制造相变化记忆体的方法与流程

本揭示是有关于一种制造相变化记忆体的方法。

背景技术：

电子产品(例如：手机、平板电脑以及数字相机)常具有储存数据的记忆体元件。习知记忆体元件可透过记忆体单元上的储存节点储存信息。其中，相变化记忆体利用记忆体元件的电阻状态(例如高阻值与低阻值)来储存信息。记忆体元件可具有可在不同相态(例如：晶相与非晶相)之间转换的材料。不同相态使得记忆体单元具有不同电阻值的电阻状态，以用于表示储存数据的不同数值。

目前制造相变化记忆体元件的制程包含典型的锁孔转移方法(keyholetransfermethod)。详细而言，此方法透过先形成具有锁孔结构(或可称空隙)的多晶硅层于介电层上方，然后透过蚀刻将锁孔结构向下转移至介电层，于介电层中形成小尺寸的孔洞，之后再移除剩余的多晶硅层。

然而在移除剩余的多晶硅层的步骤中，通常使用对多晶硅层及周遭材料具有极高选择比的溶液，如氢氧化四甲基铵(tetramethylammoniumhydroxide(tmah))溶液，进行湿蚀刻，以避免损伤孔洞，进而导致孔洞尺寸改变，影响相变化记忆体的性能。但氢氧化四甲基铵溶液有剧毒，致死性高，对操作人员造成极大的危险。

技术实现要素：

本揭示的目的在于提供一种制造相变化记忆体的方法，以其他制程步骤移除多晶硅层，而不使用氢氧化四甲基铵溶液移除多晶硅层。此方法除了可以避开使用氢氧化四甲基铵溶液造成的危险之外，又可以避免介电层中的孔洞损伤，使孔洞具有良好的尺寸稳定性。

本揭示提供一种制造相变化记忆体的方法，包含：形成一结构，此结构包含：底电极；介电层，位于底电极上方；隔离层，位于介电层上方，并具有开口贯穿隔离层；以及多晶硅层，位于开口内；形成第一孔洞及第二孔洞分别贯穿多晶硅层及介电层，第二孔洞位于第一孔洞的下方；形成保护层于第一孔洞及第二孔洞内及多晶硅层上方；移除保护层的一部分，以暴露多晶硅层，并留下第二孔洞内的保护层；对暴露的多晶硅层进行干蚀刻制程，以移除多晶硅层；移除第二孔洞内的保护层，以暴露第二孔洞；以及沉积加热材料至第二孔洞内。

根据本揭示的数个实施例，结构的多晶硅层具有一空隙位于开口内。

根据本揭示的数个实施例，第一孔洞具有宽区域及窄区域位于宽区域的下方，并且移除保护层的部分的步骤包含移除位于多晶硅层上方及第一孔洞的宽区域内的保护层，以暴露多晶硅层，并留下位于第二孔洞及第一孔洞的窄区域内的保护层。

根据本揭示的数个实施例，移除保护层的该部分的步骤及移除第二孔洞内的保护层的步骤是使用干蚀刻、湿蚀刻或其组合。

根据本揭示的数个实施例，对暴露的多晶硅层进行干蚀刻制程的步骤包含使用蚀刻气体，蚀刻气体包含六氟化硫、甲烷、三氟化氮或其组合。

根据本揭示的数个实施例，沉积加热材料的步骤还包含沉积加热材料至隔离层的开口的表面上方及隔离层上方。

根据本揭示的数个实施例，方法还包含：于沉积加热材料的步骤之后，形成另一保护层于加热材料的上方；移除另一保护层及位于隔离层上方的加热材料；以及移除隔离层及位于隔离层的开口的表面上方的加热材料，以形成一加热器于第二孔洞内，且加热器的顶表面与介电层的顶表面齐平。

根据本揭示的数个实施例，移除另一保护层及位于隔离层上方的加热材料的步骤包含使用干蚀刻。

根据本揭示的数个实施例，移除隔离层及位于隔离层的开口的表面上方的加热材料的步骤包含使用化学机械研磨制程。

根据本揭示的数个实施例，方法还包含：形成顶电极与相变化元件于加热器的上方。

附图说明

为让本揭示的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1至图12绘示根据本揭示数个实施例的一种制造相变化记忆体的方法在各制造阶段的剖面示意图。

