專利名稱：具有低程式化電流的相變記憶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有涉及一種相變記憶體，特別是涉及一種具有低程式化電流的相變記憶體的結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
新一代的記憶體裝置相當(dāng)看好相變(phase change)技術(shù)。相變技術(shù)是使用硫族元素(chalcogenide)的半導(dǎo)體化合物來儲(chǔ)存記憶狀態(tài)。硫族元素化合物(也稱為相變材質(zhì))的狀態(tài)包括結(jié)晶狀態(tài)(crystalline)以及非均質(zhì)(amorphous)狀態(tài)。在結(jié)晶的狀態(tài)下，相變材質(zhì)的電阻率較低，而在非均質(zhì)的狀態(tài)下，相變材質(zhì)的電阻率較高。在結(jié)晶狀態(tài)與非均質(zhì)狀態(tài)下，相變材質(zhì)的電阻率的比值大于1000，所以在讀取相變材質(zhì)的記憶狀態(tài)不容易出錯(cuò)。硫族元素半導(dǎo)體化合物在結(jié)晶狀態(tài)與非均質(zhì)狀態(tài)下的某些溫度范圍為穩(wěn)定狀態(tài)，所以可以利用電子脈沖在結(jié)晶狀態(tài)與非均質(zhì)狀態(tài)兩者之間來回地切換。
現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)中，主要是在兩個(gè)電極之間置入相變材質(zhì)來形成相變記憶體。在進(jìn)行寫入操作(亦稱為程式化)時(shí)，通過此兩電極對(duì)記憶體裝置施加電子脈沖，而在讀取操作時(shí)(通過此兩電極)量測(cè)相變材質(zhì)的電阻值。請(qǐng)參閱圖1繪示依據(jù)現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)對(duì)相變記憶體作程式化時(shí)所需溫度與時(shí)間之間的關(guān)系圖。溫度是時(shí)間的函數(shù)。在設(shè)定(set)操作時(shí)，使相變材質(zhì)轉(zhuǎn)換成結(jié)晶狀態(tài)，如線段4所示。執(zhí)行設(shè)定操作所需的脈沖必須將相變材質(zhì)加熱至高于結(jié)晶化溫度Tx但是低于熔化溫度Tm兩溫度之間，并且持續(xù)一段大于結(jié)晶化所需的時(shí)間T2，以使促使結(jié)晶化的過程的產(chǎn)生。如線段2所示，設(shè)定操作使相變材質(zhì)轉(zhuǎn)換成非均質(zhì)狀態(tài)，執(zhí)行重置(reset)操作的脈沖將相變材質(zhì)加熱至高于熔化溫度Tm的溫度。然后很快地在時(shí)間長度t1之內(nèi)將此溫度下降至結(jié)晶化溫度Tx以下。時(shí)間長度t1必須足夠短，以避免產(chǎn)生結(jié)晶化。
相變記憶體必須面臨的重要挑戰(zhàn)之一是較低的程式化電流。為因應(yīng)較低的程式化電流，通常是減小在相變記憶體中導(dǎo)電路徑的接觸面積。請(qǐng)參閱圖2繪示依據(jù)現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)中具有較小接觸區(qū)域的相變記憶體的剖視圖。絕緣層12中設(shè)有溝渠10，導(dǎo)電介面層14覆蓋溝渠10以及絕緣層12，溝渠10中形成間隙壁16，然后在溝渠中沉積相變材質(zhì)18。由于在相變材質(zhì)18與導(dǎo)電介面層14之間的接觸面積17因?yàn)殚g隙壁16的原因而縮小，所以提高了有效電阻值以及降低所需的程式化電流。相變記憶體必須面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是重置的速度，此涉及快速散熱需求的問題，而且重置速度主要是與相變材質(zhì)本身的特性有關(guān)。
請(qǐng)參閱圖3繪示依據(jù)現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)中具有邊緣接觸區(qū)域的相變記憶體的剖視圖。相變材質(zhì)26的接觸區(qū)域24鄰接于導(dǎo)線20的邊緣，由于容易形成相當(dāng)薄的導(dǎo)線20，所以接觸區(qū)域24的面積相當(dāng)?shù)匦。s為0.004μm2，故可以改善電流的密度。
然而現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)仍有許多缺點(diǎn)，包括記憶體裝置的介面區(qū)域會(huì)產(chǎn)生不佳的高密度電流，導(dǎo)致相變材質(zhì)及其鄰近區(qū)域材質(zhì)產(chǎn)生合金化(alloying)現(xiàn)象。因而當(dāng)接觸區(qū)域很小時(shí)，很難控制程式化電流，致使控制電流不正確。而不正確的控制電流在重置過程使記憶狀態(tài)的變得不可靠。因此需要提出一種解決的方法。
