TWI297948B - Phase change memory device and fabrications thereof - Google Patents

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TWI297948B
TWI297948B TW095122930A TW95122930A TWI297948B TW I297948 B TWI297948 B TW I297948B TW 095122930 A TW095122930 A TW 095122930A TW 95122930 A TW95122930 A TW 95122930A TW I297948 B TWI297948 B TW I297948B
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Description

-1297948 / 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種記憶體元件及其製造方法，且特 別是有關於一種相變化記憶體元件及其製造方法。 •【先前技術】 • 相變化記憶體具有速度、功率、容量、矸靠度、製程 • 整合度、以及成本等具競爭力的特性，為一適合用來作為 較高密度的獨立式或篏入式的記憶體應用。由於相變化記 憶體技術的獨特優勢，也使得其被認為非常有可能取代目 . 前商業化極具競爭性的靜態記憶體SRAM與動態隨機記憶 、 體DRAM揮發性記憶體與快閃記憶體Flash #揮發性記憶 體技術，可望成為未來極有潛力的新世代半導體記憶體。 第1A圖繪示τ型結構之相變化記憶胞，如第1圖所 - 示，習知τ型結構之相變化記憶胞依序包括下電極102、 _加熱電極丨〇4、相變化層1〇6和上電極108，其中柱狀之加 熱電極104和相變化層ι〇6接觸，而加熱電極1〇4和相變 化層106之接觸區域1丨〇的面積係由加熱電極ι〇4大小決 定’尺寸控制相對較不易。另外，在製作此種習知相變化 記憶體之τ型加熱電極104時，其必須透過via蝕刻、金 屬填洞、以及化學機械研磨三個步驟，製程相對較複雜， 且所形成之加熱電極104品質相對較差。 第1B圖繪示習知侷限型結構(confined structure)相變 化記憶胞之剖面圖，如第1B圖所示，在下電極152和加 04l2-A21493TWF(N2)；P03940340TW；wayne 5 -1297948 ，熱電極154上，相變化層156係填入間隙壁158(印^^)間 之區域，以使相變化層156在插塞16〇(via)連接加熱電極 154,然而，插塞160必須使用間隙壁製程才能得到有弧度 的形狀，以利後續相變化材料156的填入，而填入的製程 目前只能使用例如濺鍍或蒸鍍之物理氣相沉積的做法，填 好無缺陷的插塞160難度相當高。 、 / 【發明内容】 • 根據上述問題，本發明之主要目的為提供一種相變化 記憶體元件，可較容易控制電極和相變化層之接觸區域。 本發明之另一目的為提供一種相變化記憶體元件，在製程 ^ 上可完全避開填洞的製程，改用直接蝕刻出所需的加熱電 , 極，以得到較好品質的電極。本發明之又另一目的為避免 製作弧形插塞的手法，改用過度蝕和/或化 ^ 學機械研磨侵蝕（CMP er〇S1〇n)的方式使相變化層自動（似 — self f〇rmation)形成侷限型的形狀，避免相變化材料填洞 籲的困難，和化學氣相沉積金屬填洞品質不佳的問題。 本發明提供一種相變化記憶體元件。一相變化層和電 極交錯，其中電極和相變化層在交錯處接觸。一電晶體包 括一源極和一汲極，其中電晶體之汲極電性連接電極或相 變化層。在本發明之一實施例中，上述相變化層和電極可 以是長條狀，橢圓形或是其它形狀。 