專利名稱：相變化存儲裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種存儲裝置及其制造方法，特別是涉及一種相變化存儲裝 置及其制造方法。
背景技術：
相變化存儲裝置具有高讀取速度、低功率、高容量、高可靠度、高擦寫
次數(shù)、低工作電壓/電流及低成本等特性，非常適合與CMOS工藝結合，可 用來作為較高密度的獨立式或嵌入式的存儲裝置應用，是目前被十分看好的 下一代新存儲裝置。由于相變化存儲裝置技術的獨特優(yōu)勢，也使得其被認為 非常有可能取代目前商業(yè)化極具竟爭性的SRAM與DRAM易失性存儲裝置
與Flash非易失性存儲裝置技術，可望成為未來極有潛力的新世代半導體存 儲裝置。相變化存儲裝置在設計上朝著以下幾個方式方展低的程序化電流、 高穩(wěn)定度、較小的體積及快速的相變化速度，此外，相變化存儲裝置目前的 主要應用例如為需要較低電流消耗的可攜式裝置(需要較小編程電流)。
綜觀目前相變化存儲裝置的發(fā)展趨勢，可以明顯的發(fā)現(xiàn)主要的瓶頸在于 組件的操作電流過大，因而無法有效地降低相變化存儲裝置組件所串接的驅 動晶體管面積，導致單位元尺寸過大使得存儲裝置密度無法提升的問題。降 低相變化存儲器操作電流可通過縮小相變化存儲單元中相變層與電極的接 觸面積來達成，且有利于CMOS組件的縮小以及存儲裝置密度的提升。然 而，此方法會受限于光刻與工藝能力的限制，較不易獲得有效地突破。此外， 降低相變化存儲單元中相變層與電極的接觸面積意即縮小加熱區(qū)域，雖然可 降低組件尺寸，但是較小的加熱區(qū)域意味著熱更易由周圍環(huán)境散失，因此仍 需增加電流密度以維持足夠的熱產生像變化，如此一來會造成電子遷移產生 影響到組件穩(wěn)定度。
一般來說，在加熱電極與相變化材料層具有較大的溫度差異。由于相變 化與溫度的關系實分密切，因此加熱區(qū)域如果具有良好的熱均勻度可加快相 變化區(qū)域的相轉移速度。而加熱區(qū)不均產生不完全的相變化現(xiàn)象，如此一來
6將導致組件的穩(wěn)定性及可性賴性降低。
美國公告號20070012905專利申請披露利用相變化層的單一邊緣來接觸 下電極的相變化存儲裝置結構，而其上電極采用傳統(tǒng)的平面式接觸。此外， 美國專利6881603號披露縮小下電極與相變化層的接觸面積，而上電極為平 面電極。同時，美國專利6864503號是利用相變化材料間隙壁，其上下表面 的邊緣分別與上下電極接觸，然而該加熱區(qū)域與該電極的半徑垂直，如此一 來導致較大的加熱區(qū)，而使得該上下電極反而成為有效的散熱組件。
因此，為解決上述問題，設計出全新的相變化存儲裝置結構，來改善較 小加熱區(qū)域的熱均勻性以提升加熱效率，是目前相變化存儲裝置一項重要技 術關鍵。

發(fā)明內容
本發(fā)明的相變化存儲裝置包括下電極；第一非金屬層，形成于該下電 極之上，并露出該下電極周圍區(qū)域的上表面；第一電性接觸層，形成于該第 一非金屬層及該下電極之上，其中該第一電性接觸層以末端與該下電極周圍 區(qū)域的上表面電性接觸；介電層，形成并覆蓋該第一電性接觸層；第二電性 接觸層，形成于該介電層之上，其中該第二電性接觸層包括突起的末端；開 口，貫穿該第二電性接觸層、該介電層及該第一電性接觸層，且該開口的底 部以該第一非金屬層與該下電極相隔；相變化材料，至少部份填入于該開口 內，其中該第一及第二電性接觸層與該相變化材料在該相變化材料的側壁達 成電性接觸；第二非金屬層，形成并覆蓋該第二電性接觸層，且露出該第二 電性接觸層的該突起末端的上表面；上電極，形成于該介電層之上，且該上 電極直接與該第二電性接觸層的突起末端的上表面直接電性接觸。
