相变存储器结构及其制造方法与流程

本发明实施例涉及相变存储器结构及其制造方法。

背景技术：

相变技术对下几代的存储器来说是有展望的。它使用硫化物半导体以存储多种状态。硫化物半导体还称为相变材料，其具有结晶态及非晶态。在结晶态时，相变材料具有低电阻，在非晶态时，相变材料具有高电阻。相变材料结晶态及非晶态的电阻比值通常大于1000，因此相变存储器装置不太可能产生读取错误。硫化物材料针对结晶态及非晶态在一定的温度范围是稳定的，且可通过电脉冲而在两态之间切换。一种存储器装置类型使用硫化物半导体中的相变化原理，其通常被称为相变随机存取存储器(phasechangerandomaccessmemory，以下简称为pcram)。

pcram具有几个操作及工程的优点，包含高速度、低耗能、非易失性、高密度以及低成本。举例来说，pcram装置并不易失且可快速写入，例如于少于50纳秒的时间内。pcram元件可具有高密度。此外，pcram存储器元件相容于互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor,cmos)逻辑，且相比于其它类型的存储器元件，其一般来说可以低成本制造。

相变材料形成于顶端电极与底部电极接点之间。在重置步骤中，当电流通过相变材料时，相变材料可加热到高于熔化温度的温度。温度接着快速降到结晶温度以下。相变材料的一部分变为具有高电阻的非晶态，因此pcram元件变为高电阻态。通过将相变材料加热到高于结晶温度但低于融化温度的温度一定时间，区域可重置回结晶态。

技术实现要素：

本发明的实施例揭露一种相变存储器结构，包含晶体管区域、位于所述晶体管区域上方的相变材料、位于所述晶体管区域上方并与所述相变材料接触的加热器以及围绕所述加热器及所述相变材料的电介质层。所述加热器包含具有第一热传导率的第一材料以及具有第二热传导率的第二材料，所述第一材料位于所述加热器的外围，所述第二热传导率大于所述第一热传导率，所述第二材料位于所述加热器的中心。

本发明的另一实施例揭露一种半导体装置，包含晶体管、位于所述晶体管上方的第一金属化层、位于所述第一金属化层上方的相变材料、位于所述相变材料上方的第二金属化层、位于所述第一金属化层及所述第二金属化层之间的电介质层，以及位于所述电介质层中并与所述相变材料接触的加热器。所述电介质层围绕所述相变材料。其中所述加热器包含热绝缘壳及热传导核心，所述热绝缘壳阻挡热从热传导核心耗散。

本发明的又一实施例揭露一种制造相变存储器结构的方法，所述方法包含形成底部电极、形成位于所述底部电极上方的电介质层、于所述接触沟槽的侧壁及底部形成具有有效的第一热传导率的隔热层、以具有第二热传导率的导热材料填充所述接触沟槽、平坦化所述第一材料、所述第二材料以及所述电介质层以形成所述第一材料、所述第二材料以及所述电介质层的共平面表面，以及形成位于所述共平面表面的上方并与所述共平面表面接触的相变材料。所述电介质层被图案化上接触沟槽。所述第二热传导率大于所述有效的第一热传导率。

附图说明

以下附图通过实例的方式展示一个或多个实施例，但本揭露不限于这些实施例，其中，在本文中具有相同参考标号的元件指涉相同的元件。除非另有相反揭露，否则附图并非按照比例绘制。

