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、平板电脑以及数字相机)常具有储存数据的存储器元件，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数据的存储器元件，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，以用于表示储存数据的不同数值。

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，现有的相变化存储器存在热能传递给相变化材料的过程中会产生热能损耗以及传递至相变化材料的热能会快速逸散等问题，这导致相变化存储器的可靠度与使用寿命难以提升。

技术实现要素：

鉴于以上的问题，本实用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制备相变化存储器，而有助于解决热能传递给相变化材料的过程中会产生热能损耗以及传递至相变化材料的热能会快速逸散等问题。

本实用新型所公开的相变化存储器包含一下电极、一加热器、一相变化层以及一上电极。下电极包含电性接触的一导电芯层以及一第一热阻层，且第一热阻层围绕导电芯层的外侧面周围。加热器耦接于下电极，相变化层耦接于加热器，且上电极耦接于相变化层。

本实用新型另公开的相变化存储器的制造方法包含：形成一介电层；形成一下电极于介电层中，下电极包含电性接触的一导电芯层以及一第一热阻层，且第一热阻层围绕导电芯层的外侧面周围；形成一加热器，耦接于下电极；形成一相变化层，耦接于加热器；以及形成一上电极，耦接于相变化层。

根据本实用新型所公开的相变化存储器及其制造方法，在通电加热相变化层时，下电极的热阻层有助于防止下电极产生的热能逸散至周围的介电层中。借此，可提供较小工作电流给下电极和加热器就能改变相变化层的相态，进而有助于提升相变化存储器的储存与读取数据的速度，同时增加相变化存储器的使用寿命。

以上关于本公开内容的说明及以下实施方式的说明用以示范与解释本实用新型的精神与原理，并且提供本实用新型之专利申请范围更进一步的解释。

附图说明

图1为根据本实用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至图6为形成图1中相变化存储器的下电极的横截面示意图。

图7和图8为形成图1中相变化存储器的加热器的横截面示意图。

图9至图11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12和图13为形成图1中相变化存储器的热阻层的横截面示意图。

图14和图15形成图1中相变化存储器的上电极的横截面示意图。

图16为根据本实用新型另一实施例的相变化存储器的横截面示意图。

图17为根据本实用新型又另一实施例的相变化存储器的横截面示意图。

附图标记说明：

相变化存储器1、1a、1b

基板100

主动元件10

源极/汲极110

闸极120

导电材料20”

下电极20

共用电极20a

导电芯层210

热阻层220、220a、220b

氮化钽膜2201

氮化钛膜2202

侧部221

底部222

加热材料30”

加热器30

热阻层40

相变化层50

热阻层60

氮化钽膜610

氮化钛膜620

上电极70

介电层dl1、dl2、dl3

通孔th1、th2、th3

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本实用新型的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本实用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，任何本领域技术人员可轻易地理解本实用新型相关的目的及优点。以下之实施例进一步详细说明本实用新型的观点，但非以任何观点限制本实用新型的范围。

以下使用的空间相对用语，诸如“下方”、“上方”、“于…上”、“于....下”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。

以下使用的用语“电性连接”，是指元件彼此之间的连接关系允许信号传递，包括电信号的传递。元件与元件之间可以选择性地有结构上的连接关系，例如相互接触、相互接合等。

请参照图1和图2，其中图1为根据本实用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包含一主动元件10、一下电极20、一加热器30、一热阻层40、一相变化层50、一热阻层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例如为电晶体，其包含源极/汲极110与闸极120。源极/汲极110位于基板100的掺杂区中，而闸极120设置于基板100上并位于相邻的两个源极/汲极110之间。主动元件可作为相变化存储器1中的控制开关。在部分实施例中，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的材质例如包含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含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其他合适的电绝缘材料。

