專利名稱：存儲器元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體元件及其制造方法，尤其涉及一種存儲器元件 及其制造方法。
背景技術(shù)：
相變化存儲器具有速度、功率、容量、可靠度、工藝整合度以及成本 等具竟爭力的特性，為一適合用來作為較高密度的獨立式或嵌入式的存儲 器應用。由于相變化存儲器技術(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)化極具竟爭性的靜態(tài)存儲器SRAM與動態(tài)隨機存儲器DRAM 易失性存儲器與快閃存儲器Flash非易失性存儲器技術(shù)，可望成為未來極有 潛力的新時代半導體存儲器。相變化存儲器元件是利用相變化存儲器材料在結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)的電阻 值的差異，進行寫入、讀取或是抹除，例如，當要進行寫入時，可提供一 短時間(例如50ns)且相對較高的電流(例如lmA),使相變化層轉(zhuǎn)換成非晶態(tài)， 因為非晶態(tài)相變化層具有較高的電阻(例如105歐姆)，其在讀取時，當提供 一電壓時，得到的電流相對較小。當要進行抹除時，可提供一較長時間(例 如1 OOns)且相對較低的電流(例如0.2mA)，使相變化層轉(zhuǎn)換成結(jié)晶態(tài)，因為 結(jié)晶態(tài)相變化層具有較低的電阻(例如103 104歐姆)，其在讀取時，當提供 一電壓，得到的電流相對較大，據(jù)此，可進行相變化存儲器元件的操作。圖1繪示一現(xiàn)有T型結(jié)構(gòu)的相變化存儲器，如圖1所示，現(xiàn)有T型結(jié) 構(gòu)的相變化存儲單元依序包括下電極102、加熱電極104、相變化層106和 上電極108,柱狀的加熱電極104和相變化層106接觸，相變化存儲器的電 流是由相變化層和電極的接觸面積決定，此現(xiàn)有T型結(jié)構(gòu)的相變化存儲器 是使用黃光光刻工藝進行相變化層106和加熱電極104的圖形化，因此， 此種制造技術(shù)所形成相變化層106和電極104的接觸面積是由黃光光刻工 藝的極限決定，無法有效的縮小相變化層106和電極104的接觸面積，使 得相變化存儲器元件的尺寸無法進一步的縮小。圖2繪示現(xiàn)有另一結(jié)構(gòu)的相變化存儲器，如圖2所示，形成一水平加熱電極202于下電極204和層間介電層206上，之后，對水平加熱電極202 進行一黃光光刻步驟，并形成一相變化層208接觸水平加熱電極202,接著， 再對相變化層208進行另一方向的黃光光刻步驟，以定義存儲單元，后續(xù)， 形成一上電極210，電性連接相變化層208。此種存儲元件結(jié)構(gòu)的加熱電極 是采用水平設(shè)置，如此，加熱電極的尺寸大小是由形成加熱電極202的薄 膜厚度決定，可不受黃光光刻工藝的限定，然而，此相變化存儲器元件工 藝的相變化材料是以填洞工藝沉積，其與加熱電極112接觸的可靠度、均 勻性均不理想。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，為解決上述問題，本發(fā)明提供一種存儲器元件和其制造方 法，其操作電流亦足夠低，使用光掩模較現(xiàn)有技術(shù)少，制作成本相對較低。本發(fā)明提供一種存儲器元件的制造方法，包括下列步驟。首先，提供 一基底，形成一第一層間介電層于基底上方。接著，形成一下電極于第一 層間介電層中，形成一第一電極層于第一層間介電層和下電極上。其后， 形成一介電層于第一電極層上，形成一第二電極層于介電層上。接下來， 圖形化第一電極層、介電層和第二電極層，以形成一柱形結(jié)構(gòu)，其中柱形 結(jié)構(gòu)對應于存儲器元件的一存儲單元，形成一相變化層于柱形結(jié)構(gòu)和基底 上。接著，圖形化相變化層，使存儲單元的圖形化相變化層和鄰近存儲單 元的圖形化相變化層分隔。后續(xù)，形成一上電極，電性連接柱形結(jié)構(gòu)的第 二電極層。本發(fā)明提供一種存儲器元件。 一柱形結(jié)構(gòu)包括一第一電極層、 一位于 第一電極上的介電層及一位于介電層上的第二電極層。 一相變化層包覆柱 形結(jié)構(gòu)的四周圍。 一下電極電性連接柱形結(jié)構(gòu)的第一電極層。 一上電極電 性連接柱形結(jié)構(gòu)的第二電極層。


圖1繪示一現(xiàn)有T型結(jié)構(gòu)的相變化存儲器； 圖2繪示現(xiàn)有另一結(jié)構(gòu)的相變化存儲器；圖3A繪示本發(fā)明一實施例相變化存儲器元件的制造方法中間步驟的上視圖圖3B繪示圖3A的剖面圖；上視圖；圖4B繪示圖4A的剖面圖；圖5A繪示本發(fā)明一實施例相變化存儲器元件的制造方法中間步驟的 上視圖；圖5B繪示圖5A的剖面圖；圖6A繪示本發(fā)明一實施例相變化存儲器元件的制造方法中間步驟的 上視圖；圖6B繪示圖6A的剖面圖；上視圖；圖7B繪示圖7A的剖面圖；圖8A繪示本發(fā)明一實施例相變化存儲器元件的制造方法中間步驟的 上視圖；圖8B繪示圖8A的剖面圖；圖9A繪示本發(fā)明一實施例相變化存儲器元件的制造方法中間步驟的 上視圖；圖9B繪示圖9A的剖面圖；圖9C繪示本發(fā)明一實施例多個存儲單元的上視圖； 圖10A繪示本發(fā)明一實施例相變化存儲器元件的制造方法中間步驟的 上視圖；圖10B繪示圖10A的剖面圖；圖11繪示本發(fā)明一實施例相變化存儲器元件的立體圖。主要元件符號說明02 下電才及；104 力口熱電才及；106 相變化層；108 上電極；202 水平加熱電極；204 下電極；206 層間介電層；208 相變化層；210 上電極；30