具体实施方式

以下提供本揭示的多种不同的实施例或实例，以实现所提供的标的的不同技术特征。下述具体实例的元件和设计用以简化本揭示。当然，这些仅为示例，而非用以限定本揭示。举例而言，说明书中揭示形成第一特征结构于第二特征结构的上方，其包括第一特征结构与第二特征结构形成而直接接触的实施例，亦包括于第一特征结构与第二特征结构之间另有其他特征结构的实施例，亦即，第一特征结构与第二特征结构并非直接接触。此外，本揭示于各个实例中可能用到重复的参考符号及/或用字。这些重复符号或用字是为了简化与清晰的目的，并非用以限定各个实施例及/或所述结构之间的关系。

另外，空间相对用语，如“下”、“上”等，是用以方便描述一元件或特征与其他元件或特征在附图中的相对关系。这些空间相对用语旨在包含除了附图中所示的方位以外，装置在使用或操作时的不同方位。装置可被另外定位(例如旋转90度或其他方位)，而本文所使用的空间相对叙述亦可相对应地进行解释。

本揭示的目的在于提供一种制造相变化记忆体的方法，以其他制程步骤移除多晶硅层，而不使用氢氧化四甲基铵溶液移除多晶硅层。此方法除了可以避开使用氢氧化四甲基铵溶液造成的危险之外，又可以避免介电层中的孔洞损伤，使孔洞具有良好的尺寸稳定性。以下详述制造相变化记忆体的方法的实施例。

图1至图12绘示根据本揭示数个实施例的一种制造相变化记忆体的方法在各制造阶段的剖面示意图。如图1所示，取得一结构，此结构包含底电极110、介电层112、隔离层114及多晶硅层116。介电层112位于底电极110上方。隔离层114位于介电层112上方，并且隔离层114具有开口o1贯穿隔离层114。多晶硅层116位于开口o1内。

在一些实施例中，如图1所示，结构还包含另一介电层103及下连接元件105。介电层103可为单层或多层结构。在一些实施例中，介电层103由氧化物、氮化物、氮氧化物或其组合制成，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合。在一些实施例中，介电层103具有开口贯穿介电层103，而下连接元件105及底电极110位于开口内。

在一些实施例中，下连接元件105包含金属、金属化合物或其组合，例如钛、钽、钨、铝、铜、钼、铂、氮化钛、氮化钽、碳化钽、氮化钽硅、氮化钨、氮化钼、氮氧化钼、氧化钌、钛铝、氮化钛铝、碳氮化钽、其他合适的材料或其组合。在一些实施例中，底电极110透过下连接元件105耦接主动元件(未绘示)。在数个实施例中，底电极110包含钨、钛、氮化钛、氮化钽、氮化铝钛、氮化铝钽、或其组合。

在一些实施例中，如图1所示，先形成介电层103、下连接元件105及底电极110，然后在底电极110及介电层103上方形成介电层112。在一些实施例中，介电层112包含氧化物、氮化物、氮氧化物或其组合，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合。在一些实施例中，介电层112由氮化硅制成，但不限于此，亦可由其他介电材料制成，如氧化硅。在一些实施例中，利用薄膜沉积制程形成介电层112。在一些实施例中，介电层112的厚度介于50纳米至200纳米。

在一些实施例中，在形成介电层112之后，在介电层112上方沉积隔离材料。在一些实施例中，隔离材料包含氧化物、氮化物、氮氧化物或其组合，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合。在一些实施例中，隔离材料包含氧化硅，但不限于此。然后，对隔离材料进行微影蚀刻制程，以形成具有开口o1的隔离层114，如图1所示。在一些实施例中，开口o1的宽度大于或等于底电极110的宽度。

在一些实施例中，如图1所示，随后在开口o1中共形地形成多晶硅层116。在一些实施例中，透过化学气相沉积形成多晶硅层116。亦可透过原子层沉积、物理沉积、低压化学气相沉积或高密度电浆化学气相沉积形成多晶硅层116。在一些实施例中，多晶硅层116具有空隙v1(亦可称为锁孔结构)位于开口o1内。后续可将此锁孔结构向下转移至介电层112。