由此可見，上述現(xiàn)有技術(shù)對(duì)相變記憶體作程式化在使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)。為了解決現(xiàn)有技術(shù)對(duì)相變記憶體作程式化存在的問題，相關(guān)廠商莫不費(fèi)盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設(shè)計(jì)被發(fā)展完成，而一般產(chǎn)品又沒有適切的結(jié)構(gòu)能夠解決上述問題，此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問題。因此如何能創(chuàng)設(shè)一種新型的具有低程式化電流的相變記憶體，便成為當(dāng)前業(yè)界極需改進(jìn)的目標(biāo)。
有鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)對(duì)相變記憶體作程式化存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造多年豐富的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識(shí)，并配合學(xué)理的運(yùn)用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新型的具有低程式化電流的相變記憶體，能夠改進(jìn)一般現(xiàn)有技術(shù)對(duì)相變記憶體作程式化，使其更具有實(shí)用性。經(jīng)過不斷的研究、設(shè)計(jì)，并經(jīng)過反復(fù)試作樣品及改進(jìn)后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實(shí)用價(jià)值的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)對(duì)相變記憶體作程式化存在的缺陷，而提供一種新型的具有低程式化電流的相變記憶體，所要解決的技術(shù)問題是提供一種相變記憶體使其具有能夠降低其程式化電流。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種相變記憶體，至少包括一位于介電層的導(dǎo)電極；一下電極層，位于該導(dǎo)電極上；以及一相變材質(zhì)，位于該下電極層上；以及一上電極層，位于該相變材質(zhì)上，其中該上電極層及該下電極層的電阻率均大于該相變材質(zhì)于結(jié)晶狀態(tài)時(shí)的電阻率。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的導(dǎo)電極的上表面設(shè)有一第一面積，且該下電極層與該相變材質(zhì)的介面設(shè)有一第二面積，該第二面積與該第一面積的比值大于1。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的比值大于5。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中更包括一位于該介電層上的絕緣層，該絕緣層于該導(dǎo)電極的上表面，且該下電極層位于該絕緣層的中央?yún)^(qū)域。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的絕緣層的材質(zhì)選自空氣以及介電材質(zhì)所組成的族群。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的上電極層的電阻率大于1×10-3Ω·cm。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的上電極層及該下電極層的材質(zhì)選自氮化鈦、氮化鈦鋁、碳以及結(jié)晶材質(zhì)所組成的族群。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的上電極層及該下電極層的厚度介于1nm至50nm之間。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的相變材質(zhì)選自鍺、碲、鎵、銻、銀、錫以及銦所組成的族群。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的相變材質(zhì)于結(jié)晶狀態(tài)時(shí)的電阻率介于1×10-5Ω·cm至5×10-3Ω·cm之間。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的相變材質(zhì)的厚度介于10nm至100nm之間。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，更包括一散熱層，位于該相變材質(zhì)之上。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的散熱層的材質(zhì)選自鈦、鈦鋁金屬、鈦化鎢以及氮化鈦所組成的族群的金屬化合物。
