TWI320240B - Method for forming a phase change memory device - Google Patents

Description

1320240 .九、發明說明： 【發明所；I之赫領域】 本^明係有關於一種記憶體元件之製造方法，且特別 疋有關於一種相變化記憶體元件之製造方法。 【先前技#j] 鲁效八相變化記憶體具有速度、功率、容量、可靠度、製程 :s度以及成本等具競爭力的特性，為一適合用來作為較 回饴度的獨立式或嵌入式的記憶體應用。由於相變化記憶 .版技術的獨特優勢，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揮务性圮憶體與快閃記憶體j7iash非揮發性記憶體 技術I^成為未來極有潛力的新世代半導體記憶體。 相又化5己憶體元件係利用相變化記憶體材料在結晶態 _和非晶態之電阻值的差異，進行寫入、讀取或是抹除，例 1 一田要進行寫入蚪，可提供一短時間（例如5〇nS)且相對 較高之電流(例如lmA)，使相變化層轉換成非晶態，因為 非晶態相變化層具有較高的電阻(例如1〇5歐姆)，其在讀 取時，當提供-電壓時，得到之電流相對較小。當要進行 抹除時，可提供-較長時間（例如丨Q()n社相對較低之電;气 (例如〇.2mA)，使相變化層轉換成結晶態，因為結晶態相 =層具有較低的電阻(例如1〇3〜刚歐姆），其在讀取^ 田提i、 ，才于至，J之電流相對較大，據此，可進行相變 0949-A21834TWF(N2)：P5l950H2TW；wayne 6 1320240 化記憶體元件之操作。 、第1A圖〜第1E圖繪示習知相變化記憶體元件之 方法。請參照帛1A圖’首先，提供-基底102，接著^ 基底脱上依序形成下電極1〇4、下阻障I 1〇6和化 層⑽。接著，請參照第⑺圖，進行一黃光微影步驟，步 成一圖形化光阻110於相變化層1〇8上。其後，請表昭第 1C圖’以圖形化光阻110為罩幕钱刻相變化層⑽和

