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院;力晶半導(dǎo)體股份有限公司;南亞科技股份有限公司;茂德科技股份有限公司;華邦電子股份有限公司