前述的具有低程式化電流的相變記憶體，其中所述的散熱層的厚度介于1nm至80nm之間。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。由以上可知，為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施態(tài)樣，此相變記憶體包括一位于介電層中的導(dǎo)電極、一位于導(dǎo)電極上的下電極層、一位于下電極層上的相變材質(zhì)層以及一位于相變材質(zhì)層上的上電極層。此相變記憶體可另包括一介于相變材質(zhì)層及上電極層之間的散熱層。上電極層及下電極層的電阻率大于相變材質(zhì)層于結(jié)晶狀態(tài)下的電阻率為較佳。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施態(tài)樣，此相變記憶體包括一形成介電層中的導(dǎo)電極，其中導(dǎo)電極具有一上表面、一位于介電層上的絕緣層及一位于絕緣層上的開孔，其中開孔位于導(dǎo)電極上方，且開孔的面積大于導(dǎo)電極上表面。堆疊層填入該開孔內(nèi)。堆疊層包括一位于導(dǎo)電極及介電層上的下電極層、一形成在下電極層上的相變材質(zhì)層、一位于相變材質(zhì)層上的散熱層以及一形成于相變材質(zhì)層上的上電極層。導(dǎo)電極包括一具有第一面積的一上介面。下電極層包括一具有第二面積的上介面與相變材質(zhì)層接觸。第二面積與第一面積的比值以大于1為較佳。
經(jīng)由上述可知，本發(fā)明提供一種相變記憶體以及其制造方法。此相變記憶體包括一位于介電層中的導(dǎo)電極、一位于導(dǎo)電極上的下電極層、一位于下電極層上的相變材質(zhì)層以及一位于相變材質(zhì)層上的上電極層。此相變記憶體可另包括一介于相變材質(zhì)層及上電極層之間的散熱層。上電極層及下電極層的電阻率大于相變材質(zhì)層于結(jié)晶狀態(tài)下的電阻率為較佳。
借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有低程式化電流的相變記憶體至少具有下列優(yōu)點(diǎn)首先，上電極層及下電極層的電阻率越高可使熱量集中，因而降低所需要的程式化的電流。其次是下電極層的上表面積與導(dǎo)電電極的上表面面積的比值較高，可有效減少下電極層與相變材質(zhì)之間的合金化現(xiàn)象。再者，利用舉離的制程技術(shù)以及堆疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而能減少所需要的罩幕數(shù)量。
綜上所述，本發(fā)明新穎的具有低程式化電流的相變記憶體，具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)及實(shí)用價(jià)值，其不論在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或功能上皆有較大改進(jìn)，在技術(shù)上有較大進(jìn)步，并產(chǎn)生了好用及實(shí)用的效果，且較現(xiàn)有的相變記憶體具有增進(jìn)的多項(xiàng)功效，從而更加適于實(shí)用，并具有產(chǎn)業(yè)的廣泛利用價(jià)值，誠為一新穎、進(jìn)步、實(shí)用的新設(shè)計(jì)。
上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。


圖1繪示依據(jù)現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)對(duì)相變記憶體作程式化時(shí)所需溫度與時(shí)間之間的關(guān)系圖。
圖2繪示依據(jù)現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)中具有較小接觸區(qū)域的相變記憶體的剖視圖。
圖3繪示依據(jù)現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)中具有邊緣接觸區(qū)域的相變記憶體的剖視圖。
圖4～7b繪示依據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例中相變記憶體的制造步驟的剖視圖。
