CN101000945A - 相变化存储元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变化存储元件及其制造方法，主要是将碟盘状相变层埋入于绝缘材料中，并利用光刻技术产生位于碟盘状相变层中心且贯穿相变层的中心贯孔，和以中心贯孔为中心且外围位于碟盘状相变层边缘上的环状贯孔。此时，设置于中心贯孔中的加热电极可对相变层进行焦耳加热，并借助控制相变层的厚度来缩小两者间的接触面积。再有，一环状第二电极设置于环状贯孔中，传送至相变层间的环形接触界面的热经第二电极扩散出来，来避免热扩散至相变层外围的刻蚀边界，进而避免刻蚀缺陷及/或残留物熔解扩散至相变化材料内导致相变化异常。

Description

相变化存储元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种非易失性存储组件，特别是涉及一种相变化存储元件及其制造方法。

背景技术

相变化存储器(phase change memory；PCM)是一种非易失性存储器组件，其利用热效应改变相变化材料的结晶相来实现组件的电阻值的转换。

目前，硫系化合物(chalcogenide)的相变化材料已普遍的使用于相变化存储器的存储单元(cell)的形成。此硫系化合物为具有多种固态相(solid-state phase)的物质，且其可随着温度改变而引起热感应的转态现象：其中，当其处于非均质状态(具有乱排列的原子结构)时，将呈现高电阻值，而处于结晶状态(具有整齐排列的原子结构)时，则呈现低电阻值。在此，改变其温度可通过提供电流或光学脉冲(optical pulses)等方式达成。

一般来说，在相变化存储器中，利用晶体管(transistor)作为选取组件，来控制流经相变化存储元件的电流，及施加于硫系化合物的电压。因此，为了缩小相变化存储器的尺寸及降低所消耗的功率，必须降低相变化存储元件所需的操作电流。由于电阻值在接口区域的电流加热效应为接口区域的接触面积的函数，因此在公知技术中，利用缩小电流路径与相变化材料的接口区域的面积来达到降低操作电流的目的。

传统中，相变化存储元件为T型(T-shape)结构，在上、下电极120、110之间形成通过相变层130的电流路径，如图1所示；在此，利用光刻处理在介电层140上形成微小孔洞，再用金属材料填充，来制作下电极110，因此下电极110与相变层130之间的接触面积即可缩小。在此，相变化材料(即相变层)与用来加热的下电极的接触面积受限于光刻处理的能力，并且用金属材料填充微小孔洞，容易产生阶梯覆盖率不足的问题。此外，在实际上，更新光刻处理的能力并不容易，必须进行设备更新及人员培训等，都将耗费相当大的成本及人力。

因此，提出了锥形设计，其为用锥形的下电极的项端与相变层接触，来缩小两者间的接触面积。

参考图2，其利用等向性刻蚀原理，将多层导电基材(conductivesubstrate)111a、111b、111c、111d与加热电极112同步刻蚀成锥形结构，再用形成锥尖的加热电极112与相变层130接触，借此来缩小接触面积，如美国专利第6800563B2号所示。然而，在实际制作时，依据此方法进行刻蚀必须同时兼顾多层不同的材料，因此刻蚀后所得的图案将出现均匀度不佳与图形不符合要求的问题。

于是进而发展出边缘接触式(edge contact)相变化存储元件，如图3所示；其是将加热电极112设置于沟渠侧壁的夹层中，利用加热电极112的厚度来控制与相变层130的接触面积的大小。然而，这种方式将造成相变化材料在填洞上的困难，进而导致侧向接触界面的接触不良，从而形成组件均匀性与可靠度方面的问题。此外，此方式通过加热电极的横向延伸而与相变化材料接触，造成加热电极的电流路径过长，而其又具有较高的电阻率，因此将会造成额外的功率消耗。

再有，另一种相变化存储元件为侧向式(lateral)，如美国专利第6867425号所示，参考图4，同样是将电极114、122设置于沟渠侧壁的夹层中，利用电极114、122的厚度来控制与相变层130的接触面积的大小。虽然可借助侧向式接触来降低操作电流，并可借助控制两电极间的距离来缩短电流流经相变化材料的路径，进而降低组件操作时的功率损耗。但一般加热电极的材料通常具有较高的电阻率，因此若将其同时充当为导线，将会造成寄生电阻的增加，进而造成额外的功率消耗。再有，当两电极间的距离过小时，虽可降低操作功率的损耗，但会造成相变化材料在填洞与侧壁接触上的困难，产生均匀性及可靠性的问题。

事实上，电流产生的热的局限性也会影响相变化存储元件是否具有良好的再现性(即对刻蚀缺陷(etch damage)不敏感)、良好的电阻分布的群聚性及低操作电流。但在公知的相变化存储元件中，当施加电流对相变层进行焦耳加热时，大多是让电流及产生的热在三度空间的相变化材料中流动及发散，因此对热的局限能力相当有限。并且，此种三度空间的相变化材料在进行组件特性仿真时较为复杂，因此难以准确模拟且不易验证。