图1是根据本揭露的一些实施例的半导体结构的剖面图。

图2是根据本揭露的一些实施例的半导体结构的剖面图。

图3是根据本揭露的一些实施例的半导体结构的剖面图。

图4是根据本揭露的一些实施例的半导体结构的剖面图。

图5是根据本揭露的一些实施例的半导体结构的剖面图。

图6是根据本揭露的一些实施例的半导体结构的剖面图。

图7a是根据本揭露的一些实施例的相变存储器结构的剖面图。

图7b是根据本揭露的一些实施例，图7a的部分放大的剖面图。

图8a是根据本揭露的一些实施例的相变存储器结构的剖面图。

图8b是根据本揭露的一些实施例，图8a的部分放大的剖面图。

图9a是根据本揭露的一些实施例的相变存储器结构的剖面图。

图9b是根据本揭露的一些实施例，图9a的部分放大的剖面图。

图10a是根据本揭露的一些实施例的加热器及相变材料的相对形状的俯视图。

图10b是根据本揭露的一些实施例的加热器及相变材料的相对形状的俯视图。

图11a是根据本揭露的一些实施例的相变存储器结构的剖面图。

图11b是根据本揭露的一些实施例，图11a的部分放大的剖面图。

图12是根据本揭露的一些实施例的加热器及相变材料的相对形状的俯视图。

图13a是根据本揭露的一些实施例的相变存储器结构的剖面图。

图13b是根据本揭露的一些实施例，图13a的部分放大的剖面图。

图14a是根据本揭露的一些实施例的相变存储器结构的剖面图。

图14b是根据本揭露的一些实施例，图14a的部分放大的剖面图。

图15、16、17、18、19、20a、20b以及21是根据本揭露的一些实施例，于制造相变存储器结构产生的中间产物的剖面图。

具体实施方式

以下详细讨论本揭露实施例的制造及使用。然而，应理解，本揭露实施例提供许多可于各种具体情境中实现的可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅是说明制造及使用本揭露实施例的具体方式，并不限制本揭露的范围。在各附图及说明的实施例中，相同的参考标号用以标示相同的元件。以下为附图所示的示例性实施例的详细参照。在任何可能的情况下，附图及说明书中使用相同的参考标号以指涉相同或相似的部分。为了清楚以及便于说明，附图中可能放大形状及厚度。本文将特别针对形成根据本揭露的装置的一部分的元件，或较直接地与所述装置合作的元件，进行描述。应理解，未具体示出或描述的元件可采取各种形式。本说明书中的“一个实施例”或“实施例”意指与实施例结合的特定特征、结构或特性包含于至少一个实施例中。因此，本说明书中出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”并不必然指涉同一个实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何适合的方式结合于一个或更多实施例中。应理解，以下附图并非按比例绘制，这些附图仅用于说明的目的。

此外，空间相对术语，如“下方”、“以下”、“下部”、“上方”、“上部”等在本文中是用于简化描述，以描述如附图中所示的元件或特征与另一元件或特征间的关系。除了描绘于附图中的方位外，空间相对术语还包含元件于使用中或操作下的不同方位。此装置可以其它方式定向(旋转90度或处于其它方位上)，而本案中使用的空间相对描述词可相应地进行解释。

热耗散是相变随机存取存储器(phasechangerandomaccessmemory，以下简称为pcram)的重要参数，因pcram是通过施加足够的电流(通常称为写入电流)，以提供焦耳热于相变材料上而运作。提供焦耳热的元件具有的热耗散率越高，则所需写入电流也会越大以达到重置(reset)或设定(set)温度。在本揭露中，为了降低改变相变材料的电阻状态所需的电流，提供焦耳热的元件被设计成具有较低的热耗散率，因而更有效率地留存热能，并因此降低写入电流的大小。

在一些实施例中，提供焦耳热的元件为加热器。所述加热器包含热绝缘壳及热传导核心。在除了加热器以外其它元件都相同的情形，具有此加热器的pcram于施加100微安培的写入电流时达到reset或set温度，相对地，具有传统加热器的pcram，即不具有前述的热绝缘壳及热传导核心的加热器，其写入电流为200微安培。

参照图1，图1是根据本揭露的一些实施例的半导体结构10的剖面图。半导体结构10包含具有存储器区域120及外围区域121的半导体芯片。在一些实施例中，存储器区域120相较于外围区域121，更接近于芯片的中心。存储器区域120包含晶体管区域100、位于晶体管区域100上方的加热器130以及位于加热器130上方的相变材料140。

在一些实施例中，晶体管区域100包含衬底101、源极103、漏极105、于所述衬底中的浅沟渠绝缘(shallowtrenchinsulation，以下简称sti)结构109、栅极102，以及紧接于衬底101的上方的层间电介质(inter-layerdielectric，以下简称为ild)111中的导电插塞107。在一些实施例中，衬底101于主动面上形成外延生长层，如覆盖块状半导体晶片的外延生长半导体层。在一些实施例中，衬底101包含绝缘层上半导体(semiconductor-on-insulator，soi)结构。例如，所述衬底可包含通过如氧离子植入硅晶隔离法/注氧隔离法(separationbyimplantedoxygen，simox)的过程而形成的埋入氧化物(buriedoxide，box)层。在不同实施例中，衬底101包含通过如离子布植及/或扩散的工艺而形成的各种p型掺杂区及/或n型掺杂区，如p型井、n型井、p型源/漏极构件及/或n型源/漏极构件。衬底101可包含其它功能性构件，如电阻、电容、二极管、晶体管，如场效晶体管(fieldeffecttransistor，fet)。衬底101可包含横向隔离构件，其经配置以隔离形成于衬底101上方的各装置。衬底101可进一步包含多层互连(multilayerinterconnection，mli)结构的一部分。所述多层互连接构包含于多个金属层中的金属线路。所述不同金属层中的金属线路可通过纵向的导电构件连接，所述纵向的导电构件被称为通路构件。所述多层互连接构进一步包含接点，其经配置以连接金属线路到栅极电极及/或位于衬底101上方的掺杂构件。所述多层互连接构经设计以耦合各装置构件(如各p型掺杂区及n型掺杂区、栅极电极及/或被动元件)，以形成功能性电路。