圖8及圖9分別繪示依據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例中的樣本電流(I)-電壓(V)的曲線圖10 溝渠 14 導(dǎo)電介面層17 接觸面積 20 導(dǎo)線30 基材 34 下層金屬線38 導(dǎo)電極2 定義絕緣區(qū)域45 堆疊層50 相變材質(zhì)
56 上電極層 65 結(jié)合區(qū)域68、82 實(shí)線線段 72 結(jié)晶狀態(tài)區(qū)域76、78、80、90 路徑 12 絕緣層16 間隙壁18、26 相變材質(zhì)24 接觸區(qū)域 32 絕緣層36 介電層40 圖案層43 開口 48 下電極層52 散熱層64 延伸區(qū)域66 上方區(qū)域 70、84 虛線線段74 非均質(zhì)狀態(tài)區(qū)域具體實(shí)施方式
為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的具有低程式化電流的相變記憶體其具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。
通過
具體實(shí)施例方式
的說明，當(dāng)可對(duì)本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效得一更加深入且具體的了解，然而所附圖式僅是提供參考與說明之用，并非用來對(duì)本發(fā)明加以限制。
請(qǐng)參閱圖4-7b繪示依據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例中相變記憶體的制造步驟的剖視圖。本發(fā)明的實(shí)施例的圖式中，相同的元件符號(hào)表示相同的元件。
請(qǐng)參閱圖4繪示一復(fù)合結(jié)構(gòu)。在基材30上形成絕緣層32且該絕緣層32與后續(xù)形成的記憶體結(jié)構(gòu)之間為電性絕緣?；?0例如可為硅基材或是半導(dǎo)體基材。絕緣層32的材質(zhì)例如可為氧化物，如氧化硅、氮化硅或是介電材質(zhì)。在絕緣層32上形成下層金屬線34。在一較佳實(shí)施例中，下層金屬線34的材質(zhì)例如可為銅金屬或是銅合金，且以鑲嵌(damascene)制程形成之。在另一實(shí)施例中，下層金屬線34的材質(zhì)例如可為鋁或是鎢的導(dǎo)電材質(zhì)。
一導(dǎo)電極38接著形成于下層金屬線上。在一較佳實(shí)施例中，先于下層金屬線34上形成介電層36，接著在介電層36中形成一開口，然后在開口中填入導(dǎo)電材質(zhì)，以形成導(dǎo)電極38。導(dǎo)電極38的材質(zhì)例如可為鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、鈦鋁金屬(AlTi)以及銅鋁(AlCu)的導(dǎo)電金屬，且電阻率以低于1×10-5Ω·cm為較佳。
在較佳實(shí)施例中，以介電材質(zhì)或是空氣所形成的定義絕緣區(qū)域(insulation-defining region)42使一部分的記憶體裝置與介電層36形成熱絕緣。定義絕緣區(qū)域42的結(jié)構(gòu)如圖5a所示。定義絕緣區(qū)域42的材質(zhì)例如可為氧化硅、氮化硅。定義絕緣區(qū)域42設(shè)有一開口43，并且該開43曝露出一部分的介電層。
圖案層40環(huán)繞一欲形成記憶體的區(qū)域，例如以光阻、聚亞酰胺(polyimide)/鉬、無機(jī)介電層/光阻來形成圖案層40。較佳實(shí)施例中，圖案層40的材質(zhì)為光阻以較佳以丙酮移除(以亦稱作舉離制程lift off)因此，欲形成圖案層40的厚度T大于接下來形成的堆疊層為較佳。使用舉離制程(lift off)的好處之一就是只需要很少的罩幕即可進(jìn)行。在其他實(shí)施例中，使用微影技術(shù)來定義記憶體裝的外圍邊界，而不使用舉離制程。
記憶體單元的主要結(jié)構(gòu)是由堆疊層45組成。請(qǐng)參閱圖6a繪示堆疊層45的結(jié)構(gòu)，主要包括下電極層48、相變材質(zhì)50、散熱層52以及上電極層56。在一較佳實(shí)施例中，這些材質(zhì)層可于具有多重反應(yīng)室的物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)系統(tǒng)中形成。在其他較佳實(shí)施例中，這些材質(zhì)層是以低溫濺鍍制程形成堆疊層45的結(jié)構(gòu)。