并且，公知技术中，为缩小电流路径与相变化材料的接口区域的面积，多运用多层金属薄膜迭层，此种结构较为复杂且刻蚀困难，以致使整个制作流程变得相当繁杂。

再有，在公知的相变化存储元件中，因刻蚀相变化层时，相变化材料裸露于光刻胶外的面积过大，而导致负载效应(Loading Effect)，进而在相变化材料的刻蚀边缘产生金属聚合物(Metal-Based Polymer)残留。当电流产生的热传送到相变化材料的刻蚀边缘时，可能会使金属聚合物扩散、膨胀、熔解(melting)或者是产生反应，进而破坏组件结构。

同理，在公知的相变化存储元件中，多以刻蚀方式来进行加热电极的制作，因此当加热电极裸露于光刻胶外的面积过大时，在刻蚀边缘也会产生金属聚合物残留，此时，当电流产生的热传送到刻蚀边缘时，就可能导致金属聚合物扩散、膨胀或者是产生反应，进而破坏组件结构。

因此，提供一种低操作电流、高再现性，且制作流程和存储单元(memorycell)结构简单的相变化存储元件，是此领域的相关人员的一重要研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变化存储元件及其制造方法，来解决公知技术中所存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种相变化存储元件，包括有：第一电极、第一绝缘层、相变层、第二绝缘层、中心贯孔、加热电极、第三绝缘层、环状贯孔和第二电极。在此，第一电极、第一绝缘层、相变层和第二绝缘层由下向上依序相迭，且相变层和第二绝缘层呈现一碟盘状。中心贯孔大致上对应于碟盘状的中心处，贯穿第一绝缘层、相变层和第二绝缘层直至第一电极界面；而加热电极则设置于此中心贯孔内。第三绝缘层位于第一绝缘层和第二绝缘层上，并且覆盖第一绝缘层、第二电极和第二绝缘层。环状贯孔会贯穿第三绝缘层和第二绝缘层，且此环状贯孔的外围直径大致上相同于碟盘状的直径，即环状贯孔的外围大致上会与相变层的边缘重迭。而此第二电极则设置于此环状贯孔内，且呈现环状。因此，此相变层可形成二维中空碟盘状。

其中，相变层的厚度可介于1纳米(nm)至300纳米之间。并且，此相变层可以是单一相变化材料薄膜或多层相变化材料薄膜。而各绝缘层(即第一绝缘层、第二绝缘层和第二绝缘层上方的第三绝缘层)的厚度介于10纳米至5000纳米之间。并且，各绝缘层可为相同或相异的材质。此外，中心贯孔可利用电子束直写光刻技术(Electron Beam Direct Writing Lithography)、先进氟化氩光刻技术(advanced ArF Lithography)、氟化氩湿浸式光刻技术(ArF Immersion Lithography)及深紫外光线(Deep UV；DUV)光刻技术等光学光刻技术(Optical Lithography)来形成。再有，此环状贯孔也可利用电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术及深紫外光线光刻技术等光学光刻技术来形成。另外，在中心贯孔内用以第一电极连接的加热电极可为一棒状金属，此棒状金属可穿过二维中空碟盘状的相变层，与相变层相接触，借此来对相变层230进行焦耳加热。

再有，在相变层和加热电极之间以及相变层和第二电极之间可分别形成扩散阻障层，来防止二者的金属材料交互扩散。

为了实现上述目的，本发明提供了一种相变化存储元件的制造方法，包括有下列步骤：首先提供第一电极；在第一电极上依序形成第一绝缘层、相变层和第二绝缘层；接着，形成贯穿第二绝缘层的环状贯孔，及贯穿第二绝缘层、相变层和第一绝缘层的中心贯孔，其中此中心贯孔位于相对于环状贯孔的中心处；接着，在环状贯孔和中心贯孔中分别形成第二电极和加热电极，其中此第二电极呈现环形；然后刻蚀相应于环形第二电极的外围以外的区域的第二绝缘层和相变层，直至显露出第一绝缘层，使相变层呈现碟盘状；接着，在第一绝缘层和第二绝缘层上形成第三绝缘层，来覆盖第一绝缘层、第二电极和第二绝缘层；最后，对应于第二电极刻蚀第三绝缘层，直至显露出第二电极。

在此，可先形成环状贯孔再形成中心贯孔，也可形成中心贯孔而后再形成环状贯孔，进而再进行电极的制作。另外，在相变层和加热电极之间以及相变层和第二电极之间可分别形成扩散阻障层，以防止二者的金属材料交互扩散，

此外，还可仅先形成中心贯孔来制作加热电极，而后在形成第三绝缘层之后再形成环状贯孔，进而制作第二电极。

其中，环状贯孔和中心贯孔可借助刻蚀制作来形成。

此外，在各个刻蚀步骤中，可使用光学光刻技术，例如：电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术及深紫外光线光刻技术等，来定义光刻胶图案，以进行刻蚀处理。

综上所述，本发明的相变化存储元件，由于相变层呈现二维中空碟盘状，因此热传导及电流流动均可以二维扩散为主或近似二维扩散，相变层的相变化材料可被绝热的绝缘层包住，因而可提供较佳的热局限能力。

再有，在此组件的制作过程中，对于加热电极与相变化材料的接触面积大小，只需控制相变层的厚度即可缩小，也就是说，可由较为精准的镀膜厚度控制来缩小相变层的厚度，进而缩小加热电极与相变化材料的接触面积。如此一来，此组件即可避免因接触面积变化所可能产生的电阻变化降低的现象。