下电极20电性连接于主动元件10的其中一个源极/汲极110。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的另一个源极/汲极110。在本实施例中，下电极20包含电性连接的一导电芯层210以及一热阻层(第一热阻层)220，且热阻层220的一侧部221围绕导电芯层210的外侧面周围。热阻层220的侧部221的厚度与导电芯层210的厚度之比值为1：20至1:50。导电芯层210的材质例如包含钨(w)，且热阻层220为一种导电性材料，其热传导性比导电芯层210差的单层或多层材料，例如为单层氮化钽(tan)膜或是由氮化钛(tin)膜与氮化钽膜交错堆迭所形成的多层膜结构。图1和图2绘示出热阻层220是由氮化钛(tin)膜与氮化钽膜堆迭形成双层膜的情况，其中与导电芯层210接触的内层为氮化钛膜，并且外层为氮化钽膜。在一实施例中，导电芯层210的热传导率为热阻层220的50～200倍，在一较佳实施例中，导电芯层210的热传导率为热阻层220的100～200倍。

此外，导电芯层210与主动元件10的源极/汲极110相间隔，并且热阻层220的底部222位于导电芯层210下方，使得热阻层220的底部222介于导电芯层210与源极/汲极110之间。热阻层220位于导电芯层210下方的底部222并非用以限制本实用新型。在其他实施例中，导电芯层210可以与下方的源极/汲极110直接接触，意即导电芯层210与源极/汲极110之间不会夹置有热阻层220。在本实施中，热阻层220包含由一氮化钽膜以及一氮化钛膜堆迭形成的双层膜结构。其中，与源极/汲极110接触的最外层为氮化钽膜2201，并且与导电芯层210接触的最内层为氮化钛膜2202。在图1和图2中的热阻层220构造并非用以限制本实用新型。在另一实施例中，热阻层为单层氮化钽膜。又在另一实施例中，热阻层为多层氮化钽膜与多层氮化钛膜交错堆迭所形成的多层膜结构。

加热器30形成于下电极20上方，并且加热器30电性连接于下电极20。加热器30的材质例如包含钛、钨(w)、铂(pt)、氮化钛、氮化钽、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电性连接于加热器30。相变化层50的材质例如包含锗锑碲(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)。热阻层40围绕相变化层50外侧面的周围，热阻层40的材质为电绝缘材料，例如包含氮化硅、氧化硅或氧化氮。

热阻层(第二热阻层)60设置于相变化层50之相对于加热器30的另一侧，使相变化层50夹置于热阻层40与热阻层60之间，并且上电极70形成于热阻层60上方。热阻层60介于相变化层50与上电极70之间，并且上电极70经由热阻层60电性连接于相变化层50。热阻层60为一种导电性材料，其热传导性比上电极70差的单层或多层材料。在一实施例中，上电极70的热传导率为热阻层60的50～200倍，在一较佳实施例中，上电极70的热传导率为热阻层60的100～200倍。在本实施中，热阻层60包含多个氮化钽膜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中的热阻层60构造并非用以限制本实用新型。在另一实施例中，热阻层包含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，热阻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含第二热阻层，并且相变化层50与上电极70直接接触。

根据本实用新型公开的相变化存储器1，在相变化存储器1通电以加热相变化层50时，热阻层220、40、60有助于分别防止热能从下电极、相变化层50和上电极70逸散至相邻的介电层中。借此，能用较小的工作电流就可以产生使相变化层50发生相态改变所需要的热能。

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。请一并参照图3至图6，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。于形成主动元件10之后，形成一介电层dl1于基板100上以覆盖主动元件10。介电层dl1的材质例如包含氧化硅、碳化硅或氮化硅等电绝缘材质。如图3所示，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，并且通孔th1显露出主动元件10的源极/汲极110。

接着，于通孔th1的侧壁与主动元件10的源极/汲极110上沉积热阻材料，以形成下电极20和共用电极20a的热阻层220。如图4所示，可以采用化学气相沉积制程沉积热阻材料(例如氮化钽2201和/或氮化钛2202)于通孔th1的侧壁与主动元件10的源极/汲极110上，以形成热阻层220。在部分其他实施例中，可以另外通过蚀刻制程移除形成于源极/汲极110上方的热阻材料，以显露出源极/汲极110。

再接着，于通孔th1中填充导电材料20”以形成下电极20和共用电极20a的导电芯层210。如图5所示，可以选择性地先沉积钛膜于通孔th1的侧壁上或者是通孔th1的侧壁与底部上作为黏着层(未绘示)，然后沉积导电材料20”(例如钨)将通孔th1填满。如图6所示，于导电材料20”填充完成后，可额外以化学机械研磨制程移除多余的导电材料20”和热阻材料，以使介电层dl1和下电极20的顶面平坦化。