之后，如图1至图2所示，形成孔洞贯穿多晶硅层116及介电层112，露出底电极110的上表面。详细而言，如图2所示，形成第一孔洞h1及第二孔洞h2分别贯穿多晶硅层116及其下方的介电层112。第二孔洞h2位于第一孔洞h1的下方。在一些实施例中，透过蚀刻制程形成第一孔洞h1及第二孔洞h2分别贯穿多晶硅层116及介电层112，蚀刻制程包含反应离子蚀刻、高密度电浆蚀刻或其组合。

在一些实施例中，如图2所示，第一孔洞h1的最大宽度大于第二孔洞h2的最大宽度。在一些实施例中，第一孔洞h1的宽度小于多晶硅层116的宽度。在一些实施例中，第一孔洞h1具有宽区域h11及窄区域h12，窄区域h12位于宽区域h11的下方，并且连接第二孔洞h2。在一些实施例中，宽区域h11呈漏斗状，窄区域h12及第二孔洞h2呈柱状。在一些实施例中，宽区域h11具有一转角θ，转角θ大于89度。在一些实施例中，第二孔洞h2的宽度介于10纳米至30纳米。

如图2至图3所示，形成保护层118于第一孔洞h1及第二孔洞h2内及多晶硅层116上方。在一些实施例中，保护层118包含无机材料、有机材料或其组合。例如可透过化学气相沉积或其他合适的沉积制程形成包含无机材料的保护层118。无机材料可包含碳化硅、硅酸盬、硅酸烷、旋转涂布玻璃(spin-onglass)或其组合。例如可透过旋转涂布或其他合适的涂布制程形成包含有机材料的保护层118。有机材料可包含光阻。

如图3至图4所示，移除保护层118的一部分，以暴露多晶硅层116，并留下第二孔洞h2内的保护层118。留在第二孔洞h2内的保护层118可用以避免在后续制程(即如第4至5图所示的移除多晶硅层116)中损伤第二孔洞h2，导致第二孔洞h2的尺寸改变。在一些实施例中，利用干蚀刻、湿蚀刻或其组合移除保护层118的该部分。在一些实施例中，利用干蚀刻移除保护层118的该部分。在一些实施例中，移除保护层118的干蚀刻制程使用的处理气体包含氩气、氧气、三氟甲烷、氨气或其组合。

在一些实施例中，如图3至图4所示，移除保护层118的该部分的步骤包含移除位于多晶硅层116上方及第一孔洞h1的宽区域h11内的保护层118，以暴露多晶硅层116的上表面及侧表面的一部分，并留下位于第二孔洞h2内及第一孔洞h1的窄区域h12内的保护层118。但本揭示不限于此，只要移除保护层118的该部分的步骤能够暴露多晶硅层116的任一部分即可，以使后续可以移除多晶硅层116。

如图4至图5所示，对暴露的多晶硅层116进行干蚀刻制程，以移除多晶硅层116。在一些实施例中，移除多晶硅层116的干蚀刻制程使用的蚀刻气体包含六氟化硫、甲烷、三氟化氮或其组合。

需注意的是，用以移除多晶硅层116的干蚀刻制程具有非等向性。若图4所示的第二孔洞h2内没有保护层118，则干蚀刻制程会对露出的底电极110直接造成损害，亦有可能伤害介电层112，导致第二孔洞h2变大；此外，还可能产生副产物残留在第二孔洞h2内。为了移除残留在第二孔洞h2内的副产物，还可能造成第二孔洞h2进一步受损。然而如图4至图5所示，由于保护层118可以保护第二孔洞h2，因此进行干蚀刻制程以移除多晶硅层116时，底电极110不会受损，第二孔洞h2亦能维持良好尺寸稳定性。

如图5至图6所示，移除第二孔洞h2内的保护层118，以暴露第二孔洞h2及底电极110的上表面。在一些实施例中，利用干蚀刻、湿蚀刻或其组合移除第二孔洞h2内的保护层118。在一些实施例中，利用干蚀刻移除第二孔洞h2内的保护层118。在一些实施例中，移除第二孔洞h2内的保护层118的干蚀刻制程使用的处理气体包含氩气、氧气、三氟甲烷、氨气或其组合。

如图6至图7所示，沉积加热材料120’至第二孔洞h2内。在一些实施例中，加热材料120’亦沉积在开口o1的表面上方及隔离层114上方，如图7所示。在一些实施例中，透过原子层沉积、物理气相沉积或其组合形成加热材料120’。在一些实施例中，加热材料120’包含氮化钛、氮化钽、钛或其组合。可形成一或多层的加热材料层。在一些实施例中，形成三层加热材料层，由下而上依序为氮化钽、氮化钛及氮化钽。