另外，本发明中可将执行设置加热电极的纳米孔洞(即中心贯孔)的刻蚀与去除不要的相变层(即相对于第二电极的外围以外的区域)的刻蚀分成两个步骤，使得进行纳米孔洞(即中心贯孔)的刻蚀处理时，光刻胶图案以外的金属裸露面积非常少(仅此奈米孔洞的面积)。如此一来，可使一般刻蚀金属时，由于裸露于光刻胶图案以外的面积过高而导致负载过重，从而产生金属聚合物(Metal-Based Polymer)附着于相变化薄膜(即相变层)周围的现象完全舒缓，并且由于中心贯孔可相当微小，因此于刻蚀完成后，在中心贯孔内的区域将不会产生金属聚合物残留。

再有，虽然在进行去除不要的相变层的刻蚀处理时，在相变层边缘可能会有金属聚合物残留，但其可以利用溶剂清洗去除或者不必在意。也就是说，由于环状包围式的第二电极，其可视为一散热组件(Heat Sink)，因此相变化所产生的热可由环状包围式的第二电极散出，而不会传送到相变层边缘的金属聚合物，进而导致烧毁组件或产生缺陷。并且，本发明的组件结构，有机会将整个相变化层相变化，此为一般公知技术中的三维组件结构所不易实现的。此外，本发明中在制作前的组件仿真与理论计算均比公知技术的组件结构容易且快。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为公知的相变化存储单元的剖面图；

图2为另一公知的相变化存储单元的剖面图；

图3为另一公知的相变化存储单元的剖面图；

图4为另一公知的相变化存储单元的剖面图；

图5A为本发明第一实施例的相变化存储元件的剖面图；

图5B为本发明第一实施例的相变化存储元件的俯视图；

图6为本发明第二实施例的相变化存储元件的剖面图；

图7A至图7G为本发明第一实施例的相变化存储元件的制造方法的流程图；

图8为图7C所示的结构的俯视图；

图9A、9B为形成图7C所示的结构的一实施例的细部流程图；

图10为图7D所示的结构的俯视图；

图11A、11B为图7D所示的结构的一实施例的细部流程图；

图12A、12B为图7F所示的结构的一实施例的细部流程图；

图13A、13B为图5A所示的结构的一实施例的细部流程图；

图14A至图14G为本发明第二实施例的相变化存储元件的制造方法的流程图；

图15A至图15G为本发明第三实施例的相变化存储元件的制造方法的流程图；

图16A至图16G为本发明第四实施例的相变化存储元件的制造方法的流程图；

图17A、17B为图16E所示的结构的一实施例的细部流程图；

图18A、18B为图16G所示的结构的一实施例的细部流程图；以及

图19A至图19I为本发明第五实施例的相变化存储元件的制造方法的流程图。

其中，附图标记：

110 下电极

111a导电基材

111b导电基材

111c导电基材

111d导电基材

112 加热电极

114  电极

120  上电极

122  电极

130  相变层

140  介电层

210  第一电极

212  加热电极

220  第二电极

230  相变层

232  扩散阻障层

240  第一绝缘层

242  第二绝缘层

244  第三绝缘层

250  中心贯孔

252  环状贯孔

260  扩散阻障层

270  光刻胶图案

272  环状孔洞

274  中心孔洞

具体实施方式

请参考图5A和图5B，为本发明一实施例的相变化存储元件。此相变化存储元件呈现二维碟盘状，其具有第一电极210、第一绝缘层240、相变层230、第二绝缘层242、中心贯孔250、加热电极212、第三绝缘层244、环状贯孔252和第二电极220。在此，第一电极210、第一绝缘层240、相变层230和第二绝缘层242由下向上依序相迭，且相变层230和第二绝缘层242呈现一碟盘状。中心贯孔250大致上位于碟盘状的中心处，贯穿第一绝缘层240、相变层230和第二绝缘层242直至第一电极210界面；而加热电极212则设置于此中心贯孔250内。第三绝缘层244位于第一绝缘层240和第二绝缘层242上，并且覆盖第一绝缘层240、第二电极220和第二绝缘层242。环状贯孔252会贯穿第三绝缘层244和第二绝缘层242，且环状贯孔252的外围直径大致上相同于碟盘状的直径，即环状贯孔252的外围大致上与相变层230的边缘重迭。而此第二电极220则设置于此环状贯孔252内，且呈现环状。

在此，此相变层230可形成二维中空碟盘状。其中，相变层230的厚度可介于1纳米至300纳米之间。并且，此相变层230可以是单一相变化材料薄膜或多层相变化材料薄膜(例如钨化钛/硫系化合物/氮铝化钛(TiW/GST/TiAlN)等结构)。而此相变层的主要材质为硫系化合物，例如锗锑碲(GeSbTe)合金、锗锑锡碲(GeSbSnTe)合金、铱锗锑碲(IrGeSbTe)合金等相变化材料。

当对此相变化存储元件施加电流时，通过加热电极212可对相变层230进行焦耳加热，并且环状第二电极220与相变层230间的环形接触界面，可使热在环形接触界面的内侧即可经第二电极220扩散出，也就是说，此第二电极220可作为此相变层230的散热组件，使热不会扩散至相变层230外围的刻蚀边界，进而可避免外围的相变化材料的刻蚀缺陷，且/或避免残留的金属聚合物对组件的热效应影响。

