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相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其制造方法

文檔序號(hào):6778655閱讀:108來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種存儲(chǔ)器裝置,而特別有關(guān)于一種相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及 其制造方法。
背景技術(shù)
相變化存儲(chǔ)器具有非揮發(fā)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)有潛力的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。其中提高存儲(chǔ)密度、 降低電流密度是重要的技術(shù)指針。相變化材料至少可呈現(xiàn)兩種固態(tài)相,包括結(jié)晶態(tài)及非結(jié)晶態(tài), 一般系利 用溫度的改變來(lái)進(jìn)行兩態(tài)間的轉(zhuǎn)換。與結(jié)晶態(tài)相較,由于非結(jié)晶態(tài)混亂的原 子排列而具有較高的電阻,因此通過(guò)簡(jiǎn)單的電性量測(cè)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 種記錄組件中。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(lái)當(dāng)作存 儲(chǔ)器材料時(shí),是通過(guò)非結(jié)晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)兩態(tài)之間的轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ),也就是說(shuō)存儲(chǔ)位階(O 、 1 )是利用兩態(tài)間電阻的差異來(lái)區(qū)分。請(qǐng)參照?qǐng)D1,揭示了一種現(xiàn)有相變化存儲(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)體襯底11內(nèi)特定區(qū)域的一隔離物13,以 進(jìn)而定義出一有源區(qū)。于有源區(qū)內(nèi)則設(shè)置有互為隔離的一對(duì)源極/漏極區(qū)17。 于此些源極/漏極區(qū)17間的有源區(qū)上則設(shè)置有一柵極15,以作為字線之用。 柵極15以及此兩源極/漏極區(qū)17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)體襯底11上則覆蓋一絕緣層19。于絕緣層19內(nèi)則設(shè)置有一內(nèi)連導(dǎo) 線21,內(nèi)連導(dǎo)線21形成于貫穿絕緣層19的一接觸孔內(nèi),以便電連接于源極 /漏極區(qū)17之一。于內(nèi)連導(dǎo)線21上則形成有另一絕緣層23。于上述絕緣層 23與19內(nèi)則設(shè)置有一加熱插拴25,以電連接于另一源極/漏極區(qū)17。于絕 緣層23上則依序堆疊有一圖案化的相變化材料層27與一頂電極29,其中相 變化材料層27的底面接觸加熱插拴25。于絕緣層23上則更形成有一絕緣層31。于絕纟彖層31上則形成有一位線33并接觸頂電極29。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(guò)一大電流,其 結(jié)果為,介于相變化材料層27與加熱插拴25間的接口將被加熱,因而使得 相變化材料層27的一部分27a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25的電流量與時(shí)間長(zhǎng)短而決定。然而,現(xiàn)有相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)于寫入模式時(shí)由于其需要極大電流以成 功地轉(zhuǎn)變相變化材料的相態(tài)。提升電流密度的方法之一為降低加熱插拴25 的直徑D。然而,當(dāng)進(jìn)一步縮減加熱插拴25的直徑D時(shí),將會(huì)加大絕緣層 23與19中用于設(shè)置此加熱插拴25的開口(未顯示)的深寬比。由于加熱插拴 25通常通過(guò)物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積方式所形成,因此采用上述工藝于 一開口內(nèi)形成加熱插拴25時(shí)的填洞能力將隨著開口深寬比的增加而進(jìn)一步 劣化,因而可能形成具有縫隙(seam)或孔洞(void)等不良結(jié)構(gòu)的加熱插拴25 , 因而劣化此相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的可靠度。如此,將不利于相變化存儲(chǔ)單元 結(jié)構(gòu)的微型化趨勢(shì)。因此,^^需要一種相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其制造方法,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)單元結(jié)構(gòu)及其制造方法,其有 助于一高深寬比的開口內(nèi)制作出具有良好結(jié)構(gòu)的加熱電極,有利于應(yīng)用于相依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例,本發(fā)明提供了一種相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),包括一第一電極,設(shè)置于一第一介電層之上; 一第二介電層,設(shè)置于該第一 電極之上; 一導(dǎo)電構(gòu)件,穿透該第二介電層并電接觸該第一電極,其中該導(dǎo) 電構(gòu)件包括依序堆疊于該第一電極之上的一下部構(gòu)件與一上部構(gòu)件,該下部 構(gòu)件與該上部構(gòu)件包括不同的材料; 一相變化材料層,設(shè)置于該第二介電層 之上且電連接該導(dǎo)電構(gòu)件;以及一第二電極,設(shè)置于該相變化材料層之上。