专利名称：相变化存储装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种存储装置及其制造方法，而特别是有关于一种相变化存 储装置及其制造方法。
背景技术：
相变化存储器具有非挥发性、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，是相当有潜力的非挥发性存储器。其中提高存储密度、
降低如写入电流(write current)与重置电流(reset current)等工作电流是重要的 技术指标。
态及非结晶态， 一般利用温度的改变来进行两态间的转换，由于非结晶态混 乱的原子排列而具有较高的电阻，因此藉由简单的电性能测量即可轻易区分 出相变化材料的结晶态与非结晶态。由于相变化材料的相转变为一种可逆反 应，因此相变化材料用来当作存储器材料时，是藉由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(O、 l)是利用两态间电阻的差异 来区分。
请参照图1,部分显示了一种现有相变化存储单元结构的剖面情形。如 图1所示，相变化存储单元结构包括了一硅衬底10,其上设置有如铝或钨材 质的一底电极12。于底电极12上则设置有一介电层14。介电层14的一部 内设置有一加热电极16，于介电层14上则堆叠有一图案化的相变化材料层 20。图案化的相变化材料层20设置于介电层14上的另一介电层18内，而 相变化材料层20的底面则部分接触加热电极16。于介电层18上则设置有另 一介电层24。于介电层24内设置有一顶电极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化材 料层20。于操作时，加热电极16将产生一电流以加热介于相变化材料层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 变化材料层20的一部分(未显示)转变成非晶态相或结晶态相。
然而，为了提升相变化存储装置的应用价值，便需要进一步缩减相变化 存储装置内存储单元的尺寸并提升单位面积内的相变化存储装置内存储单 元的密度。然而，随着存储单元尺寸的缩减，意味着存储单元的工作电流需 随存储单元密度的提升与尺寸的缩小等趋势而进一步的缩减。
因此，因应上述的存储单元尺寸缩减趋势，如图l所示的现有相变化存 储单元结构可能遭遇以下缺点，即其于操作模式时由于需要极大的写入电流
(writing current)与重置电流(reset current)以成功地转变相变化材料的相态，因 此为了于缩减存储单元尺寸时亦能降低重置电流与写入电流以产生相变反 应，所使用的方法之一即为降低加热电极16与相变化材料层20的接触面积， 即藉由降低加热电极16的直径Do所达成，进而维持或提高其接口间的电流 密度。然而，加热电极16的直径D。仍受限于目前微影工艺的能力，进而使 得其缩小程度为之受限，故无法进一步降低写入电流与重置电流等工作电 流，如此将不利于其相变化存储单元结构的微缩。
因此，便需要一种相变化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化存储装置及其制造方法，以解决上 述的现有问题。
依据一实施例，本发明的相变化存储装置，包括
一第一介电层，其内设置有一第一导电接触物； 一相变化材料层，设置 于该第一介电层上； 一绝缘层，堆叠设置于该相变化材料层上； 一第一电极， 设置于该第一介电层上，该第一电极沿第一方向部分覆盖该绝缘层与该相变 化材料层的一第一侧壁并覆盖该第一导电接触物； 一第二电极，设置于该第 一介电层上，该第二电极沿第二方向部分覆盖该绝缘层与该相变化材料层的 一第二侧壁，其中该第一侧壁对应于该第二侧壁而设置，而该第一电极与该 第二电极之间为电绝缘； 一第二介电层，设置于该第一介电层上以覆盖该第 一电极、该第二电极、该绝缘层以及该相变化材料层，且其内设置一第二导
5电接触物接触该第二电极。
依据一实施例，本发明的相变化存储装置的制造方法，包括 提供一第一介电层，其内设置有一第一导电接触物而其上设置有一堆叠
结构，其中该堆叠结构包括依序设置于该第一介电层上的一相变化材料层以
及一绝缘层，且该堆叠结构不接触该第一导电接触物；形成一导电间隔物于
