一种包含热保护底电极的相变化存储单元及其制作方法

专利名称：一种包含热保护底电极的相变化存储单元及其制作方法
技术领域：
本发明系关于采用相变化存储材料的高密度存储装置，其包含硫 属化物元素以其它可编程的电阻材料。本发明亦揭露制作该种装置的 方法。
背景技术：
以相变化为基础的存储材料已经广泛地运用于可擦写光盘片中。 这些材料具有至少两种固态相，包括如一大致为非晶态的固态相，以 及一大致上为结晶态的固态相。读写光盘片是利用激光脉冲，以在二 种相态之间切换，同时读取材料经过相变化转换之后的光学性质。
硫属化物或其它相似材料的相变化存储器材料，亦可通过集成电 路施以适当强度的电流，来改变相位。大致为非晶态的电阻率高于大 致为结晶态时的电阻率，而此种电阻差异易于检测，故可代表不同数 据内容。该种物质特性引发研究动机，以利用可控制的电阻材料，制 作非易失、并且可随机读写的存储器电路。
非晶态转换至结晶态的过程，通常采用较低的操作电压。由结晶
态转换为非晶态的过程，于此称为『复位』(reset)。其通常需要较高的 操作电压，包含一短时间且高密度的电流脉冲，以熔化或破坏结晶结 构，随后快速冷却相变化材料，经淬火处理，将至少一部分的相变化 结构稳定为非晶态。此一过程，藉复位电流将相变化材料由结晶态转 变为非晶态，而吾人希望尽量降低复位电流的强度。欲降低复位电流 的强度，可降低存储器单元中的相变化材料元件尺寸，或者降低电极 与相变化材料的接触区域大小，此时穿越相变化元件的电流绝对值较 小，故可产生较高的电流密度。
传统相变化存储器与其结构遭遇到散热效应的问题。图1显示习 知技术中存储单元的剖面示意图，其包含位于介电层100中的底电极110、底电极110之上的相变化核心120、以及位于相变化核心120之 上的顶电极130。具有热传导性的底电极110可作为散热库，其高导热 系数可快速地将热能由相变化核心120带离。由于核心120会因为热 能而产生相变化，因此散热效应会提高相变化的发生门坎，故必须采 用较高的电流。
图2显示类似于图1的一种存储单元结构的剖面示意图，其中进 一步包含底电极110中的接缝140。如过去所习知者，将材料沉积至深 宽比相对较高的开口中(例如在介电层100中形成底电极110)，即会 在沉积材料中造成如接缝140的型态。所沉积的材料倾向堆积于接近 容纳结构的边缘，留下接缝或空孔，而不会形成均匀的固态材料。在 此例中，稍后所沉积的相变化核心120无法完全与底电极接触，造成 接触不良，同时影响存储单元的稳定性与可靠度。
在极小的尺寸之下制作此种装置，或者欲使工艺符合大型存储装 置的严格规格要求，均为重大挑战。因此产生需求，希望能发展具有 小尺寸与低复位电流的存储单元结构，也希望该结构可以着眼于导热 性的问题，同时能符合大型存储装置工艺所需的严格工艺标准。此外， 也希望能制作具有微小主动相变化区域的存储装置。

发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种存储装置，其包含一 底电极、位于底电极上的一热保护结构、以及位于该热保护结构上的 多层堆栈。热保护结构包含一热保护材料层，该热保护材料的导热系 数低于底电极材料的导热系数。多层堆栈包含位于相变化核心之上的 顶电极。多层堆栈在第一方向上具有第一宽度，该宽度小于热保护材 料层，同时在第二方向上具有第二宽度，其宽度低于热保护材料层， 而该第二方向与第一方向垂直。
本发明同时提供了一种制作存储装置的方法，其包含提供一底电 极，延伸至第一介电层的顶部表面。接着依序在第一底电极之上形成 第一阻挡材料层、热保护材料层、第二阻挡材料层、相变化材料层、 顶电极材料层、以及硬掩膜材料，如此第一阻挡材料层会位在底电极之上。在底电极之上的硬掩膜上形成一层光刻胶。以该光刻胶层作为 掩膜，向下刻蚀至穿越相变化材料，以形成多层堆栈。多层堆栈包含
(1)相变化核心，其包含相变化材料，而相变化核心具有边墙；(2) 顶电极包含位于相变化核心之上的顶电极材料，以及(3)硬掩膜覆盖 层包含位于顶电极之上的硬掩膜材料。随后，形成第二介电材料层于 该多层堆栈之上，并刻蚀该第二介电材料层，以形成介电侧壁子于相 变化核心的边墙上。以该介电侧壁子与该硬掩膜覆盖层作为掩膜，向 下刻蚀至第一介电层，以形成热保护结构，该热保护结构包含(1)第 一阻挡层位于该底电极之上，该第一阻挡层包含第一阻挡材料，(2) 热保护层位于该第一阻挡层之上，该热保护层包含热保护材料，以及
(3)第二阻挡层位于该热保护层之上，该第二阻挡层包含第二阻挡材 料。热保护材料具有低于该底电极材料的一导热系数，同时具有低于 该第一阻挡材料与该第二阻挡材料的一导电系数，而该存储材料至少 具有二固态相。