在一些实施例中，晶体管区域100包含重掺杂区，如源极103及漏极105，其至少部分地位于半导体衬底101中。栅极102位于半导体衬底101的上表面并位于源极103及漏极105之间，以联合形成晶体管结构121。图1显示半导体衬底101中具有重掺杂区的平面晶体管。然而，本揭露并不限于此。任何非平面的晶体管，如finfet结构，可具有高度掺杂区。导电插塞107可形成于与半导体衬底101的上表面邻接的底部ild层111中，且可电耦合到晶体管区域100。于半导体衬底101上方的底部ild层111可由多种电介质材料形成，例如可为氧化物(如氧化锗)、氧化硅(如磷化镓氧化硅)、二氧化硅(sio2)、含氮氧化物(如含氮二氧化硅)、掺氮氧化物(如掺氮二氧化硅)、氮氧化硅(sixoynz)等。

在许多例子中，sti结构109是用以定义并电隔离相邻的晶体管。sti结构109形成于半导体衬底101中。

在许多例子中，pcram结构被嵌入金属化层中，所述pcram包含至少相变材料以及相变材料140的底部电极及顶端电极，所述金属化层是于后段工艺(back-end-of-line，boel)步骤中制备，而晶体管区域101是于前段工艺(front-end-of-line，feol)步骤中制备。pcram结构可被置入位于晶体管区域100上方的金属化层中的任何位置，例如位于相邻的金属层或任何水平平行于半导体衬底101的表面的二金属层之间。本文中的“金属层”指涉同一层中金属线路的集合。另一方面，被嵌入的pcram结构可位于导电插塞107与第一金属层150之间。此处金属层的数目并无限制。一般来说，所属领域的一般技术人员可理解pcram可被置于第n个金属层及第n+1个金属层之间，或是第n个金属层及第n+2个金属层之间，或是第n个金属层与第n+m个金属层之间，其中n与m为大于或等于1的整数。在实施例中，第n个金属层包含被电介质层围绕的金属线路。金属线路可使用常规的单镶嵌(singledamascene)工艺形成，且可以铜或铜合金如铜铝合金形成，而其它金属材料也可被使用。

如图1所示，加热器130的功能是作为相变材料140的底部电极，第一金属层150的金属线路150a的功能是作为相变材料140的顶端电极。在此实施例中，加热器130或所述底部电极是接触导电插塞107以连接源极103或漏极105。导电插塞107被底部ild层111围绕，加热器130的底部或所述底部电极与底部ild层111接触。导电插塞107的形成可包含于底部ild层111形成开口、填充所述开口以及接着实施化学机械研磨(chemicalmechanicalpolish，cmp)。栅极导电插塞从覆盖的金属线路以及通路(未显示于附图)电连接到栅极102。为求简化，连接栅极102的栅极导电插塞未被显示，虽然其与导电插塞107同时形成。导电插塞107可由钨(w)形成，然而其它导电材料如银、铝(al)、铜(cu)、铜铝合金等，也可被使用或添加。位于底部ild层111上方的中间ild层112围绕加热器130或底部电极以及相变材料140。在图1的外围区域121中，连接源极103或漏极105的导电插塞107'以及连接栅极102的导电插塞108，穿过底部ild层111及中间ild层112。

相变材料140包含常使用的硫族化合物材料，包含但不限于锗(ge)、碲(te)以及锑(sb)的一个或多个硫族化合物材料，如可为锗锑碲(gesbte)、氮锗锑碲(ngesbte)、铟锗锑碲(ingesbte)或以上几者的化学计量材料。

在图1中，加热器包含具有第一材料的热绝缘壳130a，以及具有第二材料且被热绝缘壳130a围绕的热传导核心130b。在一些实施例中，所述第一材料的第一热传导率小于所述第二材料的第二传导率。例如，所述第一材料可包含tan，其具有3w/mk的热传导率；所述第二材料可包含tin，其具有20w/mk的热传导率。在另一例中，所述第一材料可包含tan，其具有3w/mk的热传导率；所述第二材料可包含ta，其具有57w/mk的热传导率。如图所示，加热器130具有与相变材料140接触的第一表面130c以及与第一表面130c相对的第二表面130d。

在此实施例中，热绝缘壳130a封闭热传导核心130b的侧壁及底部，因此第一材料及第二材料都从第一表面130c暴露。换句话说，热传导核心130b及热绝缘壳130a都于第一表面130c与相变材料140的底部表面接触。如图所示，整个热传导核心130b与相变材料140接触，而热绝缘壳130a仅有一部分与相变材料140接触。然而，图1的说明并非为了限制相变材料140及热传导核心130b之间以及相变材料140及加热器130的热绝缘壳130a之间的界面。其它设置，如仅热传导核心130b与相变材料140的底部接触，将含括于本揭露的预期范围内。另一方面，如图1所示，仅第一材料暴露于与导电插塞107及中间ild层111接触的第二表面130d上。

