TW201913993A - 相變化記憶體單元 - Google Patents

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Abstract

一種相變化記憶體(PCM)單元，具有增強的熱隔離以及低功耗。在一些實施例中，相變化記憶體單元包括下電極、介電層、加熱元件以及相變化元件。介電層在下電極上。加熱元件從介電層的頂部延伸穿過介電層到達下電極。此外，加熱元件具有一對相對的側壁，其藉由空穴與介電層橫向地隔開。相變化元件覆蓋並接觸加熱元件。相變化元件與加熱元件之間的一界面個別地從加熱元件的這對相對的側壁中之一者連續地延伸至這對相對的側壁中的另一者。亦提供了一種相變化記憶體單元製造方法。

Description

相變化記憶體單元
本揭露係關於一種相變化記憶體單元，特別是具增強的熱隔離和低功耗的相變化記憶體單元。
快閃記憶體是一種廣泛使用的非揮發性記憶體。然而，快閃記憶體預期會遇到微縮困難(Scaling difficulties)。因此，正在探求替代類型的非揮發性記憶體。相變化記憶體(PCM)是在這些替代類型的非揮發性記憶體中的一種。相變化記憶體是一種非揮發性記憶體，其採用了相變化元件(PCE)代表資料的一個單位。相變化元件具有快速讀寫時間，非破壞性讀取以及高縮放性。
本揭露提供一種相變化記憶體(PCM)單元，包括：下電極；介電層，位於下電極上；加熱元件，從介電層的頂部延伸穿過介電層到達下電極，其中加熱元件具有一對相對的側壁，其藉由空穴與介電層橫向地隔開；以及相變化元件，覆蓋並接觸加熱元件，其中相變化元件與加熱元件之間的界面由加熱元件之這對相對的側壁中之一者連續地延伸至這對相對的側壁中的另一者。
本揭露提供一種相變化記憶體(PCM)單元之製造方法，包括：在介電層中形成開口，其中開口包括藉由介電層所定義的一對相對的側壁；在開口中形成間隔物，其中間隔物包括個別地襯墊(lining)在開口的相對的側壁上的一對間隔物片段；形成填充開口的加熱元件，其中加熱元件藉由間隔物與開口的相對的側壁隔開，並且其中加熱元件的上表面從這對間隔物片段中一者連續地延伸至這對間隔物片段中的另一者；移除間隔物以定義替代間隔物的空穴；以及形成覆蓋並接觸加熱元件的相變化元件。
本揭露提供一種相變化記憶體(PCM)單元之製造方法，包括：形成覆蓋下電極的介電層；對介電層執行蝕刻，以在介電層中形成開口，其中開口暴露出下電極；藉由原子層沉積(ALD)形成覆蓋介電層並且順應性地襯墊開口的間隔層；對間隔層執行回蝕刻，以在開口形成間隔物，其中間隔物包括個別地襯墊開口之相對的兩側壁的一對間隔物片段；形成填充開口的加熱元件，其中加熱元件藉由間隔物與開口的相對的兩側壁隔開；移除間隔物以定義替代間隔物的空穴；以及形成覆蓋並接觸加熱元件的相變化元件。
本揭露提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。舉例來說，若是本揭露書敘述了一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，以下揭露書不同範例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。
此外，其與空間相關用詞。例如“在…下方”、“下方”、“較低的”、“上方”、“較高的” 及類似的用詞，係為了便於描述圖示中一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。除此之外，設備可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，則在此使用的空間相關詞也可依此相同解釋。
相變化記憶體(PCM)單元包括下電極和上電極、介電層、加熱元件(heating element)以及相變化元件(phase change element)。介電層和相變化元件被堆疊在下電極與上電極之間，而相變化元件係在介電層和與上電極之間。另外，加熱元件從相變化元件延伸穿過介電層到達下電極。相變化元件包括主動相變化元件區，主動相變化元件鄰接加熱元件並且具有代表資料的一個位元的可變相位。在操作中，加熱元件加熱主動相變化元件區以將主動相變化元件區在非晶相和結晶相之間改變。
將主動相變化元件區改變為結晶相(例如：寫入相變化記憶體單元)具有低功耗，因為主動相變化元件區的結晶可以在低溫(例如：大約100至150攝氏溫度)執行。然而，將主動相變化元件區改變為非晶相(例如：抹除相變化記憶體單元)具有高功耗，因為這種變化藉由在高溫(例如：約大於600攝氏溫度)熔化主動相變化元件區來實現。因為大部分的熱擴散至主動相變化元件區之外的結構(例如：介電層和下電極)，使得高功耗更加地嚴重。舉例來說，加熱元件產生所產生的熱約有21%至25%會擴散至介電層。