该第一介电层上，以部分覆盖该第一介电层、该堆叠结构与该第一导电接触 物，即部分覆盖该堆叠结构的一顶面，以及该堆叠结构内的该相变化材料层
的两相对侧壁与该第一导电接触物的一顶面；部分移除位于该堆叠结构的该 顶面上的该导电间隔物，以将该导电间隔物分隔成互为电绝缘的一第一导电 电极以及一第二导电电极，其中该第一导电电极接触该第一导电接触物；坦 覆地形成一第二介电层于该第一导电电极、该第二导电电极、该第一介电层、 该第一介电层与该堆叠结构；以及形成一第二导电接触物于该第二介电层 内，其中该第二导电接触物接触该第二导电电极。
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，并配合附图，作详细i兌明如下。
图l为一剖面图，显示了一现有相变化装置存储单元的结构； 图2、 5、 8、 12与16为一系列示意图，分别显示了依据本发明一实施 例的相变化存储装置的制造方法中不同阶段的俯视情形；
图3为一示意图，显示了沿图2内线,爻3-3的一剖面情形； 图4为一示意图，显示了沿图2内线段4-4的一剖面情形； 图6为一示意图，显示了沿图5内线段6-6的一剖面情形； 图7为一示意图，显示了沿图5内线段7-7的一剖面情形； 图9为一示意图，显示了沿图8内线^:9-9的一剖面情形； 图IO为一示意图，显示了沿图8内线段10-10的一剖面情形； 图11为一示意图，显示了沿图8内线-度11-11的一剖面情形； 图13为一示意图，显示了沿图12内线段13-13的一剖面情形； 图14为一示意图，显示了沿图12内线^: 14-14的一剖面情形； 图15为一示意图，显示了沿图12内线段15-15的一剖面情形；图17为一示意图，显示了沿图
图18为一示意图，显示了沿图 图19为一示意图，显示了沿图 图20为一示意图，显示了沿图
附图标记i兌明 10 硅衬底； 14 介电层； 18 介电层； 22 顶电极； Do 加热电才及的直径； 102、 110、 116 介电层; 106 相变化材料层； 112、 112a、 112b 导电间隔物; 200 存储单元区域； OP 开口 。
16内线段17-17的一剖面情形； 16内线段18-18的一剖面情形； 16内线段19-19的一剖面情形；以及 16内线段20-20的一剖面情形。
12 底电极； 16 力口热电才及； 20 相变化材料层； 24 介电层； 100 半导体结构； 104、 118 导电接触物； 108 绝缘层； 114 牺4生层； S 堆叠结构；
具体实施例方式
本发明的相变化存储装置的制造方法将配合图2至20作一详细叙述如 下，其中图2、 5、 8、 12与16为一系列示意图，分别显示了依据本发明一 实施例的相变化存储装置的制造方法中不同阶段的俯视情形，而其余图式则 分别显示了上述俯视情形中不同线段的剖面情形。
于本实施例中，上述图式中仅部分绘示了相变化存储装置中多个存储单 元的制作情形，本领域技术人员应能理解本实施例中的相变化存储单元可更 透过适当的导电构件(如内连插拴或内连导线等)而连结一有源装置(例如晶 体管或二极管)与一导线等其它构件。然而，基于简化图示的目的，此些构 件并未绘示于上述图式中。
请参照图2,首先提供一大体制备的一半导体结构100。在此，半导体 结构IOO则包括有设置于一介电层102内的两导电接触物104以及设置于介 电层102上的两堆叠结构S。如图2所示，此些导电接触物104以及堆叠结 构S之间相互电性独立且按照大体平行于图2上所示的Y方向的一阵列形式
7而对准设置，其中各堆叠结构S则包括依序堆叠于介电层102上的一相变化 材料层106以及一绝缘层108(请参见图3)。在此，堆叠结构S与导电接触物 104的形成顺序可视工艺需求而相互调换，亦即可先行于介电层102内形成 导电接触物104后接着于介电层102上形成图案化的堆叠结构S，或者是可 先行于介电层102上形成此些图案化的堆叠结构S后再接着于介电层102内 形成导电4妻触物104。
