CN101312231A - 相变化存储器装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种相变化存储器装置及其制造方法。上述相变化存储器装置包括：加热构件具有导电部与相对高电阻的加热部；以及相变化存储层与该加热构件堆叠；其中该相对高电阻的加热部包括金属硅氮化物部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种存储器装置及其制造方法，特别涉及一种相变化存储器装置及其制造方法。
背景技术
相变化存储器具有非挥发性、高读取信号、高密度、高擦写次数以及低工作电压/电流的特质、是相当有潜力的非挥发性存储器。其中提高存储密度、降低电流密度是重要的技术指标。
相变化材料至少可呈现两种固态相，包括结晶态及非结晶态，一般利用温度来改变结构以进行两态间的转换。结晶相结构由于具规则性的原子排列，使其电阻较低；而非结晶相结构具有不规则的原子排列使其电阻较高，结晶相结构与非结晶相结构之间的电阻差异可高达四个数量级。因此，通过简单的电学量测即可轻易区分出相变化材料的结晶态与非结晶态的状态。在各种相变化材料中，含锗(Ge)、锑(Sb)与碲(Te)的合金已广泛应用至各种记录元件中。
由于相变化材料的相转变为一种可逆反应，因此相变化材料用来当作存储器材料时，是通过非结晶状态与结晶状态两态之间的转换来进行存储。更明确地说，可利用结晶态与非结晶态之间电阻的差异来写入或读取存储位0与1。
为降低相变化存储器的操作电流，传统相变化存储器装置选用较高阻值的电极层材料，以提升加热效率，并降低相变化材料进行相变化过程所需的驱动电流密度(reset current)。在文献J.Appl.Phys.Vol.94(2003)p.3536中披露一种相变化存储器装置，通过一高电阻加热层设置在相变化材料层与导电层间，可提升加热效率并降低驱动相变化所需的电流。
图1是显示传统相变化存储器装置的剖面示意图。在图1中，硅基底10包括控制相变化存储单元的字线(word line，WL)与开关元件，例如MOS晶体管。介电层20设置在硅基底10上。在介电层20下半部中，具有导孔，填入导电材料30，例如钨(W)。在介电层20上半部中，具有沟槽，填入导电材料作为相变化存储单元的位线(bit line，BL)50。相变化材料层40设置在位线50下，且之间夹置有缓冲层45，例如TiN。传统相变化存储器装置通过高电阻值材料层35作为发热层，设置在相变化材料层40与导电层30之间。高电阻值材料层35可提供良好的发热效率，并降低驱动相变化元件操作所需的电流。然而，以传统半导体工艺制作不同材质的导电材料30与高电阻值材料层35在单一导孔中，需繁复且不易的工艺步骤。
美国专利第US 6,946,673号，披露一种通过局部提高电阻于相变化材料层与导电层间，可提升加热效率并降低驱动相变化所需的电流。图2是显示另一种传统的相变化存储器装置的剖面示意图。在图2中，硅基底55上设置介电层60。在介电层60中，具有导孔，填入导电材料65，例如钨(W)。相变化材料层80设置在介电层60上，且与导电材料65电连接。导电材料90设置在相变化材料层80上，作为相变化存储单元的位线(bit line，BL)。通过将导电材料65的上半部70掺杂氮，可随着含氮浓度的增加，提升加热电极的电阻值。对相变化存储单元施以大于阀电压(Vth)的跨压，使加热电极70产生热，直接加热相变化材料使其至少一部分85发生相变化。
掺杂氮的导电材料65的电阻值的变化量与氮掺杂浓度的深度分布有关。其优点在于可避免元件操作时，整体压降落于加热电极上。然而，由于加热电极的阻值直接与氮掺杂浓度的深度分布相关，因此在工艺上不易使所欲氮掺杂浓度的深度分布达到一致。
发明内容
本发明通过提供一种具有局部高电阻的相变化存储器的加热构件，降低相变化存储器元件操作读写所需的电流，以及提升存储器的集成度。再者，利用具自对准特性的金属硅化工艺及氮化处理，有效提升工艺裕度(processwindow)。
本发明提供一种相变化存储器装置，包括：加热构件具有导电部与相对高电阻的加热部；以及相变化存储层与该加热构件堆叠；其中该相对高电阻的加热部包括金属硅氮化物部分。
本发明另提供一种相变化存储器装置的制造方法，包括：提供半导体基板，具有介电层位于半导体基板上，其中该介电层具有导孔；形成加热构件于该导孔中，该加热构件具有导电部与相对高电阻的加热部；以及形成相变化存储层于该介电层上，且与该加热构件堆叠；其中该相对高电阻的加热部包括金属硅氮化物部分。
为使本发明能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1是显示传统相变化存储器装置的剖面示意图；
图2是显示另一种传统的相变化存储器装置的剖面示意图；
图3-8B是显示根据本发明实施例的具有局部高电阻的相变化存储器的工艺步骤的剖面示意图；以及
图9-13是显示根据本发明另一实施例的具有局部高电阻的相变化存储器的工艺步骤的剖面示意图。
附图标记说明
10硅基底 20介电层
30导电材料 35高电阻值材料层
40相变化材料层 50位线
55硅基底 60介电层
65导电材料 70加热电极
80相变化材料层 85发生相变化的部分
90位线 110基底
120介电层 130、130’第一金属层
