相变化存储器的制作方法

本实用新型是关于一种相变化存储器以及相变化存储器的制造方法。

背景技术：

电子产品(例如手机、平板电脑以及数码相机)常具有储存资料的存储器元件，并且存储器元件可通过存储器单元上的储存节点储存信息。近年来，开发出以相变化材料储存资料的存储器元件，其中存储器元件通过相变化材料的电阻变化(例如高电阻值与低电阻值)来储存信息。相变化材料是指一种可在不同相态(例如晶相与非晶相)之间转换的材料。不同相态使得相变化材料具有不同电阻值的电阻状态，以用于表示储存资料的不同数值。

在操作相变化存储器时，可施加电流使得存储器元件的温度提升以改变相变化材料的相态。已知相变化存储器的加热器与其耦接的相变化材料具有较大的接触面积，此将增加表面孔洞的缺陷，且升温及降温的速度也较慢(高阻值与低阻值之间的转换不够迅速)，相对所需的电流量也较大。此外，传统的技术在制造小接触面积的加热器的制程需要精确的对准机制，此导致制程繁复与难以控制，相对提升相变化存储器的制造成本。因此，业界亟需一种新颖且有效率的制程以制备相变化存储器。

技术实现要素：

鉴于以上的问题，本新型公开一种相变化存储器及其制造方法，以新颖且有效率的制程以制备相变化存储器。

本新型所公开的相变化存储器包括下电极、加热器、相变化层以及上电极。加热器耦接于下电极。相变化层形成于加热器上方，且相变化层耦接于加热器。上电极设置于相变化层的凹槽内，且上电极耦接于相变化层。

本新型另公开的相变化存储器的制造方法包括：形成下电极；形成加热器，耦接于下电极；形成相变化层于加热器上方，且相变化层耦接于加热器；移除部分的相变化层，以形成凹槽于相变化层中；以及形成上电极于相变化层的凹槽内。

根据本新型所公开的相变化存储器及其制造方法，相变化层中形成有凹槽，并且下电极填充于凹槽中。借此，在本新型的相变化存储器中，介于加热器与上电极之间的相变化层体积较小，因此在加热相变化层的时候，仅需提供较小工作电流给加热器就能改变相变化层的相态，有助于提升相变化存储器的储存与读取资料的速度，同时增加相变化存储器的使用寿命。小体积的相变化层由于存在较少的不稳定相态转换区域，因此在非晶态与多晶态之间的转换较为稳定，具有良好的开关效率。

以上的关于本公开内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本新型的精神与原理，并且提供本新型的权利要求书更进一步的解释。

附图说明

图1为根据本新型一实施例的相变化存储器的横截面示意图。

图2为图1的相变化存储器的局部放大示意图。

图3和图4为形成图1中相变化存储器的下电极的横截面示意图。

图5和图6为形成图1中相变化存储器的加热器的横截面示意图。

图7至图10为形成图1中相变化存储器的相变化层的横截面示意图。

图11至图14为形成图1中相变化存储器的上电极的横截面示意图。

图15为根据本新型另一实施例的相变化存储器的局部横截面示意图。

附图标记说明：

相变化存储器1

基板100

主动元件10

源极/漏极110、120

栅极130

下电极20

共用电极20a

加热材料层30’

加热器30

第一热绝缘层40

相变化层50

凹槽510

头部520

侧面521

底面522

颈部530

侧面531

第二热绝缘层60

氮化钽膜610

氮化钛膜620

上电极70

介电层dl1、dl2、dl3、dl4

第一容置槽g1

第二容置槽g2

通孔th1

开口th2

水平宽度w1、w2

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本新型的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解本新型的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求书及图式，本领域技术人员可轻易地理解本新型相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本新型的观点，但非以任何观点限制本新型的范畴。