另一种制作存储装置的方法，包含提供底电极，延伸穿越第一介 电层的顶部表面，并刻蚀该底电极层的一部分以形成凹槽。形成第一 阻挡材料层区块于该第一介电层的该顶部表面之上以及该凹槽中，以 连接该底电极，并界定该凹槽中的开口。形成一热保护材料层于该第 一阻挡材料之上，同时填充该凹槽的开口。平坦化该第一阻挡材料层 与该热保护材料层，以暴露该第一介电层的顶部表面，由此形成包含 第一阻挡材料的第一阻挡层于该底电极之上与该凹槽中，同时形成包 含热保护材料的热保护层于该第一阻挡层上与该凹槽中。接着形成第 二阻挡材料层、相变化材料层、以及顶电极材料层于该第一介电层之 上，由此该第二阻挡材料层位于该热保护层之上。形成光刻胶柱体于 该顶电极材料层上，同时覆盖该底电极。以该光刻胶层作为一掩膜， 向下刻蚀至穿越该相变化材料层，以形成一多层堆栈，该多层堆栈位 于该相变化核心上，包含相变化材料的相变化核心，以及包含顶电极 材料的顶电极，而该相变化核心具有一边墙。形成第二介电材料层于 该多层堆栈之上，然后刻蚀该介电材料层与该第二阻挡材料层。刻蚀 将形成包含第二阻挡材料而位于热保护层之上的第二阻挡层，同时在相变化核心的边墙上，形成包含第二介电材料的介电侧壁子。
此处所公开的存储单元，可具有极小的主动区域，以降低引发相 变化所需的电流。在较佳实施例中，相变化核心的宽度(在某些实施 例中为半径)小于制作存储单元的光刻工艺所需的最低特征尺寸。核 心的厚度亦可低于制作存储单元的光刻工艺所需的最小特征尺寸，而 该厚度是以存储材料的薄膜沉积方法形成于热保护结构之上。
热保护结构可作为热绝缘体，以降低相变化核心被底电极所汲取 的热量，有效地增加单位电流在相变化核心中所产生的热量。此种核 心的绝热设计可让存储单元采用的电流大小，低于所有习知技艺中所 采用者。
本发明的其它目的与优点将参照图式说明如下。


图1显示先前技术所采用的相变化存储单元剖面图。
图2显示先前技术中，在底电极具有接缝的相变化存储单元剖面图。
图3A显示本发明的一种实施例，其为具有热保护结构的存储单元 剖面图。
图3B显示图3A所示存储单元的剖面图，其显示第一阻挡层与第 二阻挡层如何有效地改善热保护层中的电场/电流密度一致性。
图3C显示图3A所示存储单元的剖面图，其显示热保护结构对底 电极的对准窗口的尺寸。
图3D显示图3A所示存储单元的剖面图，其中进一步包含在底电 极中的接缝。
图3E显示图3A所示存储单元的剖面图，其中进一步包含填充的 接缝，以形成空孔。
图4A显示类似于图3A所示存储单元的剖面图，其中省略第二阻 挡层。
图4B显示类似于图3A所示存储单元的剖面图，其中省略第一阻 挡层。图5A显示依据本发明的一种实施例所制作的存储单元剖面图，其 具有热保护结构。
图5B显示如图5A所示存储单元的剖面图，其中底电极包含接缝。 图5C显示如图5B所示存储单元的剖面图，其中进一步包含接缝 填充，以形成空孔。
图6至图12显示依据本发明的第一实施例制作存储单元的制作流程。
图13至图20显示依据本发明的第二实施例制作存储单元的制作 流程。
主要元件符号说明
100、300、500、 1000、 1900:介电层
110、310、510:底电极
120、320、520、 720:相变化核心
130、330、530、 730、 1730:顶电极
140、390、590:接缝
308、508:薄层
322:厚度
324、810、1710:宽度(直径)
340、540:热保护结构
350、550、750、 1500:第一阻挡层
360、560、760:热保护材料层
370、570、770、 1770:第二阻挡层
385、410、440:电流密度
400:电流方向420、450:热点
595:空孔
700:硬掩膜材料800、1700::柱体
900:硬掩膜覆盖层910、 1810:边墙
1100、 2000:介电侧壁子
1400:凹槽 1510:开口 1720:相变化材料层
具体实施例方式
下列实施方式的叙述，主要系参照特定结构实施例的结构与方法。 吾人应理解其内容，并非欲将本发明的范畴限定于特定的实施例与方 法之中，反之，本发明可利用其它特征功能、元件、方法、以及实施 例而据以实施。此处利用较佳实施例的说明，以揭露本发明的内容， 但该说明并非用以限定发明的范畴，而应以权利要求书为准。习知该 技术领域的人将理解基于实施方式所进行的多种变化均将落入本发明 的范围中。不同实施方式中相类似的元件多以相同的元件标号呈现。
关于方向的叙述，可见图式中的上、下、左、右标示个别图面中 的参考方向。相同地，厚度是指垂直方向，而宽度是指水平方向。习 知技艺之人将理解上述方向并非指涉电路操作或者其它应用的方向。
