專利名稱：相變存儲元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲元件及其制造方法，且特別是涉及一種相變存儲元 件及其制造方法。
背景技術(shù)：
相變存儲具有速度、功率、容量、可靠度、工藝整合度及成本等方面的 竟?fàn)幮詢?yōu)勢，為適合用來作為較高密度的獨立式或嵌入式的存儲所應(yīng)用。由 于相變存儲技術(shù)的獨特優(yōu)勢，也使得其被認為非常有可能取代目前商業(yè)化極
具竟?fàn)幮缘撵o態(tài)存儲SRAM與動態(tài)隨機存儲DRAM揮發(fā)性存儲與閃存Flash 非揮發(fā)性存儲技術(shù)，可望成為未來極有潛力的下一代半導(dǎo)體存儲。
圖1A繪示現(xiàn)有T型結(jié)構(gòu)的相變存儲單元100,如圖1A所示，現(xiàn)有T 型結(jié)構(gòu)的相變存儲單元100依次包括下電極102、加熱電極104、相變層106、 4妄觸插塞108和上電極110，其利用電流通過加熱電極104和相變層106時， 于兩者接口產(chǎn)生高溫，而致使相變層在局部區(qū)域112因高溫和后續(xù)的快速冷 卻(quench)而形成非晶態(tài)。由于相變層106在非晶態(tài)的電阻比結(jié)晶態(tài)高，因 此可使存儲元件產(chǎn)生元件電流大小差異，而可紀錄和讀取信號。然而，此種 T型結(jié)構(gòu)的相變存儲單元100于加熱電極104和相變層106間產(chǎn)生的熱量容 易從此界面經(jīng)由介電層或是其它路徑流失，因此，無法有效降低相變存儲的 操作電流。
圖1B揭示另一種結(jié)構(gòu)的相變存儲單元150，如圖所示，于下電極152 上形成具有開口的介電層154，之后，將相變存儲材料填入開口中，以形成 T型相變層156,后續(xù)，于T型相變層156上形成保護層158和上電極160， 然而，此種相變存儲單元結(jié)構(gòu)150仍無法有效避免或減少電極152和相變層 156間熱量的流失，而不易達到降低讀寫相變存儲所需的操作電流的目的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述問題，本發(fā)明的目的為提供一種相變存儲元件，可有效避免或
減少電極和相變層間熱量的流失，達到降低相變存儲元件所需的搡作電流的 目的。另外，本發(fā)明的另一目的為通過降低相變存儲元件的操作電流，進一 步達到縮小相變存儲元件尺寸，提高相變存儲元件集成度的目的。
本發(fā)明提供一種相變存儲元件，包括下列元件相變柱位于第一相變層
上，第二相變層位于相變柱上，下電極電連接第一相變層，及上電極電連接 第二相變層。
本發(fā)明提供一種相變存儲元件的制造方法，包括下列步驟首先，提供 第一介電層，其中形成有下電極。接著，形成第一相變層于第一介電層和下 電極上，形成第一硬式掩模層于第一相變層上。后續(xù)，形成第一圖案的光致 抗蝕劑于第一硬式掩模層上，消減(trimming傳一圖案的光致抗蝕劑。接下 來，以消減后的第一圖案的光致抗蝕劑為掩模，蝕刻第一硬式掩模層和部分 厚度的第一相變層，以形成相變柱于蝕刻后的第一相變層上。其后，毯覆性 地形成第二介電層于蝕刻后的第一相變層和第一硬式掩模層上，研磨第二介 電層，停止于第一硬式掩模層，后續(xù)，移除第一硬式掩模層，形成第二相變 層于相變柱和第一介電層上。接著，圖形化第一相變層、第二介電層和第二 相變層，形成上電極，電連接第二相變層。
本發(fā)明還提供一種相變存儲元件，包括下列元件相變層位于下電極上， 相變柱位于第一相變層上，及上電極電連接相變柱。
