專利名稱：相變化存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲(chǔ)器，特別涉及一種相變化存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
相變化存儲(chǔ)器具有高讀取速度、低功率、高容量、高可靠度、高寫擦次
數(shù)、低工作電壓/電流及低成本等特質(zhì)，且非常適合與CMOS工藝結(jié)合，可 用來作為較高密度的獨(dú)立式或嵌入式的存儲(chǔ)器應(yīng)用，是目前十分被看好的下 一代新存儲(chǔ)器。由于相變化存儲(chǔ)器技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也使得其被認(rèn)為非常有 可能取代目前商業(yè)化極具竟?fàn)幮缘腟RAM與DRAM揮發(fā)性存儲(chǔ)器與Flash 非揮發(fā)性存儲(chǔ)器技術(shù)，可望成為未來極有潛力的新世代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。
相變化存儲(chǔ)器在設(shè)計(jì)上朝著以下幾個(gè)方式方展低的編程電流、高穩(wěn)定 度、較小的體積、及快速的相變化速度，此外，相變化存儲(chǔ)器目前的主要應(yīng) 用例如為需要較低電流消耗的可攜式裝置(需要較小編程電流)。綜觀目前相 變化存儲(chǔ)器的發(fā)展趨勢(shì)，可以明顯的發(fā)現(xiàn)主要的瓶頸乃在于元件的操作電流 過大，因而無法有效地降低相變化存儲(chǔ)器元件所串接的驅(qū)動(dòng)晶體管面積，導(dǎo) 致單位尺寸過大使得存儲(chǔ)器密度無法提升的問題。
降低相變化存儲(chǔ)器操作電流可通過縮小相變化存儲(chǔ)單元中相變層與電 極的接觸面積來達(dá)成，且有利于CMOS元件的縮小以及存儲(chǔ)器密度的提升。 然而，此方法會(huì)受限于光刻與工藝能力的限制，較不易獲得有效地突破。此 外，降低相變化存儲(chǔ)單元中相變層與電極的接觸面積意即縮小加熱區(qū)域，雖 然可降低元件尺寸，但是較小的加熱區(qū)域意味著熱更易由周遭環(huán)境散失，因 此仍需增加電流密度以維持足夠的熱產(chǎn)生相變化，如此一來會(huì)造成電子遷移 產(chǎn)生影響到元件穩(wěn)定度。因此，通過材料的選用來降低電子遷移發(fā)生或是改 善熱變遷以降低由周遭環(huán)境所散失的熱，亦為相變化存儲(chǔ)器的重要發(fā)展方向 之一
熱散失主要是跟環(huán)繞在相變化層周圍的介電層的熱傳導(dǎo)能力有關(guān)。 一般 來說，相變化材料(例如:Ge2Sb2Te5)由于其微結(jié)構(gòu)的關(guān)系，使其熱傳導(dǎo)度可降至約為0.3W/m-K。自從相變化材料主要是作為有源層，因此不會(huì)將其用來 作為周遭介電層的材料。然而傳統(tǒng)介電材料，例如氧化硅或氮化硅，他們的 熱傳導(dǎo)系數(shù)一般高于1 W/m-K。如此高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，加速熱由相變化材料 移至外界的速度。
為解決上述問題，美國(guó)專利5933365披露一種相變化存儲(chǔ)器，其使用熱 絕緣層來防止熱從相變化材料散失至外界。然而，該熱絕緣層的材料不易取 得，且與目前相變化存儲(chǔ)器的工藝不相容，現(xiàn)階段并無法導(dǎo)入一般業(yè)界所用 的相變化存儲(chǔ)器工藝。
因此，在以與目前相變化存儲(chǔ)器工藝相容為前提下，發(fā)展出具有低熱傳
儲(chǔ)器一項(xiàng)重要技術(shù)關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
熱傳導(dǎo)材料及介電材料來包覆相變化層，使得熱不易由周遭環(huán)境散失，因此 不需增加電流密度以維持足夠的熱產(chǎn)生像變化。該相變化存儲(chǔ)器，包含復(fù)合 材料層包含介電材料及低熱傳導(dǎo)材料；貫孔形成于該復(fù)合材料層；以及相變 化材料形成于至少 一部分的該貫孔內(nèi)。
此外，依據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，本發(fā)明所述的相變化存儲(chǔ)器亦可包含 基板；電極形成于該基板；復(fù)合材料層形成于該基板之上，其中該復(fù)合材料 層包含介電材料及低熱傳導(dǎo)材料；貫孔貫穿該復(fù)合材料層；'以及相變化材料 形成于該至少一部分的貫孔內(nèi)并與該電極電性連結(jié)。
以下通過數(shù)個(gè)實(shí)施例及比較實(shí)施例，以更進(jìn)一步說明本發(fā)明的方法、特 征及優(yōu)點(diǎn)，但并非用來限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍應(yīng)以所附的權(quán)利要 求為準(zhǔn)。