本發明提供一種相變化記憶體元件之製造方法。首 先，提供一基底，基底包括一電晶體之源極或没極形成於 其中。接下來，形成一底層介電層，及位於底層介電層中 0412-A21493TWF(N2)；P03940340TW；wayne Ϊ297948 之插塞於基底上，+ 形成m，、中齡仏連接源極歧極，其後， 及位於第一介電層中 層和插塞上。接著，形成n J 2極於底層介電 層中之相變化層於第-介電層和電極二介電 電極交錯’且電極和相變化層在交錯處接觸：：化層和 -上電極，電性連接相變化層。在本;=一 上述=化層和電極可以是長條狀，橢圓么心：，。 一本I明提供—種相變化記憶體元件。—相變化 命 檯父錯’其中電極和相變化層在交錯二： 限於u極。-電晶體包括—源極和—祕，其中電晶㉗ =少紐連接電極和相變化層之—。在本發明之—實施^ ’上逆相變化層和電極可以是長條狀，橢圓形 形狀。 〜匕 • 本發明提供一種相變化記憶體元件。一相變化層和雷 • 極交錯，其中電極和相變化層在交錯處接觸，且電極侷限 •於相變化層。一電晶體包括一源極和一汲極，其中電晶體 至少電性連接電極和相變化層之一。在本發明之一實施例 中，上述相受化層和電極可以疋長條狀，橢圓形或是其它 形狀。 〃 【實施方式】
第2A圖〜9A圖係揭示本發明一實施例相變化記憶體 之製造流程之平面圖，第2B圖〜9B圖係揭示第2a圖〜9A 圖沿M’剖面線之剖面圖，第2C圖〜9C圖係揭示第2A圖 〜9A圖沿ΙΙ-ΙΓ剖面線之剖面圖，請參照第2A圖、第2B 0412-A21493TWF(N2)；P03940340TW；wayne 7 Ϊ297948 圖及第2C圖，提供一基底200，基底200包括一例如電晶 之控制το件，電晶體包括閘極（未繪示）、源極（未繪示） 底層介電層204位於電晶體上，一插塞206 於底層；1電層204中，且連性接泰 协i千愛w 设毛日日體之汲極202 〇 於插基2〇6上形成一第一金屬層加一 可以由稀土或過渡金屬元素，或 产屬層208
化物、稀土或過渡金屬元素之石炭化^過渡金屬元素之氮 成，舉例來說，第一金屬層2G8 ^其他耐火材料所級 屬，或是TaN、TiN等金屬氣化物H 、Ta等金 績，以一般的微影方法形成一第—=:电極所組成。後 金屬層208 _L，其中第阻210於第— 其後，可對第一圖案化光阻21〇、〇係為一長條形。 (tnmmmg)，以減小第一圖案化光阻，行—光阻消蜮法 極之寬度和長度。需注意的是，林=出之長條狀電 極之罩幕並不限於上述之圖案化光 M _長條狀電 金屬層 過消減後長度與寬度皆會縮小厂而=意的是由於心且铖 長條狀電極212寬度較原先光阻定義^阻消减的致應、、邊 m — 見又為小。复公、 ，沉積一例如氮f， 2!2、 作 第一方向延伸之長條狀電極2ΐ2，二^蜀層，以形成〜 ;風、、山、上wa =上a ι 項、〉主咅A人e » N/〇 接下來’请參照第3A圖、第3色 —圖案化光阻210為罩幕，3C圖，μ 參照第4A圖、第4B圖及第4C圖，、 ，，又… 氧化矽或氮氧化矽之第一回，沉積一例如_二噜 插基206和底層介電層2〇4上，二、：長條狀電杻2 平坦化’以暴露出長條狀電極匕學機*研磨凑^ 0412-A21493TWF(N2);P03940340TW；wayne 8 1297948 «- · 接下來，請參照第5Α圖、第5Β圖及第5C圖，毯覆 性的沉積一相變化層216於長條狀電極212和第一介電層 214上，在本發明之一實施例中，相變化層216係為可穩 定做複數之固態相態轉換的材料所組成，較佳者，相變化 層216係擇自下列族群·· III、IV、V、VI族元素、主要以 Sb或Te元素為主之合金或其組合，舉例來說，其可以為 GeTe-Sb2Te3之三元硫屬化合物、或Sb-Te共晶比例附近添 加少量雜質混成之多元合金。