再有，由于第一绝缘层240、相变层230和第二绝缘层242形成一三明治夹层结构，因此相变层230完全呈现二维平面状，第一绝缘层240和第二绝缘层242可有效率地将热局限于相变层230内，简单来说，第一绝缘层240、相变层230和第二绝缘层242形成的三明治夹层结构为一热绝缘结构，且具有较佳的热局限性，进而可降低操作电流。其中，各绝缘层(即第一绝缘层240、第二绝缘层242和第二绝缘层242上方的第三绝缘层244)的厚度介于10纳米至5000纳米之间。并且，各绝缘层可为相同或相异的材质，例如：低温氮化层(Low-temp Nitride；LTN)、低温氧化物介电绝缘层(Low-temp Oxide；LTO)、低介电常数材料(Low-K Dielectric)(如MSQ(methyl-silsesquioxane；含甲基的硅酸盐)、HSQ(hydrogen silsesquioxane；氢硅酸盐类)等)及高介电常数材料(High-K Dielectric)(如五氧化二钽(Ta₂O₅)、二氧化铪(HfO₂)及二氧化铱(IrO₂)等)等。

此外，中心贯孔250可利用电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术及深紫外光线光刻技术等光学光刻技术来形成。再有，此环状贯孔252也可利用电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术及深紫外光线光刻技术等光学光刻技术来形成。

另外，在中心贯孔250内用与第一电极210连接的加热电极212可为一棒状金属，即此棒状金属可穿过二维中空碟盘状的相变层230，与相变层230相接触，借此来对相变层230进行焦耳加热。在此，加热电极的材质可为钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮铝化钛(TiAlNx)、碳氮化钛(TiCNx)、钨化钽(TaW)、钨化钛(TiW)、氧化钽(TaO)、聚硅(poly-Si)、氧化硅钽(TaSiO)、碳(C)、硅化碳(SiC)、氮化锗(GeN)或其它可填入直径小于50纳米的金属导电材料。且此加热电极的直径可介于1纳米至5000纳米之间。

其中，二维中空碟盘状的相变层230与棒状加热电极212接触的横切截断位置可以从棒状加热电极212的最下面到最上面，只要留出绝缘层厚度即可。可借助改变第一绝缘层240及第二绝缘层242的厚度而实现。

在此，第一电极210和第二电极220之材质可为铝(Al)、钨(W)、钼(Mo)、钛、铜(Cu)等导电性良好的导电材料。

再有，在相变层230和加热电极212之间以及相变层230和第二电极220之间可分别形成扩散阻障层260，以防止二者的金属材料交互扩散，如图6所示。其中，此扩散阻障层260的材质可为氮化钛、氮化钽、氮化硅钛(TiSiN)、氮化硅钽(TaSiN)、钨化钛等热稳定性良好的材料。

在此，可利用下述的制作方法来形成本发明的相变化存储元件。

首先，提供第一电极210，如图7A所示。

在第一电极210上依序形成第一绝缘层240、相变层230和第二绝缘层242，如图7B所示。

然后，刻蚀第二绝缘层242，直至显露出相变层230，以形成贯穿第二绝缘层242的环状贯孔252，如图7C和图8所示。在此，可先在第二绝缘层242上形成具有一环状孔洞272的光刻胶图案270，如图9A所示；然后，以光刻胶图案270作为刻蚀屏蔽，通过环状孔洞272刻蚀第二绝缘层242直至相变层230界面，以形成贯穿第二绝缘层242的环状贯孔252，如图9B所示；最后再将光刻胶图案270移除，即可得到如图7C和图8所示的结构。

接着，再刻蚀第二绝缘层242、相变层230和第一绝缘层240，直至显露出第一电极210，借此来形成一中心贯孔250，且此中心贯孔250约位于环状贯孔252的中心，且贯穿第二绝缘层242、相变层230和第一绝缘层240，如图7D和图10所示。在此，可先在第二绝缘层242上形成具有一中心孔洞274的光刻胶图案270，且此中心孔洞274对应于环状贯孔252的中心，如图11A所示；然后，以光刻胶图案270作为刻蚀屏蔽，通过中心孔洞274刻蚀第二绝缘层242、相变层230和第一绝缘层240直至第一电极210界面，以形成贯穿第二绝缘层242、相变层230和第一绝缘层240的中心贯孔250，如图11B所示；最后再将光刻胶图案270移除，即可得到如图7D和图10所示的结构。如此一来，此相变层可形成二维中空碟盘状。并且，相变层的厚度可通过镀膜厚度来控制。相变层的厚度可介于1纳米至300纳米之间。

再在环状贯孔252中形成第二电极220，以及在中心贯孔250中形成加热电极212，其中此第二电极220会呈现环形，如图7E所示。在此，可利用化学机械研磨法(Chemical Mechanical Polishing/Planarization；CMP)和/或回刻蚀技术(Etch back technique)来实现第二绝缘层的平坦化。其中，此加热电极可为一棒状金属，此棒状金属穿过二维中空碟盘状的相变层，进而可与相变层相接触，对相变层进行焦耳加热。加热电极的直径可介于1纳米至5000纳米之间。