圖la至le是顯示本發(fā)明實(shí)施例1所述的相變化存儲(chǔ)器元件的制作流程 剖面圖。
圖2a至2e是顯示本發(fā)明實(shí)施例2所述的相變化存儲(chǔ)器元件的制作流程 剖面圖。圖3a至3d是顯示本發(fā)明實(shí)施例3所述的相變化存儲(chǔ)器元件的制作流程 剖面圖。
圖4是顯示圖3d的上視示意圖。附圖標(biāo)記說明
基板 10;下電才及 12;
絕纟彖層 14;下電極上表面 15;
介電材料層 16;低熱傳導(dǎo)材料層 18;
復(fù)合材料層 20;貫孔 22;
相變化材料層 24;上電極 26;
基板 100;下電才及 102;
絕緣層 104;下電纟及上表面 105;
復(fù)合材料層 110;介電材泮+ 106;
低熱傳導(dǎo)材料 108;貫孔 111;
相變化材料層 112;上電才及 114;
基板 200;下電一及 202;
絕緣層 204;下電纟及上表面 205;
相變化材料層 212;上電一及 214;
介電材料層 206;低熱傳導(dǎo)材料層 208;
圖形化的介電材料層 206a;圖形化的低熱傳導(dǎo)材料層 208a;
復(fù)合材料層-210。
具體實(shí)施例方式
以下，請(qǐng)配合附圖及對(duì)應(yīng)實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例所述的相變 化存儲(chǔ)器及其制造方法。 實(shí)施例1
首先，請(qǐng)參照?qǐng)Dla，提供具有下電極12的基板10,且形成有絕緣層l4 于環(huán)繞該下電極12，并露出該下電極12的上表面15。其中，該基板10可 為半導(dǎo)體工藝所使用的基板，例如為硅基板。該基板10可為已完成CMOS 前段工藝的基板，亦可能包含隔離結(jié)構(gòu)、電容、二極管與其類似物，為簡(jiǎn)化 圖示起見，圖中僅以平整基板表示。該下電極12為導(dǎo)電材料，例如為Al、 W、 Mo、 TiN、或TiW。該絕緣層14可以為含硅的化合物，例如氧化硅或氮化硅。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)Dlb，復(fù)合材料層20形成于該下電極12及該絕緣層14 之上，其中該復(fù)合材料層20包含交替相疊的介電材料層16及低熱傳導(dǎo)材料 層18。此外，該復(fù)合材料層20至少包含一層介電材料層16及低熱傳導(dǎo)材料 層18。
該單一的介電材料層16及該低熱傳導(dǎo)材料層18的厚度至少大于3 nm。 該低熱傳導(dǎo)材料層18具有介于0.1 W/m-K至1 W/m-K的熱傳導(dǎo)系數(shù)，例如 0.2 W/m-K至0.3 W/m-K,且該#^熱傳導(dǎo)材料可為相變化材料、氮4參雜相變 化材料、或氧摻雜相變化材料，例如GeTe、 GeSb、 SbTe、 GeSbTe或InGeSbTe。 該介電材料層16可以為含硅的化合物，例如氧化硅或氮化硅。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)Dlc,該復(fù)合材料層20進(jìn)一步被圖形化以形成貫孔22, 該貫孔22是經(jīng)由光刻技術(shù)及蝕刻工藝所得并貫穿該復(fù)合材料層20,以露出 下電極12的上表面15。該蝕刻工藝可例如為干蝕刻工藝。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)Dld,形成相變化材料層24以填入該貫孔22內(nèi)。該相變 化材料層24可包含In、 Ge、 Sb、 Te或其混合，例如是GeTe、 GeSb、 SbTe、 GeSbTe或InGeSbTe。
最后，請(qǐng)參照?qǐng)Dle,上電極26形成于該復(fù)合材料層20之上并進(jìn)一步與 該相變化材料層24電性連結(jié)。該上電極26的材料可例如為TaN、 W、 TiN、 或窗。
實(shí)施例2
首先，請(qǐng)參照?qǐng)D2a，提供具有下電極102的基板100，且形成有絕緣層 104環(huán)繞該下電極102,并露出該下電極102的上表面105。其中，該基板 IOO可為半導(dǎo)體工藝所使用的基板，例如為硅基板。該基板100可為已完成 CMOS前段工藝的基板，亦可能包含隔離結(jié)構(gòu)、電容、二極管與其類似物， 為簡(jiǎn)化圖示起見，圖中僅以平整基板表示。該下電極102為導(dǎo)電材料，例如 為Al、 W、 Mo、 TiN、或TiW。該絕緣層104可以為含硅的化合物，例如氧 化硅或氮化硅。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D2b,復(fù)合材料層110形成于該下電極102及該絕緣層 104之上，其中該復(fù)合材料層110包含由介電材料106及低熱傳導(dǎo)材料108 混合所得的膜層，其中該復(fù)合材料層的介電材料及低熱傳導(dǎo)材料的重量比為1:10 1:1。