本揭露之各種實施例係關於具有增強的熱隔離和低功耗的相變化記憶體單元。在一些實施例中，相變化記憶體單元包括下電極、介電層、加熱元件以及相變化元件。介電層係設置在下電極上。加熱元件從介電層的頂部延伸穿過介電層到達下電極。另外，加熱元件具有一對相對的側壁，這對側壁藉由空穴(cavity)與介電層橫向地隔開。相變化元件覆蓋並接觸加熱元件。相變化元件與加熱元件之間的界面從加熱元件的相對的兩側壁中一者連續地延伸至相對的兩側壁中的另一者。
此空穴將加熱元件與介電層熱隔離。因此，藉由加熱元件所產生的大量的熱(例如：約28%至40%、約30%至50%或約40%至50%)被施加在主動相變化元件區，而不是介電層，從而在相位之間變化時功耗是低的。另外，空穴將加熱元件與介電層熱電性隔離。如此一來，從加熱元件洩漏至介電層的電荷是少的，並且相變化記憶體單元的效率和可靠度是高的。
參照第1A圖以及第1B圖，提供了具有增強的熱隔離以及低功耗的相變化記憶體單元102的剖面圖100A以及俯視圖100B。舉例來說，第1A圖可以沿著在第1B圖中的線段B-B’擷取，而第1B圖可以沿著在第1A圖中的線段A-A’擷取。
如第1A圖的剖面圖100A所示，相變化記憶體單元102包括下電極104和上電極106、加熱器(heater)介電層108、相變化元件110以及加熱插塞(heating plug)112。下電極104和上電極106是導電的，並且可以及/或包括鎢、銅、鋁銅、鋁、一些其他導電材料或上述之組合。另外，下電極104和上電極106可以是介層窗及/或金屬線。
加熱器介電層108和相變化元件110被堆疊在下電極104與上電極106之間，並且相變化元件110在加熱器介電層108與上電極106之間。在一些實施例中，加熱器介電層108及/或包括二氧化矽、氮化矽或一些其他介電材料。另外，在一些實施例中，加熱器介電層108是單一介電材料。
相變化元件110包括從相變化元件110底部延伸超過進入加熱器介電層108的主動相變化元件區110a。主動相變化元件區110a具有代表一個資料位元的可變相位。舉例來說，主動相變化元件區110a的結晶相以及主動相變化元件區110a的非晶相可個別地代表二進位“1”以及二進位“0”，反之亦然。另外，主動相變化元件區110a具有可變電阻，其隨著主動相變化元件區110a的可變相位變化。舉例來說，主動相變化元件區110a可以在非晶相中具有高電阻，並且在結晶相中具有低電阻。在一些實施例中，相變化記憶體單元102的主體(bulk)鄰接主動相變化元件區110a，並且具有固定相位，例如非晶相或結晶相。相變化元件110(以及主動相變化元件區110a)可以是鍺銻碲(Ge2 Sb2 Te5 ，GST)、鍺銦銻碲(Ge-In-Sb-Te，GIST)、銀銦銻碲(Ag-In-Sb-Te，AIST)或一些其他硫族化合物，及/或包括前述材料。
加熱插塞112在相變化元件110下的加熱器介電層108中，並且包括加熱元件114、空穴116以及空穴介電層118。加熱元件114從下電極104延伸穿過加熱器介電層108到達相變化元件110，並且與主動相變化元件區110a交界。在一些實施例中，加熱元件114具有沿著從下電極104到相變化元件110的方向上連續增加的寬度W，及/或具有從下電極104到相變化元件110連續彎曲的側壁114s。另外，加熱元件114與施加跨越在加熱元件114上的電壓及/或電流成比例地產生熱，並且被配置以可變地(variably)加熱主動相變化元件區110a，以將主動相變化元件區110a在相位之間改變。加熱元件114可以阻抗性地產生熱及/或可以是氮化鈦、氮化鎢、碳化鈦或一些其他高電阻材料。
空穴116橫向地圍繞加熱元件114，並且被空穴介電層118襯墊(lined)。空穴介電層118可以是二氧化矽、氮化矽或一些其他介電材料，及/或包括前述材料。另外，空穴116將加熱元件114與加熱器介電層108橫向地隔開，以在加熱元件114與加熱器介電層108之間提供熱隔離和電性隔離。在一些實施例中，空穴116被氣密密封，及/或被填充空氣、氮化物氣體或其他氣體。另外，在一些實施例中，空穴116具有小於加熱器介電層108的導熱率，及/或小於約每0.024W/mK，W/mK為導熱率單位，定義為在每一平方公尺之表面積(m2 )和一凱氏溫度(K)之溫度梯度的情況下，每一公尺厚度(m)能傳遞多少瓦特(W)。
藉由將加熱元件114與加熱器介電層108熱隔離，空穴116最小化擴散至加熱器介電層108的熱。因此，在改變主動相變化元件區110a的相位時，加熱元件114所產生的大量的熱(例如：約21%至45%、約28%至40%、約30%至50%或約40%至50%)被施加在主動相變化元件區110a，並且相變化記憶體單元102的功耗是低的。另外，藉由將加熱元件114與加熱器介電層108電性隔離，空穴116最小化洩漏至除了主動相變化元件區110a之外的加熱器介電層108中的電荷。因此，相變化記憶體單元102的效率和可靠度是高的。