接着，刻蚀相应于第二电极220的环形外围以外的区域的第二绝缘层242和相变层230，直至显露出第一绝缘层240，如图7F所示；换句话说，利用刻蚀技术除去不要的相变层230，即相对于第二电极220的环形外围以外的部分。刻蚀后，相变层230可呈现一碟盘状。在此，可先在第二绝缘层242上形成呈现一碟盘状之光刻胶图案270，并且碟盘状的直径大致上相同于第二电极220的环形外围直径，即此碟盘状的外围大致上与第二电极220的环形外围重迭，如图12A所示；然后，以此碟盘状光刻胶图案270作为刻蚀屏蔽，刻蚀光刻胶图案270以外区域的第二绝缘层242和230相变层，直至第一绝缘层240界面，如图12B所示；最后再将光刻胶图案270移除，即可得到如图7F所示的结构。

再在第一绝缘层240和第二绝缘层242上形成第三绝缘层244，来覆盖第一绝缘层240、第二电极220和第二绝缘层242，如图7G所示。在此，可先将第三绝缘层244镀膜至足够的厚度(即，使表面看来够平坦)，然后再利用化学机械研磨法和/或回刻蚀技术来平坦化第三绝缘层244。在平坦化后，若第三绝缘层244的厚度不足，可再补镀此第三绝缘层244，使其厚度达到所需的绝缘厚度。

最后，对应于第二电极220来刻蚀第三绝缘层244，直至显露出第二电极220；也就是说，在此将第二电极220上方的第三绝缘层244移除，以显露出第二电极220，即可得到如图5A和图5B所示的组件。在此，可先在第三绝缘层244上形成具有环状孔洞272的光刻胶图案270，且此环状孔洞272的内外直径大致上相同于第二电极220的内外直径，如图13A所示；然后，以此光刻胶图案270作为刻蚀屏蔽，通过环状孔洞272刻蚀第三绝缘层244直至第二电极220界面，以显露出第二电极220，如图13B所示；最后再将光刻胶图案270移除，即可得到如图5A和图5B所示的结构。实际上，在此可用上述进行环状贯孔的刻蚀时的光罩来定义光刻胶图案。

此外，在各个刻蚀步骤中，可使用光学光刻技术，例如：电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术及深紫外光线光刻技术等，来定义光刻胶图案，进行刻蚀制程。

此外，请参考图14A至图14G，在依序形成第一绝缘层240、相变层230和第二绝缘层242(如图14B所示)之后，可先刻蚀第二绝缘层242、相变层230和第一绝缘层240直至显露出第一电极210，以形成贯穿第二绝缘层242、相变层230和第一绝缘层240的中心贯孔250，如图14C所示；然后，再刻蚀第二绝缘层242直至显露出相变层230，以形成贯穿第二绝缘层242且大致上以中心贯孔250为中心的环状贯孔252，如图14D所示。最后，再将图14G所示的结构中，对应于第二电极220处的第三绝缘层244刻蚀掉，以显露出第二电极220，即可得到如图5A和图5B所示的组件；也就是说，将图14G所示的结构中的第二电极220上方的第三绝缘层244移除，以显露出第二电极220。

另外，在相变层230和加热电极212之间以及相变层230和第二电极220之间可分别形成扩散阻障层260，以防止二者的金属材料交互扩散，如图15A至图15G所示；换句话说，在形成环状贯孔252和中心贯孔250(如图15C所示)之后，在环状贯孔252和中心贯孔250内的表面上分别形成扩散阻障层260，如图15D所示；然后再在环状贯孔252中的扩散阻障层260上形成第二电极220以及在中心贯孔250中的扩散阻障层260上形成加热电极212，如图15E所示。最后，再将图15G所示的结构中，对应于第二电极220处的第三绝缘层244刻蚀掉，以显露出第二电极220，即可得到如图6所示的组件；也就是说，将图15G所示的结构中的第二电极220上方的第三绝缘层244移除，以显露出第二电极220。

再有，可在形成第三绝缘层之后再形成环状贯孔，进而进行第二电极的制作。

请参考图16A至图16G，首先也是先提供第一电极210，如图16A所示。

然后在第一电极210上依序形成第一绝缘层240、相变层230和第二绝缘层242，如图16B所示。

接着，刻蚀第二绝缘层242、相变层230和第一绝缘层240，直至显露出第一电极210，以形成贯穿第二绝缘层242、相变层230和第一绝缘层240的中心贯孔250，如图16C所示。

并在此中心贯孔250中形成加热电极212，如图16D所示。

接着，刻蚀第二绝缘层242和相变层230直至显露出第一绝缘层240，使相变层230呈现一碟盘状，如图16E所示。在此，可先在图16D所示的结构中的第二绝缘层242上形成碟盘状的光刻胶图案270，其中此碟盘状的中心大致对应于中心贯孔250，如图17A所示；再以光刻胶图案270作为刻蚀屏蔽，刻蚀未覆盖光刻胶图案270的区域的第二绝缘层242和相变层230，直至第一绝缘层240界面，使相变层230呈现碟盘状，如图17B所示；最后再将光刻胶图案270移除，即可得到如图16E所示的结构。