此外，本發(fā)明所述的相變化存儲裝置的制造方法包括提供下電極；形 成第一非金屬層于該下電極之上，并露出該下電極周圍的上表面；形成第一 電性接觸層于該第一非金屬層之上，并與該下電極周圍的上表面電性連結； 形成第一介電層以覆蓋該第一電性接觸層；形成第二電性接觸層于該第一介 電層之上，其中第二電性接觸層的側壁及底部構成凹槽；形成第二非金屬層 于該第二電性接觸層之上；對該第二非金屬層及該第二電性接觸層進行平坦 化處理，以露出該第二電性接觸層的突出未端的上表面；形成開口貫穿該第 二非金屬層、該第二電性接觸層、該第一介電層、及該第一電性接觸層，其中該開口的底部以該第一非金屬層與該下電極相隔；填入相變化材料于部份 的開口中，以使得該第一及第二電性接觸層與該相變化材料的側壁電性接 觸；填入第二介電層于該開口內，使得該第二介電層的上表面與該第二電 性接觸層的突出未端的上表面共平面；以及形成上電極于該二介電層之上， 并與該第二電性接觸層的突出未端電性接觸。
以下通過數(shù)個實施例及比較實施例，以更進一步說明本發(fā)明的方法、特 征及優(yōu)點，但并非用來限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍應以權利要求為準。


圖la至圖lo顯示本發(fā)明較佳實施例所述的相變化存儲裝置的制作流程
剖面圖。
圖2顯示本發(fā)明另 一優(yōu)選實施例所述的相變化存儲裝置的剖面圖。
附圖標記說明
10 基底；
12 下電才及；
14 非金屬層；
16 第一電性接觸層；
18 第一介電層；
18a 殘留第一介電層；
19 蝕刻停止層；
17 凹槽；
20 第二電性接觸層； 20a 殘留第二電性接觸層； 21 突起末端； 22 非金屬層； 22a 殘留非金屬層； 23~殘留非金屬層的上表面； 24~開口 ；
25 突起末端的上表面； 26 開口底部；
27~相變化材料體的上表面；28 相變化層；
28a 相變化材料體；
29 相變化材料體的側壁;
30 第二介電層；
30a 殘留包覆層；
31 殘留介電層的上表面;
32 上電極。
具體實施例方式
以下，請配合附圖，來詳細說明本發(fā)明實施例所述的相變化存儲裝置及 其制造方法。
首先，請參照圖la，提供具有下電極12形成于其上的基底10。其中， 該基底10可為半導體工藝所使用的基底，例如為硅基底。該基底10可為已 完成CMOS前段工藝的基底，亦可能包括隔離結構、電容、二極管與其類 似物，為簡化附圖起見，圖中僅以平整基底表示。該下電極12為導電材料， 例如為Al、 W, Mo、 Ti、 TiN、 TiW、 TaN或TiAlN。
接著，請參照圖lb，非金屬層14形成于該下電極12之上，露出該下電 極12的周圍區(qū)域的上表面13,其中該下電極12及該非金屬層14構成梯狀 結構體15。該非金屬層14可以為含硅的化合物，例如氧化硅或氮化硅。此 外，該非金屬層14還可為復合膜層，包括介電層14a以及蝕刻停止層l樸， 請參照圖lc。在本發(fā)明另一優(yōu)選實施例中，該非金屬層14可包括^i屬化合 物(chalcogenides),例如相變化材料。
接著，請參照圖ld,第一電性接觸層16順應地形成該非金屬層14之上， 以覆蓋該梯狀結構體15。其中，該第一電性接觸層16經由該下電極12的周 圍區(qū)域的上表面13與該下電極12達成電性連結。該第一電性接觸層16的 材料可例如為Al、 W, Mo、 Ti、 TiN、 TiW、 TaN或TiAlN。在本發(fā)明另一 優(yōu)選實施例中，該第一電性接觸層16亦可包括相變化材料。該第一電性接 觸層16的厚度可介于10 50nm之間。
接著，請參照圖le，第一介電層18形成于該第一電性接觸層16之上。 該第一介電層18可以為含硅的化合物，例如氧化硅或氮化硅。此外，第一 介電層18包括蝕刻停止層19,該蝕刻停止層19配置于該第一介電層18內。接著，請參照圖lf，蝕刻該第一介電層18形成殘留的第一介電層18a， 該第一介電層18a具有凹槽17，其中該蝕刻停止層19用以控制該凹槽17 的深度。
接著，請參照圖lg,第二電性接觸層20順應地形成于該第一介電層18a 之上，及覆蓋該凹槽17的側壁及底部。該第二電性接觸層20的厚度可介于 10 50nm之間。值得注意的是該凹槽17的深度大于該第二電性接觸層20厚度。
接著，請參照圖lh，非金屬層22形成并覆蓋該第二電性接觸層20之上。 該非金屬層22可以為含硅的化合物，例如氧化硅或氮化硅。在本發(fā)明另一 優(yōu)選實施例中，該非金屬層22可包括石克屬化合物(chalcogenides),例如相變
化材料。