在相變化記憶體單元102的操作中，藉由測量相變化記憶體單元102的電阻來讀取相變化記憶體單元102的資料狀態(即從下電極104至上電極106的電阻)。主動相變化元件區110a的相位代表相變化記憶體單元102的資料狀態，並且主動相變化元件區110a的電阻值(以及相變化記憶體單元102的電阻值)隨著主動相變化元件區110a的相位而變化。另外，藉由可變地加熱主動相變化元件區110a而改變主動相變化元件區110a的相位，可對相變化記憶體單元102進行寫入和抹除。
為了將主動相變化元件區110a改變為結晶相(例如：寫入相變化記憶體單元102)，加熱元件114加熱主動相變化元件區110a至第一溫度，其促使主動相變化元件區110a的結晶化。為了將主動相變化元件區110a改變為非晶相(例如：抹除相變化記憶體單元102)，加熱元件114加熱主動相變化元件區110a至第二溫度，其熔化了主動相變化元件區110a。第二溫度超過第一溫度，使得將主動相變化元件區110a改變為非晶相時的功耗高於將主動相變化元件區110a改變為結晶相時的功耗。舉例來說，第一溫度可以在約100至150攝氏溫度之間，及/或第二溫度可以大於約600、800或1000攝氏溫度。
如第1B圖的俯視圖100B所示，加熱插塞112可具有正方形、矩形、三角形或圓形佈局。另外，空穴116可橫向地延伸以完全地包圍加熱元件114，及/或可以是方形環狀或圓環狀。
參照第2圖，提供了具有增強的熱隔離以及低功耗的相變化記憶體單元陣列的示意圖200。如圖所示，相變化記憶體單元陣列包括M行(column)和N列(row)的相變化記憶體單元102，其中M和N是大於零的整數。為了明確表示，相變化記憶體單元102個別地被標示MC＜ 行 ＞,＜ 列 ＞ 。相變化記憶體單元102位於各行以及各列的交叉處，並且每一個如第1A圖和第1B圖所示。
複數存取裝置202對應至相變化記憶體單元102，並且基於一組字元線208將對應的相變化記憶體單元102選擇性地電性耦接在一組位元線204與一組接地線206之間。舉例來說，存取裝置可基於對應的字元線，透過對應的相變化記憶體單元，將對應的位元線選擇性地電性耦接至對應的接地線。舉例而言，相變化記憶體單元102與存取裝置202之間的對應關係可以是一對一的，及/或存取裝置202可以是絕緣閘極場效電晶體(IGFET)。為了明確表示，存取裝置202個別地被標示AD＜ 行 ＞,＜ 列 ＞ 。
這一組字元線208藉由閘控(gating)存取裝置202逐列地存取相變化記憶體單元102，並且每一列包括一字元線。為了明確表示，這些字元線208個別地被標示WL＜ 列 ＞ 。這一組位元線204藉由選擇性地偏壓相變化記憶體單元102逐行地讀取及/或寫入所存取的相變化記憶體單元，並且每一行包括一位元線。為了明確表示，這些位元線204個別地被標示BL＜ 行 ＞ 。這一組接地線206逐列地為位元線204提供接地的導電路徑，並且每一列包括一接地線。為了明確表示，這些接地線206個別地被標示GL＜ 列 ＞ 。
在相變化記憶體單元陣列的操作中，藉由啟動(active)一行字元線來存取該行的相變化記憶體單元。舉例來說，字元線WL1 可設定為邏輯“1”，而其他字元線設定為邏輯“0”。這樣輪流地使用對應的存取裝置可將一列的相變化記憶體單元選擇性地耦接至一列接地線與個別的位元線204之間。舉例來說，接續上述示例，使用存取裝置AD1,1 、AD2,1 以及ADM,1 可將相變化記憶體單元MC1,1 、MC2,1 以及MCM,1 電性耦接至接地線GL1 與個別的位元線AD1,1 、AD2,1 以及ADM,1 之間。該列的相變化記憶體單元可以接著藉由選擇性地偏壓位元線204來被讀取及/或寫入。
參照第3圖，提供了在第2圖的相變化記憶體單元陣列中電性耦接在位元線204與接地線206之間的相變化記憶體單元102的電路圖300。相變化記憶體單元102對應於第2圖的相變化記憶體單元陣列中第m行和第n列的相變化記憶體單元MCm,n ，其中m和n大於零並且個別地小於或等於第2圖中的M和N的整數。另外，位元線204是第2圖的相變化記憶體單元陣列中第m行的位元線BLm ，並且接地線206是第2圖的相變化記憶體單元陣列中第n列的接地線GLn 。
如圖所示，相變化記憶體單元102的第一端點電性耦接至位元線204，並且相變化記憶體單元102的另一端點電性耦接至存取裝置202的第一源極/汲極。存取裝置202對應於第2圖的相變化記憶體單元陣列中第m行和第n列的存取裝置ADm,n 。另外，存取裝置202的第二源極/汲極電性耦接至接地線206，並且存取裝置202的閘極電性耦接至字元線208。字元線208是第2圖的相變化記憶體單元陣列中第n列的字元線WLn 。