然后，在第一绝缘层240和第二绝缘层242上形成第三绝缘层244，以覆盖第一绝缘层240和第二绝缘层242，如图16F所示。

再刻蚀第三绝缘层244和第二绝缘层242直至显露出相变层230，以形成贯穿第三绝缘层244和第二绝缘层242的环状贯孔252，其中此环状贯孔252的中心大致对应于中心贯孔250，且环状贯孔252的外围直径大致上相同于碟盘状的直径，即此碟盘状的外围大致上与环状贯孔252的外围重迭，如图16G所示。在此，可先在图16F所示的结构中的第三绝缘层244上形成具有环状孔洞272的光刻胶图案270，其中此环状孔洞272的外围直径大致上相同于碟盘状的直径，即环状孔洞272的外围大致上可与相变层230的边缘重迭，且环状贯孔272的中心大致上对应于中心贯孔250，如图18A所示；然后再以光刻胶图案270作为刻蚀屏蔽，通过环状孔洞272刻蚀第三绝缘层244和第二绝缘层242直至相变层230界面，以形成贯穿第三绝缘层244和第二绝缘层242的环状贯孔252，如图18B所示；最后再将光刻胶图案270移除，即可得到如图16G所示的结构。

最后，在环状贯孔252中形成第二电极220，其中此第二电极220会呈现环形，如此一来即可得到如图5A和图5B所示的结构。

另外，在相变层230和加热电极212之间以及相变层230和第二电极220之间可分别形成扩散阻障层260，以防止二者的金属材料交互扩散，如图19A至图19I所示；也就是说，分别在形成中心贯孔250和环状贯孔252(如图19C和图19H所示)之后，在中心贯孔250和环状贯孔252内的表面上分别形成扩散阻障层260，如图19D和图19I所示；然后再在中心贯孔250中的扩散阻障层260上形成加热电极212，如图19E所示，以及在环状贯孔252中的扩散阻障层260上形成第二电极220，即可得到如图6所示的组件。

综上所述，本发明的相变化存储元件，由于相变层呈现二维中空碟盘状，因此热传导及电流流动均可以二维扩散为主或近似二维扩散，因此相变层的相变化材料可被绝热的绝缘层包住，因而可提供较佳的热局限能力。

再有，在此组件的制作过程中，加热电极与相变化材料的接触面积，只需控制相变层的厚度即可缩小，也就是说，可由较为精准的镀膜厚度控制来缩小相变层的厚度，进而达到缩小加热电极与相变化材料的接触面积。如此一来，此组件即可避免因接触面积变化所可能产生的电阻变化降低的现象。

另外，本发明中，可将执行设置加热电极的纳米孔洞(即中心贯孔)的刻蚀处理，与去除不要的相变层(即相对于第二电极的外围以外的区域)的刻蚀分成两个步骤，使进行纳米孔洞(即中心贯孔)的刻蚀处理时，光刻胶图案以外的金属裸露面积非常少(仅此纳米孔洞的面积)。如此一来，可使一般刻蚀金属时，当裸露于光刻胶图案以外的面积过高时，会导致负载过重，而产生金属聚合物附着于相变化薄膜(即相变层)周围的现象完全舒缓，并且由于中心贯孔可相当微小，因此在刻蚀完成后，在中心贯孔内的区域不会产生金属聚合物残留。

再有，虽然在进行去除不要的相变层的刻蚀处理时，在相变层边缘可能会有金属聚合物残留，但其可以利用溶剂清洗去除或者可以不必在意。也就是说，由于环状包围式的第二电极，其可视为一散热组件，因此相变化所产生的热可由环状包围式的第二电极散出，而不会传送到相变层边缘的金属聚合物，进而烧毁组件或产生缺陷。

并且，本发明的组件结构，有机会将整个相变化层相变化，此为一般公知技术中的三维组件结构所不易实现的。

此外，本发明中，制作前的组件仿真与理论计算均将比起公知技术的组件结构容易且快。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (41)

1、一种相变化存储元件的制造方法，其特征在于，包括有下列步骤：

提供一第一电极；

在该第一电极上依序形成一第一绝缘层、一相变层和一第二绝缘层；

形成贯穿该第二绝缘层的一环状贯孔，及贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔，其中该中心贯孔位于相对于该环状贯孔的中心处；

在该环状贯孔中形成一第二电极以及在该中心贯孔中形成一加热电极，其中该第二电极呈现一环形；

刻蚀相应于该第二电极的该环形外围以外的区域的该第二绝缘层和该相变层，直至显露出该第一绝缘层，使该相变层呈现一碟盘状；

在该第一绝缘层和该第二绝缘层上形成一第三绝缘层，以覆盖该第一绝缘层、该第二电极和该第二绝缘层；以及

对应于该第二电极刻蚀该第三绝缘层，直至显露出该第二电极。

2、根据权利要求1所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该形成贯穿该第二绝缘层的一环状贯孔，及贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔，其中该中心贯孔位于相对于该环状贯孔的中心处的步骤中，该中心贯孔为利用一光学光刻技术而形成。

3、根据权利要求2所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该光学光刻技术为电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术或深紫外光线光刻技术。

4、根据权利要求1所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该形成贯穿该第二绝缘层的一环状贯孔，及贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔，其中该中心贯孔位于相对于该环状贯孔的中心处的步骤中，该环状贯孔为利用一光学光刻技术而形成。

5、根据权利要求4所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该光学光刻技术为电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术或深紫外光线光刻技术。

6、根据权利要求1所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该形成贯穿该第二绝缘层的一环状贯孔，及贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔的步骤，还包括有下列步骤：

刻蚀该第二绝缘层，直至显露出该相变层，以形成贯穿该第二绝缘层的一环状贯孔；以及

刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层，直至显露出该第一电极，以在相对该环状贯孔的中心形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔。