障層⑽，⑽成柱軸變化結構112。後續，請參昭第 1D圖，移除圖形化光阻110,並毯覆性的沉積-介電層114 =電極H34和柱形相變化結構112上。接下來，料昭 =圖’研磨介電層114,至暴露出检形相變化結構^ 後、.、買，形成-上阻障層116於柱形相變化結構ιΐ2和 層114上，並形成一上電極118於上阻障岸116上 =_之電流係由相變化層u;和電極;04之 接觸面積決疋，然而，習知相變化記憶體元件之 使用黃光微影製程進行相變化層112之圖形化，2種逆 技術所形成相變化層112和電極刚之 微影製程之極限決定，因此，無法有效的縮小=3 t電極104之接觸面積，使得相變化記憶體元件之^益 法進-步的縮小。此外，黃光微影製程較複雜制^ 較高，又另外，在進行第lc圖之f 衣k成本 阻U0和柱形相變化結構112之堆疊;圖形化光 _〇)太大，進行製程時，此堆疊 :^比㈣ect 率的損失。 構了此會倒塌，造成良 0949-A2l834TWF(N2)；P51950112TW：wayne 7 1320240 【發明内容】 根據上述問題，本發明之 憶體元件之製造方法，可縮小相變二==記 另外，本發明之另1的為 目的。 需之操作電流，減少元件尺寸，進二記憶體所 集度之目的。又另外，本發明之另一目 ==憶體積 變化:之-黃光微影步驟，以降低製造成=:^目 下列步驟：首先，提供一基底，並形成一=，括 著，形成一結晶態之相變化層於下電 此里束照射結晶態之相變化層，使相變 其餘部份為結晶態區域。其後，選二； 二曰域之部份相變化層，保留非晶態區域 二 =籌成-柱形相變化結構。後續，形成一上電極，； ( 生連接柱形相變化結構。 ％ 【實施方式】 以下將以實施例詳細說明做為本發明之參 :伴隨著圖式說明之。在圖式或描述中，相似或相同：二 ”糸使用相同之圖號。在圖式中，實施例之形狀或是厚度 ’ Μ化或是方便標示。圖式中元件之部分將以描 。兄之。可了解的是，未繪示或描述之元件，可以具 各種熟習此技藝之人所知的形式。此外，當敘述—層係位 9 A21834TWF(N2)：P51950Π 2TW：wayne 8 '1320240 於一基底或是另一層上時，此層可直接位於基底或是另一 層上，或是其間亦可以有中介層。 首先，請參照第2A圖，提供一基底202，基底202上 方可以形成任何所需的半導體元件，例如MOS電晶體、電 阻和/或邏輯元件等，此處為簡化圖式，僅以平整的基底表 示之。在本發明的敘述中，”基底”一詞係包括半導體曰曰曰 圓上已形成的元件與覆蓋在晶圓上的各種塗層；” m 面” 一詞係包括半導體晶圓的所露出的最上層，例如石夕曰曰曰 φ 圓表面、絕緣層、金屬導線等。 以例如物理氣相沉積法（physical vapor dep〇Siti〇n ,以 下可簡稱PVD)沉積一下電極204於基底202上，下電極 • 2〇4可以為TiN、TaN或TiW，在本發明較佳貧施例中， • 下電極204為TiW。接下來，以例如物理氣相砣積法沉積 一下阻障層206於下電極204上，其中下阻障層2〇6可以 為TiN所組成。後續，以例如物理氣相沉積法砣積一相鐵 化層208於下阻障層206上，相變化層208可以由Ag、In、 • 丁卜处之組合或Ge、Te、Sb之組合所構成，在本發明較 佳實施例中，相變化層為GhTejb5且摻雜氮、氣和/或碳 之合金。 接下來，請參照第2B圖，一般來說，沉積形成之相織 化層208為非晶態’本實施例係對非晶態相變化層2〇8進 行結晶化處理步驟210，舉例來說，可將形成有相變化層 208之基底202放置在一製程室中，將製程室中通入鈍氣 (例如氮氣）’製程室的溫度約為150oC〜400〇C，進行制ρ 0949-A21834TWF(N2)：P51950i12TW；wayne 9 .1320240 時，至少為5分鐘以上，將非晶態相變化層208轉換成結 ，態。另外，以下提供本發明實施例更佳之製程條件：將 製耘至中通入鈍氣（例如氮氣），製程室的溫度約為 2Q〇°C〜3〇〇〇C，製程時間約為10〜20分鐘，將非晶態相變 化層208轉換成結晶態。如此，經由上述結晶化處理步驟 210，使原本為非晶態之相變層208轉換為結晶態。 接下來，請參照第2C圖，提供一能量源212，發出一 能$束214照射結晶態之相變化層208，使相變化層208 在能量束214照射處產生一高溫，並進而快速冷卻（qUench) 成一非晶態區域216，而其餘部份之相變化層218仍維持 結晶態。在本發明之一實施範例中，能量源212為一電子 源，而發出之能量束214為電子束，其可藉由磁場控制裝 置215控制電子束214路徑，使其照射在相變化層2〇8預 定形成非晶態之區域216，電子束214之光點大小（sp〇t size) 可大體上為5〜15nm。在本發明之另一實施範例中，能量源 212為一光源，而發出能量束214為雷射，其可照射在相 變化層208預定形成非晶態之區域216，雷射214之波長 可大體為385〜425nm，數值孔徑(NA)大體為0.75〜0.95，雷 射214之光點大小（spot size)可大體上為30〜40nm。本發明 不限於此，能量束214亦可以為其它光線，例如深紫外光 (deep UV)。 接下來，請參照第2D圖，將包括結晶態區域218和非 晶態區域216之相變化層208進行一選擇性姓刻製程，選 擇性的移除結晶態區域之部份相變化層，而保留非晶態區 1320240 域之相變化層，如,^ 昭 匕’構成一柱形相變化結構216,。請參 …第3圖’其繪不結晶態和非晶態相變化層之蝕刻速率和 ™值之曲線圖，如圖所示，高PH值之驗性溶㈣