雖然在第2圖和第3圖中的相變化記憶體單元102顯示直接電性耦接至位元線204，在第2圖和第3圖中的存取裝置202顯示直接電性耦接至接地線206，但在其他實施例中這種電性耦合可以顛倒。換句話說，在其他實施例中，相變化記憶體單元102可以直接電性耦接至接地線206，並且存取設備202可以直接電性耦接至位元線204。
參照第4A圖和第4B圖，提供了包括具有增強的熱隔離以及低功耗的複數相變化記憶體單元的積體電路(IC)的剖面圖400A和400B。第4A圖和第4B圖彼此正交，第4A圖顯示沿著在第4B圖中的線段D-D’擷取的積體電路的剖面圖400A。第4B圖顯示沿著在第4A圖中的線段C-C’擷取的積體電路的剖面圖400B。
如第4A圖的剖面圖400A所示，半導體基板402支撐第一存取裝置202a和第二存取裝置202b。第一和第二存取裝置202a和202b可以是絕緣閘極場效電晶體(IGFET)，及/或半導體基板402可以是主體矽基板(bulk silicon substrate)、絕緣層上矽(SOI)基板或一些其他類型的半導體基板。
第一和第二存取裝置202a和202b共享公用源極/汲極區404c，並且有個別源極/汲極區404i。個別源極/汲極區404i以及公用源極/汲極區404c沿著半導體基板402的上表面位於半導體基板402中。另外，個別源極/汲極區404i以及公用源極/汲極區404c定義了在半導體基板402中的選擇性導電通道406。選擇性導電通道406個別與第一和第二存取裝置202a和202b分開，並且每個選擇性導電通道406從公用源極/汲極區404c延伸至對應的一個個別源極/汲極區404i。在一些實施例中，公用源極/汲極區404c是接電線(例如：第2圖中的接地線GL1 )。
第一和第二存取裝置202a和202b的每一者包括閘極電極408以及閘極介電層410。為了便於說明，僅將一個閘極電極標記為408，並且僅將一個閘極介電層標記為410。閘極電極408和閘極介電層410堆疊在公用源極/汲極區404c與對應的一個個別源極/汲極區404i之間。另外，閘極電極408覆蓋閘極介電層410，並且為導電的。閘極電極410可以是金屬或摻雜多晶矽，及/或字元線(例如：在第2圖中的字元線WL1 )。閘極介電層410可以是氧化物、高k介電材料、一些其他介電材料或上述之組合。如此處所用，高k介電材料是介電常數k大於約3.9、5、10、15或20的介電材料。
後段(back-end-of-line，BEOL)內部互連結構412覆蓋半導體基板402以及第一和第二存取裝置202a和202b，並且包括彼此堆疊的複數介電層。介電層包括第一內部互連介電層416a、覆蓋第一內部互連介電層416a的加熱器介電層108以及覆蓋加熱器介電層108的第二內部互連介電層416b。加熱器介電層108可以是氧化物、氮化物、一些其他介電層或上述之組合，及/或第一和第二內部互連介電層416a和416b可以是氧化物、氮化物、低k介電材料、一些其他介電材料或上述之組合。如此處所用，低k介電材料是介電常數k低於約3.9、3、2或1的介電材料。
後段內部互連結構412更包括堆疊在複數介電層(例如：第一內部互連介電層416a)內的複數導電特徵。導電特徵包括第一相變化記憶體單元介層窗418a、第二相變化記憶體單元介層窗418a、第一位元線204a、第一位元線介層窗420a以及第二位元線介層窗420b。第一和第二相變化記憶體單元介層窗418a和418b從個別源極/汲極區404i個別地延伸至第一相變化記憶體單元102a和第二相變化記憶體單元102b。第一和第二位元線介層窗420a和420b從第一和第二相變化記憶體單102a和102b個別地延伸至第一位元線204a。
第一和第二相變化記憶體單元102a和102b位於第一位元線204a下方，並且個別地位於第一和第二存取裝置202a和202b上方。第一和第二相變化記憶體單102a和102b各自作為如第1A圖和第1B圖所示之相變化記憶體單102。第一和第二相變化記憶體單102a和102b之每一者包括下電極104、上電極106、相變化元件110以及加熱插塞112。為了便於說明，僅將一個下電極標記為104、一個上電極標記為106、一個相變化元件標記為110以及一個加熱插塞標記為112。