後續，以一般的黃光微影方 法形成一光阻219於相變化層216上，接著，可對光阻219 進行一光阻消減法，以減小光阻219之寬度，形成第二圖 案化光阻218。較佳者，第二圖案化光阻218係為一和長 條狀電極212交錯之長條形，更佳者，第二圖案化光阻218 係為一和長條狀電極212垂直之長條形。需注意的是，本 發明用以定義長條狀相變化層之罩幕不限於上述之第二圖 案化光阻。 接著，請參照第6A圖、第6B圖及第6C圖，以第二 圖案化光阻層218為罩幕，#刻相變化層，以形成一沿第 二方向延伸之長條狀相變化層220，較佳者，第二方向係 為和第一方向垂直之方向。 接下來，請參照第7A圖、第7B圖及第7C圖，移除 第二圖案化光阻層，並沉積一例如氮化矽、氧化矽或氮氧 化矽之第二介電層222於長條狀相變化層220、第一介電 層214和長條狀電極212上，並以化學機械研磨法進行平 坦化，以暴露出長條狀相變化層220，如此，請參照第10 0412-A21493TWF(N2)；P03940340TW；wayne 9 1297948 :變相中⑶的長條狀電㈣-長條狀 之接觸區域221面積相變化層220 220共同決定，尺#木狀包極212和長條狀相變化層 得到-維方向揭限不需特殊缠膜機台即可 較佳實施例中，長^f二lnedstrueiMe)’在本發明之 ,长仏狀電極212和長條狀相變化犀 於 錯，以得到最小之接觸區域221面積，^ ,由 欠長條狀電極212和長條狀相變化層2 22〇,ί4；^^ 之面積大體上残著長錄相變 〜 212接觸之位置改變。 長釭狀電極 明夯照第8Α圖、第8Β圖及第8C圖，形 入承 層224於長條狀相變化層22〇和第二介電層奶上^續免 圖形化第三介電層224，形成開口 226暴露部分之長停^ 相變接著，如第9A圖、帛9B圖及帛= 不，》儿積一導電材料（未繪示）於第三介電層224上，並壤 入開口 226 ’之後，進行黃光微影及㈣】製程，定義導ς =料，以形成電性連接長條狀相變化層22〇之上電極^^ 需注意的是，長條狀相變化層和長條狀電極之上下位置吁 互相父換，易言之，而長條狀相變化層亦可以位於長 電極之下方交錯之。 ”狄 另外，在本發明之一實施例中亦可以形成下侷限結 構，舉例來說，請夢照第η圖，位於長條狀相變化層2扣 下之長條狀電極212在沿長度方向可進一步侷限，達到〜 0412-Α21493TWF(N2) ；P03940340TW；wayne 10 .1297948 % 微侷限的效果，易言之，若下層為長條狀電極 為長條狀相變化層220，則電流在侷限位置隹^」 提高相變化記憶體元件之效率，更甚者，在上。本中， 相變化層有220 —微侷限的效果，亦可更進—^之長條狀 化記憶體元件之效率。 °卩提升相 此結構之製造方法類似於本發明上H、徐 4貝方也例之立於 記憶元件之製造方法，相同之處在此不詳細說明文相交化 處請比對第12圖和第6B圖，在本實施例中，、’其不同 阻218為罩幕’韻刻相變化層，以形成—& 固开^化光 之長條狀相變w時’係進-步對長錄 下方暴露之長條狀電極212過度飿刻，使、又化層220 化層220正卜方兩侧之部分長條狀電極9 叙相變 上層 可 223，因此，長條形電極212 在沿長度方向侷 產生 四陷部 限於長條狀相 此實 變化層220,而產生下方侷限之結構。需注音的3 施例之長條狀相變化層和長條狀電極之上下位疋’此 此外，在本發明之一眚你也丨上i f 1交換 此外，在本發明之-實施例中亦可以形成上偈 限結 上之 構，請參照第13圖，舉例來說， 長條狀相變化層220在沿長度方向可進 微侷限的效果，易言之，若下層為長條狀二侷限，達到二 為長條狀相變化層220 ’則電流在侷限位置^亟212，上層 而在上層之長條狀相變化層220有二維侷阡21〜維集中， 此上偈限結構之製造方法類似^本發=的致果。 