在另一实施例中，热绝缘壳130a仅与热传导核心130b的侧壁接触，因此第一材料及第二材料都从第一表面130c暴露。换句话说，热传导核心130b及热绝缘壳130a都于第一表面130c与相变材料140接触。另一方面，在仅有热传导核心130b的侧壁被热绝缘壳130a围绕的情形，第一材料及第二材料都从第二表面130d暴露。

于又另一实施例中，热绝缘壳130a仅与热传导核心130b的底部接触，因此仅第一材料从第一表面130c暴露。换句话说，仅热传导核心130b于第一表面上与相变材料140接触。另一方面，在热绝缘壳130a仅与热传导核心130b的底部接触的情形，仅第一材料从第二表面130d暴露。

参照图2，图2是根据本揭露的一些实施例的半导体结构20的剖面图。如图2所示，相变材料140与顶端电极150a以及位于导电插塞107上方的底部电极140a连接，所述顶端电极可为第一金属层150的导线。在一些实施例中，底部电极140a以铝(al)、铜(cu)、铜铝合金、钨(w)或其它金属材料形成。形成方法可包含普遍使用的单镶嵌工艺，于所述工艺中形成中间ild层112，接着形成开口，并将金属材料填充到开口中。接着实施化学机械研磨(cmp)以除去过多的金属材料，留下底部电极140a。在另一实施例中，毯覆式金属材料形成于底部ild层111的上方，接着被图案化，留下底部电极140a。中间ild层112接着被填满。加热器130被置于相变材料140的底部以及底部电极140a之间，其是作为底部电极接点。在一些实施例中，所述底部电极接点是于中间ild层112中的底部电极的垂直延伸，但其相较于底部电极140a，具有较小的覆盖区。在一些实施例中，加热器130的宽度w1小于相变材料140的宽度w2，因此当施加电流时仅有一部分的相变材料140经历结晶度改变。在一些实施例中，根据当今的技术节点，加热器的宽度w1约为50到60纳米。虽然未以比例示明，在一些实施例中，底部电极140a具有介于约100埃到600埃的厚度t1，加热器具有介于约50埃到500埃的厚度t2，相变材料140具有约300埃的厚度t3。在一些实施例中，加热器130的厚度可大体上等同于或小于底部电极140a的厚度。

参照图3，图3是根据本揭露的一些实施例的半导体结构30的剖面图。如图3所示，相变材料140与顶端电极170a及底部电极160a连接，所述顶端电极可为第n+1个金属层170的导线，所述底部电极可为位于第一金属层150上方的第n个金属层160的导线。pcram结构，包含相变材料140、顶端电极170a、底部电极160a以及作为底部电极接点的加热器130，已于图2描述而可参考的。位于第n个金属层160以及第n+1个金属层170中间的中间ild层112围绕加热器130及相变材料140。

参照图4，图4是根据本揭露的一些实施例的半导体结构40的剖面图。如图4所示，相变材料140与顶端电极或加热器130以及底部电极140a连接，所述顶端电极或所述加热器可为第一金属层150下方的导电垫片，所述底部电极可为位于导电插塞107上方的导电垫片。附图显示所述顶端电极或加热器130具有与相变材料140的上表面接触的第一表面130c以及与第一表面130c相反的第二表面130d。在此实施例中，热绝缘壳130a封闭热传导核心130b的侧壁及底部，因此所述第一材料及所述第二材料都从第一表面130c暴露。热传导核心130b宽于图1中所示者，因此仅热传导核心于第一表面130c上与相变材料140的上表面接触。

图5是根据本揭露的一些实施例的半导体结构50的剖面图。如图5所示，相变材料140透过顶端电极延伸或加热器130与顶端电极连接，所述顶端电极可为第一金属层150中的导线150a。相变材料140还与底部电极140a连接，所述底部电极可为与晶体管区域100的导电插塞107接触的导电垫片。附图显示所述顶端电极延伸或加热器130具有与相变材料140的上表面接触的第一表面130c以及与第一表面130c相反并与顶端电极或导线150a接触的第二表面130d。在此实施例中，热绝缘壳130a封闭热传导核心130b的侧壁及底部，因此所述第一材料及所述第二材料都从第一表面130c暴露。热传导核心130b于第一表面130c上与相变材料140的上表面的局部接触。

图6是根据本揭露的一些实施例的半导体结构60的剖面图。如图6所示，相变材料140与顶端电极连接，所述顶端电极可为嵌入中间ild层112并被其围绕的导电垫片140a，相变材料140还透过底部电极接点130与顶端电极连接，所述顶端电极可为第一金属层150中的导线150a。导电垫片140a的顶端电极进一步与通路160a以及第二金属层160的金属线路160b接触。附图显示底部电极接点130具有与相变材料140的底面接触的第一表面130c，以及与第一表面130c相反并与底部电极或导线150a接触的第二表面130d。在此实施例中，热绝缘壳130a封闭热传导核心130b的侧壁及底部，因此所述第一材料及所述第二材料都从第一表面130c暴露。热传导核心130b于第一表面130c上与相变材料140的下表面的局部接触。