下電極104個別地位於第一和第二相變化記憶體單元介層窗418a和418b上方，並與其電性耦接。在一些實施例中，下電極104是焊墊，及/或正方形或矩形。加熱器介電層108位於下電極上方，並且加熱插塞112個別地延伸穿過加熱器介電層108到下電極104。相變化元件110個別地位於加熱插塞112上方，並與其熱連接(thermal communication)。上電極106個別地位於相變化元件110上方，並與其電性耦接，並且個別地位於第一和第二位元線介層窗420a和420b下方，並與其電性耦接。在一些實施例中，上電極106是焊墊，及/或正方形或矩形。如此處所用，物體(例如：下電極或上電極)的覆蓋區是此物體對下方水平面的二維(2D)投影。
加熱插塞112之每一者包括加熱元件114、空穴116以及空穴介電層118。為了便於說明，僅將一個加熱元件標記為114、一個空穴標記為116以及一個空穴介電層標記為118。加熱元件114延伸穿過加熱器介電層108，並且被配置以個別地加熱相變化元件110。空穴116橫向地圍繞加熱元件114的個別一者，並且空穴介電層118個別地襯墊空穴116。空穴116使加熱元件114與加熱器介電層108熱隔離和電性隔離，以降低功耗並且提高效率和可靠度。
如第4B圖的剖面圖400B所示，第一存取裝置202a相鄰於第三存取裝置202c。雖然僅部分示出，但是第三存取裝置202c與第4A圖所述的第一和第二存取裝置202a和202b相同。另外，第一相變化記憶體單元介層窗418a和第三相變化記憶體單元介層窗418c個別地從第一和第二存取裝置202a和202c的個別源極/汲極區404i延伸至第一相變化記憶體單元102a和第三相變化記憶體單元102c。
第一和第三相變化記憶體單元102a和102c各自作為如第1A圖和第1B圖所示之相變化記憶體單102，使得第一和第三相變化記憶體單元102a和102c各自包括下電極104、上電極106、相變化元件110以及加熱插塞112。為了便於說明，僅將一個下電極標記為104、一個上電極標記為106、一個相變化元件標記為110以及一個加熱插塞標記為112。另外，第一和第三相變化記憶體單元102a和102c個別地位於第一位元線204a和第二位元線204b下方，並且藉由第一位元線介層窗420a和第三位元線介層窗420c個別地電性耦接至第一位元線204a和第二位元線204b。
參照第5圖至第14圖，提供了具有增強的熱隔離以及低功耗的相變化記憶體單元的製造方法的一系列剖面圖500至1400。相變化記憶體單元可以是第1A圖和第1B圖中的相變化記憶體單元102。
如第5圖的剖面圖500所示，在下電極104上形成加熱器介電層108。在一些實施例中，加熱器介電層108被形成具有平坦的上表面108t。另外，在一些實施例中，加熱器介電層108由二氧化矽、氮化矽、一些其他介電材料或上述之組合形成。舉例來說，加熱器介電層108可以由氧化物層和覆蓋氧化物層的氮化物層之組合形成為多層薄膜。
在一些實施例中，用於形成加熱器介電層108的製程包括在下電極104上沉積或生長加熱器介電層108，並且接著對加熱器介電層108的上表面108t執行平坦化。加熱器介電層108可以藉由熱氧化、氣相沉積、濺鍍或一些其他沉積製程來沉積或生長。另外，平坦化可以藉由化學機械研磨(CMP)來執行。
如第6圖的剖面圖600所示，在加熱器介電層108中形成暴露下電極104的插塞開口602。舉例而言，插塞開口602具有與第1B圖中的加熱插塞112相同的佈局。在一些實施例中，用於形成插塞開口602的製程包括在圖案化光阻層604選擇性地覆蓋加熱器介電層108時，對加熱器介電層108執行蝕刻，並且接著移除圖案化光阻層604。圖案化光阻層604可以使用微影製程被圖案化。
如第7圖的剖面圖700所示，形成覆蓋加熱器介電層108的犧牲間隔層702，並且犧牲間隔層702進一步襯墊插塞開口602。在一些實施例中，犧牲間隔層702順應性地形成及/或形成具有延其長度大抵均勻的厚度T。另外，在一些實施例中，犧牲間隔層702藉由與加熱器介電層108不同的材料來形成。舉例來說，加熱器介電層108可以由二氧化矽形成，並且犧牲間隔層702可以由氮化矽形成，反之亦然。此外，在一些實施例中，犧牲間隔層702藉由原子層沉積(ALD)、化學或物理氣相沉積或一些其他沉積製程來形成。
藉由原子層沉積(而非化學氣相沉積)形成犧牲間隔層702，犧牲間隔層702的厚度T沿著犧牲間隔層702的長度和橫向地沿著插塞開口602的周邊是均勻或大抵均勻的。如後續所示，這導致後續形成的加熱元件橫向地沿著加熱元件的周邊與加熱器介電層108絕緣，並且均勻或大抵均勻。
如第8圖的剖面圖800所示，移除犧牲間隔層702(參照第7圖)的水平片段(segment)，而不移除犧牲間隔層702的垂直片段，以定義沿著插塞開口602之側壁的犧牲間隔物802(在某些實施例中亦稱為間隔物片段)。在一些實施例中，藉由對犧牲間隔層702執行蝕刻直到犧牲間隔層702的厚度T (參照第7圖)被完全地蝕刻穿過，以移除犧牲間隔層702的水平片段，而不移除犧牲間隔層702的垂直片段。