為了要形成堆疊層45，下電極層48(亦稱為加熱電極)首先形成于前述結(jié)構(gòu)的上方。在一較佳實(shí)施例中，下電極層48的材質(zhì)例如可為氮化鋁鈦(TiAlN)，厚度介于約1nm至50nm之間，但介于約10nm至20nm之間為較佳。另一實(shí)施例中，下電極層48的材質(zhì)例如可為氮化鈦(TiN)、鈦鋁金屬(TiAl)或是含碳的材質(zhì)，或是結(jié)晶材質(zhì)。又一實(shí)施例中，下電極層48例如可為多重材質(zhì)層結(jié)構(gòu)。下電極層48穩(wěn)固地粘著于導(dǎo)電極38以及介電層36，使得當(dāng)執(zhí)行舉離制程，下電極層48以及其覆蓋層不會(huì)受到影響。下電極層下電極層下電極層下電極層下電極層下電極層下電極層相變材質(zhì)50(有時(shí)也稱作硫族元素材質(zhì))形成于下電極層48上。相變材質(zhì)50的材質(zhì)例如可為位于下電極層48的硫族元素(chalcogenide)半導(dǎo)體化合物，如鍺-銻-碲(GeXSbYTeZ)化合物，其中X的值為2、Y的值為2以及Z的值為5，相變材質(zhì)50的厚度介于約10nm至100nm之間，但以介于40nm至80nm為較佳。在非均質(zhì)狀態(tài)的電阻率高于結(jié)晶狀態(tài)的電阻率約5個(gè)階數(shù)(order)。在一實(shí)施例中，非均質(zhì)狀態(tài)的電阻率約介于1Ω·cm至1×102Ω·cm之間，而結(jié)晶狀態(tài)的電阻率約介于1×10-5Ω·cm至5×10-3Ω·cm之間。相變材質(zhì)50力如可為鍺-銻-碲-M(GeXSbYTeZM)，其中M的材質(zhì)可為銀(Ag)、錫(Sn)以及銦(In)金屬。相變材質(zhì)50通過介面面積A2與下電極層48接觸，而且為了使電流均勻散布，面積A2大于導(dǎo)電極38的上表面積Ap。
下電極層48的電阻率以大于5×10-3Ω·cm為較佳，且電阻率以高于或最少能相當(dāng)于后續(xù)形成的相變材質(zhì)50于結(jié)晶狀態(tài)下的電阻率為較佳。而且，下電極層48的電阻值以高于導(dǎo)電極38一個(gè)階數(shù)(order)為較佳，兩個(gè)階數(shù)(order)為更佳。當(dāng)導(dǎo)電極38不產(chǎn)生熱量，下電極層48的作用就像是加熱電極一樣。在一較佳實(shí)施例中，下電極層48包括一物理層沉積形成的氮化鋁鈦(TiAlN)，電極48的電阻率因而可以藉由氮?dú)宓谋戎祦碚{(diào)整。高濃度的氮會(huì)造成高電阻率。下電極層48通過介面46的面積A1而與導(dǎo)電極38以及介電層36互相接觸。面積A1大于導(dǎo)電極38的上表面積Ap，且A1與Ap的比值越大，越能避免相變材質(zhì)50以及下電極層48兩者之間的合金化現(xiàn)象。在一較佳實(shí)施例中，A1與Ap的比值大于1較佳，但以大于5較佳。下電極層48的有一對(duì)很靠近的頂面區(qū)域及底面區(qū)域?yàn)檩^佳。
在相變材質(zhì)層50上接著形成散熱層52。在重置操作過程中，相變材質(zhì)層50中的熱量利用散熱層52消散出去，使得相變材質(zhì)層50的溫度快速下降。散熱層52的材質(zhì)例如可為金屬氮化物、或是金屬化合物，且具有較佳的熱導(dǎo)電率以及電性導(dǎo)電率。散熱層52的材質(zhì)例如可為鈦鋁金屬，或是鈦、鈦化鎢、氮化鈦所組成的族群。散熱層52的材質(zhì)例如可為鋁鈦(TiAl)。散熱層52的厚度介于1nm至80nm之間，以20nm為較佳。
增加散熱層52使上電極層得以藉由其熱控制相變材質(zhì)層更好。如果不需要過多熱量，可以增加散熱層52厚度或減低散熱層52導(dǎo)熱系數(shù)方式來達(dá)成。
在散熱層52上接著形成上電極層56。上電極層56的材質(zhì)例如可為氮化鋁鈦(TiAlN)，且厚度介于約1nm至50nm之間，但以介于約10nm至20nm為較佳。上電極層56的材質(zhì)與下電極層48的材質(zhì)相似(雖然兩者可以是不同的材料)，因而也有相近的電阻率。在一較佳實(shí)施例中，上電極層56的電阻率約大于1×10-3Ω·cm，但以大于5×10-3Ω·cm為較佳。在一較佳實(shí)施例中，上電極層56上電極層的材質(zhì)例如可為氮化鈦鋁。在其他的較佳實(shí)施例中，上電極層56的材質(zhì)例如可為氮化鈦或其他包括碳、硅的材料。
下電極層48、相變材質(zhì)50、散熱層52以及上電極層56能一層層覆蓋且圖案化以形成為較佳。上電極層下電極層圖7a繪示使用丙酮移除圖案層40的結(jié)構(gòu)，并且將圖案層40上的堆疊層移除。
請(qǐng)參閱圖5b至圖7b繪示本發(fā)明的另一實(shí)施例。在圖5b中，于介電層36上形成材質(zhì)為光阻的圖案層40，在圖案層40中形成一開口43并且曝露出導(dǎo)電極38。圖6b繪示在開口43中以及圖案層40上形成堆疊層45，堆疊層45的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如前所述。然后移除圖案層40，以形成圖7所示的結(jié)構(gòu)。移除圖案層40將形成凹型區(qū)域43。形成內(nèi)介電層(inter-layer dielectric，ILD)之后，凹型區(qū)域43仍留在最終的結(jié)構(gòu)之內(nèi)，形成以空氣為絕緣材質(zhì)的絕緣體。由于空氣的熱導(dǎo)電率僅為現(xiàn)有習(xí)知氧化物或是氮化物的電阻率的十分之一，所以在熱量消散受限的應(yīng)用領(lǐng)域中，空氣是相當(dāng)理想的熱絕緣體。