接著，請參照圖li，對該非金屬層22及該第二電性接觸層20形成平坦 化處理(例如化學機械拋光)，以該第一介電層18a作為蝕刻停止層，以露出 該殘留第二電性接觸層20a的突起末端21的上表面25，以及露出該殘留非 金屬層22a的上表面23。此外，該平坦化處理使得該殘留第二電性接觸層 20a的突起末端21的上表面25及該殘留非金屬層22a的上表面23共平面。
接著，請參照圖lj,形成開口 24貫穿該第二電性接觸層20a、該非金屬 層22a、該第一電性接觸層16及一部份的該非金屬層14，其中該開口24的 底部26與該下電極12以該殘留的該非金屬層14彼此相隔開。如果該非金 屬層14具有蝕刻停止層19,可更確保該開口的底部與該下電極12彼此不 直接接觸。
接著，請參照圖lk,相變化層28為坦覆性形成該非金屬層22a之上， 并填入該開口 24。該相變化層28可包括In、 Ge、 Sb、 Ga、 Sn、 Te或前述 材料的組合，例如GeTe、 GeSb 、 SbTe、 GeSbTe或InGeSbTe。
接著，請參照圖11,回蝕刻該相變化層28以形成相變化材料體28a。值 得注意的是該相變化材料體28a的上表面27低于該非金屬層22a的上表面 23。此外，該相變化材料體28a的上表面27亦低于該突出末端21的上表面 25。此外，該第一及第二電性接觸層16及20a通過該相變化材料體28a的 側壁29與該相變化材料體28a達成電性接觸，其中該相變化材料體與該第 一及第二電性接觸層的相交區(qū)域的面積由該第一及第二電性接觸層的厚度 所決定。
10接著，請參照圖lm,第二介電層30順應地形成于該非金屬層22a及該 相變化材料體28a之上。該第二介電層30可以為含硅的化合物，例如氧化 硅、氮化硅或前述材料的組合。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，該第二介電層30 可包括相變化材料。值得注意的是該第二介電層30及該相變化材料體28a 的總厚度大于該開口 24的深度。
接著，請參照圖ln,對該第二介電層30進行平坦化處理(例如化學機械 拋光)，以該非金屬層22a作為蝕刻停止層，露出該第二電性接觸層20a突出 末端21的上表面25及該殘留的第二介電層30a的上表面31。其中，在平坦 化處理后，該第二電性接觸層20a突出末端21的上表面25與該第二介電層 30a的上表面31形成共平面。
最后，請參照圖lo，該上電極32形成該第二介電層30a之上，并直接 與該第二電性接觸層20a突出末端21的上表面25電性接觸。該上電極32 的材料可為Al、 W, Mo、 Ti、 TiN、 TiW、 TaN或TiAlN。
依據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例，該本發(fā)明所形成的該相變化材料體28a的 剖面形狀除了可為四邊形外(請參照圖lo)，亦可為其它形狀(例如為U形， 如圖2所示)。在本發(fā)明其它優(yōu)選實施例，該第一及第二電性接觸層16及20a 直接分別與該下電極12及該上電極32接觸。
通過形成以相變化材料體的側面與上下電極接觸的相變化存儲裝置單 元，可使得加熱區(qū)域位于相變化材料體的側壁，如此一來，在與傳統(tǒng)加熱相 變化材料層中心的存儲裝置組件相比，可使得相變化材料體的受熱受均勻度 改善。此外，由于加熱后域在相變化材料體的邊緣，如此一來可縮小相變化 存儲裝置的體積，增加存儲裝置組件的集成度。再者，自從相變化材料與加 熱電極的接觸面積可通過減少加熱電極(第一及第二電性接觸層)的厚度來達 成，因此可大幅增加加熱效率，而降低加熱電極的厚度所需的工藝也遠比降 低相變化材料層的寬度來得容易。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 熟習此技術的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的更動與 潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視權利要求所界定為準。
權利要求
