专利名称：相变化存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种存储器，特别涉及一种相变化存储器。
技术背景相变化存储器具有高读取速度、低功率、高容量、高可靠度、高写擦次数、低工作电压/电流及低成本等特质，且非常适合与CMOS工艺结合，可 用作较高密度的独立式或嵌入式的存储器应用，是目前十分被看好的下一代 新存储器。由于相变化存储器技术的独特优势，也使得其被认为非常有可能 取代目前商业化极具竟争性的SRAM与DRAM挥发性存储器与Flash非挥 发性存储器技术，可望成为未来极有潜力的新代半导体存储器。相变化存储器在设计上朝着以下几个方式方展低的编程电流、高稳定 性、较小的体积、及快速的相变化速度，此外，相变化存储器目前的主要应 用例如为需要较低电流消粍的可携式装置(需要较小编程电流)。综观目前相 变化存储器的发展趋势，可以明显的发现主要的瓶颈乃在于元件的操作电流 过大，因而无法有效地降低相变化存储器元件所串接的驱动晶体管面积，导 致单位尺寸过大使得存储器密度无法提升的问题。降低相变化存储器操作电流可通过缩小相变化存储单元中相变层与电 极的接触面积来达成，且有利于CMOS元件的缩小以及存储器密度的提升。 然而，此方法会受限于光刻与工艺能力的限制，较不易获得有效地突破。此 外，P务低相变化存储单元中相变层与电极的接触面积意即缩小加热区域，虽 然可降低元件尺寸，但是较小的加热区域意味着热更易由周遭环境散失，因此仍需增加电流密度以维持足够的热产生相变化，如此一来会造成电子迁移 产生影响到元件稳定性。因此，通过材料的选用来降低电子迁移发生或是改 善热变迁以降低由周遭环境所散失的热，亦为相变化存储器的重要发展方向 之一。热散失主要跟环绕在相变化层周围的介电层的热传导能力有关。 一般来 说，相变化材料(例如:Ge2Sb2Te5)由于其微结构的关系，使其热传导度可降至约为0.3W/m-K。自从相变化材料主要作为主动层，因此不会将其用来作为 周遭介电层的材质。然而传统介电材料，例如氧化硅或氮化硅，他们的热传 导系数一般高于1.4 W/m-K。如此高的热传导系数，加速热由相变化材料移 至外界的速度。为解决上述问题，美国专利5933365披露一种相变化存储器，其使用一 热绝缘层来防止热从相变化材料散失至外界。然而，该热绝缘层的材料不易 取得，且与目前相变化存储器的工艺不相容，现阶段并无法导入一般业界所 用的相变化存储器工艺。因此，在以与目前相变化存储器工艺相容为前提下，发展出具有低热传 导能力的材料及结构来降低热从相变化材料层散出的速率，是目前相变化存 储器一项重要技术关键。发明内容本发明提供可降低相变化材料层热散失的相变化存储器，其利用具有低 热传导系数的碳掺杂的氧化物介电层包覆该相变化材料层的侧壁，并进一步 通过结构上的设计，使得热不易由周遭环境散失，因此不需增加电流密度以 维持足够的热产生相变化。该相变化存储器，包含第一电极与第二电极、第 一相变化材料层形成于该第一电极与该第二电极之间，使得该第一电极与该 第二电极通过该第 一相变化材料层达成电性连结、以及碳掺杂的氧化物介电 层包覆该第 一相变化材料层的侧壁。此外，依据本发明的另一实施例，本发明所述的相变化存储器亦可包含 下电极与上电极、第一相变化材料层形成于该下电极与该上电极之间，使得 该上电极与该下电极通过该第一相变化材料层达成电性连结、以及碳掺杂的 氧化硅层包覆该第 一相变化材料层的侧壁。以下通过数个实施例及比较实施例，以更进一步说明本发明的方法、特 征及优点，但并非用来限制本发明的范围，本发明的范围应以所附的权利要 求为准。
图la至ld是显示本发明一实施例所述的相变化存储器元件的制作流程 剖面图。图2a至2c是显示本发明另 一实施例所述的相变化存储器元件的制作流 程剖面图。图3a至3d是显示本发明又一实施例所述的相变化存储器元件的制作流 程剖面图。图4~6显示本发明其他实施例所述的相变化存储器元件。 附图标记说明100~基底； 102~介电层；104~碳掺杂的氧化物介电层;106 相变化材料层；108 相变化材料层；109~介电层；111~介电层；113~开口；115 环领(collar)结构；101 第一开口；103 第一电极；105 第二开口；107 第二电极层；108a 相变化材料柱；110 开口；112、 112a 碳掺杂的氧化物垫层;114 相变化材料层；116 相变化材料层。
具体实施方式