堆疊層45的設(shè)計(jì)已考量重置操作過程中加熱和散熱的平衡。在一設(shè)置操作中(當(dāng)相變材質(zhì)50處于非均質(zhì)狀態(tài))，相變材質(zhì)50因其非均質(zhì)狀態(tài)的高電阻率而為堆疊層45中主要產(chǎn)生熱量的地方。一個(gè)快速的設(shè)置操作制程因而可以達(dá)成。在一重置操作中(當(dāng)相變材質(zhì)50處于結(jié)晶狀態(tài))，上、下電極層因其電阻率高于結(jié)晶狀態(tài)下相變材質(zhì)而為堆疊層45中主要產(chǎn)生熱量的地方。在現(xiàn)有習(xí)知的設(shè)計(jì)中，上、下電極層的電阻率均低于結(jié)晶狀態(tài)下相變材質(zhì)，而使相變材質(zhì)為堆疊層中主要產(chǎn)生熱量的地方。由上述可知，相變材質(zhì)及上、下電極層的高電阻率，本發(fā)明較佳實(shí)施例的可較現(xiàn)有習(xí)知的設(shè)計(jì)產(chǎn)生更多的熱量。所以，本發(fā)明能提供相變記憶體一低電流密度及一快速的重置操作制程。
在一重置操作中，快速加熱一結(jié)晶狀態(tài)下的相變材質(zhì)到達(dá)一融溶狀態(tài)是重要的。此外，快速冷卻相變材質(zhì)融溶液體溫度以避免結(jié)晶的產(chǎn)生也是重要的。散熱層52因而設(shè)計(jì)于堆疊層中以平衡加熱和散熱效果。散熱層52因其電阻率低于相變材質(zhì)50，而為重置操作中產(chǎn)生熱量少于相變材質(zhì)50。上電極層于重置操作中協(xié)助控制相變材質(zhì)的加熱(如以上所討論)，可藉由調(diào)整散熱層52的厚度及熱導(dǎo)系數(shù)來達(dá)成。當(dāng)重置操作結(jié)束而需要快速散熱時(shí)，散熱層52也可以協(xié)助散熱。
在平衡熱量添加與下電極層48、相變材質(zhì)50、散熱層52以及上電極層56的散熱能力，具有低重置電流密度的相變相變記憶體是可達(dá)成的。更低的重置電流密度更可藉由精密調(diào)整上述層的厚度來達(dá)成。
本發(fā)明的實(shí)施例已進(jìn)行的設(shè)定-重置操作測(cè)試達(dá)106次以上，脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的電壓脈沖的周期寬度介于5ns至300ns之間，且電壓的振幅介于0.5V至5V之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示下電極層的材質(zhì)以及相變材質(zhì)具有極大的影響。當(dāng)使用適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)，程式化的電流密度大幅降低。
測(cè)試樣本包括依照本發(fā)明結(jié)構(gòu)的樣本1及樣本2。在以舉離制程準(zhǔn)備的樣本1中，相變材質(zhì)50包括鍺-銻-碲-錫，而上電極層及下電極層包括氮化鋁鈦。散熱層的材料是鋁鈦金屬。上電極層及下電極層的電阻率均為約1.4×10-2Ω·cm，而相變材質(zhì)的電阻率約為8×10-5Ω·cm。下電極層48、相變材質(zhì)50、散熱層52以及上電極層56的厚度分別為100nm、400nm、200nm及100nm。下電極層48及相變材質(zhì)50之間的接觸面積直徑約為60μm。導(dǎo)電極38的上表面的面積直徑約為0.26μm。
樣本2與樣本1的除了部份尺寸的差異外，其余的條件都很類似。樣本2需一濕蝕刻制程來準(zhǔn)備。在樣本2中，下電極層48、相變材質(zhì)50、散熱層52以及上電極層56的厚度分別為200nm、800nm、200nm及200nm。下電極層48及相變材質(zhì)50之間的接觸面積直徑約為3μm。導(dǎo)電極38的上表面的面積直徑約為0.26μm。上電極層及下電極層的電阻率均為約1×10-5Ω·cm，而相變材質(zhì)(亦包括鍺-銻-碲-錫)的電阻率約為8×10-5Ω·cm。
以下表一顯示利用現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)以及本發(fā)明實(shí)施例計(jì)算所得的電流密度值。「電流密度值」為程式化重置電流(mA)除以主動(dòng)區(qū)域的面積(μm2)，其中「主動(dòng)區(qū)域」的面積是導(dǎo)電極的上表面所定義的接觸面積。
表一現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)與本發(fā)明實(shí)施例的電流密度值的比較