該低熱傳導(dǎo)材料108具有介于0.1 W/m-K至1 W/m-K的熱傳導(dǎo)系 數(shù)，例如0.2W/m-K至0.3 W/m-K,且該低熱傳導(dǎo)材料可為相變化材料、氮 摻雜相變化材料、或氧摻雜相變化材料，例如GeTe、 GeSb、 SbTe、 GeSbTe 或InGeSbTe。該介電材料106可以為含硅的化合物，例如氧化硅或氮化硅。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D2c，該復(fù)合材料層IIO進(jìn)一步被圖形化以形成貫孔111, 該貫孔111是經(jīng)由光刻技術(shù)及蝕刻工藝所得并貫穿該復(fù)合材料層110，以露 出下電極102的上表面105。該蝕刻工藝可例如為千蝕刻工藝。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D2d，形成相變化材料層112以填入該貫孔111內(nèi)。該相 變化材料層112可包含In、 Ge、 Sb、 Te或其組合，例如是GeTe、 GeSb、 SbTe、 GeSbTe或InGeSbTe。
最后，請(qǐng)參照?qǐng)D2e,上電極114形成于該復(fù)合材料層110之上并進(jìn)一步 與該相變化材料層112電性連結(jié)。該上電極114的材料可例如為TaN、 W、 TiN、或TiW。
實(shí)施例3
首先，請(qǐng)參照?qǐng)D3a，提供具有下電極202的基板200，且形成有絕緣層 204環(huán)繞該下電極202,并露出該下電極202的上表面205。其中，該基板 200可為半導(dǎo)體工藝所使用的基板，例如為硅基板。該基板200可為已完成 CMOS前段工藝的基板，亦可能包含隔離結(jié)構(gòu)、電容、二極管與其類似物， 為簡(jiǎn)化圖示起見，圖中僅以平整基板表示。該下電極202為導(dǎo)電材料，例如 為Al、 W、 Mo、 TiN或TiW。該絕緣層204可以為含硅的化合物，例如氧 化硅或氮化硅。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D3b,相變化材料層212形成于該下電極202之上，并與 該下電極202電性連結(jié)，接著形成上電極214于該相變化材料層212之上并 與相變化材料層212電性連結(jié)。該相變化材料層212可包含In、 Ge、 Sb、 Te或其混合，例如是GeTe、 GeSb、 SbTe、 GeSbTe或InGeSbTe。該上電極 214的材料可例如為TaN、 W、 TiN、或TiW。形成該相變化材料層212及該 上電極214的方法可包含依續(xù)形成相變化材料層及導(dǎo)電層于該基板200上， 接著經(jīng)由光刻技術(shù)及蝕刻工藝圖形化該相變化材料及導(dǎo)電層以形成該相變 化材料層212及該上電極214圖形。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D3c,介電材料層206及該低熱傳導(dǎo)材料層208交替的形成于該基板200之上。該復(fù)合材料層的介電材料及低熱傳導(dǎo)材料的重量比例
如為1:10 1:1。該低熱傳導(dǎo)材料208具有介于0.1 W/m-K至1 W/m-K的熱傳 導(dǎo)系數(shù)，例如0.2W/m-K至0.3 W/m-K,且該低熱傳導(dǎo)材料可為相變化材料、 氮摻雜相變化材料、或氧摻雜相變化材料，例如GeTe、 GeSb、 SbTe、 GeSbTe 或InGeSbTe。該介電材料206可以為含硅的化合物，例如氧化硅或氮化硅。 最后，請(qǐng)參照?qǐng)D3d，蝕刻該介電材料層206及低熱傳導(dǎo)材料層208，形 成圖形化的介電材料層206a及低熱傳導(dǎo)材料層208a,以露出該上電極214 的上表面及該介電層204的上表面。請(qǐng)參照?qǐng)D4，是顯示該圖3d的上視示意 圖，由圖中可知該介電材料層206及該低熱傳導(dǎo)材料層208經(jīng)蝕刻后形成該 復(fù)合材料層210,而該復(fù)合材料層210包含交替相疊的共圓心環(huán)狀的介電材 料層206a及低熱傳導(dǎo)材料層208a,并環(huán)繞該相變化材料層212及上電極214。
側(cè)壁及周圍并與其直接接觸。
依據(jù)上述，自從需要的焦耳熱降低，本發(fā)明所述的相變化存儲(chǔ)器可有效 降低操作電壓及操作電流。此外，自從操作電壓降低，元件的穩(wěn)定度可有效 增加。再者，本發(fā)明所述的相變化存儲(chǔ)器的工藝相對(duì)簡(jiǎn)易，適用于不同的元 件工藝，且工藝費(fèi)用相對(duì)便宜。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng) 域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因 此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
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權(quán)利要求