图7a是根据本揭露的一些实施例的半导体结构700的剖面图。除了热协助层130e，半导体结构700与图1中的半导体结构10的存储器区域120大体上相同，所述热协助层130e具有第三材料并具有第三热传导率，所述第三热传导率小于所述第二热传导率，热协助层130e位于第一表面130c上并与相变材料140的底部接触。热协助层130e是底部电极或加热器130的一部分。在一些实施例中，第三材料可为氧的衍生物或氮氧化物的衍生物。例如，热协助层130e可包含tio、tion、tao、taon等。在本揭露中，第三材料可被视作热传导核心130b的一部分或热绝缘壳130a接近第一表面130c的一部分。

在一些实施例中，热协助层130e是通过从第一表面130c将热传导核心130b及热绝缘壳130a氧化以形成，因而形成氧化的第一材料以及氧化的第二材料。在一些实施例中，在氧化的第一材料以及氧化的第二材料中的氧含量，从第一表面130c到第二表面130d递减。例如，如图7b所进一步显示，从第一表面130c开始到热传导核心130b及热绝缘壳130a，可观察到渐变的氧的化学计量。在一些实施例中，热协助层130e的厚度t4介于约1纳米到5纳米。在一些实施例中，如果热传导核心130b以tin组成且热绝缘壳130a以tan组成，热协助层130e可被分为数个区域701、区域702、区域703、区域711、区域712、区域713、区域721、区域722以及区域723。区域701可具有tiox3n1-x3的化学计量，区域702可具有tiox2n1-x2的化学计量，区域703可具有tiox1n1-x1的化学计量，其中x3大于x2，x2大于x1。同样地，区域711可具有taoy3n1-y3的化学计量，区域712可具有taoy2n1-y2的化学计量，区域713可具有taoy1n1-y1的化学计量，其中y3大于y2，y2大于y1。在一些实施例中，区域721、区域722以及区域723可遵照区域711、区域712以及区域713的化学计量。注意，这些区域可能不会有均匀的间隔，而是依照所施氧等离子的氧或快速的热退火的扩散曲线。在一些实施例中，氧气的化学计量可能不断地改变或氧气含量沿着向下方向不断地减少，可能无法辨识出具有固定的氧化学计量的确定厚度的区域。

图8a是根据本揭露的一些实施例的半导体结构800的剖面图。除了热协助层130e，半导体结构800与图2中的半导体结构20的存储器区域120大体上相同，所述热协助层130e具有三材料并具有第三热传导率，所述第三热传导率小于所述第二热传导率，热协助层130e位于第一表面130c上并与相变材料140的底部接触。热协助层130e是底部电极或加热器130的一部分。在一些实施例中，第三材料可为氧的衍生物或氮氧化物的衍生物。例如，热协助层130e可包含tio、tion、tao、taon等。在本揭露中，第三材料可被视作热传导核心130b的一部分或热绝缘壳130a接近第一表面130c的一部分。

如图8b所进一步显示，从第一表面130c开始到热传导核心130b及热绝缘壳130a，可观察到渐变的氧的化学计量。在一些实施例中，如果热传导核心130b以ta组成且热绝缘壳130a以tan组成，热协助层130e可被分为数个区域801、区域802、区域803、区域811、区域812、区域813、区域821、区域822以及区域823。区域801可具有tiox3的化学计量，区域802可具有tiox2的化学计量，区域803可具有tiox1的化学计量，其中x3大于x2，x2大于x1。换句话说，tiox2相较于tiox3可能较为缺氧，tiox1相较于tiox2可能较为缺氧。同样地，区域811可具有taoy3n1-y3的化学计量，区域812可具有taoy2n1-y2的化学计量，区域813可具有taoy1n1-y1的化学计量，其中y3大于y2，y2大于y1。在一些实施例中，区域821、区域822以及区域823可遵照区域811、区域812以及区域813的化学计量。

图9a是根据本揭露的一些实施例的半导体结构900的剖面图。除了热绝缘壳130a的分层结构，半导体结构900与图1中的半导体结构10的存储器区域120大体上相同。在一些实施例中，热绝缘壳130a包含超晶格结构。所述超晶格结构是底部电极或加热器130的一部分。一般来说，典型的超晶格结构被认为包含以不同材料的极薄层组成的合成物。透过适当挑选的材料，可以制造具有热传导性结构以及其它特色的超晶格。根据本揭露，超晶格结构包含交替的第一材料的m个单层以及第四材料的n个单层，一对的单层定义超晶格的周期，每一材料间具有相对光滑的界面。在本揭露中，材料的单层包含所述材料原子的单一、密叠的层。例如，tin单层包含钛及氮元子的单一、密叠的层，钛及氮元子被排列于适宜的单元晶格结构中。所述第四材料具有第四热传导率。因超晶格结构的低维度使得块材的材质特性不为热传导性设计的唯一决定因素，所述第四热传导率可大于或小于第二材料的第二热传导率。