由上述的圖表可知，樣本1和樣本2均可在比現(xiàn)有習(xí)知技術(shù)低的電流密度下進(jìn)行重置操作。樣本1具有比樣本2低的重置電流，部份因?yàn)槠湎码姌O層與相變材質(zhì)之間介面與導(dǎo)電極的上表面的面積比較大的緣故。
請(qǐng)參閱圖8及圖9分別繪示重置操作時(shí)的樣本1和樣本2的電流(I)-電壓(V)的曲線圖，其中X軸表示施加于樣本的電壓，而X軸表示通過樣本的電流。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種相變記憶體，其特征在于其至少包括一位于介電層的導(dǎo)電極；一下電極層，位于該導(dǎo)電極上；以及一相變材質(zhì)，位于該下電極層上；以及一上電極層，位于該相變材質(zhì)上，其中該上電極層及該下電極層的電阻率均大于該相變材質(zhì)于結(jié)晶狀態(tài)時(shí)的電阻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的導(dǎo)電極的上表面設(shè)有一第一面積，且該下電極層與該相變材質(zhì)的介面設(shè)有一第二面積，該第二面積與該第一面積的比值大于1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的比值大于5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變記憶體，其特征在于其中更包括一位于該介電層上的絕緣層，該絕緣層于該導(dǎo)電極的上表面，且該下電極層位于該絕緣層的中央?yún)^(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的絕緣層的材質(zhì)選自空氣以及介電材質(zhì)所組成的族群。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的上電極層的電阻率大于1×10-3Ω·cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的上電極層及該下電極層的材質(zhì)選自氮化鈦、氮化鈦鋁、碳以及結(jié)晶材質(zhì)所組成的族群。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的上電極層及該下電極層的厚度介于1nm至50nm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的相變材質(zhì)選自鍺、碲、鎵、銻、銀、錫以及銦所組成的族群。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的相變材質(zhì)于結(jié)晶狀態(tài)時(shí)的電阻率介于1×10-5Ω·cm至5×10-3Ω·cm之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的相變材質(zhì)的厚度介于10nm至100nm之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變記憶體，其特征在于其更包括一散熱層，位于該相變材質(zhì)之上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的散熱層的材質(zhì)選自鈦、鈦鋁金屬、鈦化鎢以及氮化鈦所組成的族群的金屬化合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的相變記憶體，其特征在于其中所述的散熱層的厚度介于1nm至80nm之間。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種具有低程式化電流的相變記憶體，此相變記憶體包括一位于介電層中的導(dǎo)電極、一位于導(dǎo)電極上的下電極層、一位于下電極層上的相變材質(zhì)層以及一位于相變材質(zhì)層上的上電極層。此相變記憶體可另包括一介于相變材質(zhì)層及上電極層之間的散熱層。上電極層及下電極層的電阻率大于相變材質(zhì)層于結(jié)晶狀態(tài)下的電阻率為較佳。本發(fā)明降低了所需要的程式化的電流。其次是下電極層的上表面積與導(dǎo)電電極的上表面面積的比值較高，可有效減少下電極層與相變材質(zhì)之間的合金化現(xiàn)象。再者，利用舉離的制程技術(shù)以及堆疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而能減少所需要的罩幕數(shù)量。
文檔編號(hào)H01L27/24GK1953228SQ20061005958
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者賴?yán)韺W(xué), 鄧端理, 林文欽, 游騰健, 蔡蕙芳, 王成翔, 王式禹 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司, 錸德科技股份有限公司