空间相对用语，诸如“下方”、“上方”、“之下”、“之上”及其类似者，乃是用于简化描述附图中绘示的一个元件或结构与另一元件(或多个组件)或结构(或多个结构)的关系。除附图中描绘的方向外，空间相对用语旨在包含于使用或操作中的装置的不同方向。装置可为不同的方向(旋转90度或在其他的方向)，并且在此使用的空间相关描述词也可相应地被解释。

请参照图1和图2，其中图1为根据本新型一实施例的相变化存储器的横截面示意图，图2为图1的相变化存储器的局部放大示意图。在本实施例中，相变化存储器1包括一主动元件10、一下电极20、一加热器30、一第一热绝缘层40、一相变化层50、一第二热绝缘层60以及一上电极70。

主动元件10形成于一基板100中，并且主动元件10例如为晶体管，其包括源极/漏极110、源极/漏极120与栅极130。源极/漏极110与源极/漏极120是位于基板100的掺杂区中，而栅极130设置于基板100上并位于源极/漏极110与源极/漏极120之间。在本新型的部分实施例中，基板100中还具有浅沟渠隔离(shallowtrenchisolation，sti)结构以电性分离相邻的主动元件10。基板100的材质例如包括硅或其他半导体元素，如锗或iii-v族元素，但不以此为限，而浅沟渠隔离结构的材质包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其他合适的电绝缘材料。

下电极20耦接于主动元件10的源极/漏极120。下电极20的材质例如包括钨(w)。此外在本实施例中，还额外形成有共用电极20a耦接于主动元件10的源极/漏极110。

加热器30形成于下电极20上方，并且加热器30耦接于下电极20。加热器30的材质例如包括钛、钨(w)、铂(pt)、氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、氮化铝钛(tialn)或氮化铝钽(taaln)。

相变化层50形成于加热器30上方，并且相变化层50耦接于加热器30。相变化层50的材质例如包括锗锑碲(gst)、氮掺杂锗锑碲(nitrogen-dopedgst)、碲化锑(sb2te)、锗化锑(gesb)或着铟掺杂碲化锑(in-dopedsb2te)。第一热绝缘层40围绕相变化层50外侧面的周围，并且第一热绝缘层40的材质例如包括氮化硅、氧化硅或氧化氮。

第二热绝缘层60设置于相变化层50的相对于第一热绝缘层40的另一侧，使相变化层50夹置于第一热绝缘层40与第二热绝缘层60之间，并且上电极70形成于第二热绝缘层60上方。第二热绝缘层60介于相变化层50与上电极70之间，并且上电极70经由第二热绝缘层60耦接于相变化层50。在本实施中，第二热绝缘层60包括多个氮化钽膜610以及多个氮化钛膜620交错堆迭。其中，与相变化层50接触的最外层为氮化钽膜610，并且与上电极70接触的最内层为氮化钛膜620。在图1和图2中的第二热绝缘层60的构造并非用以限制本新型。在另一实施例中，第二热绝缘层包括单个氮化钽膜以及单个氮化钛膜，且氮化钛膜介于氮化钽膜与上电极之间。又在另一实施例中，第二热绝缘层仅为单层氮化钽膜。又在另一实施例中，相变化存储器可不包括第二热绝缘层，并且相变化层50与上电极70直接接触。

此外，如图2所示，相变化层50具有一凹槽510，并且第二热绝缘层60与上电极70设置于凹槽510内。详细来说，相变化层50包括一头部520以及一颈部530。颈部530的最大线宽小于头部520的最小线宽，且凹槽510形成于头部520中并且未延伸进入颈部530。进一步来说，相变化层50的颈部530与上电极70之间不存在头部520的任何部分，也就是说凹槽510的与颈部530的水平面齐平。另外，如图2所示，相变化层50的头部520的截面为近似v形，且相变化层50的颈部530的截面为倒梯形(或称为倒t形)，但相变化层50的几何形状并非用以限制本新型。

此外，相变化层50的头部520与颈部530之间具有段差，因而相变化层50具有上宽下窄的形状。更详细而言，相变化层50的头部520的侧面521与颈部530的侧面531相间隔，且头部520的底面522介于头部520的侧面521与颈部530的侧面531之间。