本發(fā)明還提供一種相變存儲元件的制造方法，包括下列步驟首先，提 供第一介電層，其中形成有下電極。接著，形成相變層于第一介電層和下電 極上，形成硬式掩模層于相變層上。其后，形成第一圖案的光致抗蝕劑于第 一硬式掩模層上，消減(trimming)第一圖案的光致抗蝕劑。接下來，以消減 后的第一圖案的光致抗蝕劑為掩模，蝕刻硬式掩模層和部分厚度的相變層， 以形成相變柱于蝕刻后的相變層上。后續(xù)，毯覆性地形成第二介電層于蝕刻 后的相變層和硬式掩模層上，研磨第二介電層，停止于硬式掩模層。接著， 圖形化蝕刻后的相變層和第二介電層，形成上電極，電連接相變柱。


圖1A繪示現(xiàn)有T型結(jié)構(gòu)的相變存儲器。 圖1B繪示現(xiàn)有另一種結(jié)構(gòu)相變存儲器。
圖2A 2L揭示本發(fā)明實施例的相變存儲元件200的制造方法。
說明書第3/7頁
圖3A 3J揭示本發(fā)明另 一 實施例相變存儲元件的制造方法。
簡單符號說明
100 相變存儲單元；102 下電才及；
104 力口熱電才及；106 相變層；
108 接觸插塞；110 上電才及；
112 局部區(qū)域；150 相變存儲單元；
152 下電極；154 介電層；
156 T型相變層；158~保護層；
160 上電極；200 相變存儲元件；
202 第一介電層；204 下電極；
206 第一相變層；206a 相變突起狀結(jié)構(gòu)；
206b 蝕刻后第一相變層；208 第一硬式掩模層；
210 第一圖案的光致抗蝕劑；
212 第二介電層；214 第二相變層；
216 第二硬式掩模層；218~第二圖案的光致抗蝕劑；
220 第三介電層；222 上電極；
300 相變存儲元件；302 第一介電層；
304 下電極；306 相變層；
306a 相變突起狀結(jié)構(gòu)；306b 蝕刻后相變層；
308 第一硬式掩模層；310 第 一 圖案的光致抗蝕劑;
312 第二介電層；314 第二圖案的光致抗蝕劑;
316 第三介電層；318~上電極。
具體實施例方式
以下將以實施例詳細說明作為本發(fā)明的參考，且以范例伴隨著附圖來加 以說明。在附圖或描述中，相似或相同的部分使用相同的圖號。在附圖中， 實施例的形狀或是厚度可擴大，以簡化或是方便標(biāo)示。附圖中各元件的部分 將以分別描述予以說明，值得注意的是，圖中未繪示或描述的元件，可以具 有各種本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的形式，另外，特定的實施例僅為揭示本發(fā) 明使用的特定方式，其并非用以限定本發(fā)明。
另夕卜，本i兌明書中基底上方可以形成任何所需的半導(dǎo)體元件，例如MOS 晶體管、電阻、邏輯元件等，不過此處為了簡化附圖，僅以基底來表示。在 本發(fā)明的敘述中，"基底" 一詞包括半導(dǎo)體晶片上已形成的元件與覆蓋在晶 片上的各種涂層。
圖2A 2L揭示本發(fā)明實施例的相變存儲元件200的制造方法，首先， 請參照圖2A,其為此實施例相變存儲元件200中介工藝剖面圖，形成第一 介電層202于基底(未繪示)上方，第一介電層202中形成有多個下電極204， 第一介電層202可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或是低介電材料，下電極 204可以為W、 WNx、 TaN、 TiN或TiAlN所組成，每個下電極204對應(yīng)于 存儲單元，為簡潔，在以下的描述中，僅描述構(gòu)成存儲單元的各單元。