鄰近存儲單元；302 第一層間介電層；303 鄰近存儲單元；304 下電極；305 鄰近存儲單元；306 第一電極層；307 圖形化相變化層；308 介電層；309 圖形化相變化層；310 第二電極層；311 圖形化相變化層；312 圖形化光致抗蝕劑層;314 柱形結(jié)構(gòu)；316 相變化層；318 圖形化光致抗蝕劑層;320 相變化層；330 第二層間介電層；332 上電極。
具體實施方式
以下將以實施例詳細說明做為本發(fā)明的參考，且范例是伴隨著圖式說 明的。在圖式或描述中，相似或相同的部分使用相同的附圖標記。在圖式中，實施例的形狀或是厚度可擴大，以簡化或是方便標示。圖式中各元件 的部分將以分別描述說明之，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)域技術(shù)人員所知的形式，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。圖3A 圖10B揭示本發(fā)明一實施例相變化存儲器元件的制造方法，其中圖3A為圖3B的上視圖，首先，請參照圖3A和圖3B,提供一基底(未繪 示)，基底上可包括所需的元件，例如柵極，基底上可形成有介電層和/或?qū)Ш啙?，并未將上述所有單元繪示或詳細描述。接著，如圖3A和圖3B所示， 于介電層和/或?qū)щ姴迦?未繪示)形成第一層間介電層302和下電極304, 第一層間介電層302可以例如為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或是低介電材 料所組成，下電極304可以為鋁、銅或鴒等低導電系數(shù)材料所組成。形成 下電極304的方法可為以黃光光刻蝕刻法于第一層間介電層302中形成開 口，再于開口中填入導電層以形成下電極304。另外，亦可以先圖形化一導 電層以形成下電極304，再于下電極304四周沉積第一層間介電層302，之 后，回蝕刻第一層間介電層302。接著，請參照圖4A和圖4B,以例如物理氣相沉積法(physical v叩or deposition，以下可簡稱PVD)或原子層沉積法(Atomic layer deposition,以下 可簡稱ALD)形成一第一電極層306于下電極304和第一層間介電層302上， 第一電極層306可以為TiN、 TiW或TiAlN所組成，須注意的是第一電極層 306的厚度不可太厚，其厚度可以為5埃 500埃，優(yōu)選地，第一電極層306 的厚度為100埃 300埃。后續(xù)，以例如低壓化學氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition,以下可簡稱LPCVD)、常壓化學氣相沉積法 (atmosphere pressure chemical vapor deposition, 以下可簡稱APCVD)、 次大 氣壓化學氣相沉積法(sub-atmospheric chemical vapor deposition,以下可簡稱 SACVD)、 等離子體化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition,以下可簡稱PECVD)或其它技術(shù)沉積一介電層308于第一電極 層306上，介電層308可以為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其它類似的材 料。接著，以例如物理氣相沉積法(PVD)或原子層沉積法(ALD)形成一 第二 電極層310于介電層308上，第二電極層310可以為TiN、 TiW、 TiAl、 TaN 或TiAlN所組成，在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，第二電極層310的厚度較第一 電極層306的厚度為厚，例如至少兩倍到三倍的厚度，第二電極層的厚度 優(yōu)選大體上為100埃 3000埃。接著，請參照圖5A和圖5B,以例如旋轉(zhuǎn)涂布法形成一光致抗蝕劑層(未 繪示)于第二電極層310上，接著，進行一黃光光刻步驟，定義光致抗蝕劑 層形成圖形化光致抗蝕劑層312,使光致抗蝕劑層形成預定形成的圖案。后續(xù)，請參照圖6A和圖6B,以圖形化光致抗蝕劑層312為掩模，進行一各 向異性蝕刻工藝，依序蝕刻第二電極層310、介電層308和第一電極層306， 以形成一具有封閉環(huán)繞四周圍的柱形結(jié)構(gòu)314。接著，移除圖形化光致抗蝕 劑層312，在本優(yōu)選實施例中，此結(jié)構(gòu)314繪示為圓柱形結(jié)構(gòu)314,但本發(fā) 明不限于此，此結(jié)構(gòu)可以為任何封閉幾何圖形，例如橢圓柱形結(jié)構(gòu)、方形 結(jié)構(gòu)等等，此具有封閉環(huán)繞四周圍的柱形結(jié)構(gòu)314對應于本發(fā)明存儲器元 件的一存儲單元。