以下说明图1的相变化存储器1的制造方法。首先说明相变化存储器的下电极的形成。请并参照图3和图4，为形成图1中相变化存储器的下电极的横截面示意图。首先，以现有的半导体制程于基板100上形成主动元件10。形成一介电层dl1于基板100上以覆盖主动元件10。介电层dl1的材质例如包括氧化硅、碳化硅或氮化硅等电绝缘材质。接着，移除部分的介电层dl1以形成多个通孔th1。具体来说，可通过蚀刻制程移除介电层dl1以形成通孔th1。通孔th1显露出主动元件10的源极/漏极110或源极/漏极120。

接着，于通孔th1中填充导电物质以形成下电极20和共用电极20a。具体来说，可以先沉积钛膜或着是氮化钛膜于通孔th1的侧壁上或者是通孔th1的侧壁与底部上作为黏着层，然后沉积钨以将通孔th1填满。填充于显露源极/漏极110的通孔th1中的导电物质作为共用电极20a，而填充于显露源极/漏极120的通孔th1中的导电物质作为下电极20。导电物质填充完成后，可额外以化学机械研磨制程移除多余的导电物质，以使介电层dl1和下电极20的顶面平坦化。

图5和图6为形成图1中相变化存储器的加热器的横截面示意图。形成氮化钛层于下电极20上方以作为加热器30。具体来说，可先沉积加热材料层30’(例如氮化钛层)于介电层dl1上，然后通过微影制程与蚀刻制程将加热材料层30’图案化。经图案化后，位于介电层dl1的顶面上的部分热材料层30’被移除，以形成加热器30。

图7至图10为形成图1中相变化存储器的相变化层的横截面示意图。形成一介电层dl2于介电层dl1上方，并且形成一介电层dl3于介电层dl2上方。介电层dl2、dl3可以是相同或不同的材质。在图7中，介电层dl2例如为氮化硅层，且介电层dl3例如为氧化硅层。

如图8所示，移除部分的介电层dl2、dl3，以形成一第一容置槽g1于介电层dl2中，以及形成一第二容置槽g2于介电层dl3中。具体来说，可以分别对介电层dl2、dl3施以微影制程与蚀刻制程移除部分介电层dl2、dl3，以形成第一容置槽g1与第二容置槽g2。第一容置槽g1与第二容置槽g2连通，且第一容置槽g1显露出加热器30(氮化钛层)。第二容置槽g2的水平宽度w2大于第一容置槽g1的水平宽度w1，也就是说第一容置槽g1与第二容置槽g2共同形成一个上宽下窄的凹槽结构于介电层dl2、dl3当中。

如图9所示，形成第一热绝缘层40于第一容置槽与第二容置槽的侧壁上。具体来说，先沉积热绝缘材料(例如氮化硅)于加热器30上方、第一容置槽g1与第二容置槽g2的侧壁上，然后通过蚀刻制程移除形成于加热器30上方的热绝缘材料，以显露出加热器30。位于第一容置槽g1与第二容置槽g2的侧壁上的残留热绝缘材料作为第一热绝缘层40。

如图10所示，沉积相变化材料填充于第一容置槽g1与第二容置槽g2内，以形成相变化层50。在形成相变化层50的过程中，可以选择性地通过微影蚀刻制程、及/或化学机械研磨制程移除位于介电层dl3上方的多余相变化材料，使得相变化层50的顶面与介电层dl3的顶面位于同一水平高度(齐平)。先前形成于第一容置槽g1与第二容置槽g2的侧壁上的第一热绝缘层40接触并围绕相变化层50。第一热绝缘层40有助于在加热器30加热相变化层50的时候避免热能从相变化层50的侧边逸散到介电层dl2、dl3当中。由于第一容置槽g1与第二容置槽g2共同形成上宽下窄的凹槽结构，相变化层50亦具有上宽下窄的形状。更具体来说，相变化层50的头部520截面为矩形，且颈部530的截面为倒梯形。在图10中，与介电层dl2位于同一层的部分相变化层50即作为相变化层50的颈部530，而与介电层dl3位于同一层的部分相变化层50即作为相变化层50的头部520。