接著，以例如物理氣相沉積法或是化學(xué)氣相沉積法，毯覆性地沉積第一 相變層206于第一介電層202和下電極204上，其中第一相變層206可以由 Ag、 In、 Te、 Sb的組合或Ge、 Te、 Sb的組合所構(gòu)成。后續(xù)，以例如物理氣 相沉積法或是化學(xué)氣相沉積法，毯覆性地沉積第一硬式掩模層208于第一相 變層206上，第一硬式掩模層208的組成材料可包括Ti、 TiNx、 Ta、 TaNx 和TiW。
其后，請參照圖2B，以黃光光刻方法形成第一圖案的光致抗蝕劑210 于第 一硬式掩模層208上。接著，請參照圖2C,進行光致抗蝕劑消減(trimming:) 工藝，消減第一圖案的光致抗蝕劑210的尺寸，如圖所示，在本發(fā)明的實施 例中，光致抗蝕劑消減工藝會導(dǎo)致未被第一圖案的光致抗蝕劑210覆蓋的第 一硬式掩模層208的凹陷。后續(xù)，請參照圖2D，以消減后第一圖案的光致 抗蝕劑210為掩模，蝕刻第一硬式掩模層208和部分厚度的第 一相變層206, 在此須注意，在此步驟的優(yōu)選實施例中優(yōu)選采用控制蝕刻時間的方法，僅蝕 刻第一圖案的光致抗蝕劑210外部分厚度的第一相變層206，簡言之，在第 一圖案的光致抗蝕劑210外，仍保留部分厚度的第一相變層206b,另外，在 第一圖案的光致抗蝕劑210下構(gòu)成相對于蝕刻后第一相變層206b的相變突 起狀結(jié)構(gòu)206a和其上的第一硬式掩模層208,此相變突起狀結(jié)構(gòu)206a在此 稱為相變柱。請注意，上述的工藝步驟是使相變柱206a和第一相變層206b 為相同的相變材料所組成，但本發(fā)明不限于此，本發(fā)明也可采用別的手段(例
如增加沉積和黃光光刻步驟)使相變柱206a和第 一相變層206b為不同的相變材料。
接下來，請參照圖2E，移除第一圖案的光致抗蝕劑210，后續(xù)，以例如 化學(xué)氣相沉積法毯覆性地沉積第二介電層212于第一硬式掩模層208和蝕刻 后的第一相變層206b上，第二介電層212可以是氧化硅、氮化硅、氮氣化 硅或是低介電材料。后續(xù)，請參照圖2F,以例如化學(xué)機械研磨法，研磨第 二介電層212,在此實施例中，第一硬式掩模層208可供作停止層，亦即， 研磨第二介電層212會停在第一硬式掩模層212的平面(le 'el),且暴露出第 一硬式掩模層208。
后續(xù)，請參照圖2G,以例如濕蝕刻法或干式蝕刻法，選擇性地移除第 一硬式掩模層208。接下來，請參照圖2H，以例如物理氣相沉積法或是化學(xué) 氣相沉積法，趁覆性地沉積第二相變層214于相變柱206a和第二介電層212 上，其中第二相變層214可以由Ag、 In、 Te、 Sb的組合或Ge、 Te、 Sb的組 合所構(gòu)成。后續(xù)，以例如物理氣相沉積法或是化學(xué)氣相沉積法，毯覆性地沉 積第二硬式掩模層216于第二相變層214上，第二硬式掩模層216的組成材 料可包括Ti、 TiNx、 Ta、 TaNx和TiW。
請參照圖21，以黃光光刻方法形成第二圖案的光致抗蝕劑218于第二硬 式掩模層216上，并如圖2J所示，以第二圖案的光致抗蝕劑218為掩模， 依次蝕刻第二硬式掩模層216、第二相變層214、第二介電層212和第一相 變層206b。接著，請參照圖2K,以例如化學(xué)氣相沉積法毯覆性的沉積第三 介電層220覆蓋第一介電層202和蝕刻后的第二硬式掩模層216,第三介電 層220可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或是低介電材料。
后續(xù)，進行黃光光刻工藝，形成開口暴露蝕刻后的第二硬式掩模層216， 并毯覆性地沉積導(dǎo)電材料于第三介電層220上，并且填入開口，以供作上電 極222。
