相变存储装置及其制造方法

摘要

一种降低加热电极与相变材料层间接触面积的方法，包括下列步骤：提供第一介电层，其内埋设有加热电极，该加热电极具有高出该第一介电层表面的露出部，该加热电极具有第一直径；施行氧化程序，以在该加热电极所露出的该露出部的顶面与侧壁上形成氧化物层，并缩减该露出部的尺寸至第二直径，该第二直径小于该第一直径；移除部分的该氧化物层，以露出该加热电极的该露出部的顶面并在该露出部的侧壁上留下氧化物间隔物；以及在该加热电极的该露出部上形成相变材料层，该相变材料层至少接触该露出部与该氧化物间隔物的顶面。

权利要求

1.一种相变存储装置，包括：

底电极，位于基底上；

第一介电层，位于该底电极之上；

加热电极，埋置于该第一介电层内并部分突出于该第一介电层，其中该 加热电极包括：本征部，埋置于该第一介电层内，具有第一直径；

缩减部，堆叠于该本征部上，具有小于该第一直径的第二直径；以及氧化物间隔物，堆叠于该本征部上并环绕包覆该缩减部的侧壁；

相变材料层，设置于部分的该第一介电层上并包覆该加热电极，其中该 相变材料层接触了该加热电极的该缩减部的一顶面；以及顶电极，位于该相变材料层上并接触该相变材料层。

2.如权利要求1所述的相变存储装置，其中该加热电极的该缩减部的该 第二直径介于5～1000埃。

3.如权利要求1所述的相变存储装置，其中该加热电极的该缩减部依轴 心方向堆叠于该加热电极的该本征部上。

4.如权利要求1所述的相变存储装置，其中该加热电极的该缩减部的一 侧壁与该相变材料层间为该氧化物间隔物所分隔。

5.如权利要求1所述的相变存储装置，其中该加热电极的该缩减部的底 面低于该第一介电层的顶面。

6.如权利要求1所述的相变存储装置，还包括第二介电层，位于该第一 介电层上并环绕该相变材料层的侧壁，而该顶电极位于该第二介电层之上。

7.如权利要求1所述的相变存储装置，其中该相变材料层包括硫属化合 物。

8.一种相变存储装置的制造方法，包括下列步骤：提供基底，其上设置有第一导电层；

在该第一导电层与该基底上形成第一介电层；

在该第一介电层的一部中形成加热电极，该加热电极穿透该第一介电层 而接触了该第一导电层；

施行第一蚀刻程序，以缩减该第一介电层的厚度并部分露出该加热电极 的一部；

施行氧化程序，以氧化该加热电极，且在该加热电极所露出的该部的顶 面与侧壁上形成氧化物层，并通过该氧化程序缩减突出于该第一介电层的该 加热电极的部分直径；

施行第二蚀刻程序，以移除部分的该氧化物层，露出突出于该第一介电 层的该部的顶面的该加热电极并在该部的侧壁上留下氧化物间隔物；

在该第一介电层上的一部形成相变材料层，该相变材料层包覆了该加热 电极与该氧化物间隔物，其中该相变材料层接触了突出于该第一介电层的该 部的该顶面的该加热电极；以及在该相变材料层上形成第二导电层并接触该相变材料层。