另外,依據(jù)另一實(shí)施例,本發(fā)明提供了一種相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造 方法,包括下列步驟提供一第一介電層,其上設(shè)置有一第一電極;形成一第二介電層于該第 一電極之上;于該第二介電層中形成一開口 ,該開口穿透該第二介電層并露 出該第一電極的一部分,該開口具有一第一深寬比;施行一選擇性沉積程序,僅于該開口內(nèi)部分填入一第一導(dǎo)電層,該第一導(dǎo)電層位于為該開口所露出的第一電極上,以P4^f氐該開口的該第一深寬比至一第二深寬比;施行一薄膜沉 積程序,毯覆地于該第二介電層上沉積一導(dǎo)電材料并填滿該開口;施行一平 坦化程序,以移除高出該第二介電層的該導(dǎo)電材料部分,以于該開口內(nèi)形成 一第二導(dǎo)電層,該第二導(dǎo)電層堆疊于該第一導(dǎo)電層上;形成一相變化材料層 于該第二介電層之上,以電連接該第二導(dǎo)電層;以及形成一第二電極于該相 變化材料層之上。為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂,下文特 舉一實(shí)施例,并配合附圖,作詳細(xì)"i兌明如下。


圖l為一示意圖,顯示了一現(xiàn)有相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的剖面情形;圖2 6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)單元結(jié)構(gòu)于不同制造階段中的剖面情形;以及圖7為一示意圖,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)單元結(jié)構(gòu)。附圖標(biāo)記說(shuō)明11 半導(dǎo)體件于底;13 隔離物;15~柵極;17 源極/漏極區(qū);19 絕緣層;21 內(nèi)連導(dǎo)線;23 絕纟彖層;25 力口熱插拴;27 相變化材料層;27a 相變化材料層的 一部分;29 頂電極;31 絕緣層;33 位線;D 加熱插拴的直徑;100、 106、 114 介電層;102、 102, 第一電極;104一崔化層;108、 110、 110a 導(dǎo)電層;112 相變化材料層;116 第二電極;200 導(dǎo)電構(gòu)件;W 開口的寬度;Dl 開口的深度;D2 開口的深度;OP、 OP, 開口。
具體實(shí)施方式
以下將配合圖2至圖6詳細(xì)敘述本發(fā)明一實(shí)施例的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu) 于不同工藝步驟中的一剖面情形。首先,請(qǐng)參照?qǐng)D2,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。在此,首先提供一大體制備的一基本結(jié)構(gòu),包括了設(shè)置于一介電層100之上的一第一電極102,以及依序設(shè)置于第一電 極102上的一催化層104以及一介電層106。如圖2所示,介電層100在此 繪示為一平整的介電層,其內(nèi)可能設(shè)置有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電構(gòu)件(如內(nèi)連插拴或內(nèi) 連導(dǎo)線等),以將后續(xù)形成的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)電連接于一有源裝置(例如晶體管 或二極管)或一導(dǎo)線等組件。然而,為了簡(jiǎn)化附圖的目的,此些構(gòu)件并未繪 示于上述附圖中。請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D2,介電層106中形成有一開口 0P,開口 OP向下延伸并 穿過(guò)介電層106,露出部分的催化層104。此時(shí)開口 OP具有一寬度W以及 一深度Dp舉例而言其深寬比(D,: W)約介于2: 1 4.5: 1。在此,第一電 極102可包括鴒、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、多晶硅、鋁或鋁銅合金等材料, 而催化層104則包括鈀、鈷或銅等材料。催化層104的厚度舉例而言則約為 30 100埃,其具有催化后續(xù)選擇性沉積程序的功效。請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D3,接著施行一選擇性沉積程序(未圖標(biāo)),例如為一無(wú)電 電4度(electroless plating)程序,以 <義于開口 OP內(nèi)選擇性地填入一導(dǎo)電材料, 進(jìn)而于開口 OP內(nèi)形成一導(dǎo)電層108。在此,導(dǎo)電層108僅部分填入于開口 OP的底部,并通過(guò)催化層104而電連接于第一電極102。如圖3所示,于開 口 OP內(nèi)部分填入導(dǎo)電層108后,開口 OP此時(shí)深度減少至D2,此時(shí)開口 OP的深寬比(D2: W)舉例而言便縮減成約l: 1 2.25: 1。在此,催化層104 具有催化無(wú)電電鍍程序的功效。如圖3所示,當(dāng)采用無(wú)電電鍍程序形成導(dǎo)電層108時(shí),其將包括如圖3 所示的結(jié)構(gòu)的 一基板或一 芯片浸入于 一化學(xué)槽中通過(guò)氧化還原反應(yīng)以形成 薄膜沉積的一濕法工藝,因而選擇性地于露出的催化層104部分上形成導(dǎo)電 層108。相較于現(xiàn)有的原子層沉積(ALD)技術(shù),采用無(wú)電電鍍程序可具有較 快的薄膜沉積速率以及極佳的填洞能力,并可采用時(shí)間模式控制其沉積結(jié) 果,因而具有提升沉積導(dǎo)電層108產(chǎn)率的功效。在此,導(dǎo)電層108可包括如 CoWP或CoWB等三元導(dǎo)電材料。