图3与图4为一系列示意图，分别显示了沿图2内线段3-3与线段4-4 的一剖面情形。图3大体显示了一堆叠结构S以及一导电接触物104的相对 设置情形，而图4则大体显示了两堆叠结构S的相对设置情形。堆叠结构S 内的相变化材料层106可包括石克属化合物，例如是如Ge-Te-Sb三元^L属化 合物或Te-Sb 二元硫属化合物，其厚度约为200埃 500埃。而位于相变化材 料层106上的绝缘层108则例如为一氮化硅层，其厚度约为200埃 500埃。 介电层102则可包括如硼磷掺杂氧化硅玻璃(Borophosphosilicate glass ， BPSG)、氧化硅或旋涂玻璃(SOG)的介电材料。而导电4妻触物104则可包括 如鴒或经掺杂的多晶硅的导电材料。在此，导电接触物104与图案化的堆叠 结构S可采用现有接触物工艺以及薄膜沉积与微影与蚀刻等相关工艺所完 成，故不在此详述其制作。
请继续参照图5,接着于图2所示结构上顺应地形成一介电材料以覆盖 介电层102、堆叠结构S与导电接触物104,并借由后续的微影与蚀刻等程 序(皆未显示)的施行，以形成图案化的一介电层110。在此，介电层110绘 示为沿图5中X方向延伸而设置于部分的介电层102上，其部分覆盖了各堆 叠结构S以及导电接触物104。在此，介电层110则可包括如硼磷掺杂氧化 硅玻璃(Borophosphosilicate glass , BPSG)、氧化硅或旋涂玻璃(SOG)的介电材 料，其厚度约为2000埃 3000埃且例如是不同于介电层102的材料，以于其 图案化过程中提供适当的蚀刻选择效果。
图6与图7为一系列示意图，分别显示了沿图5内线段6-6与线段7-7 的一剖面情形。图6大体显示了顺应地形成于介电层102、堆叠结构S以及 导电接触物104上的介电层110，而图7则大体显示了设置于邻近两堆叠结 构S间的介电层110的相对设置情形。如图7所示，此时介电层110仅部分 覆盖了各堆叠结构S并部分露出了堆叠结构S。
请继续参照图8，接着顺应地沉积一层导电材料(未显示)于如图5所示的结构上，并接着藉由后续的一蚀刻程序(未显示)以回蚀刻此层导电材料，
进而于对应于图8中Y方向上的介电层110的对应侧壁上分别留下一导电间 隔物112，导电间隔物112则分别沿图8中的X方向延伸并部分覆盖了未为 介电层110所覆盖的介电层102、导电接触物104以及堆叠结构S的顶面。 导电间隔物112可包括如钛或氮化钛的导电材料。形成导电间隔物112的导 电材料的沉积方法例如为溅射法或化学气相沉积法。
图9、图10与图11为一系列示意图，分别显示了沿图8内线段9-9、 线段10-10与线段11-11的一剖面情形。请参照图9，由于导电间隔物并未 形成于介电层110的顶面，故仅大体显示了顺应地形成于介电层102、堆叠 结构S以及导电接触物104上的介电层110。图IO则大体显示了设置于邻 近两堆叠结构S间的介电层110的对称侧壁上的导电间隔物112的设置情 形。如图IO所示，此时导电间隔物112分别部分覆盖了各堆叠结构S的一 顶面并略低于介电层IIO的一顶面，其具有大体扇形的剖面。请参照图11， 则大体显示了导电间隔物112与堆叠结构S、介电层102以及导电接触物104 的相对设置情形，此时导电间隔物112顺应地设置于上述构件的表面上并接 触了堆叠结构S内的绝缘层108与相变化材料层106的一对称侧壁。
请继续参照图12,接着坦覆地形成一牺牲层114于如图8所示的结构上， 以提供一平坦化表面，并藉由后续的微影与蚀刻程序(皆未显示)图案化此牺 牲层114，进而形成了沿图12中的Y方向延伸设置的一开口 OP。此开口 OP部分露出了位于各堆叠结构S中间部分之上的介电层110、导电间隔物 112以及绝缘层108及其邻近的介电层102等部分。牺牲层114例如为一光 刻胶层，其可为一正型光刻胶或负型光刻胶。
图13、图14与图15为一系列示意图，分别显示了沿图12内线段13-13、 线段14-14与线段15-15的一剖面情形。请参照图13，此时开口 OP大体露 出堆叠结构S的中间部分上方的介电层110。而图14则大体显示了位于为 开口 OP所露出的两邻近两堆叠结构S间的介电层110的对称侧壁上的导电 间隔物112的设置情形，其大致相同于先前的图10。请参照图15，则显示 了大体露出位于堆叠结构S的中间部分上的导电间隔物112部分的开口 OP 以及牺4生层114。