在一些實施例中，犧牲間隔物802包括個別地位在插塞開口602之相對兩側壁上的一對片段(未單獨標示)。另外，在一些實施例中，所形成的犧牲間隔物802具有正方環型或圓環形佈局，及/或在犧牲間隔物802的片段之間是連續的(在剖面圖800之外)。此外，在一些實施例中，在藉由原子層沉積形成犧牲間隔層702中(參照第7圖)，犧牲間隔物802橫向地沿著插塞開口602的周邊具有均勻或大抵均勻的寬度Ws 。舉例來說，此周邊可以與第1B圖中的加熱插塞112的周邊相同。
如第9圖的剖面圖900所示，形成覆蓋加熱器介電層108和犧牲間隔物802的加熱元件層902，並且進一步填充插塞開口602(參照第8圖)。在一些實施例中，加熱元件層902由氮化鈦或一些其他高電阻材料形成。此外，在一些實施例中，加熱元件層902藉由化學氣相沉積、物理氣相沉積或一些其他沉積或生長製程形成。
如第10圖的剖面圖1000所示，對加熱元件層902(參照第9圖)執行平坦化，以從加熱元件層902形成加熱元件114。另外，平坦化使加熱器介電層108的上表面108t個別地與犧牲間隔物802和加熱元件114的上表面平齊。在一些實施例中，加熱元件114的上表面從一側到另一側連續地彎曲和/或呈弧形。另外，在一些實施例中，因為硬度不同，加熱元件114的上表面不個別地與加熱器介電層108和犧牲間隔物802的上表面共平面。舉例來說，加熱元件114可以比犧牲間隔物802及/或加熱器介電層108更硬。平坦化可藉由化學機械研磨執行。
如第11圖的剖面圖1100所示，移除犧牲間隔物802(參照第10圖)，以定義出替代犧牲間隔物802的空穴116。在一些實施例中，空穴116的佈局如第1B圖所示。另外，在一些實施例中，空穴116橫向地沿著加熱元件114的周邊具有均勻或大抵均勻的寬度Wc 。這是因為形成空穴116替代犧牲間隔物802，並且如上所述，犧牲間隔物802可以橫向地沿著插塞開口602(參照第8圖)的周邊具有均勻或大抵均勻的寬度Ws (參照第8圖)。空穴116的均勻或大抵均勻的寬度Wc 導致加熱元件114橫向地沿著加熱元件114的周邊提供均勻或大抵均勻的隔離。加熱元件114的周邊的一個範例示意於第1B圖中。
在一些實施例中，藉由對犧牲間隔物802執行蝕刻來移除犧牲間隔物802。此蝕刻可以藉由氣相蝕刻或一些其他蝕刻製程來執行。這種氣相蝕刻包括氣相氫氟酸(VHP)蝕刻或化學乾式蝕刻(CDE)。另外，此蝕刻可以使用比起對加熱器介電層108和加熱元件114，對犧牲間隔物802具有更高蝕刻速率的蝕刻劑來執行。在一些實施例中，犧牲間隔物802是氧化物(例如：二氧化矽)，並且加熱器介電層108是氮化物(例如：氮化矽)，由於氣相氫氟酸蝕刻對氧化物有高蝕刻速率，對氮化物有低蝕刻速率，所以氣相氫氟酸蝕刻被用來移除犧牲間隔物802。在一些實施例中，犧牲間隔物802是氮化物(例如：氮化矽) ，並且加熱器介電層108是氧化物(例如：二氧化矽) ，由於化學乾式蝕刻對氮化物有高蝕刻速率，對氧化物有低蝕刻速率，所以化學乾式蝕刻被用來移除犧牲間隔物802。
如第12圖的剖面圖1200所示，形成覆蓋加熱器介電層108和加熱元件114的空穴介電層118，並且進一步襯墊和密封空穴116。在一些實施例中，空穴介電層118順應性地襯墊空穴116及/或氣密密封空穴116(其中具有空氣)。另外，在一些實施例中，空穴介電層118由二氧化矽、氮化矽或一些其他介電材料形成。此外，在一些實施例中，空穴介電層118藉由高密度電漿(HDP)化學氣相沉積、電漿輔助(PE)化學氣相沉積或一些其他沉積製程形成。
如第13圖的剖面圖1300所示，對空穴介電層118執行平坦化，以使空穴介電層118的上表面與加熱元件114的上表面和加熱器介電層108的上表面108t平齊。在一些實施例中，因為硬度不同，空穴介電層118的上表面不與加熱元件114的上表面共平面。平坦化可藉由化學機械研磨執行。
如第14圖的剖面圖1400所示，在加熱元件114上形成相變化元件110。在一些實施例中，所形成的相變化元件110直接接觸加熱元件114。另外，在一些實施例中，相變化元件110由鍺銻碲(GST)、鍺銦銻碲(GIST)、銀銦銻碲(AIST)或一些其他硫族化合物形成。
在一些實施例中，用於形成相變化元件110的製程包括沉積或生長覆蓋加熱元件114的相變化層，並且接著將相變化層圖案化成為相變化元件110。相變化層的沉積或生長可以藉由氣相沉積或一些其他沉積或生長製程來執行。另外，相變化層的圖案化可以使用微影製程執行。
第14圖的剖面圖1400亦顯示上電極106被形成在相變化元件110上。在一些實施例中，所形成的上電極106直接接觸相變化元件110。此外，在一些實施例中，上電極106由鎢、銅、鋁銅或一些其他導電材料形成。