以下参见图3至图20以详细说明本发明的内容。 图3A显示依据本发明的一种较佳实施例，所制作在顶电极330 与底电极310具有热保护结构340的存储单元剖面示意图。
底电极310延伸穿越层间介电层300，以连接位于其下的存取电路 (未显示)。较佳实施例中，层间介电层300包含二氧化硅或者其它习 知技艺常采用的材料，例如聚合物、氮化硅、或其它介电填充材料。 在各种实施例中，介电层300具有相对较佳的绝热特性，同时具有较 佳的电性绝缘特性，以作为热和电的绝缘体。较佳实施中，底电极310 包含钨等绝热金属。其它可作为底电极310的材料，包含钛、钼、铝、 铊、铜、铂、铱、镧、镍、氮、氧、钌。然底电极亦可采用其它的结 构与材料。可选择性地采用薄层308以将底电极310与介电层300及 下方的存取电路(未显示)隔绝。选择特定材料时，薄层308可作为 底电极310及介电层300之间的扩散势垒。依据图3A所示的实施例，其中热保护结构340包含位于底电极 310之上的一第一阻挡材料层350，位于第一阻挡层350之上的热保护 材料层360，以及位于热保护层360之上的第二阻挡材料层370。第一 阻挡层350与第二阻挡层370通常具有防止扩散的功用。第一阻挡层 350与第二阻挡层370采用的材料，其导电系数大于热保护层360的导 电系数，因此可有效地在热保护层360中造成电场/电流密度385的一 致性，如图3B所示。
第一阻挡层350与第二阻挡层370的电场/电流密度430的一致性 所具有的优良效应，可增加热保护结构340对底电极310的对准窗口 ， 如图3C所示。
在某较佳实施例中，第一阻挡层350与第二阻挡层370包含相同 材料。在其它实施例中，第一阻挡层350与第二阻挡层370亦可包含 不同的材料。依据本发明的较佳实施例，第一阻挡层350与第二阻挡 层370为氮化钛或其它类似的材料，诸如由硅、钛、铝、铊、氮、氧、 碳的群组中所选出的一种或多种元素的组合。较佳实施例中，第一阻 挡层350与第二阻挡层370为薄层，其厚度举例而言约小于等于30nm， 在最佳实施例中约在2nm至10nm之间。所示实施例中，第二阻挡层 370的宽度大约等于热保护层360的宽度。在其它实施例中，第二阻挡 层370的宽度小于热保护层360的宽度，举例而言大致等于相变化核 心320的宽度。
相变化核心320与顶电极330共同形成多层堆栈，而相变化核心 320包含相变化材料。顶电极330举例而言可包含TiN、 TaN、 TiW、 TiSiN、或TaSiN。如图3A所示，多层堆栈的宽度324在图标剖面图 的第一方向(即图示平面)上小于热保护层360的宽度。同样地，堆 栈在第二方向(即垂直图面的方向)上的宽度，小于热保护层360的 宽度。
操作时，底电极310的电压与顶电极330的电压可引导电流自底 电极310经过热保护结构340与相变化核心320流向顶电极330，或者 是相反的方向。
主动区域是指相变化核心320中，可诱发存储材料在两种固态相之间转换的区域。在所示结构中，主动区域可以极小，以降低诱发相
变化所需的电流。在较佳实施例中，相变化核心的宽度324 (在某些实
施例中为直径)小于制作存储单元的光刻工艺的最小特征尺寸。在某
些实施例中，核心320的宽度324小于或等于60nm，举例而言约在10nm 至40nm之间。核心320的厚度322亦可以低于制作存储单元的光刻工 艺的最小特征尺寸。厚度322可利用存储材料所采用的薄膜沉积技术， 制作形成于热保护结构340之上。在某些实施例中，厚度322小于或 等于100nm，举例而言约在20nm至80nm之间。
热保护结构340可作为热绝缘体，以降低核心320经由底电极310 所散逸的热量，有效地增加单位电流在相变化核心320所产生的总热 量。核心320的绝热设计，可使存储单元的设计具有低于先前技术所 采用的电流，因此可进一步降低存储单元的尺寸。具有导电性质的热 保护层360包含热保护材料，其导热系数低于底电极310所采用的材 料。二者的比例而言，热保护层的导热系数与底电极310所采用的材 料的导热系数比例，系约为10%，而在较佳实施例中约为0.1%。