通过声子的热传导可通过适当设计的超晶格单元晶格控制。超晶格热传导率的张量为非等向性的(anisotropic)，而平面内(in-plane)热传导率通常为平面间(cross-plane)热传导率的数倍大。此特性带进超晶格于指向性热转移中的应用，其意欲使材料可在一方向上隔绝热并同时在另一方向上传输热的。如图9a所示，热绝缘壳130a在热传导核心130b的一侧的部分在图9b中被放大。在此实施例中，第一材料的层1301a以及第四材料的层1302a形成超晶格周期。图9b显示由交替的第一材料及第四材料形成的四个超晶格周期。第一材料的层厚度d1可与第四材料的层厚度d4相等。在一些实施例中，层厚度d1及层厚度d4都为一纳米。然而，层厚度d1及层厚度d4可不相同。如前所述，平面内方向a的热传导率可为平面间方向b的热传导率的数倍大。换句话说，在热传导核心103b内产生的热较难透过热绝缘壳103a的超晶格结构沿着平面间方向扩散到其周围如中间ild层112。

在实施例中，当仅有交替的第一材料及第四材料的周期在热绝缘壳130a中，第四热传导率可小于第二热传导率。例如，所述第一材料可为具有3w/mk的热传导率的tan，所述第二材料可为具有57w/mk的热传导率的ta，所述第四材料可为具有20w/mk的热传导率的tin。

图10a是根据本揭露的一些实施例的加热器130及相变材料140的相对形状的俯视图。在图10a中，相变材料140的覆盖区仅座落于热传导核心130b的上方，而在图10b中，相变材料140的覆盖区座落于热传导核心130b及热绝缘壳130a的上方。

图11a是根据本揭露的一些实施例的半导体结构1100的剖面图。除了热绝缘壳130a的分层结构，半导体结构1100与图2中的半导体结构20的存储器区域120大体上相同。在一些实施例中，热绝缘壳130a包含超晶格结构。所述超晶格结构是底部电极接点或加热器130的一部分。如图11a所示，热绝缘壳130a在热传导核心130b的一侧的部分在图11b中被放大。在此实施例中，第一材料的层1301a以及第四材料的1302a形成超晶格周期。图11b显示由交替的第一材料及第四材料形成的四个超晶格周期。第一材料的层厚度d1可等同于第四材料的层厚度d4。在一些实施例中，层厚度d1及层厚度d4都为一纳米。然而，层厚度d1及层厚度d4可不相同。如前所述，平面内方向a的热传导率可为平面间方向b的热传导率的数倍大。换句话说，在热传导核心103b内产生的热较难透过热绝缘壳103a的超晶格结构沿着平面间方向扩散到其周围如中间ild层112。

图12是根据本揭露的一些实施例的加热器130及相变材料140的相对形状的俯视图。在图12中，加热器130的覆盖区座落于相变材料140的覆盖区的最窄部分的上方。由于所述最窄部分具有相对较高的电阻，相变化可发生在所述最窄部分。在其它实施例中，相变材料140的覆盖区可为具同样宽度的长条。

图13a是根据本揭露的一些实施例的相变存储器结构1300的剖面图。除了热协助层130e，半导体结构1300与图9a中的半导体结构900大体上相同，所述热协助层130e具有第三材料并具有第三热传导率，所述第三热传导率小于所述第二热传导率，半导热协助层130e位于第一表面130c上并与相变材料140的底部接触。热协助层130e是底部电极或加热器130的一部分。在一些实施例中，第三材料可为氧的衍生物或氮氧化物的衍生物。在一些实施例中，热协助层130e是通过从第一表面130c将热传导核心130b及热绝缘壳130a氧化以形成，因而形成氧化的第一材料以及氧化的第二材料。在一些实施例中，在氧化的第一材料以及氧化的第二材料中的氧气含量，从第一表面130c到第二表面130d递减。例如，如图13b所进一步显示，从第一表面130c开始到热传导核心130b及热绝缘壳130a，可观察到渐变的氧的化学计量。如前所述，区域1301的渐变的氧的化学计量可遵照图7b的区域701、区域702以及区域703，区域1310及区域1320的渐变的氧的化学计量可分别遵照图7b的区域711、区域712、区域713，以及区域721、区域722、区域723。热协助层130e的不同次层中的氧含量的降低趋势可参考图7b的描述，为求简化即不再于此重复。