135绝缘层 150、150’硅层
155a、155b金属硅化物 160、160’氮化硅
165a、165b金属氮硅化物层 170相变化存储层
A、B局部区域 N氮化处理步骤
210基底 220介电层
230第一金属层 240第二金属层
245第二介电层 246开口
250硅层 255金属硅化物
260氮化硅 265金属氮硅化物层
270相变化存储层
具体实施方式
本发明提供一种具有局部高电阻的相变化存储器的加热构件，利用具有自对准特性的金属硅化物工艺技术结合氮化反应，形成具有高电阻值的金属硅氮化合物(MSixNy)。氮化反应包括以离子注入或以含氮等离子体处理步骤达成，同时可通过调整氮含量或氮化的程度达到调整加热层的电阻值。
图3-8B是显示根据本发明实施例的具有局部高电阻的相变化存储器的工艺步骤的剖面示意图。首先，请参阅图3，提供基底110，例如半导体基板，其包括控制相变化存储单元的字线(word line，WL)与开关元件，例如MOS场效晶体管。介电层120设置在基底110上。在介电层120中，具有导孔，其下半部填入第一金属层130，例如Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的组合。
根据本发明的一个实施例模式，形成加热构件的步骤包括，填入第一金属层于该导孔的内部，其中该第一金属层的表面可与该介电层的表面齐高。接着，形成硅层于该介电层上，使该硅层与该第一金属层接触。施以热处理步骤以在该部分硅层与该第一金属层的接触介面处形成金属硅化物层。接着，施以氮化处理步骤使该金属硅化物层转变成金属氮硅化物层。
请参阅图4，在介电层120上形成硅层150，使其至少一部分与该第一金属层130直接接触。硅层150包括多晶硅层或非晶硅层，以物理气相沉积法(PVD)或溅射法。根据本发明的实施例，可利用任意的图案化步骤形成隔离层(未绘示)，使该硅层150与第一金属层130仅以特定区域接触。
请参阅图5A，施以热处理步骤以形成金属硅化物层155a于该硅层150与第一金属层130的接触位置。热处理形成金属硅化物的优选温度范围大约介于600℃-800℃。由于金属硅化物155a的阻值高于第一金属层130，因此可作为相变化存储单元的加热构件。金属硅化物155a的面积或形状与第一金属层130相同，例如实心圆形、实心椭圆形、实心方形、实心矩形或实心菱形。金属硅化物155a局部位置A的上视图如图6A-6C所示。
根据本发明的实施例，请参阅图5B，该硅层150与第一金属层130’仅以特定区域接触，亦即第一金属层130’以衬垫的形式形成于导孔中，再将绝缘层135(例如氧化硅或氮化硅)填入导孔中，因此仅于接触位置形成金属硅化物155b，其余位置为未反应的硅层150’。因此，相变化存储单元的加热较集中，亦具较佳的发热效率。例如，特定区域形成的金属硅化物155b的形状为空心圆环、空心椭圆环、空心方环、空心矩形环或空心菱形环。金属硅化物155b局部位置B的上视图如图6D-6F所示。
本发明的选择步骤为在金属硅化物反应后，氮化反应之前，移除未反应的硅层150。然而，以下说明仍以未移除者为例。
请参阅图7A，施以氮化处理步骤N使金属硅化物层155a转变成金属氮硅化物层165a(图示于图8A)。未经金属硅化反应的区域的硅层经氮化反应成氮化硅160(图示于图8A)。上述氮化处理步骤包括氮离子注入步骤或含氮等离子体处理步骤。金属氮硅化物层165a为MSixNy，其中M为第一金属材料优选为包括Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的组合，以及x与y分别为Si与N的含量，其优选的范围大约为x＝1.5～2.5且y＝1～3。
根据本发明的实施例，请参阅图7B，金属硅化物层155b形成于特定区域经氮化反应N而形成特定区域的金属氮硅化物层165b(图示于图8B)。未经金属硅化反应的区域的硅层经氮化反应成氮化硅160及160’(图示于图8B)。
请参阅图8A及8B，形成相变化存储层170于介电层120上，与加热构件堆叠。更明确地说，例如将相变化存储层170设置在氮化硅层160与金属硅氮化物层165a上，如图8A所示。相变化存储层170优选由锗(Ge)、锑(Sb)与碲(Te)所组成的合金或化合物所构成。本发明的相变化存储器装置另包括其他工艺步骤，例如形成位线的金属化工艺，应为任何本领域普通技术人员所公知，在此不再赘述。
本发明利用高电阻值的金属硅氮化物(MSixNy)以提供操作时所产生的焦耳热(joule heat)效果，达到降低操作电流的目的，降低施于存储器元件电极的跨压。由于金属硅氮化物(MSixNy)可形成于接触栓(plug)上或形成特定的环状，可进一步集中加热的效果。
根据本发明另一实施例模式，形成加热构件的步骤另包括，形成第二金属层于该第一介电层上并与该第一金属层电接触。形成第二介电层于该第一介电层上，且经图案化步骤后，使其具有开口露出特定区域的第二金属层。形成硅层于该第二介电层上，使该硅层与该特定区域的第二金属层直接接触。施以热处理步骤以形成金属硅化物层于该部分硅层与该第二金属层的接触介面处，以及施以氮化处理步骤使该金属硅化物层转变成金属氮硅化物层。