在某些实施例中，热保护层360包含具有相变化特性的存储材料， 举例而言包含Ge、 Sb、与Te。热保护层360举例而言可包含与相变化 核心320相同的材料。另一方面，热保护层360可能包含与相变化核 心320具有不同元素组合比例的材料，举例而言相变化核心320包含 Ge2Sb2Te5，而热保护层360则包含另一比例的Ge、 Sb、 Te组合，或 者包含Ge与Sb的组合。让相变化核心320与热保护层360采用相同 材料的优点，即是可以降低两者之间热扩散的影响。在某些实施例中， 热保护层360可包含硫属化物或者其它具有掺杂的相变化材料，以改 变导电系数、相变化温度、熔点、以及其它性质。可掺杂于硫属化物 的典型杂质，包含氮、氧化硅、二氧化硅、氮化硅、铜、银、金、铝、 氧化铝、铊、氧化铊、氮化铊、钛、与氧化钛。热保护层360的厚度， 举例而言约小于或等于100nm，在较佳实施例中是在20nm至80nm之 间。
存储单元的实施例，包含利用相变化的存储材料，其中包含硫属 化物材料以及其它材料，作为相变化核心320。硫属化物可能包含氧(0)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)等四种元素，为元素周期表第VIA族的一 部分。硫属化物包含硫族元素与其它例如过渡金属元素的化合物。硫 属化物合金通常包含一种以上的元素周期表第IVA族元素，例如锗(Ge) 和锡(Sn)。通常，硫属化物合金中包含一种以上的锑(Sb)、镓(Ga)、铟 (In)、与银(Ag)元素。文献中已有许多种类的相变化存储器材料，例如 下列合金Ga/Sb、 In/Sb、 In/Se、 Sb/Te、 Ge/Te、 Ge/Sb/Te、 In/Sb/Te、 Ga/Se/Te、 Sn/Sb/Te、 In/Sb/Ge、 Ag/In/Sb/Te、 Ge/Sn/Sb/Te、 Ge/Sb/Se/Te、 以及Te/Ge/Sb/S。 Ge/Sb/Te的合金家族中，许多合金组合均可作为相 变化存储器材料，此类组合可特定为TeaGebSb咖.(針b)，
某些实施例中，硫属化物与其它相变化材料会掺杂其它杂质以改 变电性、相变化温度、熔点、以其它存储元件的性质。可掺杂于硫属 化物的典型杂质，包含氮、氧化硅、二氧化硅、氮化硅、铜、银、金、 铝、氧化铝、铊、氧化铊、氮化铊、钛、与氧化钛。举例而言，可参 照美国专利号U.S. 6,800,504与美国专利申请案2005/0029502。
已有研究人员指出，效能最佳的合金，其沉积材料中的Te平均浓 度均低于70%，通常低于60%，而其范围多为23%至58%之间，最佳 浓度又为48%至58%的Te。 Ge的浓度则为5%以上，范围约为8%至 30%之间，通常低于50%。最佳实施例中，Ge的浓度范围约为8%至 40%。此一组成中，最后一项主要组成元素为Sb，而上述所有元素的 比例总和为100%。 (Ovshinsky， 112 patent, columns 10-11)。研究人员所 评估的其它特定合金包含Ge2Sb2Tes、 GeSb2Te4、与GeSb4Te7 (Noboru Tamada, "Potential of Ge-Sb-Te Phase-Change Optical Disks for High-Data-Rate-Recording", SPIE v. 3109, pp. 28-37 (1997))。就更为普遍 的面向，过渡金属，例如铬(Cr)、铁(Fe)、镍(Ni)、铌(Nb)、钯(Pd)、 铂(Pt)，与上述元素的合金，均可能与Ge/Sb/Te组成相变化合金，并使 其具备程序可编程电阻的性质。可作为存储器材料的特定范例，见于 Ovshinsky， 112 at column 11-13，此处的所载的范例即为参考上述文献 所为的组合。
相变化材料通常可于非晶固态相的第一结构，与通常为结晶固态 相的第二结构之间切换，而此种转换是进行于存储单元中的主动信道区域内。『非晶』无固定晶向的结构，较结晶相具有更高的电阻率等特 性。『结晶』有固定晶向的结构，较非晶相具有更低的电阻率等特性。 通常而言，可于非晶态与结晶态之间，利用脉冲电流变换相变化材料 的相态。材料可转换为两种相异的固态相，亦可转换为两种固态相的 组合，故可于完整非晶相与完整结晶相之间，形成灰色地带，材料的 电性亦将随之转换。
相变化合金可利用电脉冲改变相态。时间较短、振幅较大的脉冲， 易将相变化材料转为通常的非晶态。而时间长、振幅较低的脉冲，则 易将相变化材料转为通常的结晶态。时间短且振幅高的脉冲，能量较 高，足以破坏结晶态的键能，同时縮短时间可防止原子重新排列为结 晶态。利用实验或者模拟的方式，均可获得适当的脉冲参数，以应用
于特定的相变化合金。以下公开的实施例中，相变化材料是指GST， 举例而言，此处用以制作PCRAM的一种材料为Ge2Sb2Te5 。然而， 亦可采用其它相变化材料。
代表性的硫属化物材料如下