请继续参照图16，接着对如图12所示的结构施行一蚀刻程序(未显示) 并采用牺牲层114作为蚀刻掩模，进而去除开口内露出的导电间隔物112部分并留下位于先前开口 OP两侧的经断线的导电间隔物112a与112b。接着 于蚀刻去除牺牲层114后坦覆地形成一介电层116以平坦化结构表面并覆盖 介电层110、导电间隔物112a与112b、介电层102以及堆叠结构S等构件。 接着于介电层116内形成多个导电接触物118，其分别接触了导电间隔物 112b之一。在此，此些导电接触物118之间相互电性独立且按照大体准直于 图16上所示的Y方向的一阵列形式设置。介电层116则例如为旋涂玻璃 (SOG)，其可藉由如旋涂的方法所形成，而导电接触物118则可包括如鴒或 经掺杂的多晶硅的导电材料并藉由现有接触物工艺所形成，故不在此详述其 制作。
图17、图18、图19与图20为一系列示意图，分别显示了沿图16内线 段17-17、线段18-18、线段19-19与线段20-20的一剖面情形。请参照图17， 此时介电层116覆盖于介电层110之上且导电接触物118形成并埋设于介电 层116内。而图18则大体显示了介电层116覆盖了介电层110、介电层102 以及堆叠结构S的情形。请参照图19，则显示了经断线的导电间隔物112a 与112b等导电线段以及覆盖于其上的介电层116。此时导电间隔物112a覆 盖了导电接触物104，而导电间隔物112b则与埋设于介电层116内的导电接 触物118相接触，上述导电间隔物112a与112b则分别接触了堆叠结构S中 的相变化材料层的一侧壁并部分覆盖其上的绝缘层108的部分顶面。请参照 图20,则大体绘示了如同图18的剖面情形，此时于介电层110的对称侧壁 上则分别形成有一导电间隔物112a，其分别部分覆盖绝缘层108并具有大体 扇形的一剖面情形，此点并未见于图18内。同样地，其余的导电间隔物112a 部分以及导电间隔物112b亦具有相同的剖面形状及类似的设置情形。
请参照图16的俯视情形以及图17-20的剖面情形，于图16内的一区域 200内则大体为依据一实施例的相变化存储装置所设置的一区域，此相变化 存储装置包括
一第一介电层(如介电层102)，其内设置有一第一导电接触物(如导电接 触物104); —相变化材料层(如相变化材料层106)，设置于该第一介电层上； 一绝缘层(如绝缘层108)，设置于该相变化材料层上； 一第一电极(如导电间 隔物112a)，设置于该第一介电层上，该第一电极沿水平于该第一介电层的 一顶面的一第一方向延伸，以部分覆盖该绝缘层与该相变化材料层的一第一 侧壁并覆盖该第一导电接触物； 一第二电极(如导电间隔物112b),设置于该第一介电层上，该第二电极沿水平于该第一介电层的一顶面的一第二方向延 伸，以部分覆盖该绝缘层与该相变化材料层的一第二侧壁，其中该第一侧壁
对应于该第二侧壁而设置，而该第一电极与该第二电极之间为电绝缘； 一第 二介电层(如介电层116),设置于该第一介电层上以覆盖该第一电极、该第 二电极、该绝缘层与该相变化材料层；以及一第二导电接触物(如导电接触 物118),设置于该第二介电层内，以接触该第二电极，其中该第一电极与该 第二电极具有 一 间隔物状剖面。
参照上述的相变化存储装置的设置，本领域技术人员当能藉由于介电层 102下方及于介电层116上方设置其它适当的有源构件(如晶体管或二极管) 与无源构件(导线)并使之电连接于导电接触物104与118而进行此相变化存 储装置的操作。导电接触物104与118可作为一底电极以及一顶电极之用， 而导电间隔物112a与112b之一则可作为加热电极之用，藉以加热相变化材 料层106。由于本实施例中的相变化材料层106仅借由其一侧壁而接触了导 电间隔物112a与112b，再加上导电间隔物112a与112b为具有一扇形剖面 的间隔物型态，因而导电间隔物112a与112b仅可部分接触了相变化材料层 106的一部。因此藉由调整相变化材料层106的厚度以及形成导电间隔物 112a与112b的导电材料层的厚度而适度缩减相变化材料层与加热电极间的 接触面积，进而可适度缩减用于操作相变化存储装置的工作电流，而不受限 于现有微影工艺能力限制。因此上述实施例的相变化存储装置的制造方法极 适用于制作尺寸缩减的相变化存储装置并藉以达成更为缩减的工作电流。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领 域内的技术人员，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书所界定者为准。