图11至图14为形成图1中相变化存储器的上电极的横截面示意图。如图11所示，形成介电层dl4于介电层dl3上方，并且移除部分介电层dl4，以于相变化层50上方形成开口th2。可以通过微影与蚀刻制程移除介电层dl4以形成开口th2。

如图12所示，移除部分的相变化层50，以形成相变化层50中的凹槽510。具体来说，可以通过蚀刻制程移除部分相变化层50以形成凹槽510。最佳状况是凹槽510的底面与介电层dl2的顶面位于同一水平高度，但凹槽510的底面也可延伸进入第一容置槽g1中。换句话说，凹槽510可只有形成于相变化层50的头部520，抑或是也可延伸进入至颈部530当中，因此在蚀刻相变化层50的时候具有较大的制程窗口。

如图13所示，形成第二热绝缘层60于凹槽51的侧面与底面，因此第二热绝缘层60覆盖相变化层50。详细来说，第二热绝缘层60是形成于凹槽510中，并且第二热绝缘层60可以是单层氮化钽膜、由一层氮化钽膜与一层氮化钛膜所组成的双层膜结构，或是多层氮化钽膜与多层氮化钛膜交错堆迭所构成的多层膜结构。其中，多层氮化钽膜与多层氮化钛膜交错堆迭所构成的第二热绝缘层60具有较佳的热绝缘效果。

如图14所示，形成上电极70于相变化层50的凹槽510以及介电层dl4的开口th2内。具体来说，可沉积导电物质将凹槽510与开口th2填满以作为上电极70。导电物质填充完成后，可额外以化学机械研磨制程移除多余的导电物质，以使介电层dl4和上电极70的顶面平坦化。借此，相较于现有的相变化存储器，介于加热器30与上电极70之间的相变化层50体积较小(在图14中是指相变化层50的颈部530)，因此在加热相变化层50的时候，提供较小工作电流给加热器30就能改变相变化层50的相态，进而有助于提升相变化存储器的储存与读取资料的速度，同时增加相变化存储器的使用寿命。此外，小体积的相变化层50由于存在较少的不稳定相态转换区域，因此在非晶态与多晶态之间的转换较为稳定，具有良好的开关效率(switchefficiency)。

在图14中，相变化层50的凹槽510贯穿头部520，因此凹槽510底面与介电层dl2的顶面位于同一水平高度，但本新型并不以此为限。图15为根据本新型另一实施例的相变化存储器的局部横截面示意图。由于图15的实施例与图2的实施例类似，故以下仅就相异处进行说明。在图15中，形成于相变化层50中的凹槽510，其底面的水平高度低于介电层dl2的顶面的水平高度。如此一来，上电极70延伸进入相变化层50的颈部530，因此介于加热器30与上电极70之间的相变化层50体积更小，使相变化存储器能够具有更小的工作电流。

综上所述，根据本新型所公开的相变化存储器的制造方法，相变化层中形成有凹槽，并且下电极填充于凹槽中。借此，在本新型的相变化存储器中，介于加热器与上电极之间的相变化层体积较小，因此在加热相变化层的时候，仅需提供较小工作电流给加热器就能改变相变化层的相态，有助于提升相变化存储器的储存与读取资料的速度，同时增加相变化存储器的使用寿命。小体积的相变化层由于存在较少的不稳定相态转换区域，因此在非晶态与多晶态之间的转换较为稳定，具有良好的开关效率。

另外，在本新型的相变化存储器中，相变化层具有上宽下窄的形状，因此在蚀刻相变化层形成凹槽的时候，凹槽可以深入相变化层的颈部，如此能提供较大的制程窗口。