相變化記憶元件之製造方法，相同之處^此上述實施例之 其不同處請比對第14圖和第4c m , 不詳細說明，国，在本f ^ . ，中，沉積 0412-A21493TWF(N2)；P03940340TW；wayne 位於長條狀電極， ___ 1上 1297948 —例如氮化矽、.，访a $ 5 電極212、插夷二：：化矽之介電材料層於長條狀 研磨法埃行平妇化，層206上’並以化學機械 介電層214時：:二恭；出長條狀電極犯並形成第— 研磨夜戍分和:^研=製程參數(研磨頭旋轉速率， 211，其中長^，’吏長條狀電極212產生凹陷部 面，因此=電：212之表面低於第-介電層2U表 長條狀_步驟職長條㈣目變化層使 壯带/極上之長條狀相變化層在沿曰使 ’㈣成上方倡限之長侷限於長條 ;:此實施例之長條狀相變化層；化層。需注意的 可交換。 和長條狀電極之上下位置 形成Π ’請參照第15圖’在本發明之一 rwh =成上方和下方之侷限結構，易 _例中亦可以 、曼化記憶元件之製造方法，可結I:、:錢行本發明之相 圖之方法’請參照第14圖，沉積叫广之乐14圖和第12 層2〇6上，並以化學機械研磨法=塞206和底 研磨之製程參數(研磨頭旋介電^叫、時，可調整 度）’使長條狀電極212產生凹陷部21磨液成分和/或溫 212之表面低於第一介電層214表面，丨大其中長條狀電極 形成長條狀相變化層212時，會使手口此，在後續步驟 相變化層在沿長度方向侷限於長條肤^^狀兒極上之長條狀 侷限之長條狀相變化層。 兔極上，而形成上方 〇4l2-A21493TWF(N2)；P〇394〇34〇TW；' wayne * 1297948 另外，凊參照第19岡 刻相m μ彡形化光阻218為罩幕，钱 220時，片々. /〇弟一方向延伸之長條狀相變化層 τ ^進—步對長條狀相變化声220下方異+夕具作 狀電极212過度如杜义化層220下方恭路之長條 兩侧之部分長條狀電極長條狀相變化層細正下方 形電極212在/212產生凹陷部223,因此，長條 產生下方侷限之°‘方=限Γ長條狀相變化層220,而 注意，此實施例之長條之結構’請 置亦可交換。 又化層和長條狀電極之上下位 因此，根據本發明上述每 電極電阻，電流與相變化;=:二_低之加熱 變化區域之二維侷限效庫，“L、准侷限效應、電流與相 有較佳之機械強产，，長條形狀結構之光阻具 要上層長條狀料ΪΓ光阻消減法的進行，另外，只 化記憶=;=::;:，構交_ 狀結構與下層長條狀結構的寬;;二 =制上層長條 積，又另夕卜，不需額夕卜的製程，制兩者接觸面 研磨條件的控制，即可得到偈限型刻與化學機械 雖然本發明已以較佳實施例揭露如構 限定本發明，任何熟習此技藝者， 2、+ 其並非用以 和範圍内，當可作些許之更動與潤不2離本發明之精神 發明上述之實施例係揭示長條狀電’ ^絲言兒，雖然本 但本發明不限於此’電極和相變化層二，條狀相變化層， 之其它形狀，本發明之保護範圍咯曰2可以為例如橢圓形 ，視後附之申請專利範圍 wayne 0412-A21493TWF(N2)；P03940340TW； 13 1297948 所界定者為準。
0412-A21493TWF(N2)；P03940340TW；wayne 14 1297948 【圖式簡皁說明】 第1A圖繪示習知T型結構之相變化記憶體。 第1B圖緣示習知侷限型結構(confined structure)相變 化記憶胞之剖面圖。