图7和图8为形成图1中相变化存储器的加热器的横截面示意图。形成加热材料层于下电极20与共用电极20a上方以作为加热器30。如图7所示，可先沉积加热材料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30”图案化。又如图8所示，经图案化后，位于介电层dl1的顶面上的部分加热材料层被移除，以形成加热器30。

图9至图11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。在图9中，介电层dl2例如为氮化硅层或二氧化硅层。接着，移除部分的介电层dl2，以形成通孔th2于介电层dl2中。具体来说，可通过蚀刻制程移除部分介电层dl2以形成通孔th2，并且通孔th2显露出加热器30。

如图10所示，于通孔th2的侧壁上沉积热阻材料，以形成热阻层40。沉积热阻材料(例如氮化硅)于加热器30上方以及通孔th2的侧壁上，然后通过非等向性蚀刻制程移除形成于加热器30上方的热阻材料，以显露出加热器30。残留于通孔th2侧壁上的热阻材料作为热阻层40。

如图11所示，沉积相变化材料填充通孔th2，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、和/或化学机械研磨制程移除位于介电层dl2上方的多余相变化材料，使得相变化层50的顶面与介电层dl2的顶面位于同一水平高度(齐平)。先前形成于通孔th2侧壁上的热阻层40接触并围绕相变化层50的侧面。

图12和图13为形成图1中相变化存储器的热阻层的横截面示意图。形成热阻层60于相变化层50上方。热阻层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形成的双层膜结构，或是多层氮化钽膜与多层氮化钛膜交错堆迭所形成的多层膜结构。其中，多层氮化钽膜与多层氮化钛膜交错堆迭所形成的热阻层60具有较佳的热绝缘效果。在图12中绘示依序沉积一层氮化钽膜610与一层氮化钛膜620于介电层dl2上方，并且图13绘示以蚀刻制程移除多余的氮化钽膜与氮化钛膜而形成热阻层60。

图14和图15形成图1中相变化存储器的上电极的横截面示意图。形成一介电层dl3于介电层dl2上方。介电层dl3例如为氮化硅层或二氧化硅层。如图14所示，移除部分的介电层dl3，以形成通孔th3于介电层dl3中。具体来说，可通过蚀刻制程移除部分介电层dl3以形成通孔th3，并且通孔th3显露出热阻层60。

于通孔th3中填充导电物质以形成上电极70。可以选择性地先沉积钛膜或着是氮化钛膜于通孔th3的侧壁上或者是通孔th3的侧壁与底部上作为黏着层，然后沉积导电物质(例如钨)将通孔th3填满。如图15所示，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dl3和上电极70的顶面平坦化。

于形成上电极70之后，可以进一步形成金属导电层(例如铜或钨)于上电极70和介电层dl3上方。金属导电层可作为电信号传递层，以自外部输入信号至相变化存储器中，或是将相变化存储器产生的信号输出至外部。

图16为根据本实用新型另一实施例的相变化存储器的横截面示意图。由于本实施例与图1的实施例相似，故以下就相异处进行说明，相同或相似元件的详细描述请参阅之前的相关内容。在本实施例中，相变化存储器1a的下电极20包含热阻层220a，并且热阻层220a是单层氮化钽膜。

图17为根据本实用新型又另一实施例的相变化存储器的横截面示意图。由于本实施例与图1的实施例相似，故以下就相异处进行说明，相同或相似元件的详细描述请参阅之前的相关内容。相变化存储器1b的下电极20包含热阻层220b，并且热阻层220b是多层氮化钽膜2201与多层氮化钛膜2202交错堆迭所形成的多层膜结构。与下电极20的导电芯层210接触的最内层为氮化钛膜2202，并且与介电层接触的最外层为氮化钽膜2201。

综上所述，根据本实用新型所公开的相变化存储器的制造方法，在通电加热相变化层时，下电极的热阻层有助于防止下电极产生的热能逸散至周围的介电层中。借此，可提供较小工作电流给下电极和加热器就能改变相变化层的相态，进而有助于提升相变化存储器的储存与读取数据的速度，同时增加相变化存储器的使用寿命。

虽然本实用新型以前述的实施例公开如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求书所界定的为准。