1.一種相變化存儲(chǔ)器，包含復(fù)合材料層，包含介電材料及低熱傳導(dǎo)材料；貫孔，形成于該復(fù)合材料層；以及相變化材料，形成于至少一部分的該貫孔內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該低熱傳導(dǎo)材料具有介于0.1 W/m-K至1 W/m-K的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該介電材料包含氮化硅、氧 化硅、或其混合。
4. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該低熱傳導(dǎo)材料包含相變化 材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該低熱傳導(dǎo)材料包含氮摻雜 相變化材料。
6. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該低熱傳導(dǎo)材料包含氧摻雜 相變化材料。
7. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該復(fù)合材料層包含交替相疊 的介電材料層及低熱傳導(dǎo)材料層。
8. 如權(quán)利要求7所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該介電材料層的厚度至少為 3 rim。
9. 如權(quán)利要求7所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該低熱傳導(dǎo)材料層的厚度至 少為3 nm。
10. 如權(quán)利要求7所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該復(fù)合材料層至少包含一層 介電材料層及低熱傳導(dǎo)材料層。
11. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該復(fù)合材料層包含由介電材 料及低熱傳導(dǎo)材料混合所得的膜層。
12. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該復(fù)合材料層的介電材料 及低熱傳導(dǎo)材料的重量比為1:10 1:1。
13. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該復(fù)合材料層包含交替相疊 的共圓心環(huán)狀的介電材料層及低熱傳導(dǎo)材料層，并環(huán)繞該貫孔。
14. 如權(quán)利要求13所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該介電材料形成于該貫孔周圍并與其直接接觸。
15. —種相變化存儲(chǔ)器，包含 基板；電極形成于該基板上；復(fù)合材料層形成于該基板之上，其中該復(fù)合材料層包含介電材料及低熱 傳導(dǎo)材料；貫孔貫穿該復(fù)合材料層；以及相變化材料形成于該至少一部分的貫孔內(nèi)并與該電極電性連結(jié)。
16. 如權(quán)利要求15所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該低熱傳導(dǎo)材料具有介于 0.1 W/m-K至1 W/m-K之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
17. 如權(quán)利要求15所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該低熱傳導(dǎo)材料包含相變 化材料、氮摻雜相變化材料、或氧摻雜相變化材料。
18. 如權(quán)利要求15所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該復(fù)合材料層包含交替相 疊的介電材料層及低熱傳導(dǎo)材料層。
19. 如權(quán)利要求15所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該復(fù)合材料層包含由介電 材料及低熱傳導(dǎo)材料混合所得的膜層。
20. 如權(quán)利要求15所述的相變化存儲(chǔ)器，其中該復(fù)合材料層包含交替相 疊的共圓心環(huán)狀的介電材料層及低熱傳導(dǎo)材料層，并環(huán)繞該貫孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變化存儲(chǔ)器，該相變化存儲(chǔ)器包含復(fù)合材料層包含介電材料及低熱傳導(dǎo)材料；貫孔形成于該復(fù)合材料層；以及相變化材料形成于至少一部分的該貫孔內(nèi)。
文檔編號(hào)G11C11/56GK101308903SQ200710196280
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者蔡銘進(jìn), 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