9.如权利要求8所述的相变存储装置的制造方法，其中该氧化程序在介 于500～1000℃的温度下施行1～600分钟。

10.如权利要求8所述的相变存储装置的制造方法，其中该氧化程序缩减 该加热电极的直径至介于5～1000埃。

11.如权利要求8所述的相变存储装置的制造方法，其中该加热电极的材 料为经掺杂的硅、经掺杂的硅锗、氮化钛或钨化钛。

12.如权利要求8所述的相变存储装置的制造方法，其中该氧化物间隔物 的底面低于该第一介电层的顶面。

13.如权利要求8所述的相变存储装置的制造方法，其中该氧化物层具有 倒U形的外形。

14.如权利要求8所述的相变存储装置的制造方法，其中该相变材料层包 括硫属化合物。

15.一种相变存储装置的制造方法，包括下列步骤：提供基底，其上设置有第一导电层；

在该第一导电层与该基底上形成第一介电层；

在该第一介电层的一部中形成加热电极，该加热电极穿透该第一介电层 而接触了该第一导电层；

施行第一蚀刻程序，以缩减该第一介电层的厚度并部分露出该加热电极 的一部；

施行氧化程序，以氧化该加热电极，且在该加热电极所露出的该部的顶 面与侧壁上形成第一氧化物层，并通过该氧化程序缩减突出于该第一介电层 的该加热电极的部分直径；

在该第一介电层上形成第二介电层，并包覆该第一氧化物层；

施行平坦化程序，以移除部分的该第二介电层与该氧化物层，进而露出 该加热电极所露出的该部的该顶面并在该部的侧壁上留下第二氧化物层；

在该第二介电层上的一部形成相变材料层，该相变材料层仅接触该电极 与该氧化物层的顶面；以及在该相变材料层上形成第二导电层并接触该相变材料层。

16.如权利要求15所述的相变存储装置的制造方法，其中该氧化程序在 介于500～1000℃的温度下施行1～600分钟。

17.如权利要求16所述的相变存储装置的制造方法，其中该氧化程序缩 减突出于该第一介电层的该加热电极的该部的直径至介于5～1000埃。

18.如权利要求16所述的相变存储装置的制造方法，其中该加热电极的 材料为经掺杂的硅、经掺杂的硅锗、氮化钛或钨化钛。

19.如权利要求16所述的相变存储装置的制造方法，其中该氧化物间隔 物的底面低于该第一介电层的顶面。

20.如权利要求16所述的相变存储装置的制造方法，其中该第一氧化物 层具有倒U形的外形。

21.如权利要求16所述的相变存储装置的制造方法，其中该相变材料层 包括硫属化合物。

22.一种降低加热电极与相变材料层间接触面积的方法，包括下列步骤：提供第一介电层，其内埋设有加热电极，该加热电极具有高出该第一介 电层表面的露出部，该加热电极具有第一直径；

施行氧化程序，以氧化该加热电极，且在该加热电极所露出的该露出部 的顶面与侧壁上形成氧化物层，并缩减该露出部的尺寸至第二直径，该第二 直径小于该第一直径；

移除部分的该氧化物层，以露出该加热电极的该露出部的顶面并在该露 出部的侧壁上留下氧化物间隔物；以及在该加热电极的该露出部上形成相变材料层，该相变材料层至少接触该 露出部与该氧化物间隔物的顶面。

23.如权利要求22所述的降低加热电极与相变材料层间接触面积的方 法，其中移除部分的该氧化物层通过蚀刻方式实现。

24.如权利要求22所述的降低加热电极与相变材料层间接触面积的方 法，在移除部分的该氧化物层之前，还包括在该第一介电层上形成第二介电 层的步骤，该第二介电层并覆盖了该氧化物层以及该加热电极的露出部。

25.如权利要求24所述的降低加热电极与相变材料层间接触面积的方 法，其中移除部分的该氧化物层通过化学机械抛光方法实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种存储器装置，而特别涉及一种相变存储装置及其制造方 法。