感相是化層之㈣速率較非晶態相變化層之㈣速率高， 據此在本發明之—實施範例中，選擇性㈣製程可採用 “刻lUit ’其餘刻液為例如氨水之驗性液體由於驗 性钱刻液對結晶態相變化層21§的_速率較對非晶離區 域之部份相變化層叫的_速率高，因此，可選擇^ 移除結晶態區域之部份相變化層218。 、後Μ ’睛參照第2E圖’以例如化學氣相沉積法毯覆性 的沉積-介電層22〇 ’覆蓋柱形相變化結構叫，和下阻障 層206’介電層220可以為氧化石夕、氣化石夕、氣氧化石夕或 是低介電材料。接著’請參照第，關如化學機械研 磨法研磨介電層22Q，至暴露出柱形相變化結構216,。後 繽，以例如物理氣相沉積法沉積一上阻障層222於柱形相 變化結構21(5’和介電層220上，其中上阻障層222可以為 ΤιΝ所組成。其後，以例如物理氣相沉積法沉積一上電極 224於上阻障層222上，上電極224可以為TiN、TaN或 TiW，在本發明較佳實施例中，上電極224為TiW。 根據上述實施例’相變化層208之圖形化係使用選擇 性蝕刻遠成’可減少圖形化相變化層之一黃光微影步驟， 以降低製造成本和製程複雜度，另外，本發明柱形相變化 結構.216’和電極204之接觸面積之尺寸可由能量束214之 光點Λ小（sPot size)決定，以電子束為例其光點大小約為 1320240 5〜15nm，所形成之柱形相變化結構216’之水平截面直徑可 約小於30nm，以雷射為例，其光點大小為30〜4〇nm，所形 成之柱形相變化結構216’之水平截面直徑可約小於 50nm，遠小於習知技術以黃光微影製程所形成之柱形相變 化結構之尺寸，因此，可降低讀寫相變化記憶體所需之操 作電流，而減少相變化記憶元件尺寸。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 • 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

12 1320240 【圖式簡單說明】 第1A圖〜第1E圖揭示習知相變化記憶體元件之製造 方法。 第2A圖〜第2G圖揭示本發明一實施例相變化記憶體 元件之製造方法。 第3圖繪示結晶態和非晶態相變化層之4虫刻速率和PH 值之曲線圖。 【主要元件符號說明】 102〜基底； 104〜下電極； 106〜下阻障層； 108〜相變化層； 110〜圖形化光阻； 112〜柱形相變化結構； 114〜介電層； 116〜上阻障層； 118〜上電極， 202〜基底； 204〜下電極； 206〜下阻障層； 208〜相變化層； 210〜結晶化處理步驟； 212〜能量源； 0949-A21834TWF(N2)；P51950112TW；wayne 13 1320240 214〜能量束； 215〜磁場控制裝置； 216〜相變化層之非晶態區域； 218〜相變化層之結晶態區域； 216’〜柱形相變化結構； 220〜介電層； 222〜上阻障層； 224〜上電極。

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Claims (1)