图14a是根据本揭露的一些实施例的相变存储器结构1400的剖面图。除了热协助层130e，相变存储器结构1400与图11a中的半导体结构1100大体上相同，所述热协助层130e具有第三材料并具有第三热传导率，所述第三热传导率小于所述第二热传导率，热协助层130e位于第一表面130c上并与相变材料140的底部接触。热协助层130e是底部电极或加热器130的一部分。在一些实施例中，第三材料可为氧的衍生物或氮氧化物的衍生物。在一些实施例中，热协助层130e是通过从第一表面130c将热传导核心130b及热绝缘壳130a氧化以形成，因而形成氧化的第一材料以及氧化的第二材料。在一些实施例中，在氧化的第一材料以及氧化的第二材料中的氧气含量，从第一表面130c到第二表面130d递减。例如，如图14b所进一步显示，从第一表面130c开始到热传导核心130b及热绝缘壳130a，可观察到渐变的氧的化学计量。如前所述，区域1401的渐变的氧的化学计量可依照图8b的区域801、区域802以及区域803，区域1410及区域1420的渐变的氧的化学计量可分别依照图8b的区域811、区域812、区域813，以及区域821、区域822、区域823。热协助层130e的不同次层中的氧含量的降低趋势可参考图8b的描述，为求简化即不再于此重复。

图15、16、17、18、19、20a、20b以及21是根据本揭露的一些实施例，于制造相变存储器结构中产生的中间产物的剖面图。在图15中，晶体管区域100形成于衬底101及ild层111中。连接晶体管区域100的漏极105的导电插塞107被底部ild层111围绕且与第一金属层150接触。于第一金属层150中的金属线路150a可使用常规的单镶嵌过程形成，且可以铜或铜合金如铜铝合金形成，其它金属材料也可被使用。在一些实施例中，第一金属层150的顶端电极150a是pcram结构的底部电极。在图16中，中间ild层112可使用单镶嵌过程形成。接触沟槽130'以偏好的宽度w1被图案化在中间ild层112中。宽度w1是根据后续形成的相变材料的宽度w2决定。宽度w1可宽于宽度w2以将整个相变材料覆盖。另一方面，宽度w1可窄于宽度w2以与所述相变材料的局部接触。

在图17中，热绝缘壳130a或热隔离层保形地沉积于接触沟槽130'中以及中间ild层112的上表面的上方。在一些实施例中，热绝缘壳130a或热隔离层的厚度t5介于约10埃到100埃。如前所述，所述热隔离层由具有第一热传导率的第一材料组成。因此，仅有第一材料的单一层，通过如物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)或化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)沉积。在一些实施例中，所述热隔离层由具有等效于第一热传导率的数个材料组成。当所述热隔离层的数个材料以重复次序的交替方式设置，所述热隔离层包含具有等效于第一热传导率的超晶格。在本案中，超晶格结构使用例如原子层沉积法(atomiclayerdeposition，ald)设置。在图18中，设置热传导核心130b或热传导材料以填满接触沟槽130'并溢出到中间ild层112的顶部以及所述热隔离层。如前所述，所述热传导材料由具有第二热传导率的第二材料组成，所述第二热传导率大于所述第一热传导率。在图19中，过多的热隔离层及热传导材料通过平坦化步骤如化学机械研磨(cmp)去除，致使第一表面130c同时暴露于热传导核心130b、热绝缘壳130a以及中间ild层112。换句话说，第一表面130c是热传导核心130b、热绝缘壳130a以及中间ild层112的共平面表面。

两个步骤可接续于图10所示的步骤之后，即图20a及20b所示者。如果选择图20a，相变材料140形成于第一表面130c上并与之接触。相变材料140可通过常规的单镶嵌过程形成，其包含在中间ild层112中形成具有预定宽度w2的开口，以相变材料140填补所述开口，以及移除过多的相变材料140。相变材料140可包含常使用的硫族化合物材料，包含但不限于一或多个锗(ge)、碲(te)以及锑(sb)的硫族化合物材料，如可能为锗锑碲(gesbte)、氮锗锑碲(ngesbte)、铟锗锑碲(ingesbte)或以上几者的化学计量材料。如果选择图20b，如图21所示，在于第一表面130c上方形成相变材料140前，于第一表面130c上实施氧气处理200。

图20b所示的氧气处理200被施加于共同面或至少由热传导核心130b及热绝缘壳130a组成的第一表面130c上。在一些实施例中，氧气处理200可包含使用产生于等离子中的原子氧的等离子氧化。在实施例中，等离子氧化可以在氪/氧等离子中产生的原子氧实现。或者，等离子可使用氦而产生。在实施例中，在等离子氧化过程前，在平坦化步骤期间供应氧，以于氧化前提供小晶种量的氧到薄膜中。此初始的氧是使用游离剂环或电离环供应。所述混合的等离子工艺产生原子氧或氧基，而传统热氧化法则使用分子氧或氧气。原子氧从暴露的第一表面130c被引入热传导核心130b及热绝缘壳130a，产生氧化物部分。当反应进行，原子氧通过氧化部分扩散并于氧化界面上反应，直到热协助层130e形成适宜的厚度。