背景技术

相变存储器具有非易失性、高读取信号、高密度、高擦写次数以及低工 作电压/电流的特质、是相当有潜力的非易失性存储器。其中提高存储密度、 降低工作电流是重要的技术指标。
相变材料至少可呈现两种固态，包括结晶态及非结晶态，一般利用温度 的改变来进行两态之间的转换，由于非结晶态混乱的原子排列而具有较高的 电阻，因此通过简单的电性测量即可轻易区分出相变材料的结晶态与非结晶 态。由于相变材料的相转变为一种可逆反应，因此相变材料用来当作存储器 材料时，是通过非结晶态与结晶态两态之间的转换来进行存储，也就是说存 储位阶(0、1)是利用两态间电阻的差异来区分。
请参照图1，部分显示了一种已知相变存储单元结构的剖面情形。如图 1所示，相变存储单元结构包括了硅基底10，其上设置有如铝或钨材料的底 电极12。在底电极12上则设置有介电层14。介电层14的一部内设置有加 热电极16，在介电层14上则堆叠有图案化的相变材料层20。图案化的相变 材料层20设置于形成于介电层14上的另一介电层18内，而相变材料层20 的底面则部分接触加热电极12。在介电层18上则设置有另一介电层24。在 介电层24内设置有顶电极22，顶电极22部分覆盖了介电层24且部分的顶 电极22穿透了介电层24，因而接触了其下方的相变材料层20。
在写入模式时，加热电极16将产生电流以加热介于相变材料层20与加 热电极16间的界面，进而视流经加热电极16的电流量与时间长短而使得相 变材料层20的一部(未显示)转变成非晶态相或结晶态相。
如图1所示的已知相变存储单元结构具有以下缺点，在写入模式时由于 需要极大的重置电流(reset current)以成功地转变相变材料的相态，因此为了 能将重置电流降低又能产生相变反应，所使用的方法之一为降低加热电极16 与相变材料层20的接触面积，例如是通过降低加热电极16的直径D0实现， 进而使得电流密度得以维持或提高。
然而，加热电极16的直径D0仍受限于目前光刻工艺的能力，进而使得 其缩小程度为的受限，故无法进一步提供加大电流密度的解决方案，因而不 利于相变存储单元结构的微缩。
因此，便需要一种相变存储装置及其制造方法，以解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种相变存储装置及其制造方法，以解决上述 的已知问题。再者。本发明亦提供了一种降低加热电极与相变材料层间接触 面积的方法。
依据一实施例，本发明的相变存储装置，包括：
底电极，位于基底上；第一介电层，位于该底电极之上；加热电极，埋 置于该第一介电层内并部分突出于该第一介电层，包括：埋置于该第一介电 层内的本征部，该本征部具有第一直径以及堆叠于该本征部上的一缩减部， 该缩减部具有小于该第一直径的第二直径，以及堆叠于该本征部上并环绕包 覆该缩减部的侧壁的氧化物间隔物；相变材料层，设置于部分的该第一介电 层上并包覆该加热电极，其中该相变材料层接触了该加热电极的该缩减部的 顶面；以及一顶电极，位于该相变材料层上并接触该相变材料层。
依据一实施例，本发明的相变存储装置的制造方法，包括下列步骤：
提供基底，其上设置有第一导电层；在该第一导电层与该基底上形成第 一介电层；在该第一介电层的一部中形成加热电极，该加热电极穿透该第一 介电层而接触了该第一导电层；施行第一蚀刻程序，以缩减该第一介电层的 厚度并部分露出该加热电极的一部；施行氧化程序，以在该加热电极所露出 的该部的顶面与侧壁上形成氧化物层；施行第二蚀刻程序，以移除部分的该 氧化物层，露出突出于该第一介电层的该部的顶面的该加热电极并在该部的 侧壁上形成氧化物间隔物；在该第一介电层上的一部形成相变材料层，该相 变材料层包覆了该加热电极与该氧化物间隔物，其中该相变材料层接触了突 出于该第一介电层的该部的该顶面的该加热电极；以及在该相变材料层上形 成第二导电层并接触该相变材料层。
依据另一实施例，本发明的相变存储装置的制造方法，包括下列步骤：
提供基底，其上设置有第一导电层；在该第一导电层与该基底上形成第 一介电层；在该第一介电层的一部中形成加热电极，该加热电极穿透该第一 介电层而接触了该第一导电层；施行第一蚀刻程序，以缩减该第一介电层的 厚度并部分露出该加热电极的一部；施行氧化程序，以在该加热电极所露出 的该部的顶面与侧壁上形成第一氧化物层；在该第一介电层上形成第二介电 层，并包覆该第一氧化物层；施行平坦化程序，以移除部分的该第二介电层 与该氧化物层，进而露出该加热电极所露出的该部的该顶面并在该部的侧壁 上留下第二氧化物层；在该第二介电层上的一部形成相变材料层，其中该相 变材料层仅接触该加热电极与该氧化物层的顶面；以及在该相变材料层上形 成第二导电层并接触该相变材料层。
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特 举一优选实施例，并配合所附图示，作详细说明如下

附图说明

图1为一剖面图，显示了已知相变装置存储单元；
图2～8为一系列剖面图，显示了依据本发明一实施例的相变存储装置的 制造方法；以及
图9～12为一系列示意图，显示了依据本发明另一实施例的相变存储装 置的制造方法。
附图标记说明
10～硅基底；
12～底电极；
14～介电层；
16～加热电极；
18～介电层；
20～相变材料层；
22～顶电极；
24～介电层；
D0～加热电极的直径；
100～基底；
102～导电层；
104～介电层；
104b～经厚度缩减的介电层；
106～开口；
108～导电电极；
108a～导电电极的本征部；
108b～导电电极的缩减部；
110～蚀刻程序；
112～氧化程序；
114～氧化物层；
114a～氧化物间隔物；
114b～氧化物层；
116～蚀刻程序；
120～导电电极的缩减部的顶面；
122～相变材料层；
124～介电层；
126～导电层；
140～介电层；
140a～经缩减的介电层；
142～相变材料层；
144～介电层；
146～导电层；
H～导电电极的露出部分的高度；
D1～导电电极的本征部的直径；
D2～导电电极的缩减部的直径。