权利要求
1. 一种相变化存储装置，包括第一介电层，其内设置有第一导电接触物；相变化材料层，设置于该第一介电层上；绝缘层，堆叠设置于该相变化材料层上；第一电极，设置于该第一介电层上，该第一电极沿第一方向部分覆盖该绝缘层与该相变化材料层的第一侧壁并覆盖该第一导电接触物；第二电极，设置于该第一介电层上，该第二电极沿第二方向部分覆盖该绝缘层与该相变化材料层的第二侧壁，其中该第一侧壁对应于该第二侧壁而设置，而该第一电极与该第二电极之间为电绝缘；以及第二介电层，设置于该第一介电层上以覆盖该第一电极、该第二电极、该绝缘层以及该相变化材料层，且其内设置接触该第二电极的第二导电接触物。
2. 如权利要求1所述的相变化存储装置，其中该第一方向与该第二方向相对且位于该相变化材料层的相对两侧。
3. 如权利要求2所述的相变化存储装置，其中该第一电极更设置于邻近该相变化材料层的该第一侧壁的该绝缘层之上，而该第二电极更设置于邻近该相变化材料层的该第二侧壁的该绝缘层上，而该第一电极与该第二电极电绝缘。
4. 如权利要求3所述的相变化存储装置，其中该相变化材料层不接触该第一导电接触物。
5. 如权利要求1所述的相变化存储装置，其中该相变化材料层包括硫属化合物。
6. 如权利要求1所述的相变化存储装置，其中该第一电极与该第二电极之一为加热电才及。
7. —种相变化存储装置的制造方法，包括提供第一介电层，其内设置有第一导电接触物而其上设置有堆叠结构，其中该堆叠结构包括依序设置于该第 一介电层上的相变化材料层以及绝缘层，且该堆叠结构不接触该第一导电接触物；形成导电间隔物于该第一介电层上，以部分覆盖该第一介电层、该堆叠结构与该第一导电接触物，即部分覆盖该堆叠结构的顶面，以及该堆叠结构内的该相变化材料层的两相对侧壁与该第 一导电接触物的顶面；部分移除位于该堆叠结构的该顶面上的该导电间隔物，以将该导电间隔物分隔成互为电绝缘的第一导电电极以及第二导电电极，其中该第一导电电极接触该第 一导电接触物；坦覆地形成第二介电层于该第一导电电极、该第二导电电极、该第一介电层与该堆叠结构上；以及形成第二导电接触物于该第二介电层内，其中该第二导电接触物接触该第二导电电极。
8. 如权利要求7所述的相变化存储装置的制造方法，其中形成该导电间隔物于该第一介电层上，以部分覆盖该第一介电层、该堆叠结构与该第一导电接触物包括沉积导电层于该堆叠结构、该第一介电层与该第一导电接触物的露出表面上；以及部分蚀刻去除该导电层，以形成该导电间隔物于该第一介电层上。
9. 如权利要求8所述的相变化存储装置的制造方法，其中部分移除位于该堆叠结构的该顶面上的该导电间隔物，以将该导电间隔物分隔成互为电绝缘的该第 一导电电极以及该第二导电电极包括坦覆地形成牺牲层，以覆盖该导电间隔物、该第一介电层、该堆叠结构与该第一导电接触物；于该牺牲层内形成开口 ，其中该开口部分露出覆盖该堆叠结构的该顶面的该导电间隔物及其邻近的部分堆叠结构与该第 一介电层；以及去除为该开口所露出的该导电间隔物的部分，以将该导电间隔物截断成互为电绝缘的该第 一 导电电极以及该第二导电电极。
10. 如权利要求7所述的相变化存储装置的制造方法，其中该第一导电电极与该第二导电电极之一作为加热电极之用，以加热该相变化材料层。
全文摘要
一种相变化存储装置，包括一第一介电层，其内设置有一第一导电接触物；一相变化材料层，设置于该第一介电层上；一绝缘层，堆叠设置于该相变化材料层上；一第一电极，设置于该第一介电层上，沿第一方向部分覆盖该绝缘层与该相变化材料层的一第一侧壁并覆盖该第一导电接触物；一第二电极，设置于该第一介电层上，沿第二方向部分覆盖该绝缘层与该相变化材料层的一第二侧壁；一第二介电层，设置于该第一介电层上以覆盖该第一电极、该第二电极、该绝缘层以及该相变化材料层；以及一第二导电接触物，设置于该第二介电层内，以接触该第二电极，其中该第一电极与该第二电极为一导电间隔物。本发明亦提供了一种相变化存储装置的制造方法。
文档编号H01L27/24GK101459191SQ200710199849
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者涂丽淑 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