在一些实施例中，氧气处理200可包含快速退火(rapidthermalannealing，以下简称rta)步骤，所述步骤是于氧化气体环境中实施，如氧、氧化氮、氧化亚氮、氨以及其它的氧化气体。本案还考量这些氧化气体的组合。这些氧化气体或其组合也可与载体气体(或载体气体的混合)如氦、氩、氮或其它类似的惰性载体气体。本案还考量以上快速退火过程的结合，如rta、快速热氮化(rapidthermalnitridation，以下简称为rtn)以及快速热氧氮化(rapidthermaloxynitridation，以下简称为rton)等。rta、rtn或rton步骤是于约400℃或以上的温度并以约180秒或以下的期间实施。更具体来说，rta、rtn或rton步骤是介于约600℃到约900℃的温度并以介于约5秒到约60秒的期间实施。其它能够在热传导核心130b及热绝缘壳130a的表面上形成界面的氧化、氮氧化及/或氮化层的温度及时间，也可被用于rta、rtn或rton步骤中。rta、rtn或rton工艺是于静止腔室或可让衬底旋转的腔室内实施。本发明实施例偏好可旋转的腔室，因其帮助提高热协助层130e的成长率的一致性。

通过氧等离子步骤形成的热协助层130e，相较于使用rta、rtn或rton步骤，可形成较薄的表面氧化物或氮氧化物。在一些实施例中，氧等离子步骤相较于快速热退火步骤，具有较佳的热协助层130e的厚度控制。

一些实施例提供一种相变存储器结构，包含晶体管区域、位于所述晶体管区域上方的相变材料、位于所述晶体管区域上方并与所述相变材料接触的加热器以及围绕所述加热器及所述相变材料的电介质层。所述加热器包含具有第一热传导率的第一材料。所述第一材料位于所述加热装置的外围。所述加热器还包含具有第二热传导率的第二材料。所述第二热传导率大于所述第一热传导率。所述第二材料位于所述加热器的中心。

一些实施例提供一种半导体装置，包含晶体管、位于所述晶体管上方的第一金属化层、位于所述金属化层上方的相变材料、位于所述相变材料上方的第二金属化层、位于所述第一金属化层与第二金属化层间并围绕所述相变材料的电介质层，以及在所述电介质层中与相变材料接触的加热器。所述加热器包含热绝缘壳及热传导核心，所述热绝缘壳阻挡热从热传导核心耗散。

一些实施例提供一种制造相变存储器结构的方法，所述方法包含形成底部电极，形成位于所述底部电极上方的电介质层，所述电介质层被图案化上接触沟槽，设置具有有效第一热传导率的热隔离层于所述接触沟槽的侧壁及底部，以具有第二热传导率的导热材料填充所述接触沟槽，所述第二热传导率大于所述有效的第一热传导率，平坦化第一材料、第二材料以及电介质层以形成第一材料、第二材料以及电介质层的共同面，以及形成位于所述共同面上方并与的接触的相变材料。

虽然已经详细描述本发明实施例及其优点，但应理解的是，在没有偏离所附发明权利要求书所定义的本发明的精神及范围的情况下，可做出各种变化、置换以及修改。例如，上述许多过程可以不同的方法学实施并以其它过程或其组合取代。

此外，本申请的范围不限于说明书中描述的过程、机械、制造、物质组成、手段、方法以及步骤的特定实施例。所属领域的技术人员将容易从本发明的揭露中理解，可根据本发明实施例使用目前现有的或以后开发的与此处描述的具体实施例实现大体上相同的功能或达到大体上相同结果的过程、机械、制造、物质组成、手段、方法或步骤得到的方案。因此，所附的发明权利要求书旨在将这些过程、机械、制造、物质组成、手段、方法或步骤，包含于其范围内。

符号说明

10半导体结构

20半导体结构

30半导体结构

40半导体结构

50半导体结构

60半导体结构

100晶体管区域

101衬底

102栅极

103源极

105漏极

107导电插塞

107'导电插塞

108'导电插塞

109浅沟渠绝缘(sti)结构

111层间电介质(ild)层

112中间层间电介质(ild)层

120存储器区域

121晶体管结构/外围区域

130加热器

130a热绝缘壳

130b热传导核心

130c第一表面

130d第二表面

130e热协助层

130'接触沟槽

140相变材料

140a底部电极

150第一金属层

150a顶端电极

160第n个金属层

160a底部电极

160b金属线路

170a顶端电极

200氧气处理

700半导体结构

701区域

702区域

703区域

711区域

712区域

713区域

721区域

722区域

723区域

800半导体结构

801区域

802区域

803区域

811区域

812区域

813区域

821区域

822区域

823区域

900半导体结构

1100半导体结构

1300相变存储器结构

1301区域

1301a层

1302a层

1310区域

1320区域

1400相变存储器结构

1401区域

1410区域

1420区域

a平面内方向

b平面间方向

d1层厚度

d4层厚度

t1厚度

t2厚度

t3厚度

t4厚度

t5厚度

w1宽度

w2宽度