如图7至图8所示，形成另一保护层118’于加热材料120’的上方。在一些实施例中，保护层118’包含无机材料、有机材料或其组合。例如可透过化学气相沉积或其他合适的沉积制程形成包含无机材料的保护层118’。无机材料可包含碳化硅、硅酸盬、硅酸烷、旋转涂布玻璃或其组合。例如可透过旋转涂布或其他合适的涂布制程形成包含有机材料的保护层118’。有机材料可包含光阻。

如图8至图9所示，移除保护层118’及位于隔离层114上方的加热材料120’。在一些实施例中，移除保护层118’及位于隔离层114上方的加热材料120’的步骤包含使用干蚀刻。在一些实施例中，干蚀刻制程使用的处理气体包含氩气、氨气、三氟化氮、甲烷或其组合。

在一些实施例中，如图8所示，由于位于隔离层114上方的保护层118’的厚度比位于开口o1处的保护层118’的厚度还要薄，其保护性较差，因此在干蚀刻制程中，位于隔离层114上方的加热材料120’会被一并去除，露出隔离层114的上表面。如此一来，后续制程仅需继续移除隔离层114及位于开口o1表面上方的相变化材料，无须额外移除位于隔离层114上方的加热材料120’，有助于降低后续制程复杂度及制程成本。

如图9至图10所示，移除隔离层114及位于隔离层114的开口o1表面上方的加热材料120’，以形成加热器120。在一些实施例中，移除隔离层114及位于隔离层114的开口o1表面上方的加热材料120’的步骤包含使用化学机械研磨制程。如上所述，由于图8至图9所示的位于隔离层114上方的加热材料120’已经被移除，而暴露出隔离层114的上表面，因此在此所述的化学机械研磨制程可仅使用用以移除隔离层114(含氧化物、氮化物、氮氧化物或其组合)的研磨液，无须使用用以同时移除加热材料120’(含金属)及隔离层114(含氧化物、氮化物、氮氧化物或其组合)的特殊研磨液，或者额外使用用以移除加热材料120’(含金属)的研磨液。如此一来，此方法具有较低的制程复杂度及制程成本。

特别的是，虽然在此步骤中，仅使用用以移除隔离层114的研磨液，但在化学机械研磨制程移除隔离层114的同时，开口o1侧壁上方的加热材料120’失去可支撑的侧壁，因此开口o1侧壁上方的加热材料120’会在制程中剥离。至于开口o1底部上方的加热材料120’，由于其面积小，厚度薄，可透过机械研磨制程轻易移除。

如图10至图11所示，形成相变化材料130’与顶电极材料140’于加热器120的上方。在一些实施例中，先形成相变化材料130’顶电极材料140’毯覆式地覆盖介电层112及加热器120，然后进行微影蚀刻制程，以形成相变化元件130和顶电极140，如图11至图12所示。在一些实施例中，顶电极材料140’包含钛、氮化钛、氮化钽、氮化铝钛、氮化铝钽、或其组合。

由上述可知，本揭示的制造相变化记忆体的方法以其他制程步骤(参照图3至图6)移除多晶硅层，而不使用氢氧化四甲基铵溶液直接移除多晶硅层。如此一来，除了可以避开使用氢氧化四甲基铵溶液造成的危险及其带来的环境污染之外，又可以透过位于第二孔洞内的保护层避免第二孔洞损伤，使第二孔洞具有良好的尺寸稳定性。

另一方面，参照图8至图9，由于可一并移除保护层及位于隔离层上方的相变化材料，后续仅需使用用以移除隔离层的研磨液，无需使用特殊研磨液或额外使用另一种研磨液，因此本揭示的方法具有较低的制程复杂度及制程成本。

以上扼要地提及多种实施例的特征，因此熟悉此技艺的人士可较好了解本揭示的各方面。熟悉此技艺的人士应意识到，为了落实相同的目的及/或达到在此提出的实施例的相同优点，其可轻易使用本揭示以做为设计或修改其他制程及结构的基础。熟悉此技艺的人士亦应了解的是，这些均等的构造不背离本揭示的精神及范围，以及其人可在此进行各种改变、取代、及替代而不背离本揭示的精神及范围。