GexSbyTez，其中x:y:z = 2:2:5，其它实施例中可应用的组成为x:0~5, y:0~5， z:0~10。 GeSbTe加入添加物，例如N-、 Si-、 Ti-、或添加其它 元素。制作的方法可以采用PVD溅射或磁控溅射法，以Ar、 N2、禾口/ 或He等作为反应气体，压力为lmtorr 100mtorr。此一沉积步骤通常 于室温下完成。可采用深宽比1~5的准直仪，以增进填充效能。为增 进填充的效能，常施加数十伏特至数百伏特的DC偏压。另一方面， 亦可同时结合DC偏压与准直仪的使用。有时需要于真空或N2环境中 进行后沉积的退火处理，以提升硫属化物材料的结晶状态。退火温度 的通常范围为10(TC至40(TC，退火时间则低于30分钟。
本发明的一种重要特征，即是热保护结构340可利用底电极310 之中的接缝390 (如图3D所示)，增进存储单元的可靠度及稳定性。 即使热保护结构340有部分填入接缝390中，也不会影响细胞核心的 效能，如此可提高存储单元的可靠度及稳定性。如图3E所示，既使存储单元的制作过程或者操作过程，使得源自热保护层360的材料流入 热保护层360中的接缝3卯与空孔395，第二阻挡层370亦可使相变化 核心320在热保护结构340及相变化核心320之间建立稳定可靠的接 触。
依据不同状况，可选择采用第一阻挡层350与第二阻挡层370，在 某些实施例中亦可省略其一或者省略二者。省略第一阻挡层350与第 二阻挡层370之一或者省略二者可增进热保护结构340的绝热特性。
图4A显示类似于图3A的实施例，其中省略第二阻挡层370，使 得热保护层360之中形成非一致性的电场/电流密度410。非一致性的 电场/电流密度410将增加热保护层360的电阻，同时增加特定电流之 下第一阻挡层350与相变化核心320之间的电压差异。非一致性的电 场/电流密度410将使得热点420具有相对较高的电场/电流密度。
图4B显示类似于图3A的实施例，其中省略第一阻挡层350，而 热保护层360亦未对准底电极310，藉以在热保护层360中造成非一致 性的电场/电流密度440以及热点450。基本上，省略阻挡层有助于减 少热散，但阻挡层有助于提升稳定度。
图5A显示本发明的一种较佳实施例的剖面图，其中顶电极530 与底电极510之间具有一热保护结构540。热保护结构540包含第一阻 挡层550以及热保护层560，其系形成于介电层500的凹槽中，而第二 阻挡层570则位于热保护层560之上。图5A所示的存储单元材料以及 尺寸，均可与图3A所示者相同。
热保护结构540位于穿越介电层500的底电极510之上，另有存 取电路位于其下(未显示)。选用薄层508可用以分隔底电极510与介 电层500和存取电路(未显示)。薄层508可选用特定材料，以作为底 电极510与介电层500的扩散势垒。
包含相变化材料的相变化核心520位在热保护结构540之上，而 顶电极530又位在相变化核心520之上。
本发明的一种重要面向，即是以底电极热保护结构540填补接缝 590，增加存储单元的可靠度与稳定性，如图5B所示。热保护结构540 可部分填入接缝590，同时可因此增进存储单元的可靠度与稳定性。如图5C所示，即使存储单元的制作过程或操作过程使得源自热保护层
560的材料流入热保护层560中的接缝590与空孔595，第二阻挡层570 亦可使相变化核心520在热保护结构540及相变化核心520之间建立 稳定可靠的接触。
图6至图12显示依据本发明的第一实施例，制作存储单元的流程 图。以下说明不再重复如材料选用、厚度、或者其它前面已经提及的 特征。
图6显示工艺步骤的第一步的剖面图，包含提供层间介电层300， 其具有底电极(接点)310延伸穿越其中。
稍后，多层结构形成于图6所示的结构上，依序包含形成第一阻 挡层750，热保护层760、第二阻挡层770，相变化材料层720，顶电 极层730，以及硬掩膜层700，以形成如图7所示的结构。在某些实施 例中，硬掩膜材料700包含SiN、 Si02、或SiON。
稍后，包含光刻胶材料的柱体800形成于图7所示的结构上，造 就图8所示的结构。举例而言，柱体800可利用图案化一层光刻胶层 而形成。此外，较佳实施例是在图案化的光刻胶上进行修裁，举例而 言可利用等离子体氧气刻蚀之类的非等向刻蚀工艺，如此柱体800可 具有宽度810 (在某些实施例中为直径)，其小于图案化光刻胶层的工 艺的最小特征尺寸。
接着，如图8所示，利用柱体800作为掩膜，将柱体800移除， 以向下刻蚀至第二阻挡材料层770，造成如图9所示的结构，其具有一 硬掩膜覆盖层900、顶电极330、相变化核心320、以及边墙910。第 二阻挡材料层770可作为刻蚀工艺中的刻蚀停止层。此外，亦可刻蚀 第二阻挡材料层770，使得第二阻挡材料层770包含一实质上与相变化 核心320的宽度。