具体实施方式

本发明的相变存储装置及其制造方法的实施例将配合下文及图2～12的 图示而加以解说，其中图2～8绘示了本发明第一实施例的相变存储装置的制 造方法，而他9～12则绘示了本发明第二实施例的相变存储装置的制造方法。
第一实施例：
请参照图2，首先提供基底100，例如是硅基底的半导体材料的基底， 在基底100上可设置有如晶体管或二极管以及介电层等元件与膜层。为了简 化图示起见，在此基底100仅绘示为平整基底而未绘示出形成于其上的膜层 与元件。
请参照图3，接着在基底100上形成一层导电材料并通过后续的光刻与 蚀刻工艺(未显示)将其图案化，因而在基底100上形成导电层102。导电层 102的材料可为多晶硅、铝、钨等导电材料。导电层102作为底电极之用。
请参照图3，接着在导电层102上坦覆地形成介电层104，介电层104 的材料例如为硼磷硅酸盐玻璃(Borophosphosilicate glass，BPSG)、氧化硅或 旋涂玻璃(spin on glass、SOG)、氮化硅，其可通过物理气相沉积或旋转涂布 等方法所形成。接着利用光刻与蚀刻等工艺(未显示)的实施以定义介电层104 的一部，因而形成穿透介电层104的开口106，开口106则部分露出了下方 的导电层102。
请继续参照图3，接着在介电层104上坦覆地沉积一层导电材料并填满 开口106，并利用如化学机械抛光工艺的平坦化程序(未显示)的施行，以除 去高于介电层104的导电材料部分，因而在开口106内留下的导电电极108， 并露出导电电极108的顶面。在此，导电电极108的材料例如为经掺杂的硅 材料、经掺杂的硅锗(SiGe)材料、钨化钛(TiW)或氮化钛(TiN)等导电材料。
请参照图4，接着针对介电层104施行蚀刻程序110，以移除部分的介 电层104，如采用虚线表示的部分。在蚀刻程序110施行完毕后，将部分露 出导电电极108并留下经厚度缩减的介电层104b。在此，导电电极108的露 出部分大体具有介于10～5000埃的高度H，高度H优选地介于100～4000埃。 另外，导电电极108具有直径D1，此直径D1则视用于形成图3内的开口 106的光刻工艺能力而定。导电电极108作为加热后续形成的相变材料层的 加热电极之用。
请参照图5，接着施行氧化程序112，以部分氧化导电介层物108的露 出部分，因而在露出的导电电极108的表面形成了一层氧化物层114，其包 覆了导电电极108露出部的顶面与侧壁并进而向下延伸至低于介电层104b 表面的部分。如图5所示，此时导电电极108则包括了两个主要部分，即为 尺寸经过缩减的缩减部108b以及尺寸未经缩减的本征部108a。缩减部108b 的顶面与侧壁部分为氧化层114所完整包覆，而本征部108a则仍埋设于介 电层104b内而未受上述氧化程序112的影响。此外，缩减部108b大体依轴 心方向堆叠于本征部上108a上，且缩减部108b的底面略低于介电层104b 的顶面。氧化程序112例如为炉管氧化程序，其施行温度约介于500 ～1000℃，施行时间则约介于1～600分。氧化程序112的施行温度与时间则 视所使用的导电电极108材料而可稍作更动，并非以上述施行条件为限。通 过氧化程序112的施行，导电电极108的缩减部108b可因而具有小于位于 其下方的本征部108a的直径D1的直径D2。在此，D2可视工艺所需而具有 介于5～1000埃的直径。
请参照图6，接着施行蚀刻程序116，以回蚀刻氧化层114，进而露出导 电电极108的缩减部108b的顶面120，开于缩减部108b的侧壁上留下了氧 化物间隔物(oxide spacer)114a。
请参照图7，接着在介电层104b上坦覆地形成一层相变材料并覆盖了导 电电极108的缩减部108b与氧化物间隔物114a。接着利用光刻与蚀刻程序 (皆未显示)的施行，以定义上述相变材料，以在介电层104b上形成图案化的 相变材料层122。如图7所示，相变材料层122亦包覆了导电介层物108的 缩减部108b，但其仅接触了缩减部108b的顶面且与缩减部108b的一侧壁间 为氧化物间隔物114a所分隔。相变材料层122的材料例如为硫属化合物， 例如是Ge-Sb-Te三元硫属化合物或Te-Sb二元硫属化合物。