7、根据权利要求6所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第二绝缘层，直至显露出该相变层，以形成贯穿该第二绝缘层的一环状贯孔的步骤，还包括有下列步骤：

在该第二绝缘层上形成一光刻胶图案，其中该光刻胶图案具有一环状孔洞；

以该光刻胶图案作为刻蚀屏蔽，通过该环状孔洞刻蚀该第二绝缘层直至该相变层界面，以形成贯穿该第二绝缘层的该环状贯孔；以及

移除该光刻胶图案。

8、根据权利要求6所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层，直至显露出该第一电极，以在相对该环状贯孔的中心形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔的步骤，还包括有下列步骤：

在该第二绝缘层上形成一光刻胶图案，其中该光刻胶图案具有一中心孔洞，该中心孔洞对应于该环状贯孔的中心处；

以该光刻胶图案作为刻蚀屏蔽，通过该中心孔洞刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层直至该第一电极界面，以形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的该环状贯孔；以及

移除该光刻胶图案。

9、根据权利要求1所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该形成贯穿该第二绝缘层的一环状贯孔，及贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔，其中该中心贯孔位于相对于该环状贯孔的中心处的步骤，还包括有下列步骤：

刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层，直至显露出该第一电极，以形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔；以及

刻蚀该第二绝缘层，直至显露出该相变层，以形成贯穿该第二绝缘层的一环状贯孔，且该环状贯孔大致上以该中心贯孔为中心。

10、根据权利要求9所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层，直至显露出该第一电极，以形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔的步骤，还包括有下列步骤：

在该第二绝缘层上形成一光刻胶图案，其中该光刻胶图案具有一中心孔洞；

以该光刻胶图案作为刻蚀屏蔽，通过该中心孔洞刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层直至该第一电极界面，以形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的该环状贯孔；以及

移除该光刻胶图案。

11、根据权利要求9所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第二绝缘层，直至显露出该相变层，以形成贯穿该第二绝缘层的一环状贯孔，且该环状贯孔大致上以该中心贯孔为中心的步骤，还包括有下列步骤：

在该第二绝缘层上形成一光刻胶图案，其中该光刻胶图案具有一环状孔洞；

以该光刻胶图案作为刻蚀屏蔽，通过该环状孔洞刻蚀该第二绝缘层直至该相变层界面，以形成贯穿该第二绝缘层的该环状贯孔；以及

移除该光刻胶图案。

12、根据权利要求1所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该在该环状贯孔中形成一第二电极以及在该中心贯孔中形成一加热电极的步骤中，该加热电极为一棒状金属。

13、根据权利要求1所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该在该环状贯孔中形成一第二电极以及在该中心贯孔中形成一加热电极的步骤中，还包括有下列步骤：

在该环状贯孔和该中心贯孔内的内侧表面上分别形成一扩散阻障层；以及

在该环状贯孔中的该扩散阻障层上形成该第二电极和在该中心贯孔中的该扩散阻障层上形成该加热电极。

14、根据权利要求1所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀相应于该第二电极的该环形外围以外的区域的该第二绝缘层和该相变层，直至显露出该第一绝缘层，以使该相变层呈现一碟盘状的步骤，是利用一光学光刻技术来实现。

15、根据权利要求14所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该光学光刻技术为电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术或深紫外光线光刻技术。

16、根据权利要求1所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀相应于该第二电极的该环形外围以外的区域的该第二绝缘层和该相变层，直至显露出该第一绝缘层，以使该相变层呈现一碟盘状的步骤，还包括有下列步骤：

在该第二绝缘层上形成一光刻胶图案，其中该光刻胶图案呈现该碟盘状，该碟盘状的直径大致上相同于该第二电极的该环形外围直径；

以该光刻胶图案作为刻蚀屏蔽，刻蚀未覆盖该光刻胶图案的区域的该第二绝缘层和该相变层，直至该第一绝缘层界面，以使该相变层呈现该碟盘状；以及

移除该光刻胶图案。

17、根据权利要求1所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该对应于该第二电极刻蚀该第三绝缘层，直至显露出该第二电极的步骤，还包括有下列步骤：

在该第三绝缘层上形成一光刻胶图案，其中该光刻胶图案具有一环状孔洞，该环状孔洞的内外直径大致上相同于该第二电极的内外直径；

以该光刻胶图案作为刻蚀屏蔽，通过该环状孔洞刻蚀该第三绝缘层直至该第二电极界面，以显露出该第二电极；以及

移除该光刻胶图案。

18、一种相变化存储元件的制造方法，其特征在于，包括有下列步骤：

提供一第一电极；

在该第一电极上依序成长一第一绝缘层、一相变层和一第二绝缘层；

刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层，直至显露出该第一电极，以形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔；

在该中心贯孔中形成一加热电极；

刻蚀该第二绝缘层和该相变层，直至显露出该第一绝缘层，以使该相变层呈现一碟盘状；

在该第一绝缘层和该第二绝缘层上形成一第三绝缘层，以覆盖该第一绝缘层和该第二绝缘层；

刻蚀该第三绝缘层和该第二绝缘层，直至显露出该相变层，以形成贯穿该第三绝缘层和该第二绝缘层的一环状贯孔，其中该环状贯孔的中心大致上对应于该中心贯孔，且该环状贯孔的外围直径大致上相同于该碟盘状的直径；以及