图9-13是显示根据本发明另一实施例的具有局部高电阻的相变化存储器的工艺步骤的剖面示意图。首先，请参阅图9，提供基底210，例如半导体基板，其包括控制相变化存储单元的字线(word line，WL)与开关元件，例如MOS场效晶体管。介电层220设置在基底210上。在介电层220中，具有导孔，填入第一金属层230，例如钨(W)。图案化第二金属层240形成于介电层220上且与第一金属层230接触。第二金属材料包括Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的组合。接着，顺应性地形成第二介电层245于该介电层220与图案化第二金属层240上，且形成开口246露出特定区域的第二金属层240。开口246可为任意形状，例如：实心圆形、实心椭圆形、实心方形、实心矩形或实心菱形、空心圆环、空心椭圆环、空心方环、空心矩形环或空心菱形环，不受图案化第二金属层240的面积与形状限制。
请参阅图10，顺应性地形成硅层250于第二介电层245上，使其与该第二金属层240的露出部分接触。硅层250包括多晶硅层或非晶硅层，以物理气相沉积法(PVD)或溅射法。
请参阅图11，施以热处理步骤以形成金属硅化物层255于该硅层250与露出的第二金属层240的接触位置。热处理形成金属硅化物的优选温度范围大约介于600℃-800℃。由于金属硅化物255的阻值高于第二金属层240，因此可作为相变化存储单元的加热构件。金属硅化物255的面积或形状与开口246露出的第二金属层240相同。
本发明的选择步骤为于金属硅化物反应后，氮化反应之前，移除未反应的硅层250。然而，以下说明仍以未移除者为例。
请参阅图12，施以氮化处理步骤N使金属硅化物层255转变成金属氮硅化物层265(图示于图13)。未经金属硅化反应的区域的硅层经氮化反应成氮化硅260(图示于图13)。上述氮化处理步骤包括氮离子注入步骤或含氮等离子体处理步骤。金属氮硅化物层265为MSixNy，其中M为第二金属材料优选为包括Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的组合，以及x与y分别为Si与N的含量，其优选的范围大约为x＝1.5～2.5且y＝1～3。
请参阅图13，形成相变化存储层270于第二介电层245上，与加热构件堆叠。更明确地说，例如将相变化存储层270设置在氮化硅层260与金属硅氮化物层265上。相变化存储层270优选由锗(Ge)、锑(Sb)与碲(Te)所组成的合金或化合物所构成。本发明的相变化存储器装置另包括其他工艺步骤，例如形成位线的金属化工艺，应为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
本发明虽以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。
Claims (28)
1.一种相变化存储器装置，至少包括：
加热构件具有导电部与相对高电阻的加热部；以及
相变化存储层与该加热构件堆叠；
其中该相对高电阻的加热部包括金属硅氮化物部分。
2.如权利要求1所述的相变化存储器装置，其中该导电部包括Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的组合。
3.如权利要求1所述的相变化存储器装置，其中该金属硅氮化物部分包括Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的硅氮化合物。
4.如权利要求1所述的相变化存储器装置，其中该导电部的面积大于该金属硅氮化物部分。
5.如权利要求1所述的相变化存储器装置，其中该金属硅氮化物部分为实心圆形、实心椭圆形、实心方形、实心矩形或实心菱形。
6.如权利要求1所述的相变化存储器装置，其中该金属硅氮化物部分为空心圆环、空心椭圆环、空心方环、空心矩形环或空心菱形环。
7.如权利要求1所述的相变化存储器装置，还包括半导体基板以及介电层位于半导体基板上，其中该介电层具有导孔。
8.如权利要求7所述的相变化存储器装置，其中该加热构件设置在该导孔内，且该相对高电阻的加热部形成于该导孔上半部且与该介电层的上表面的高度相等。
9.如权利要求7所述的相变化存储器装置，其中该导电部设置在该导孔内，且该相对高电阻的加热部设置在该导孔与该介电层的上层位置。
10.如权利要求9所述的相变化存储器装置，还包括第二介电层，顺应性地形成于该介电层与该相对高电阻的加热部上，且具有开口对应该金属硅氮化物部分。
11.一种相变化存储器装置的制造方法，至少包括：
提供半导体基板，具有介电层位于半导体基板上，其中该介电层具有导孔；
形成加热构件于该导孔中，该加热构件具有导电部与相对高电阻的加热部；以及
形成相变化存储层于该介电层上，且与该加热构件堆叠；
其中该相对高电阻的加热部包括金属硅氮化物部分。
12.如权利要求11所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该形成加热构件于该导孔中的步骤包括：
填入第一金属层于该导孔的内部，其中该第一金属层的表面与该介电层的表面齐高；
形成硅层于该介电层上，使该硅层与该第一金属层直接接触；
施以热处理步骤以形成金属硅化物层于该部分硅层与该第一金属层的接触介面处；
施以氮化处理步骤使该金属硅化物层转变成金属氮硅化物层。
13.如权利要求12所述的相变化存储器装置的制造方法，其中于施以氮化处理步骤之前，还包括移除未反应的硅层。