請(qǐng)參照?qǐng)D4,接著毯覆地施行一薄膜沉積程序(未圖標(biāo)),例如是一化學(xué)氣相沉積(CVD)程序或一物理氣相沉積(PVD)程序,以毯覆地形成一導(dǎo)電材 料110于介電層106上且填滿開口 OP的剩余部分。由于先行于開口 OP內(nèi) 底部形成有部分導(dǎo)電材料而降低開口 OP的深寬比,因此于上述薄膜沉積程 序施行時(shí),可使得于開口 OP內(nèi)所填入的導(dǎo)電材料110部分的沉積品質(zhì)較為 穩(wěn)定,因而降低于開口 OP內(nèi)的導(dǎo)電層IIO部分中形成孔洞或縫隙的可能性。 在此,導(dǎo)電材料110可包括如TiN或TaN的導(dǎo)電材料,其除了當(dāng)作導(dǎo)電構(gòu) 件的一部分外,亦具有防止導(dǎo)電層108內(nèi)的導(dǎo)電材料擴(kuò)散進(jìn)入鄰近的構(gòu)件(如 相變化材料層112)的功效。請(qǐng)參照?qǐng)D5,接著施行一平坦化程序(未圖標(biāo)),例如為一化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP)程序,以移除高出介電層106的導(dǎo)電材料110部分,因而于開口 OP 內(nèi)形成一堆疊于導(dǎo)電層108上的另一導(dǎo)電層110a,且與導(dǎo)電層108形成了一 導(dǎo)電構(gòu)件200,導(dǎo)電層108與110a間具有介于2:1 4.5:1的高度比。在此, 導(dǎo)電構(gòu)件200大體與介電層106共平面。接著,于介電層106上形成一圖案 化的相變化材料層112。在此,相變化材料層112包括硫?qū)倩锘衔?,?如是Ge-Te-Sb三元辟u屬化合物或Te-Sb 二元辟u屬化合物,其形成方式可為 化學(xué)氣相沉積法或?yàn)R鍍法。相變化材料層112此時(shí)亦覆蓋于導(dǎo)電層110a之 上以及部分的介電層106,因而通過(guò)導(dǎo)電構(gòu)件而形成與第一電才及102間的電 連接關(guān)系。請(qǐng)參照?qǐng)D6,接著毯覆地形成一介電層114于介電層106上,并覆蓋了 相變化材料層112, ^^著于介電層114內(nèi)定義出另一開口 OP,,以露出了相 變化材料層112的一部分。接著于開口 OP,內(nèi)填入導(dǎo)電材料,例如是鴒、鈦、 鋁或銅的導(dǎo)電材料,以形成一導(dǎo)電層116并大體完成了本實(shí)施例的相變化存 儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制作。如圖6所示,本發(fā)明提供了一相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中導(dǎo)電構(gòu)件200 作為加熱相變化材料層112的加熱電極之用,其可設(shè)置于位于介電層106內(nèi) 的一較高深寬比的開口內(nèi)(大于2:1的一開口)。由于導(dǎo)電構(gòu)件200通過(guò)兩個(gè) 次構(gòu)件所形成,因而可改善于高深寬比開口內(nèi)所形成的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的沉積表 現(xiàn),可避免制作出具有縫隙或孔洞等不良結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電構(gòu)件,并提供適當(dāng)沉積 速率的薄膜沉積條件。因此,上述結(jié)構(gòu)有利于微型化的相變化存儲(chǔ)裝置的應(yīng) 用。據(jù)本發(fā)明另一實(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。在此,圖7所示存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)大體相似于圖6所示的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中相同標(biāo)記代表了相同的構(gòu)件。于此僅針對(duì)兩結(jié)構(gòu)間不同處加以i^L明。請(qǐng)參照?qǐng)D7,如圖所示的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)此時(shí)采用了銅材質(zhì)的一第一電極 102,,基于氧化還原的原理,可略去催化層104的設(shè)置,而介電層106、導(dǎo) 電構(gòu)件200以及其它構(gòu)件可通過(guò)如圖l-6所示的工藝步驟而制備得到,進(jìn)而 形成如圖7所示的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。此時(shí),導(dǎo)電構(gòu)件200直接電連接第 一電極102,并用于加熱相變化材料層112。雖然本發(fā)明已以實(shí)施例揭露如上,然其并非用以限定本發(fā)明,任何本領(lǐng) 域內(nèi)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn) 飾,因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),包括第一電極,設(shè)置于第一介電層之上;第二介電層,設(shè)置于該第一電極之上;導(dǎo)電構(gòu)件,穿透該第二介電層并電接觸該第一電極,其中該導(dǎo)電構(gòu)件包括依序堆疊于該第一電極之上的下部構(gòu)件與上部構(gòu)件,該下部構(gòu)件與該上部構(gòu)件包括不同的材料;相變化材料層,設(shè)置于該第二介電層之上且電連接該導(dǎo)電構(gòu)件;以及第二電極,設(shè)置于該相變化材料層之上。
2. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中該導(dǎo)電構(gòu)件的該下部 構(gòu)件與該上部構(gòu)件間具有介于2:1 4.5:1的高度比。
3. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中該導(dǎo)電構(gòu)件的該下部 構(gòu)件包括CoWP或CoWB。
4. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中該導(dǎo)電構(gòu)件的該上部 構(gòu)件包括TiN或TaN。
5. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中該相變化材料層包括 硫?qū)倩铩?br> 6. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中該第一電極包括銅。
7. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),更包括一催化層,設(shè)置于 該第一電極與該導(dǎo)電構(gòu)件之間,該導(dǎo)電構(gòu)件通過(guò)該催化層而電連接該第一電極。
8. 如權(quán)利要求7所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中該催化層具有介于 30 100埃的厚度。
9. 如權(quán)利要求7所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中該催化層包括鈀、鈷或銅。
10. 如權(quán)利要求8所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其中該第一電極包括鴒、 鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、多晶硅、鋁或鋁銅合金。
11. 一種相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,包括 提供第一介電層,其上設(shè)置有第一電極; 形成第二介電層于該第一電極之上;于該第二介電層中形成開口,該開口穿透該第二介電層并露出該第一電極的一部分,該開口具有第一深寬比;施行選擇性沉積程序,僅于該開口內(nèi)部分填入第一導(dǎo)電層,該第一導(dǎo)電 層位于為該開口所露出的第一電極上,以降低該開口的該第 一深寬比至第二 深寬比;施行薄膜沉積程序,逸覆地于該第二介電層上沉積導(dǎo)電材料并填滿該開口 ;施行平坦化程序,以移除高出該第二介電層的該導(dǎo)電材料部分,以于該 開口內(nèi)形成第二導(dǎo)電層,該第二導(dǎo)電層堆疊于該第一導(dǎo)電層上;形成相變化材料層于該第二介電層之上,以電連接該第二導(dǎo)電層;以及 形成第二電極于該相變化材料層之上。
12. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該第一 導(dǎo)電層與該第二導(dǎo)電層作為加熱該相變化材料層的加熱電極。
13. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該第一 導(dǎo)電層與該第二導(dǎo)電層具有介于2 :1 4.5 :1的高度比。
14. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該第一 深寬比介于2:1 4.5:1,而該第二深寬比介于1:1 2.25:1。
15. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該相變 化材料層包括硫?qū)倩铩?br> 16. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該第一 導(dǎo)電層包括CoWP或CoWB。
17. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該第二 導(dǎo)電層包括TiN或TaN。
18. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中形成該 第 一導(dǎo)電層的該選擇性沉積程序?yàn)闊o(wú)電電鍍程序。
19. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該第一 電極包括銅。
20. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中在形成 第二介電層于該第一電極之上之前,更包括形成催化層于該第一電極上,該 第一導(dǎo)電層通過(guò)該催化層電連接于該第一電極。
21. 如權(quán)利要求20所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該催化層具有介于30~100埃的厚度。
22. 如權(quán)利要求20所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該催化 層包括鈀、鈷或銅。
23. 如權(quán)利要求22所述的相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制造方法,其中該第一 電極包括鴒、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、多晶硅、鋁或鋁銅合金。
全文摘要
一種相變化存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),包括一第一電極,設(shè)置于一第一介電層之上;一第二介電層,設(shè)置于該第一電極之上;一導(dǎo)電構(gòu)件,穿透該第二介電層并電接觸該第一電極,其中該導(dǎo)電構(gòu)件包括依序堆疊于該第一電極之上的一下部構(gòu)件與一上部構(gòu)件,該下部構(gòu)件與該上部構(gòu)件包括不同的材料;一相變化材料層,設(shè)置于該第二介電層之上且電連接該導(dǎo)電構(gòu)件;以及一第二電極,設(shè)置于該相變化材料層之上。
文檔編號(hào)G11C11/56GK101330126SQ200710112008
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者許宏輝 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
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