接下來，請參照圖7A和圖7B，以例如物理氣相沉積法(PVD)或原子層 沉積法(ALD),形成一相變化層316于第一層間介電層302和上述柱形結(jié)構(gòu) 314的頂部和側(cè)壁上，相變化層316可以為Ag、 In、 Te、 Sb或其組合，或 Ge、 Te、 Sb或其組合所組成，在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，相變化層316為 AgxInyTezSb^l Ge;reySbw的合金，另外，相變化層316的厚度優(yōu)選約大于 500埃，在此須注意的是，相變化層316直接接觸柱形結(jié)構(gòu)314的環(huán)繞周圍， 特別是，相變化層316直接接觸柱形結(jié)構(gòu)314的第一電極層306的四周圍。后續(xù)，請參照圖8A和圖8B,以例如旋轉(zhuǎn)涂布法形成一光致抗蝕劑層(未 繪示)于相變化層316上，接著，進行一黃光光刻步驟，定義光致抗蝕劑層 以形成圖形化光致抗蝕劑層318。接著，請參照圖9A和圖9B，以圖形化光 致抗蝕劑層318為掩模，蝕刻相變化層316，使此存儲單元300的圖形化相 變化層320和鄰近存儲單元301、 303、 305的圖形化相變化層307、 309、 311分隔，如圖9C所示。接下來，請參照圖IOA和圖IOB，以例如化學氣相沉積法，形成一第 二層間介電層330覆蓋相變化層316和第一層間介電層302,第二層間介電 層330可以為氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，后續(xù)經(jīng)化學機械拋光平坦化， 接下來，圖形化第二層間介電層330和相變化層316,以形成一開口(未繪 示)，暴露第二電極層310，接下來，沉積一例如A1、 Cu或是W的導電層 于第二層間介電層330上，且填入開口中，以形成上電極332，電性連接柱 形結(jié)構(gòu)314的第二電極層310。圖11為本發(fā)明一實施例相變化存儲單元的立體圖，如圖所示，此實施 例中，存儲單元主體為一包括第一電極層306、介電層308和第二電極層 310的柱形結(jié)構(gòu)314,且此柱形結(jié)構(gòu)314為一圖形化相變化層320所包覆， 另外，柱形結(jié)構(gòu)314的第一電極層306和第二電極層310是分別電性連接一下電極304和一上電極332。根據(jù)本發(fā)明的上述實施例，由于柱形結(jié)構(gòu)314的第一電極層306的厚 度較第二電極層310薄許多，如此，其阻抗較大，因此，電流通過所發(fā)出 的熱能大部份沿著第一電極層306的周圍分布。若柱形結(jié)構(gòu)314為一圓柱 形，其第一電極層306(加熱電極)和相變化層320的接觸面為一水平環(huán)狀 (ring)，而若圓柱形結(jié)構(gòu)314的直徑為cd，厚度為t，則其加熱電才及和相變 化層320的接觸面積為A=cdx 7T xt,可不受黃光光刻工藝限制。此外，本 發(fā)明此工藝僅使用一次黃光光刻工藝即決定加熱電極和相變化層320的接 觸面積，可減少多一道光刻工藝所產(chǎn)生的變數(shù)或影響，另外，本發(fā)明上述 實施例在形成相變化層320之后，并未在加熱相變化區(qū)(即316和320接觸 區(qū))對相變化層320進行額外的特殊工藝加工，修飾其輪廓，可避免相變化 層320的組成產(chǎn)生變化，又另外，本發(fā)明形成加熱電極(第一電極層306)的 方法，為將其沉積于一平面上，可較容易控制加熱電極的厚度。雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任 何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可作些許的 更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附權(quán)利要求所界定者為準。
權(quán)利要求
1. 一種存儲器元件的制造方法，包括提供基底；形成第一層間介電層于該基底上方；形成下電極于該第一層間介電層中；形成第一電極層于該第一層間介電層和該下電極上；形成介電層于該第一電極層上；形成第二電極層于該介電層上；圖形化該第一電極層、該介電層和該第二電極層，以形成柱形結(jié)構(gòu)，其中該柱形結(jié)構(gòu)對應于該存儲器元件的存儲單元；形成相變化層于該柱形結(jié)構(gòu)和該基底上；圖形化該相變化層，使該存儲單元的圖形化相變化層和鄰近存儲單元的圖形化相變化層分隔；及形成上電極，電性連接該柱形結(jié)構(gòu)的第二電極層。
2. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該柱形結(jié)構(gòu)具有環(huán) 繞的周圍。
3. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該相變化層直接接 觸該柱形結(jié)構(gòu)的環(huán)繞周圍。
4. 如權(quán)利要求3所述的存儲器元件的制造方法，其中該相變化層直接接 觸該柱形結(jié)構(gòu)的第 一電極層的四周圍。
5. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該柱形結(jié)構(gòu)為圓柱形。
6. 如權(quán)利要求5所述的存儲器元件的制造方法，其中該第一電極層和該 相變化層的接觸面為環(huán)狀。
7. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該相變化層的厚度 大體上大于500埃。
8. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該第一電極層的厚 度比該第二電極層的厚度薄。
9. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該第一電極層的厚 度大體上為5埃 500埃。
10.如權(quán)利要求9所述的存儲器元件的制造方法，其中該第一電極層的厚度大體上為100埃 300埃。
11.如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該第一電極層為 TiN、 TiW或TiAlN所組成。
12. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該第二電極層為 TiN、 TiW、 TiAl、 TaN或TiAlN所組成。
13. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該相變化層包括 Ag、 In、 Te、 Sb或其組合，和Ge、 Te、 Sb或其組合。
14. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該介電層為氧化 硅、氮化硅或是氮氧化硅所組成。
15. 如權(quán)利要求1所述的存儲器元件的制造方法，其中該下電極和該上 電極為Al、 Cu或W所組成。
16. —種存儲器元件，包括柱形結(jié)構(gòu)，包括第一電極層、位于該第一電極上的介電層，及位于該 介電層上的第二電極層；相變化層，包覆該柱形結(jié)構(gòu)的四周圍；下電極，電性連接該柱形結(jié)構(gòu)的第一電極層；及上電極，電性連接該柱形結(jié)構(gòu)的第二電極層。
17. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該柱形結(jié)構(gòu)具有環(huán)繞的周圍。
18. 如權(quán)利要求17所述的存儲器元件，其中該相變化層直接接觸該柱形 結(jié)構(gòu)的環(huán)繞周圍。
19. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該相變化層直接接觸該柱形 結(jié)構(gòu)的第 一電極層的四周圍。
20. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該柱形結(jié)構(gòu)為圓柱形。
21. 如權(quán)利要求20所述的存儲器元件，其中該第一電極層和該相變化層 的接觸面為環(huán)狀。
22. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該相變化層的厚度大體上大 于500埃。
23. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該第一電極層的厚度比該第 二電極層的厚度薄。
24. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該第一電極層的厚度大體上為5埃 500埃。
25. 如權(quán)利要求24所述的存儲器元件，其中該第二電極層的厚度大體上 為100埃 3000埃。
26. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該第一電極層為TiN、 TiW 或TiAlN所組成。
27. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該第二電極層為TiN、 TiW、 TiAl、 TaN或TiAlN所組成。
28. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該相變化層包括Ag、 In、 Te、 Sb或其組合，和Ge、 Te、 Sb或其組合。
29. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該介電層為氧化硅、氮化硅 或是氮氧化硅所組成。
30. 如權(quán)利要求16所述的存儲器元件，其中該下電極和該上電極為Al、 Cu或W所組成。
全文摘要
一種存儲器元件。一柱形結(jié)構(gòu)包括一第一電極層、一位于第一電極上的介電層及一位于介電層上的第二電極層。一相變化層包覆柱形結(jié)構(gòu)的四周圍。一下電極電性連接柱形結(jié)構(gòu)的第一電極層。一上電極電性連接柱形結(jié)構(gòu)的第二電極層。
文檔編號H01L21/28GK101271862SQ20071008779
公開日2008年9月24日 申請日期2007年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月19日
發(fā)明者俞篤豪 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院;力晶半導體股份有限公司;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