根據(jù)上述實施例的相變存儲元件結(jié)構(gòu)，相變柱206a的上側(cè)和下側(cè)形成 有具有低熱傳導(dǎo)特性及良好熱隔絕效果的第二相變層214和第一相變層 206b，可有效避免或減少電極和相變層間熱量的流失，達到降低讀寫相變記 憶體操作電流的目的，并且，通過降低讀寫相變存儲的操作電流，可進一步 達到縮小元件尺寸，提高存儲集成度的目的。
圖3A 3J揭示本發(fā)明另一實施例相變存儲元件的制造方法，請參照圖 3A，其為此實施例相變存儲元件300中介工藝剖面圖，首先，形成第一介電 層302于基底(未繪示)上方，第一介電層302中形成有多個下電極304,第
一介電層302可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或是低介電材料，下電極304 可以為W、 WNx、 TaN、 TiN或TiAlN所組成，每個下電極304對應(yīng)于存儲 單元，為簡潔，在以下的描述中，僅描述構(gòu)成存儲單元的各單元。
接著，以例如物理氣相沉積法或是化學(xué)氣相沉積法，毯覆性地沉積相變 層306于第一介電層302和下電極304上，其中相變層306可以由Ag、 In、 Te、 Sb的組合或Ge、 Te、 Sb的組合所構(gòu)成。后續(xù)，以例如物理氣相沉積法 或是化學(xué)氣相沉積法，毯覆性地沉積第一硬式掩模層308于相變層306上， 第一硬式掩模層308的組成材料可包括Ti、 TiNx、 Ta、 Ta隊和TiW。
其后，請參照圖3B,以黃光光刻方法形成第一圖案的光致抗蝕劑310 于第 一硬式掩模層308上。接著，請參照圖3C,進行光致抗蝕劑消減(trimming) 工藝，以消減第一圖案的光致抗蝕劑310的尺寸，如圖所示，在本發(fā)明的實 施例中，光致抗蝕劑消減工藝會導(dǎo)致部分第一硬式掩模層308的凹陷。后續(xù)， 請參照圖3D,以消減后的第一圖案的光致抗蝕劑310為掩模，蝕刻第一硬 式掩模層308和部分厚度的相變層306,在此須注意，在本優(yōu)選實施例的步 驟為采用控制蝕刻時間的方法，僅蝕刻第一圖案的光致抗蝕劑310外的部分 厚度的相變層306，簡言之，在第一圖案的光致抗蝕劑310外，仍保留部分 厚度的相變層306b，另外，在第一圖案的光致抗蝕劑310下構(gòu)成相對于蝕刻 后相變層306b的相變突起狀結(jié)構(gòu)306a和其上的第一硬式掩模層308，此相 變突起狀結(jié)構(gòu)306a在此稱為相變柱。請注意，使用上述方法是使相變柱306a 和相變層306b為相同的相變材料所組成，但本發(fā)明不限于此，本發(fā)明也可 采用另外的手段(例如增加沉積和黃光光刻步驟)使相變柱306a和相變層 306b為不同的相變材:枓所組成。
接下來，請參照圖3E,移除第一圖案的光致抗蝕劑310,后續(xù)，以例如 化學(xué)氣相沉積法毯覆性的沉積第二介電層312于第一硬式掩模層308和蝕刻 后的相變層306b上，第二介電層312可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或 是低介電材料。后續(xù)，請參照圖3F,以例如化學(xué)機械研磨法，研磨第二介 電層312,在此實施例中，第一硬式掩模層308可供作停止層，亦即，研磨 第二介電層312會停在第一硬式掩模層312的平面(level),且暴露出第一硬 式掩模層308。
接著，請參照圖3G,以黃光光刻方法形成第二圖案的光致抗蝕劑314 于第一硬式掩模層308和第二介電層312上。其后，請參照圖3H,以第二圖案的光致抗蝕劑314為掩才莫，依次蝕刻第二介電層312和相變層306a。接 下來，請參照圖31,以例如化學(xué)氣相沉積法趁覆性地沉積第三介電層316覆 蓋第一介電層302、第二介電層312和第一硬式掩模層308,第三介電層316 可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或是低介電材料。