在该环状贯孔中形成一第二电极，其中该第二电极呈现一环形。

19、根据权利要求18所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层，直至显露出该第一电极，以形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔的步骤，是利用一光学光刻技术来实现。

20、根据权利要求19所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该光学光刻技术为电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术或深紫外光线光刻技术。

21、根据权利要求18所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层，直至显露出该第一电极，以形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的一中心贯孔的步骤，还包括有下列步骤：

在该第二绝缘层上形成一光刻胶图案，其中该光刻胶图案具有一中心孔洞；

以该光刻胶图案作为刻蚀屏蔽，通过该中心孔洞刻蚀该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层直至该第一电极界面，以形成贯穿该第二绝缘层、该相变层和该第一绝缘层的该环状贯孔；以及

移除该光刻胶图案。

22、根据权利要求18所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该在该中心贯孔中形成一加热电极的步骤中，该加热电极为一棒状金属。

23、根据权利要求18所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该在该中心贯孔中形成一加热电极的步骤，还包括有下列步骤：

在该中心贯孔的内侧表面上形成一扩散阻障层；以及

在该中心贯孔中的该扩散阻障层上形成该加热电极。

24、根据权利要求18所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第二绝缘层和该相变层，直至显露出该第一绝缘层，以使该相变层呈现一碟盘状的步骤，是利用一光学光刻技术来实现。

25、根据权利要求18所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第二绝缘层和该相变层，直至显露出该第一绝缘层，以使该相变层呈现一碟盘状的步骤，还包括有下列步骤：

在该第二绝缘层上形成一光刻胶图案，其中该光刻胶图案为该碟盘状，该碟盘状的中心大致上对应于该中心贯孔；

以该光刻胶图案作为刻蚀屏蔽，刻蚀未覆盖该光刻胶图案的区域的该第二绝缘层和该相变层，直至该第一绝缘层界面，以使该相变层呈现该碟盘状；以及

移除该光刻胶图案。

26、根据权利要求18所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第三绝缘层和该第二绝缘层，直至显露出该相变层，以形成贯穿该第三绝缘层和该第二绝缘层的一环状贯孔的步骤，是利用一光学光刻技术来实现。

27、根据权利要求26所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该光学光刻技术为电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术或深紫外光线光刻技术。

28、根据权利要求18所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该刻蚀该第三绝缘层和该第二绝缘层，直至显露出该相变层，以形成贯穿该第三绝缘层和该第二绝缘层的一环状贯孔的步骤，还包括有下列步骤：

在该第三绝缘层上形成一光刻胶图案，其中该光刻胶图案具有一环状孔洞，该环状孔洞的外围直径大致上相同于该碟盘状的直径，且该环状贯孔的中心大致上对应于该中心贯孔；

以该光刻胶图案作为刻蚀屏蔽，通过该环状孔洞刻蚀该第三绝缘层和该第二绝缘层直至该相变层界面，以形成贯穿该第三绝缘层和该第二绝缘层的该环状贯孔；以及

移除该光刻胶图案。

29、根据权利要求18所述的相变化存储元件的制造方法，其特征在于，该在该环状贯孔中形成一第二电极的步骤，还包括有下列步骤：

在该环状贯孔的内侧表面上形成一扩散阻障层；以及

在该环状贯孔中的该扩散阻障层上形成该第二电极。

30、一种相变化存储元件，其特征在于，包括有：

一第一电极；

一第一绝缘层，位于该第一电极上；

一相变层，位于该第一绝缘层上；

一第二绝缘层，位于该相变层上，并与该相变层形成一碟盘状；

一中心贯孔，贯穿该第一绝缘层、该相变层和该第二绝缘层，大致上对应于该碟盘状中心；

一加热电极，位于该中心贯孔内，以对该相变层进行焦耳加热；

一第三绝缘层，位于该第一绝缘层和该第二绝缘层上，覆盖该第一绝缘层、该第二电极和该第二绝缘层；

一环状贯孔，贯穿该第三绝缘层和该第二绝缘层，且该环状贯孔的外围大致上与该相变层的边缘重迭；以及

一第二电极，呈现环状，位于该环状贯孔内。

31、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，还包括有：

二扩散阻障层，分别位于相变层与该加热电极之间以及该相变层与该第二电极之间。

32、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，该中心贯孔和该环状贯孔为利用一光学光刻技术来形成。

33、根据权利要求32所述的相变化存储元件，其特征在于，该光学光刻技术为电子束直写光刻技术、先进氟化氩光刻技术、氟化氩湿浸式光刻技术或深紫外光线光刻技术。

34、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，该第一绝缘层的厚度介于10纳米至5000纳米之间。

35、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，该第二绝缘层的厚度介于10纳米至5000纳米之间。

36、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，在该第二绝缘层上方的该第三绝缘层的厚度介于10纳米至5000纳米之间。

37、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，该第一绝缘层、该第二绝缘层及该第三绝缘层的材料包括有至少一种绝缘材料。

38、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，该相变层的厚度介于1纳米至300纳米之间。

39、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，该相变层包括有至少一相变化材料薄膜。

40、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，该加热电极为一棒状金属。

41、根据权利要求30所述的相变化存储元件，其特征在于，该加热电极的直径介于1纳米至5000纳米之间。

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