• 第2A圖〜9A圖係繪示本發明一實施例相變化記憶體 . 之製造流程之平面圖。第2B圖〜9B圖係繪示第2A圖〜9A 圖沿Ι-Γ剖面線之剖面圖。 • 第2C圖〜9C圖係繪示第2A圖〜9A圖沿ΙΙ-ΙΓ剖面線之 剖面圖。 第10圖係繪示本發明一實施例相變化記憶體元件之 .立體圖。 第11圖係繪示本發明另一實施例相變化記憶體元件 之立體圖。 • 第12圖係繪示本發明一實施例相變化記憶體中間製 …程剖面圖。 • 第13圖係繪示本發明又另一實施例相變化記憶體元 件之立體圖。 第14圖係繪示本發明另一實施例相變化記憶體中間 製程剖面圖。 第15圖係繪示本發明又另一實施例相變化記憶體元 件之立體圖。 【主要元件符號說明】 102〜下電極； 0412-A21493TWF(N2)；P03940340TW；wayne 15 1297948 104〜加熱電極； 106〜相變化層； 10 8〜上電極， 110〜接觸區域； 15 2〜下電極， 154〜加熱電極； 15 6〜相變化層； 158〜間隙壁； 160〜插塞； 200〜基底； 202〜汲極； 204〜底層介電層； 206〜插塞； 208〜第一金屬層； 210〜第一圖案化光阻； 212〜長條狀電極， 214〜第一介電層； 216〜相變化層； 218〜第二圖案化光阻； 220〜長條狀相變化層； 221〜接觸區域； 222〜第二介電層； 224〜第三介電層； 226〜開口， 0412-A21493TWF(N2)；P03940340TW；wayne 10 1297948 228〜上電極； 223〜凹陷部。
0412-A21493TWF(N2) ；P03940340TW；wayne 17

Claims (1)

  1. 十、申請專利範圍： 1.—種相變化記憶體元 一電極； 千’包括： 相、交化層，和該電杻六 ;在交錯處接觸；及 父錯，其中該電極和該相變化 一電晶體，包括一源 極電性連接該雷扠々斗f °和〜汲極，其中該電晶體之汲 :或該相變化眉。 •如申睛專利範圍第工^ 其中該電極係為一長條壯本項所述之相變化記憶體元件， 狀相變化層。 ；笔麵，且該相變化層係為一長條 3.如申明專利範圍第2 其中該長條狀電極和貝所述之相變化記憶體元件’ 體上不隨鞏寸Η片。"〜1木狀相變化層重疊接觸之面積大 个I思，條狀相變介 改Μ。 t層和該長條狀電極接觸之位置 4·如申請專利截圍笛 豆由 固弟2項所述之相變化記憶體元件， 曰雕以位於該長條狀相變化層下方，且該電 曰曰肢之汲極電性連接該長條狀電極。 如申請專利範圍第2項所述之相變化記憶體元件， f中该長條狀電極係位於該長條狀相變化層上方，且該電 晶體之汲極電性連接該長條狀相變化層。 6·如申請專利範圍第4項所述之相變化記憶體元件， 尚包括一上電極，連接該長條狀相變化層。 7·如申請專利範圍第2項所述之相變化記憶體元件， 其中5亥長條狀相變化層係由可穩定作複數次之固態相態轉 0412Ά21493TWF(N2);P〇394〇34〇TW；wayne 18 1297948 換之材料所組成。 V族、VI族、=層::擇自下列族群:rn族，族、 或其組合之材料所組成。 ιΦ兮且申％專利範圍第8項所述之相變化奸η 其令该長條狀電極係由稀土或過渡全屬 、成。 减物、稀土或過渡金屬元素之魏物所組 _件之細法，包括： 形成一電晶體之源極或沒極形成於其中· 产Λ曰;丨包層，及位於該底層介電声中夕i、 綠基底上，其中該插窠 3中之插塞於 形成-第-介電層:=:;Γ，； 談底層介電層和該插塞上； Jl電層中之電極於 交錯r:該電極和該相變化層在交錯處接；化Γ該電極 形成-上電極，電性連接該相變化層。 η·如申請專利範圍第10項所述之; 之製造方法，其中該電極係為一長停狀:。己體兀件 層係為一長條狀相變化層。 ，且該相變化 /2.如申請專利範_ n項所述之相變 之製造方法，其中該長條狀 心版元件 接觸之面積大體上不==二==㈣變化層重叠 者·亥長條狀相變化層和該長條狀電 〇412~A21493TWF(N2)；P〇3940340TW；wayne 19 1297948 極接觸之位置改變。 