在一些實施例中，用於形成上電極106的製程包括在相變化層或相變化元件110上沉積或生長上電極層，並且接著將上電極層圖案化成為上電極106。上電極層可以藉由氣相沉積、電化學電鍍或一些其他沉積或生長製程來執行。此外，上電極層的圖案化可以使用微影製程執行。
參照第15圖，提供了第5圖至第14圖的製造方法的流程圖1500。
在操作1502中，在下電極上形成加熱器介電層，如第5圖所示。
在操作1504中，在加熱器介電層中形成插塞開口。此插塞開口暴露出下電極，如第6圖所示。
在操作1506中，形成犧牲間隔物襯墊插塞開口的側壁，如第7圖和第8圖所示。舉例而言，犧牲間隔層可以由氧化物或氮化物形成，及/或藉由回蝕刻由原子層沉積形成的犧牲間隔層來形成。
在操作1508中，形成覆蓋加熱器介電層和犧牲間隔物之加熱元件層，並且進一步填充插塞開口，如第9圖所示。
在操作1510中，對加熱器介電層、犧牲間隔物以及加熱元件層的上表面個別地平坦化，以在插塞開口中形成加熱元件，如第10圖所示。
在操作1512中，從插塞開口移除犧牲間隔物，以形成代替犧牲間隔物的空穴，如第11圖所示。
在操作1514中，形成覆蓋加熱器介電層和加熱元件的空穴介電層，並且進一步襯墊空穴，而不是完全地填充空穴，如第12圖所示。
在操作1516中，對加熱器介電層、加熱元件以及空穴介電層的上表面個別地平坦化，如第13圖所示。
在操作1518中，在加熱元件上形成相變化元件，如第14圖所示。
在操作1520中，在相變化元件上形成上電極，如第14圖所示。
此空穴將加熱元件與加熱器介電層熱隔離。如此一來，由加熱元件所產生的大量的熱被施加在相變化元件，而不是加熱器介電層，並且在相位之間變化時減少功耗。另外，此空穴將加熱元件與加熱器介電層電性隔離。如此一來，從加熱元件洩漏至加熱器介電層的電荷少，並且提高效率和可靠度。
儘管第15圖的流程圖1500在本文中被示出並描述為一系列動作或事件，但是應當理解，這些動作或事件的所示順序不應被解釋為具有限制意義。舉例來說，一些動作可以以不同的順序發生及/或與除了此處所示出及/或描述的動作或事件之外的其他動作或事件同時發生。 另外，可以不需要顯示所有的動作來實現本文描述的一個或多個方面或實施例，並且本文所描述的一個或多個動作可以在一個或多個分離的的動作及/或階段中執行。
因此，在一些實施例中，本揭露提供了一種相變化記憶體單元。此相變化記憶體單元包括下電極、介電層、加熱元件以及相變化元件。介電層位於下電極上。加熱元件從介電層的頂部延伸穿過介電層到達下電極。此外，加熱元件具有一對相對的側壁，其藉由空穴與介電層橫向地隔開。相變化元件覆蓋並接觸加熱元件。相變化元件與加熱元件之間的一界面由加熱元件之這對相對的側壁中之一者連續地延伸至這對相對的側壁中的另一者。
在一些實施例中，加熱元件的寬度在從下電極到相變化元件的方向上連續增加。
在一些實施例中，加熱元件的相對的側壁之每一者在從下電極到相變化元件的方向上連續地呈弧形。
在一些實施例中，位於下電極上的空穴的二維(2D)投影是環形的。
在一些實施例中，空穴被氣密密封。
在一些實施例中，此相變化記憶體單元更包括空穴介電層。空穴介電層襯墊上述空穴，並且沒有完全填滿上述空穴。
在一些實施例中，相變化元件接觸介電層的上表面，並且其中介電層的上表面是平坦的。
在一些實施例中，相變化元件與加熱元件之間的界面是彎曲的(curved)。
在其他實施例中，本揭露提供了一種相變化記憶體單元製造方法。在介電層中形成開口。此開口包括藉由介電層所定義的一對相對的側壁。在開口中形成間隔物。此間隔物包括個別地襯墊在開口的相對的側壁上的一對間隔物片段。形成填充開口的加熱元件。加熱元件藉由間隔物與開口的相對的側壁隔開。加熱元件的上表面從這對間隔物片段中一者連續地延伸至這對間隔物片段中的另一者。移除間隔物以定義替代間隔物的空穴。形成覆蓋並接觸加熱元件的相變化元件。
在一些實施例中，此相變化記憶體單元之製造方法更更包括形成覆蓋下電極的介電層，其中形成開口的步驟暴露出下電極。
在一些實施例中，形成間隔物的步驟包括形成覆蓋介電層並且襯墊開口的間隔層，以及對間隔層執行蝕刻，以移除間隔層的水平片段，而不移除間隔層的垂直片段，其中間隔物對應間隔層的垂直片段。
在一些實施例中，間隔層藉由原子層沉積(ALD)形成。
在一些實施例中，所形成的間隔物具有環形佈局。
在一些實施例中，所形成的間隔物在上述開口中具有彎曲的側壁，並且所形成的上述加熱元件具有從頂部至底部連續減小的寬度。
在一些實施例中，形成加熱元件的步驟包括形成覆蓋介電層並且完全地填充一對間隔物片段之間的開口的加熱元件層；以及對加熱元件、介電層以及間隔物執行平坦化，以個別地平坦加熱元件、介電層以及間隔物的上表面，其中加熱元件層在開口中的剩餘部分對應加熱元件。