用具有低热传导系数的碳掺杂的氧化物介电层包覆该相变化材料层的侧壁， 并进一步通过结构上的设计，使得热不易由周遭环境散失，因此不需增加电 流密度以维持足够的热产生相变化。以下，请配合图示，来详细说明本发明实施例所述的相变化存储器及其 制造方法。首先，请参照图la,提供基底IOO，其上形成有具第一开口 101的介电 层102。接着，在开口 101形成第一电极103,且该第一电极103作为相变 化存储器的下电极。其中，该基底IOO可为半导体工艺所使用的基板，例如 为硅基板。该基底100可为已完成CMOS前段工艺的基底，亦可能包含隔 离结构、电容、二极管与其类似物，为简化图示起见，图中仅以平整基底表 示。该第一电极103为导电材料，例如为TaN、 W、 TiN、或TiW。接着，请参照图lb,接着形成具有第二开口 105的碳掺杂的氧化物介电 层104于上述结构之上，其中该第二开口 105露出该第一电极103的上表面。6该碳掺杂的氧化物介电层104其热传导系数小于0.4 W/m-k，且该碳掺杂的 氧化物介电层104例如为碳摻杂的氧化硅(carbon doped oxide、 CDO)。该碳 掺杂的氧化物介电层的形成方法并没有限定，可为任何可用来形成该碳掺杂 的氧化物介电层的方法。接着，请参照图lc,在该第二开口 105内形成相变化材料层106，以与 该第一电极103直接接触，该相变化材料可为硫属化合物所构成，例如含 Ge、 Sb、 Te或其混合的材料，例如为GeSbTe或InGeSbTe。值得注意的是， 本发明的技术特征之一是利用碳掺杂的氧化物介电层104来包覆该相变化材 料层106，利用该碳掺杂的氧化物介电层104具有低热传导能力的特性，来 达到降低热由相变化材料层散失至周遭环境，所以该碳掺杂的氧化物介电层 104围绕着该相变化材料层106的侧壁，只使相变化材料层106的两端露出， 可与上下电极接触。最后，请参照图ld,在上述结构上形成图形化的第二电极层107，以作 为上电极。该第二电极层107直接与该相变化材料层106的上端接触，该第 二电极107的材料可与该第一电极相同，例如为TaN、 W、 TiN、或TiW。此外，根据本发明的另一实施例，该相变化材料层106的尺寸可小于光 刻蚀刻工艺的极限，以降低相变化材料层与电极的接触面积。请参照图2a， 在完成图lb的工艺步骤后，在图lb所示的结构上形成薄的相变化材料层 108。接着，请参照图2b,对该相变化材料层108进行各向同性蚀刻，形成 相变化材料柱108a,其中该相变化材料柱108a与电极接触的面积小于光刻 蚀刻工艺的极限。最后，在该相变化材料柱108a之间形成介电层109,并形 成该第二电极107,以与该相变化材料柱108a接触，其结构如图2c所示。 为降低热的散失，该介电层109亦可为碳掺杂的氧化物介电层。此外，根据本发明的另一实施例，该碳掺杂的氧化物介电层亦可为垫层 (liner layer)结构，包含该结构的相变化存储器及其工艺详细说明于下。请参照图3a,在完成图la的工艺步骤后，形成具有开口 IIO的介电层 111,以露出该第一电极103。接着，请参照图3b,顺应性形成碳掺杂的氧 化物垫层112。其中，该碳掺杂的氧化物垫层厚度可介于200 700nm。接着， 请参照图3c，蚀刻该掺杂的氧化物垫层112以形成碳掺杂的氧化物介电层 112a，并移除与该第一电极103接触的部分，露出该第一电极103。其中， 碳掺杂的氧化物介电层112a环绕开口 113。接着，请参照图3d,在该开口113中形成相变化材料层114,并形成该第二电4及107，以与该相变化层114 接触。此外，在图3c所述的步骤后，可以利用图2a-2c所述形成小于光刻蚀刻 工艺极限的相变化材料柱的方法，来形成相变化层，所得的相变化存储器结 构如图4所示。根据本发明其他实施例，该碳掺杂的氧化物介电层除了可为垫层(liner layer)结构外，亦可延伸至该介电层层111之上，请参照图5，构成环领(collar) 结构115,以与该金属层接触，进一步降低热由相变化层散失至外界的速率。 此外，相对于图5所述的环领结构115形成于第二电极107，在本发明另一 优选实施例，该环领结构亦可形成于该第一电4及103侧。再者，在本发明又一实施例中，在不影响到元件本身操作状况下，亦可 通过填充具有低热传导系数的相变化材料层于介电层中，来防止热的散失。 请参照图6，与图3d不同的处在于，本实施例利用该相变化材料层116(低热 传导系数)来取代该介电层lll(高热传导系数)。