后續(xù)，請參照圖3J,進行黃光光刻工藝，形成開口暴露第一硬式掩模層 308，并毯覆性地沉積導(dǎo)電材料于第三介電層316上，并且填入開口，以供 作上電極318。
根據(jù)上述實施例的相變存儲元件，相變柱306a的下側(cè)形成有具有低熱 傳導(dǎo)特性及良好熱隔絕效果的相變層306b，可有效避免或減少電極和相變層 間熱量的流失，達到降低讀寫相變存儲的操作電流的目的，并且，通過降低 讀寫相變存儲的操作電流，可進一步達到縮小元件尺寸，提高存儲集成度的 目的。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例揭示如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，任 何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與 修改，因此本發(fā)明的保護范圍以所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種相變存儲元件，包括第一相變層；相變柱，位于該第一相變層上；第二相變層，位于該相變柱上；下電極，電連接該第一相變層；及上電極，電連接該第二相變層。
2. 如權(quán)利要求1所述的相變存儲元件:其中該第 一相變層具有低熱傳導(dǎo)性'其中該第一相變層由Ag、 In、 Te、 其中該第二相變層具有低熱傳導(dǎo)其中該第二相變層由Ag、 In、 Te、其中該相變柱由Ag、 In、 Te、 Sb
3. 如權(quán)利要求2所述的相變存儲元件， Sb的組合或Ge、 Te、 Sb的組合所構(gòu)成。
4. 如權(quán)利要求1所述的相變存儲元件，性。
5. 如權(quán)利要求4所述的相變存儲元件， Sb的組合或Ge、 Te、 Sb的組合所構(gòu)成。
6. 如權(quán)利要求1所述的相變存儲元件， 的組合或Ge、 Te、 Sb的組合所構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求1所述的相變存儲元件，其中該上電極和該下電極為W、 WNx、 TaN、 TiN或T畫。
8. 如權(quán)利要求1所述的相變存儲元件，其中該第二相變層、該相變柱和 該第 一相變層可為不同相變材料所組成。
9. 如權(quán)利要求1所述的相變存儲元件，其中該第二相變層、該相變柱和 該第 一相變層為相同相變材料所組成。
10. 如權(quán)利要求1所述的相變存儲元件，其中該上電極和該第二相變層間 形成有硬式掩模層。
11. 如權(quán)利要求10所述的相變存儲元件，其中該硬式掩模層包括Ti、 TiNx、 Ta、 TaNx和TiW。
12. —種相變存儲元件的制造方法，包括 提供第一介電層，其中形成有下電極； 形成第一相變層于該第一介電層和該下電極上；形成第一硬式掩模層于該第一相變層上；形成第 一 圖案的光致抗蝕劑于該第 一硬式掩模層上；消減(trimming)該第 一 圖案的光致抗蝕劑；以該消減后的第一圖案的光致抗蝕劑為掩模，蝕刻該第一硬式掩模層和 部分厚度的第一相變層，以形成相變柱于該蝕刻后的第一相變層上；毯覆性地形成第二介電層于該蝕刻后的第一相變層和該第一硬式掩模 層上；研磨該第二介電層，停止于該第一硬式掩模層； 移除該第一硬式掩模層；形成第二相變層于該相變柱和該第二介電層上； 圖形化該第一相變層、該第二介電層和該第二相變層；及 形成上電極，電連接該第二相變層。
