TWI841424B - 相變材料開關裝置及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種相變材料開關裝置包括：半導體基板上方的底部介電層；設置於底部介電層上的第一加熱器元件，第一加熱器元件包含以第一熱膨脹係數(CTE)為特徵的第一金屬元件；設置於第一加熱器元件上的第二加熱器元件，第二加熱器元件包含以大於第一熱膨脹係數的第二熱膨脹係數為特徵的第二金屬元件；第一金屬襯墊及第二金屬襯墊；及包含PCM的PCM區，PCM可操作以回應於由第一加熱器元件及第二加熱器元件產生的熱量而在非晶態與晶態之間切換，其中PCM區設置於第二加熱器元件的頂表面之上，且氣隙自三個側面圍繞第一加熱器元件及第二加熱器元件。
Description
本揭露的實施例基本上關於射頻裝置，特別是相變材料射頻開關裝置。
由於多種電子組件(例如，電晶體、二極體、電阻器、電容器等)的積體密度不斷提高，半導體行業已經歷快速增長。在很大程度上，積體密度的提高是由於最小特徵尺寸的迭代減小，從而允許將更多組件整合至給定面積中。始終需要提高半導體裝置的性能。
根據本揭露的一些實施例，一種相變材料開關裝置包含：一底部介電層，位於一半導體基板上方；一第一加熱器元件，設置於該底部介電層上，該第一加熱器元件包含以一第一熱膨脹係數為特徵的一第一金屬元件；一第二加熱器元件，設置於該第一加熱器元件上，該第二加熱器元件包含以一第二熱膨脹係數為特徵的一第二金屬元件，其中該第二熱膨脹係數大於該第一熱膨脹係數；一第一金屬襯墊，設置於該底部介電層上，其中在一第一水平方向
上該第一金屬襯墊側向於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的一第一側面，其間具有一第一氣隙部分；一第二金屬襯墊，設置於該底部介電層上，其中在該第一水平方向上該第二金屬襯墊側向於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的一第二側面，其間具有一第二氣隙部分；及一相變材料區，包含一相變材料，該相變材料可操作以回應於由該第一加熱器元件及該第二加熱器元件產生的熱量而在一非晶態與一晶態之間切換，其中該相變材料區在該第二加熱器元件的一頂表面之上，其間具有一第三氣隙部分。
根據本揭露的一些實施例，一種製造相變材料開關裝置的方法包含以下步驟：提供一底部介電層；在該底部介電層上形成一第一加熱器元件，該第一加熱器元件包含以一第一熱膨脹係數為特徵的一第一金屬元件；在該第一加熱器元件上形成一第二加熱器元件，該第二加熱器元件包含以一第二熱膨脹係數為特徵的一第二金屬元件，該第二熱膨脹係數大於該第一熱膨脹係數；在該底部介電層上形成一第一金屬襯墊，其中在一第一水平方向上該第一金屬襯墊側向於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的一第一側面，其間具有一第一氣隙部分；在該底部介電層上形成一第二金屬襯墊，其中在該第一水平方向上該第二金屬襯墊側向於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的一第二側面，其間具有一第二氣隙部分；及在該第一金屬襯墊及該第二金屬襯墊上並在該第二加熱器元件的一頂表面
之上形成一相變材料區，其間具有一第三氣隙部分，其中該相變材料區包含一相變材料，該相變材料可操作以回應於由該第一加熱器元件及該第二加熱器元件產生的熱量而在一非晶態與一晶態之間切換。