1320240 修正日期:98.11.20 修正本 第 95145126 號 十、申請專利範圍： 1.一種相變化記憶體元件之製造方法，包括： 提供一基底； 形成一下電極於該基底上或是上方； 形成一結晶態之相變化層於該下電極上； 以-能量束照射該結晶態之相變化層，使該結晶態之 相變化層形成-非晶態區域，其餘部份為結晶態區域； t擇性的移除該結晶態區域之部份相變化層，保留該 非晶態區域之部份相變化層，構成一柱形相變化結構；及 形成-上電極’電性連接該柱形相變化結構。 製造=申請/二=第 之步驟包括 相變化層於該下電極上 沉積一相變化層於該下電極上；及 結晶ΐ該相變化層進行—結晶化處理，，使該相變化層成為 t二申相變化記件之 製造3 _如變化_元件之 5〜l5nm。 電子束之光點大小（哪㈣大體上為 製造5方如法申^利範㈣1項所述之相變化記龍元件之 /、肀該能量束為一雷射。 •如申請專利範圍第5項所述之相變化記憶體元件之 15 1320240 . 製造方法，其中該雷射之波長大體為385〜425nm，數值孔 徑（NA)大體上為0.75〜0.95。 7. 如申請專利範圍第1項所述之相變化記憶體元件之 製造方法，其中該選擇性的移除該非晶態區域外之部份相 變化層之步驟係採用一濕蝕刻製程，其中該濕蝕刻製程之 蝕刻液對結晶態之相變化層的蝕刻速率較對非晶態之相變 化層的姓刻速率高。 8. 如申請專利範圍第7項所述之相變化記憶體元件之 # 製造方法，其中該蝕刻液為一鹼性溶液。 9. 如申請專利範圍第8項所述之相變化記憶體元件之 製造方法，其中該蝕刻液為氨水。 ， 10.—種相變化記憶體元件之製造方法，包括： - 提供一基底； 形成一下電極於該基底上或是上方； 形成一下阻障層於該下電極上； 形成一相變化層於該下阻障層上； ® 對該相變化層進行一結晶化處理，使該相變化層成為 結晶態， 以一能量束照射該結晶化處理後之相變化層，使該相 變化層在該能量束照射區域形成一非晶態區域，而非晶態 區域以外之部份為結晶態區域； 以一#刻液對該相變化層進行餘刻，其中該餘刻液對 於該相變化層之非晶態區域之蝕刻速率較對該相變化層之 結晶態區域低，因此，該蝕刻步驟選擇性的移除該結晶態 16 1320240 區域之部份相變化層，而保留該非晶態區域之部份相變化 層，構成一柱形相變化結構； 形成一介電層，覆蓋該柱形相變化結構和該下阻障層； 研磨该介電層，暴露出該柱形相變化結構； 形成一上阻障層於該柱形相變化結構和該介電層上； 及 s f 形成一上電極於該上阻障層上。 11·如申請專利範圍帛！0項所述之相變化記憶體元件 之製造方法，其中該能量束為一電子束。 12. 如申4專利㈣第u項所述之相變化記憶體元件 之製造方法，其中該電子束之光點大小㈣㈣大體上為 5〜15nm。 13. 如申請專職圍第1Q項所述之相變化記憶體元件 之製造方法，其中該能量束為一雷射。 ,14.如申凊專利範圍帛13賴述之相變化記憶體元件 之製造方法，其巾該雷射之波長讀為385〜425麵，數值 孔徑(NA)大體為0.7.5〜0.95。 ,15.如申δ月專利範圍帛13項所述之相變化記憶體元件 之製造方法’其中該雷射之光點大小（spot size)大體上為 30〜50nm 。 16. 如申明專利_帛1〇項所述之相變化記憶體元件 之製造方b其巾祕_為—祕溶液。 17. 如中#專利㈣帛^項所述之相變化記憶體元件 之製造枝，其中該_液為氨水。 1320240 18.如申請專利範圍第1〇項所述之相變化記憶體元件 之製造方法，其中朗該相變化層進行—結晶化處理之步 驟包括： 將該包括相變化層之基底放置於一製程室中；及 通入一鈍氣於該製程室中，且使該製程室維持 150°C〜超過5分鐘。 ,19·如申請專利範圍第1〇項所述之相變化記憶體元件 之製造方法，其中該對該相變化層進行一結晶化處理之步 驟包括： 將該包括相變化層之基底放置於一製程室中；及 通入一鈍氣於該製程室中’且使該製程室維持 200°C〜300°C大體10〜20分鐘。