值得注意的是，该相变化材 料层116的配置，是以不与该第一电极与第二电极接触为设计原则。依据上述，在本发明所述的实施例中，该相变化存储器利用具有低热传 导系数的碳掺杂的氧化物介电层包覆该相变化材料层的侧壁，并搭结构上的 设计，使得热不易由周遭环境散失，因此可以在不增加电流密度的前提下， 维持足够的热产生相变化。此外，自从相变化材料层被上下电极与碳摻杂的 氧化物介电层所包覆，热不易对外发散，自然可获得较佳的加热均匀程度， 可大幅缩短相变化材料层的结晶时间。如此一来，可以减少用来转化相变化 材料的操作电流及周期，进而达到降低相变化存储器元件的电量消粍。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，本领 域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因 此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种相变化存储器，包括第一电极与第二电极；第一相变化材料层形成于该第一电极与第二电极之间，使得该第一电极与该第二电极通过该第一相变化材料层达成电性连结；以及碳掺杂的氧化物介电层包覆该第一相变化材料层的侧壁。
2. 如权利要求1所述的相变化存储器，其中该第一相变化材料层包含硫 属化合物。
3. 如权利要求1所述的相变化存储器，其中该第一电极或第二电极的材 料包含TaN、 W、 TiN、或TiW
4. 如权利要求1所述的相变化存储器，其中该第一电极为下电极、该第 二电极为上电极，且该相变化材料层与该第 一及第二电极直接接触。
5. 如权利要求1所述的相变化存储器，其中该第一相变化材料层与第一 及第二电极直接接触的面积小于光刻蚀刻工艺的极限。
6. 如权利要求1所述的相变化存储器，其中该碳掺杂的氧化物介电层的 热传导系数小于0.4 W/m-k。
7. 如权利要求1所述的相变化存储器，其中该碳掺杂的氧化物介电层为 碳掺杂的氧化硅。
8. 如权利要求1所述的相变化存储器，其中一部分的该碳掺杂的氧化物 介电层与该第一电极或第二电极接触，形成环领结构。
9. 如权利要求1所述的相变化存储器，还包含 围绕在该碳掺杂的氧化物介电层之外的介电层。
10. 如权利要求9所述的相变化存储器，还包含第二相变化材料层形成于该介电层之外，且不与该第一电极与第二电极接触。
11. 如权利要求1所述的相变化存储器，其中该碳掺杂的氧化物介电层为 垫层，其厚度介于200 700nm。
12. —种相变化存储器，包括 下电^l与上电极；第 一相变化材料层形成于该下电极与上电极之间，使得该上电极与该下电极通过该第一相变化材料层达成电性连结；以及碳掺杂的氧化硅层包覆该第 一相变化材料层的侧壁。
13. 如权利要求12所述的相变化存储器，其中该第一相变化材料层包含 硫属化合物所构成。
14. 如权利要求12所述的相变化存储器，其中该下电极或上电极的材料 包含TaN、 W、 TiN、或TiW。
15. 如权利要求12所述的相变化存储器，其中该第一相变化材料层与第 一及第二电极直接接触的面积小于光刻蚀刻工艺的极限。
16. 如权利要求12所述的相变化存储器，其中该碳掺杂的氧化硅层的热 传导系数小于0.4W/m-k。
17. 如权利要求12所述的相变化存储器，其中部分的该碳掺杂的氧化物 介电层与该上电极或下电极接触，形成环领结构。
18. 如权利要求12所述的相变化存储器，还包含 围绕在该碳掺杂的氧化物介电层之外的介电层。
19. 如权利要求18所述的相变化存储器，还包含第二相变化材料层形成于该介电层之外，且不与该上电极与下电极接触。
20. 如权利要求12所述的相变化存储器，其中该碳掺杂的氧化硅层为垫 层，其厚度介于200 700nm。
全文摘要
本发明公开一种相变化存储器，该相变化存储器包含第一电极与第二电极、第一相变化材料层形成于该第一电极与第二电极之间，使得该第一电极与该第二电极通过该第一相变化材料层达成电性连结、以及碳掺杂的氧化物介电层包覆该第一相变化材料层的侧壁。
文档编号H01L45/00GK101320783SQ200710108889
公开日2008年12月10日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者刘应励 申请人:财团法人工业技术研究院;力晶半导体股份有限公司;南亚科技股份有限公司;茂德科技股份有限公司;华邦电子股份有限公司