在一些實施例中，移除步驟包括使用蝕刻劑對間隔物執行蝕刻，蝕刻劑對間隔物具有比個別對介電層和加熱元件更高的蝕刻速率。
在一些實施例中，蝕刻劑為氣相的。
在一些實施例中，此相變化記憶體單元之製造方法更包括形成襯墊空穴的空穴襯墊層，而不完全填充空穴。
在其他實施例中，本揭露提供了另一種相變化記憶體單元製造方法。形成覆蓋下電極的介電層。對介電層執行蝕刻，以在介電層中形成一開口。開口暴露下電極。藉由原子層沉積形成覆蓋介電層，並且共形地襯墊開口的間隔層。對間隔層執行回蝕刻，以在開口形成間隔物。間隔物包括個別地襯墊開口的相對的側壁的一對間隔物片段。形成填充開口的加熱元件。加熱元件藉由間隔物與開口的相對的側壁隔開。移除間隔物以定義替代間隔物的空穴。形成覆蓋並接觸加熱元件的相變化元件。
在一些實施例中，介電層是單一材料，其中間隔層是與介電層不同的單一材料，並且其中間隔層是氮化物或氧化物。
前述內文概述了許多實施例的特徵，使本技術領域中具有通常知識者可以從各個方面更佳地了解本揭露。本技術領域中具有通常知識者應可理解，且可輕易地以本揭露為基礎來設計或修飾其他製程及結構，並以此達到相同的目的及/或達到與在此介紹的實施例等相同之優點。本技術領域中具有通常知識者也應了解這些相等的結構並未背離本揭露的發明精神與範圍。在不背離本揭露的發明精神與範圍之前提下，可對本揭露進行各種改變、置換或修改。
100A‧‧‧剖面圖
102‧‧‧相變化記憶體單元
104‧‧‧下電極
106‧‧‧上電極
108‧‧‧加熱器介電層
110‧‧‧相變化元件
110a‧‧‧主動相變化元件區
112‧‧‧加熱插塞
114‧‧‧加熱元件
114s‧‧‧側壁
116‧‧‧空穴
118‧‧‧空穴介電層
W‧‧‧寬度
A-A’‧‧‧線段
100B‧‧‧俯視圖
B-B’‧‧‧線段
200‧‧‧示意圖
202‧‧‧存取裝置
204‧‧‧位元線
206‧‧‧接地線
208‧‧‧字元線
300‧‧‧電路圖
400A‧‧‧剖面圖
402‧‧‧半導體基板
202a‧‧‧第一存取裝置
202b‧‧‧第二存取裝置
404c‧‧‧公用源極/汲極區
404i‧‧‧個別源極/汲極區
406‧‧‧導電通道
408‧‧‧閘極電極
410‧‧‧閘極介電層
412‧‧‧後段內部互連結構
416a‧‧‧第一內部互連介電層
416b‧‧‧第二內部互連介電層
418a‧‧‧第一相變化記憶體單元介層窗
418b‧‧‧第二相變化記憶體單元介層窗
102a‧‧‧第一相變化記憶體單元
102b‧‧‧第二相變化記憶體單元
204a‧‧‧第一位元線
420a‧‧‧第一位元線介層窗
420b‧‧‧第二位元線介層窗
400B‧‧‧剖面圖
202c‧‧‧第三存取裝置
102c‧‧‧第三相變化記憶體單元
204b‧‧‧第二位元線
420c‧‧‧第三位元線介層窗
500‧‧‧剖面圖
108t‧‧‧上表面
600‧‧‧剖面圖
602‧‧‧插塞開口
604‧‧‧圖案化光阻層
700‧‧‧剖面圖
702‧‧‧犧牲間隔層
T‧‧‧厚度
800‧‧‧剖面圖
802‧‧‧犧牲間隔物
Ws‧‧‧寬度
900‧‧‧剖面圖
902‧‧‧加熱元件層
1000‧‧‧剖面圖
1100‧‧‧剖面圖
Wc‧‧‧寬度
1200‧‧‧剖面圖
1300‧‧‧剖面圖
1400‧‧‧剖面圖
1500‧‧‧剖面圖
1502-1520‧‧‧操作
本揭露之觀點從後續實施例以及附圖可以更佳理解。須知示意圖係為範例，並且不同特徵並無示意於此。不同特徵之尺寸可能任意增加或減少以清楚論述。 第1A圖以及第1B圖係為根據一些實施例之具有增強的熱隔離以及低功耗的相變化記憶體單元的剖面圖以及俯視圖。 第2圖係為根據一些實施例之具有增強的熱隔離以及低功耗的相變化記憶體單元陣列的示意圖。 第3圖係為根據一些實施例之在第2圖的相變化記憶體單元陣列中電性耦接在位元線與接地線之間的相變化記憶體單元的電路圖。 第4A圖以及第4B圖係為根據一些實施例之包括具有增強的熱隔離以及低功耗的複數相變化記憶體單元的積體電路(IC)的剖面圖。 第5圖至第14圖係為根據一些實施例之具有增強的熱隔離以及低功耗的相變化記憶體單元的製造方法的一系列剖面圖。 第15圖係為根據一些實施例之第5圖至第14圖的製造方法的流程圖。

Claims (1)

  1. 一種相變化記憶體單元，包括： 一下電極； 一介電層，位於上述下電極上； 一加熱元件，從上述介電層的頂部延伸穿過上述介電層到達上述下電極，其中上述加熱元件具有一對相對的側壁，其藉由一空穴與上述介電層橫向地隔開；以及 一相變化元件，覆蓋並接觸上述加熱元件，其中上述相變化元件與上述加熱元件之間的一界面由上述加熱元件之上述相對的側壁中之一者連續地延伸至上述相對的側壁中的另一者。
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