14.如权利要求12所述的相变化存储器装置的制造方法，其中于形成硅层于该介电层上步骤前，还包括形成图案隔离层使该硅层与该第一金属层仅以特定区域直接接触。
15.如权利要求14所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该特定区域为实心圆形、实心椭圆形、实心方形、实心矩形或实心菱形。
16.如权利要求14所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该特定区域为空心圆环、空心椭圆环、空心方环、空心矩形环或空心菱形环。
17.如权利要求12所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该第一金属层包括Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的组合。
18.如权利要求12所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该硅层包括多晶硅层或非晶硅层。
19.如权利要求12所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该氮化处理步骤包括氮离子注入步骤或含氮等离子体处理步骤。
20.如权利要求12所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该金属氮硅化物层包括Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的硅氮化合物层。
21.如权利要求11所述的相变化存储器装置的制造方法，还包括：
形成第二金属层于该第一介电层上并与该第一金属层电接触；
形成第二介电层于该第一介电层上，且经图案化步骤后，使其具有开口露出特定区域的第二金属层；
形成硅层于该第二介电层上，使该硅层与该特定区域的第二金属层直接接触；
施以热处理步骤以形成金属硅化物层于该部分硅层与该第二金属层的接触介面处；以及
施以氮化处理步骤使该金属硅化物层转变成金属氮硅化物层。
22.如权利要求21所述的相变化存储器装置的制造方法，其中于施以氮化处理步骤之前，还包括移除未反应的硅层。
23.如权利要求21所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该特定区域为实心圆形、实心椭圆形、实心方形、实心矩形或实心菱形。
24.如权利要求21所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该特定区域为空心圆环、空心椭圆环、空心方环、空心矩形环或空心菱形环。
25.如权利要求21所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该第一金属层包括Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的组合。
26.如权利要求21所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该硅层包括多晶硅层或非晶硅层。
27.如权利要求21所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该氮化处理步骤包括氮离子注入步骤或含氮等离子体处理步骤。
28.如权利要求21所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该金属氮硅化物层包括Ti、W、Ta、Co、Mo、Ni、Pt、TiAl、TiW及上述一元或多元金属元素的硅氮化合物层。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102832342A (zh) * | 2012-09-14 | 2012-12-19 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 含有TiSiN材料层的相变存储单元及其制备方法 |
| CN103794611A (zh) * | 2010-05-24 | 2014-05-14 | 杭州海存信息技术有限公司 | 多位元三维掩膜编程存储器 |
| CN105514106A (zh) * | 2014-09-22 | 2016-04-20 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 一种半导体器件及其制造方法和电子装置 |
| CN107305847A (zh) * | 2016-04-18 | 2017-10-31 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 一种半导体器件及其制作方法 |
-
2007
- 2007-05-24 CN CNA2007101051937A patent/CN101312231A/zh active Pending
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Open date: 20081126 |