然后，介电材料层1000形成于如图9所示的结构之上，形成如图 IO所示的结构。介电材料1000举例而言可包含Si02、 SiN、 SiON或 AIO。稍后对介电材料层1000进行刻蚀，以在相变化核心320的边墙 910上形成介电侧壁子1100，如图11所示。
随后，可利用硬掩膜覆盖层900与介电侧壁子1100作为掩膜，在如图11所示的结构上进行向下刻蚀，造成如图12所示的自对准存储
单元，使其具有对准于相变化核心320、顶电极330、与介电侧壁子1100 的热保护结构340。热保护结构340包含第一阻挡层350、热保护层360、 以及第二阻挡层370。
采用如图6至图12所示的工艺来制作自对准存储单元的优点，即 是仅需釆用一道光刻胶掩膜。
图13至图20显示依据本发明的第二实施例，制作存储单元的流 程图。
图13显示工艺步骤的剖面图，包含提供层间介电层500，该层间 介电层500又有底电极510穿越其中。
稍后，刻蚀如图13所示的部分底电极510，形成凹槽1400，以形 成如图14所示的结构。
随后，依据结构的形状，形成第一阻挡材料层1500于图14所示 的结构之上，形成如图15所示的结构。具有凹槽的第一阻挡材料1500， 会在凹槽1400中形成开口 1510。
热保护材料层形成于图15所示的结构上，随后经过例如化学机械 抛光(CMP)等平坦化工艺，以形成凹槽1400中具有第一阻挡层550 和热保护层560的结构。
稍后，形成多层结构于图16所示的结构上，其包含依序形成第二 阻挡材料层1770、相变化材料层1720、与顶电极材料层1730。在某些 实施例中，多层结构进一步包含位于顶电极材料1730之上的硬掩膜材 料。
接着，包含光刻胶材料的柱体1700形成于该多层结构上，形成如 图17所示的结构。举例而言可利用图案化光刻胶层的方法制作柱体 1700。此外，较佳实施例是在图案化的光刻胶上进行修裁，举例而言 可利用等离子体氧气刻蚀之类的非等向刻蚀工艺，如此柱体1700可具 有宽度1710 (在某些实施例中为直径)，其小于图案化光刻胶层的工艺 的最小特征尺寸。
接着，如图17所示，利用柱体1700作为掩膜，将柱体1700移除， 以向下刻蚀至第二阻挡材料层1770，造成如图18所示的结构，其具有
20顶电极530、相变化核心520、以及边墙1810。第二阻挡材料层1770 可作为刻蚀工艺中的刻蚀停止层。此外，亦可刻蚀第二阻挡材料层 1770，使得第二阻挡材料层1770包含一实质上与相变化核心520的宽 度。
然后，介电材料层1900形成于如图18所示的结构之上，形成如 图19所示的结构。
随后，向下刻蚀介电层500，形成相变化核心520的边墙1810上 的介电侧壁子2000，以及包含第二介电材料1770的第二阻挡层570， 形成如图20所示的存储单元。
此处所公开的存储单元所具有的优点，包含可降低存储单元尺寸， 同时可提供解决热传导问题的结构，提供支持高密度装置的数组结构， 以及制作此种结构的方法，以符合大型存储装置所要求的严格工艺参 数。此外，热保护结构为相变化核心提供良好的接触表面，而无须考 虑下方各层不规则的状态。
本发明揭露如上述较佳实施例以及范例，但应理解为此等实施例 与范例仅供举例之用，而非用以限制本发明的范畴。习知技艺之人依 据上述内容进行的修改与组合，均落入本发明的范畴以及权利要求书 所限定的范围之中。
任何与所有的专利、专利申请、以及印刷公开的文件均己经包含 于本专利说明书中作为参考。
权利要求
1、一种存储装置，其特征在于，包含一底电极，包含一底电极材料；一热保护结构位于该底电极之上，该热保护结构包含一热保护材料层，该热保护材料具有低于该底电极材料的一导热系数；以及一多层堆栈位于该热保护结构之上，该多层堆栈包含一顶电极位于一相变化核心之上，该相变化核心包含具有至少二固态相的一相变化材料，其中该多层堆栈在一第一方向上具有一第一宽度，该第一宽度小于该热保护材料层的宽度，以及在一第二方向上具有一第二宽度，该第二宽度小于该热保护材料层的宽度，而该第二方向与该第一方向垂直。
2、 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，其中该热保护结构 包含一阻挡层，包含一位于该底电极上的一阻挡材料；以及 该热保护材料层位于该阻挡层之上。
3、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中该热保护结构 包含该热保护材料层位于该底电极上；以及一阻挡层，包含一阻挡材料，位于该热保护材料层之上。