13. 如權(quán)利要求12所述的相變存儲元件的制造方法，其中該第一相變層 具有低熱傳導(dǎo)性。
14. 如權(quán)利要求13所述的相變存儲元件的制造方法，其中該第一相變層 由Ag、 In、 Te、 Sb的組合或Ge、 Te、 Sb的組合所構(gòu)成。
15. 如權(quán)利要求12所述的相變存儲元件的制造方法，其中該第二相變層 具有低熱傳導(dǎo)性。
16. 如權(quán)利要求15所述的相變存儲元件的制造方法，其中該第二相變層 由Ag、 In、 Te、 Sb的組合或Ge、 Te、 Sb的組合所構(gòu)成。
17. 如權(quán)利要求12所述的相變存儲元件的制造方法，其中該第二相變層 和該上電極間尚包括第二硬式掩模層。
18. 如權(quán)利要求17所述的相變存儲元件的制造方法，其中該第二硬式掩 模層包括Ti、 TiNx、 Ta、 TaNx和TiW。
19. 如權(quán)利要求12所述的相變存儲元件的制造方法，其中該第一硬式掩 模層包括Ti、 TiNx、 Ta、 TaNx和TiW。
20. —種相變存儲元件，包括 下電極；相變層，位于該下電極上； 相變柱，位于該第一相變層上；及 上電4及，電連4妾該相變柱。
21. 如權(quán)利要求20所述的相變存儲元件，其中該相變層具有低熱傳導(dǎo)性。
22. 如權(quán)利要求21所述的相變存儲元件，其中該相變層由Ag、 In、 Te、 Sb的組合或Ge、 Te、 Sb的組合所構(gòu)成。
23. 如權(quán)利要求20所述的相變存儲元件，其中該相變層與該相變柱為不 同相變材料所組成。
24. 如權(quán)利要求20所述的相變存儲元件，其中該相變層與該相變柱為相 同相變材料所組成。
25. 如權(quán)利要求20所述的相變存儲元件，其中該上電極和該相變柱間形 成有硬式掩模層。
26. 如權(quán)利要求25所述的相變存儲元件，其中該硬式掩模層包括Ti、 TiNx、 Ta、 TaNx和TiW。
27. —種相變存儲元件的制造方法，包括 提供第一介電層，其中形成有下電極； 形成相變層于該第一介電層和該下電極上； 形成硬式掩模層于該相變層上；形成第 一 圖案的光致抗蝕劑于該硬式掩模層上； 消減(trimming)該第 一 圖案的光致抗蝕劑；以該消減后的第一圖案的光致抗蝕劑為掩模，蝕刻該硬式掩模層和部分 厚度的相變層，以形成相變柱于蝕刻后的相變層上；毯覆性地形成第二介電層于該蝕刻后的相變層和該硬式掩模層上； 研磨該第二介電層，停止于該硬式掩模層；圖形化該蝕刻后的相變層和該第二介電層；及 形成上電極，電連接該相變柱。
28. 如權(quán)利要求27所述的相變存儲元件的制造方法，其中該上電極直接 接觸該硬式掩模層。
29. 如權(quán)利要求27所迷的相變存儲元件的制造方法，其中該相變層具有 低熱傳導(dǎo)性。
30. 如權(quán)利要求29所述的相變存儲元件的制造方法，其中該相變層由 Ag、 In、 Te、 Sb的組合或Ge、 Te、 Sb的組合所構(gòu)成。
31. 如權(quán)利要求27所述的相變存儲元件的制造方法，其中該硬式掩模層 包4舌Ti、 TiNx、 Ta、 TaNx和TiW。
全文摘要
一種相變存儲元件。相變柱位于第一相變層上，第二相變層位于相變柱上，下電極電連接第一相變層，及上電極電連接第二相變層。
文檔編號H01L45/00GK101207178SQ200610168698
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者達 陳, 陳頤承 申請人:財團法人工業(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