1. 一種相變化存儲裝置，包括下電極；第一非金屬層，形成于該下電極之上，并露出該下電極周圍區(qū)域的上表面；第一電性接觸層，形成于該第一非金屬層及該下電極之上，其中該第一電性接觸層以末端與該下電極周圍區(qū)域的上表面電性接觸；介電層，形成并覆蓋該第一電性接觸層；第二電性接觸層，形成于該介電層之上，其中該第二電性接觸層包括突起的末端；開口，貫穿該第二電性接觸層、該介電層及該第一電性接觸層，且該開口的底部以該第一非金屬層與該下電極相隔；相變化材料，至少部份填入于該開口內，其中該第一及第二電性接觸層與該相變化材料在該相變化材料的側壁達成電性接觸；第二非金屬層，形成并覆蓋該第二電性接觸層，且露出該第二電性接觸層的該突起末端的上表面；以及上電極，形成于該介電層之上，且該上電極直接與該第二電性接觸層的突起末端的上表面直接電性接觸。
2. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該下電極及該第一非金屬 層構成梯狀結構體。
3. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該第一及第二電性接觸層 的厚度介于10 50nm。
4. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該下電極與該相變化材 料，通過該第一非金屬層來彼此相隔，其中該第一非金屬層還包括蝕刻停止 層。
5. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該第一非金屬層包括介電 材料。
6. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該第一非金屬層包括相變 化材料。
7. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該第一及第二電性接觸層通過非金屬材料來彼此相隔。
8. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該相變化材料包括In、 Ge、 Sb、 Ga、 Sn、 Te或前述材料的組合。
9. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該第一及第二電性接觸層 分別包括A1、 W, Mo、 Ti、 TiN、 TiW、 TaN或TiAlN。
10. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該第一及第二電性接觸 層分別包括相變化材料。
11. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，其中該上電極及下電極分別 包括A1、 W, Mo、 Ti、 TiN、 TiW、 TaN或TiAlN。
12. 如權利要求1所述的相變化存儲裝置，還包括蝕刻停止層配置于該 介電層內。
13. —種相變化存儲裝置的制造方法，包括 提供下電極；形成第一非金屬層于該下電極之上，并露出該下電極周圍的上表面； 形成第一電性接觸層于該第一非金屬層之上，并與該下電極周圍的上表 面電性連結；形成第一介電層以覆蓋該第一電性接觸層；形成第二電性接觸層于該第一介電層之上，其中第二電性接觸層的側壁及底部構成凹槽；.形成第二非金屬層于該第二電性接觸層之上；對該第二非金屬層及該第二電性接觸層進行平坦化處理，以露出該第二 電性接觸層的突出未端的上表面；形成開口貫穿該第二非金屬層、該第二電性接觸層、該第一介電層、及 該第一電性接觸層，其中該開口的底部以該第一非金屬層與該下電極相隔；填入相變化材料于部份的開口中，以使得該第一及第二電性接觸層與該 相變化材料的側壁電性接觸；填入第二介電層于該開口內，使得該第二介電層的上表面與該第二電性 接觸層的突出未端的上表面共平面；以及形成上電極于該二介電層之上，并與該第二電性接觸層的突出未端電性 接觸。
14. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中對該第二非金屬層及該第二電性接觸層所進行的平坦化處理為化學機械拋光。
15. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，在形成下電極之 后，還包括形成蝕刻停止層于該下電極之上。
16. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該下電極及 該第一非金屬層構成梯狀結構體。
17. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該第一及第 二電性接觸層的厚度為介于10 50nm。
18. 如權利要求IO所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該下電極與 該相變化材料，通過該第一非金屬層來彼此相隔，其中該第一非金屬層還包 括蝕刻停止層。
19. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該第一非金 屬層包括介電材料。
20. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該第一非金 屬層包括相變化材料。
21. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該第一及第 二電性接觸層為通過非金屬材料來彼此相隔。
22. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該相變化材 料包括In、 Ge、 Sb、 Ga、 Sn、 Te或前述材料的組合。
23. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該第一及第 二電性接觸層分別包括Al、 W, Mo、 Ti、 TiN、 TiW、 TaN或TiAlN。
24. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該第一及第 二電性接觸層分別包括相變化材料。
25. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中該上及下電 極分別包括A1、 W， Mo、 Ti、 TiN、 TiW、 TaN或TiAlN。
26. 如權利要求13所述的相變化存儲裝置的制造方法，其中形成該相變 化材料的步驟包括形成相變化層于該第二非金屬層并填入該開口內；以及 對該相變化層進行回蝕刻以形成該相變化材料，其中回蝕刻后，該相變 化材料的上表面低于與該第二金屬層的上表面。
27. —種相變化存儲裝置，包括. 下電極；第一電性接觸層，形成于該下電極之上； 介電層，形成并覆蓋該第一電性接觸層之上；第二電性接觸層，形成于該介電層之上，其中該第二電性接觸層包括突 起的末端；開口，貫穿該第二電性接觸層、該介電層及該第一電性接觸層，且該開 口的底部座落于該下電極；相變化材料，至少部份填入于該開口內，其中該第一及第二電性接觸層 與該相變化材料在該相變化材料的側壁達成電性接觸；第二非金屬層，形成并覆蓋該第二電性接觸層，且露出該第二電性接觸 層的該突起末端的上表面；以及上電極，形成于該第二電性接觸層的突起末端的上表面。
全文摘要
本發(fā)明關于一種相變化存儲裝置及其制造方法。該相變化存儲裝置包括下電極、第一非金屬層、第一電性接觸層、介電層和第二電性接觸層。開口貫穿該第二電性接觸層、該介電層、及該第一電性接觸層，且該開口的底部以該第一非金屬層與該下電極相隔。相變化材料至少部份填入于該開口內。該第一及第二電性接觸層與該相變化材料在該相變化材料的側壁達成電性接觸；第二非金屬層形成并覆蓋該第二電性接觸層，且露出該第二電性接觸層的該突起末端的上表面；以及上電極形成于該介電層之上，且該上電極直接與該第二電性接觸層的突起末端的上表面直接電性接觸。
文檔編號H01L45/00GK101504968SQ20091000985
公開日2009年8月12日 申請日期2009年1月24日 優(yōu)先權日2008年1月25日
發(fā)明者達 陳 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院;力晶半導體股份有限公司;南亞科技股份有限公司;茂德科技股份有限公司;華邦電子股份有限公司