4、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中该热保护结构 包含一第一阻挡层，包含一第一阻挡材料，位于该底电极之上；该热保护材料层位于该第一阻挡层之上；以及一第二阻挡层，包含一第二阻挡材料位于该热保护材料层之上， 其中该第一阻挡材料与该第二阻挡材料层均具有大于该热保护材料的 一导电系数。
5、 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，其中该第一阻挡材 料与该第二阻挡材料分别包含由硅、钛、铝、铊、氮、氧和碳所构成 的一群组中所选出的一种或多种元素。
6、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中 该底电极延伸至一介电层的一顶部表面；以及 该热保护结构包含一第一阻挡层，包含一第一阻挡材料位于该介电层的该顶部表面 上，并与该底电极接触；该热保护材料层位于该第一阻挡层上；以及一第二阻挡层包含一第二阻挡材料位于该热保护材料层上，其中 该第一阻挡材料与该第二阻挡材料均具有大于该热保护材料的一导电 系数。
7、 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，其中 该底电极延伸至一介电层的一顶电极之下，界定一凹槽；以及 该热保护结构包含一第一阻挡层，包含一第一阻挡材料位于该该凹槽中，同时与该底电极接触，以界定一开口于该凹槽中；该热保护材料层位于该第一阻挡层上；以及一第二阻挡层包含一第二阻挡材料位于该热保护材料层上，其中 该第一阻挡材料与该第二阻挡材料均具有大于该热保护材料的一导电 系数。
8、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中该热保护层的 导热系数小于或等于该底电极材料的导热系数的10%。
9、 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，其中该热保护层的 导热系数小于或等于该底电极材料的导热系数的0.1%。
10、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中该多层堆栈 的该第一宽度与该第二宽度低于制作该装置的一光刻工艺的一最小特 征尺寸。
11、 一种制作存储装置的方法，其特征在于，其步骤包含 形成一底电极，包含底电极材料；形成一热保护结构于该底电极上，该热保护结构包含一热保护材 料层，该热保护材料具有低于该底电极材料的一导热系数；以及形成一多层堆栈于该热保护结构上，该多层堆栈包含一顶电极位于一相变化核心之上，该相变化核心包含至少二固态相的相变化材料， 其中该多层堆栈在一第一方向上具有一第一宽度，其低于该热保护材 料层的宽度，以及在一第二方向上具有一第二宽度，该第二宽度小于 该热保护材料层的宽度，而该第二方向与该第一方向垂直。
12、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其中该形成一热 保护结构的步骤包含形成一阻挡层于该底电极上，该阻挡层包含一阻挡材料；以及 形成该热保护材料层于该阻挡层之上。
13、 根据权利要求ll所述的方法，其特征在于，其中形成一热保护结构的步骤包含.形成该热保护材料层于该底电极之上；以及形成一阻挡层于该热保护材料层之上，该阻挡层包含一阻挡材料。
14、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其中形成一热保护结构的步骤包含-形成一第一阻挡层于该底电极之上，该第一阻挡层包含第一阻挡材料；形成该热保护材料层于该底电极之上；以及形成一第二阻挡层于该热保护材料层之上，该第二阻挡层包含一 第二阻挡材料，其中该第一阻挡材料与该第二阻挡材料具有大于该热 保护材料的一导电系数。
15、 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，其中该第一阻挡材料与该第二阻挡材料个别包含由硅、钛、铝、铊、氮、氧与碳所构 成的一群组中所选出的一种或以上的元素。
16、 根据权利要求ll所述的方法，其特征在于，其中 该形成一底电极的步骤，包含形成该底电极，延伸至一介电层的一顶部表面；以及该形成一热保护结构的步骤包含形成一第一阻挡层，包含一第一阻挡材料位于该介电层的该顶部表面之上，同时接触该底电极；形成该热保护材料层于该第一阻挡层之上；形成一第二阻挡层于该热保护材料层之上，该第二阻挡层包含一 第二阻挡材料，其中该第一阻挡材料与该第二阻挡材料具有大于该热 保护材料的一导电系数。