m主方：明，利乾圍第11項所述之相變化記憶體元件 層中^，及位於該第一介電 括：編^極於該底層介電層和該插塞上之步驟包 形成—金屬層於該底層介電層和該插塞上； 、圖：化：金屬層’以形成—長條狀電極； ►上；^貝介電層於該長條狀電極和該底層介電層 研磨該第—介電層，暴露該長條狀電極。 ::其㈣化竭層，简-長條狀電極 係為:形瞧光嶋金纽’其中該圖案化光阻 阻之=圖案化光阻進行一光阻消減法，縮減該圖案化光 狀電Γ赚光阻為罩幕，雜_，簡長條 15.如申請專利範圍第ί3項所述之相變化記情體 之W造方法，其中研磨該第—介電層，暴露該長停狀 之步驟係使該長條狀電極凹_ishmg)至低於节第一二 層表面’因此形成於該長條狀電極上之長條狀相變化= 沿長度方向侷限於該長條狀電極上。 曰在 0412-A21493TWF(N2);P03940340TW;wayne 20 • 1297948 16·如申清專利範圍第11 丄 之製造方法，其令形成—位於_、=目，化記憶體元件 變化層於該第一介電層、^ή層中之長條狀相 沉積-相變化層㈣第= 大電極上之步驟包括： 曰X巧弟一介電層和該長 .相變化層，以形成長條狀相變化層Γ ’ .·層上=一弟一介電層於該長條狀相變化層和該第—介電 _ 研磨該第二介雷屛，異+斗^ 之方法項所迷之相變化記憶體元件 變化層，以形成長條狀相變 形成一圖案化光阻於該相變化層上，1 阻係為-和該長條狀電極交錯之長條形； " 以該圖案化光阻為罩暮， 條狀相變化層，且同時過声相受化層’以形成長 長條狀相錄化芦雨細 X 45亥長條狀電極，使位於該 此，該#_ 部分該長條狀電極產生凹陷部，因 isW:極在沿長度方向#限於該長條狀相變化層。 之“方Hr11圍第16項所述之相變化記憶體元件 化層：驟包ί圖形化該相變化層，以形成長條狀相變 、…矛忒長條狀電極交錯之長條形·， 阻之寬度圖木化光阻進行一光阻消減法，縮減該圖案化光 wayne 〇412-A21493TWF(N2);p〇394〇34〇Tw； 21 ί29?948 條狀料該相變化層’以形成長 之範㈣Π項所述之娜_體元件 層;：=其中形成一第—介電層，及位於該第-介電 •—第二介電層，及位於該第二二==上/及形成 •方、遠弟一介電層和該長條狀電極上之步驟包括：文層 • 形成一金屬層於該底層介電層和該插塞上； 圖形化該金屬層，以形成—長條狀電極； 上；沉積—第—介電層於該長條狀電極和該底層介電層 研磨該第一介電層，暴露該長條狀電 狀U極凹陷至表面低於該第—介電層（dlshmg); π瓦么卞 沉積-相變化層於該第—介電層和該長條狀電梓上. 形成一圖案化光阻於該相變化層上，其中 土 •阻係為一和該長條狀電極交錯之長條形；及 /㈤木^、 以该圖案化光阻為罩幕’㈣該相變化層，以形 Μ大相變化層’且同時過度蝕刻長條狀電 = 條狀相變化層兩侧之部分該長條狀電極產生凹陷部^亥長 20·—種相變化記憶體元件，包括： 一電極； 和該電極交錯，其中該電極和該相變化 ^在^錯處接觸’且该相變化層在長度方向侷限於該電 °412-A2l493TWF(N2)；P03940340TW；wayne 22 •J297948 一電晶體，包括一源極和一汲極，其中該電晶體電性 連接該電極或該相變化層。 21. 如申請專利範圍第20項所述之相變化記憶體元 件，其中該電極係為長條狀，且該相變化層係為長條狀。 22. —種相變化記憶體元件，包括： 一電極； • 一相變化層，和該電極交錯，其中該電極和該相變化 層在交鐙處接觸，且該電極在長度方向侷限於該相變化 _層；及 一電晶體，包括一源極和一汲極，其中該電晶體"電性 連接該電極或該相變^匕層。 • 23.如申請專利範圍第22項所述之相變化記憶體元 -件，其中該電極係為長條狀，且該相變化層係為長條狀。 0412-A21493TWF(N2)；P03940340TW；wayne 23
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