请参照图8，接着在介电层104b上形成介电层124并坦覆地覆盖了位于 介电层104b上的相变材料层122的顶面。接着通过后续的光刻与蚀刻程序 (皆未显示)定义介电层124的一部，并于该部内形成开口OP1。开口OP则 露出了相变材料层122的一部。介电层124的材料例如为氧化硅、氮化硅或 旋涂玻璃(spin on glass、SOG)，其可通过物理气相沉积或旋转涂布等方法所 形成。接着于介电层124上坦覆地形成一层导电材料并填满形成于介电层 124内的开口OP1，并通过后续的光刻与蚀刻程序(皆未显示)以定义此层导 电材料，进而形成了导电层126，以作为顶电极之用。导线126的一部穿透 了介电层124而接触了相变材料层122，其材料例如为铝、钨等导电材料。
相较如图1所示的已知相变存储单元结构，在本实施例内的相变存储装 置中加热电极的直径已通过氧化方式而适度缩减，进而达成缩减相变材料层 与加热电极间的接触面积，因而具有提升了供应的相变材料层的电流密度以
及降低将相变材料层内的相变材料由结晶相转变成为非晶相的一重置电流 (reset current)等功效。本实施例的制造方法不具备如已知相变存储单元结构 的制造方法中受限于光刻工艺能力的问题，而可将氧化方式应用于其它类型 或工艺型态的相变存储装置的工艺中，以进一步缩减加热电极与相变材料层 间的接触面积。
第二实施例：
图9～12为一系列示意图，显示了依据本发明第二实施例的相变存储装 置的制造方法。本实施例为第一实施例的变化例，其中部分工艺步骤相同于 第一实施例，在此仅绘示出不同的步骤，以简化图示，而相同于第一实施例 内的构件亦标示为相同的标号。
请参照图9，通过如第一实施例中图2～5所描述工艺的施行，以提供如 图5所示的结构作为起始结构。接着在此起始结构上坦覆地形成介电层140， 以平坦化整体表面。如图9所示。在介电层104b上形成介电层140并包覆 了氧化物层114，而导电电极108此时包括了缩减部(reduced portion)108b以 及本征部(intrinsic portion)108a，分别具有直径D2与D1。
请参照图10，借着施行一平坦化程序(未显示)，例如是一化学机械抛光 (CMP)程序或一回蚀刻(etch-back)程序，以移除高于导电电极108的缩减部 108b表面的氧化物层与介电层等部分，进而露出了缩减部108b的顶面并于 其侧壁上留下一氧化物层114b，以及留下一厚度缩减的介电层140a。
请参照图11，接着在介电层140a上坦覆地形成一层相变材料，以覆盖 导电电极108的缩减部108b、氧化物间隔物114b以及介电层140a。接着利 用光刻与蚀刻程序(皆未显示)的施行，以定义上述相变材料并在部分的介电 层140a上形成图案化的相变材料层142。如图11所示，相变材料层142亦 包覆了导电电极108的缩减部108b的顶面以及位于缩减部108b侧壁上的氧 化物层114b上。相变材料层142的材料例如为硫属化合物，例如是Ge-Te-Sb 三元硫属化合物或Te-Sb二元硫属化合物。
请参照图12，接着在介电层140a上形成介电层144并坦覆地覆盖了位 于介电层140a上的相变材料层142的顶面。接着通过后续的光刻与蚀刻程 序(皆未显示)定义介电层144的一部，并在该部内形成开口OP2。开口OP2 则露出了相变材料层142的一部。介电层144的材料例如为氧化硅、氮化硅 或旋涂玻璃(spin on glass、SOG)，其可通过物理气相沉积或旋转涂布等方法 所形成。接着在介电层144上坦覆地形成一层导电材料并填满形成于介电层 144内的开口OP2，并通过后续的光刻与蚀刻程序(皆未显示)以定义此层导 电材料，进而形成了导电层146，以作为顶电极之用。导电层146的一部则 穿透了介电层144进而接触了相变材料层144，其材料例如为铝、钨等导电 材料。
相较如图1所示的已知相变存储单元结构，在本实施例内的相变存储装 置中加热电极的直径已通过氧化方法而适度缩减，进而达成缩减相变材料层 与加热电极间的接触面积，因而具有提升了供应的相变材料层的电流密度以 及降低将相变材料层内的相变材料由结晶相转变成为非晶相的重置电流 (reset current)等功效。本实施例的制造方法不具备如已知相变存储单元结构 的制造方法中受限于光刻工艺能力的问题，而可将氧化方法应用于其它类型 或工艺型态的相变存储装置的工艺中，以进一步缩减加热电极与相变材料层 间的接触面积。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何 本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与 润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。