17、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其中 该形成一底电极的步骤，包含形成该底电极延伸至一介电层的一顶部表面，并刻蚀该底电极的一部分以形成一凹槽；以及 该形成一热保护结构的步骤包含形成一第一阻挡层区块，包含具有该凹槽的一第一阻挡材料，同 时与该底电极接触，以在该凹槽中界定一开口；形成该热保护材料层于该第一阻挡层之上，同时填充该凹槽中的 该开口；以及形成一第二阻挡材料层于该热保护材料层之上，该第二阻挡材料 层包含一第二阻挡材料，其中该第一阻挡材料与该第二阻挡材料具有 大于该热保护材料的一导电系数。
18、 根据权利要求ll所述的方法，其特征在于，其中该热保护层 的导热系数小于或等于该底电极材料的导热系数的10%。
19、 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其中该热保护层 的导热系数小于或等于该底电极材料的导热系数的0.1%。
20、 根据权利要求ll所述的方法，其特征在于，其中该多层堆栈 的该第一宽度与该第二宽度低于制作该装置的一光刻工艺的一最小特 征尺寸。
21、 一种制作存储装置的方法，其特征在于，该方法包含 提供一底电极，延伸至一第一介电层的一顶部表面； 接着在该第一介电层的上形成一第一阻挡材料层、 一热保护材料层、 一第二阻挡材料层、 一相变化材料层、 一顶电极材料层、以及一 硬掩膜材料层，如此该第一阻挡材料层位于该底电极之上；形成一光刻胶柱体于该硬掩膜材料之上，同时覆盖该底电极； 以该光刻胶层作为一掩膜，向下刻蚀至穿越该相变化材料层，以 形成一多层堆栈，该多层堆栈具有(1)包含相变化材料的一相变化核 心，该相变化核心具有一边墙，(2)包含该顶电极材料的一顶电极位于该相变化核心上，以及(3)包含硬掩膜材料的一硬掩膜覆盖层位于该顶电极之上；形成一第二介电材料层于该多层堆栈之上；刻蚀该第二介电材料层，以形成一介电侧壁子于该相变化核心的 该边墙上；以及以该介电侧壁子与该硬掩膜覆盖层作为一掩膜，向下刻蚀至该第 一介电层，以形成一热保护结构，该热保护结构包含(1) 一第一阻挡 层位于该底电极之上，该第一阻挡层包含第一阻挡材料，(2) —热保 护层位于该第一阻挡层之上，该热保护层包含热保护材料，以及(3) 一第二阻挡层位于该热保护层之上，该第二阻挡层包含第二阻挡材料;其中该热保护材料具有低于该底电极材料的一导热系数，同时具 有低于该第一阻挡材料与该第二阻挡材料的一导电系数，而该存储材 料具有至少二固态相。
22、 一种制作存储装置的方法，其特征在于，该方法包含提供一底电极，延伸穿越一第一介电层的一顶部表面；刻蚀该底电极的一部分以形成一凹槽；形成一第一阻挡材料层区块于该第一介电层的该顶部表面之上以 及该凹槽中，以连接该底电极，并界定该凹槽中的一开口；形成一热保护材料层于该第一阻挡材料的上，同时填充该凹槽的 该开口；平坦化该第一阻挡材料层与该热保护材料层，以暴露该第一介电 层的该顶部表面，由此形成包含第一阻挡材料的一第一阻挡层于该底 电极之上与该凹槽中，同时形成包含热保护材料的一热保护层于该第 一阻挡层上与该凹槽中；接着形成一第二阻挡材料层、 一相变化材料层、以及一顶电极材 料层于该第一介电层之上，由此该第二阻挡材料层位于该热保护层之 上；形成一光刻胶柱体于该顶电极材料层上，同时覆盖该底电极； 以该柱体作为掩膜，向下刻蚀至该相变化材料层，以形成一多层 堆栈，该多层堆栈包含具有相变化材料的一相变化核心，以及一顶电极位于该相变化核心之上，该顶电极包含相变化材料，该相变化核心 包含一边墙；形成一第二介电材料层于该多层堆栈之上；以及刻蚀该第二介电材料层与该第二阻挡材料层，藉以形成包含第二 阻挡材料的一第二阻挡层于该热保护层之上，以及形成包含第二介电 材料的一介电侧壁子于该相变化核心的该边墙上；其中该热保护材料具有小于该底电极材料的一导热系数，同时亦 具有小于该第一阻挡材料层与该第二阻挡材料层的一导电系数，而该 存储材料具有至少二固态相。
全文摘要
本发明公开了一种包含热保护底电极的相变化存储单元及其制作方法。依据此处所公开的存储装置的一种实施例，该存储单元包含一底电极，位于底电极上的一热保护结构，以及位于该热保护结构上的多层堆栈。该热保护结构包含一热保护材料层，该热保护材料的导热系数低于底电极材料的导热系数。
文档编号G11C16/02GK101436643SQ200810099300
公开日2009年5月20日 申请日期2008年5月16日 优先权日2007年11月14日
发明者陈士弘 申请人:旺宏电子股份有限公司