根據本揭露的一些實施例，一種相變材料開關裝置包含：一底部介電層，位於一半導體基板上方；一第一加熱器元件，設置於該底部介電層上，該第一加熱器元件包含以一第一熱膨脹係數為特徵的一第一金屬元件；一第二加熱器元件，設置於該第一加熱器元件上，該第二加熱器元件包含以一第二熱膨脹係數為特徵的一第二金屬元件，其中該第二熱膨脹係數大於該第一熱膨脹係數；一第一金屬襯墊及一第二金屬襯墊，設置於該底部介電層上且分別位於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的兩個側面；及一相變材料區包含一相變材料，該相變材料可回應於由該第一加熱器元件及該第二加熱器元件產生的熱量而在一非晶態與一晶態之間切換，其中該相變材料區設置於該第一金屬襯墊及該第二金屬襯墊上並在該第二加熱器元件的一頂表面之上，且一氣隙自三個側面圍繞該第一加熱器元件及該第二加熱器元件。
100:PCM RF開關
110A:RF襯墊
110B:RF襯墊
110':第一金屬層
120C:第一加熱器元件
121C:第二加熱器元件
123C:雙層加熱器元件
132:頂表面
134:底表面
136:尖端
138:底表面
139:散熱路徑
160:氣隙
160A:氣隙部分
160B:氣隙部分
160C:氣隙部分
170:犧牲區
180:PCM區
180':PCM層
190:底部介電層
302:RF埠
304:RF埠
312:電阻器
314:電阻器
316:電阻器
400:方法
402~420:操作
600:方法
602~608:操作
C1:電容器
C2:電容器
本揭露的態樣在與隨附圖式一起研讀時自以下詳細描述內容來最佳地理解。應注意，根據行業中的標準規範，各種特徵未按比例繪製。實際上，各種特徵的尺寸可為了論述清楚經任意地增大或減小。
第1A圖繪示根據一些實施例的實例相變材料(phase-change material，PCM)射頻(radio frequency，RF)開關之示意圖。
第1B圖繪示根據一些實施例的第1A圖中所示的PCM RF開關的橫截面之示意圖。
第1C圖繪示根據一些實施例的寫入操作期間第1A圖中所示的PCM RF開關的橫截面之示意圖。
第2圖繪示根據一些實施例的可防止的軟重設之示意圖。
第3圖繪示根據一些實施例的PCM區的實例等效電路之示意圖。
第4圖繪示根據一些實施例的製造PCM RF開關的實例方法之流程圖。
第5A圖至第5H圖係根據一些實施例的處於各種製造階段的PCM RF開關的一部分之橫截面圖。
第6圖繪示根據一些實施例的操作PCM RF開關的實例方法之流程圖。
以下揭示內容提供用於實施所提供標的物的不同特徵的許多不同實施例、或實例。下文描述組件及配置的特定實例以簡化本揭露。當然，這些僅為實例且非意欲為限制性的。舉例而言，在以下描述中第一特徵於第二特徵上方或上的形成可包括第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，且亦可包括額外特徵可形成於第一特徵與第
二特徵之間使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。此外，本揭露在各種實例中可重複參考數字及/或字母。此重複係出於簡單及清楚之目的，且本身且不指明所論述之各種實施例及/或組態之間的關係。
此外，為了便於描述，在本文中可使用空間相對術語，諸如「在......下方」、「在......之下」、「下部」、「在......之上」、「上部」及類似者，來描述諸圖中繪示之一個元件或特徵與另一(多個)元件或特徵之關係。空間相對術語意欲涵蓋除了諸圖中所描繪的定向以外的裝置在使用或操作時的不同定向。器件可另外定向(旋轉90度或處於其他定向)，且本文中所使用之空間相對描述符可類似地加以相應解釋。
此外，源極/汲極區可係指源極或汲極，單獨或集體地取決於上下文。舉例而言，裝置可包括第一源極/汲極區及第二源極/汲極區、以及其他組件。第一源極/汲極區可係源極區，而第二源極/汲極區可係汲極區，反之亦然。本領域的一般技藝人士將認識到許多變化、修改、及替代方案。
本揭露的一些實施例經描述。可在這些實施例中描述的階段之前、期間、及/或之後提供額外操作。針對不同的實施例，可替換或消除所描述的階段中之一些。以下描述的特徵中之一些可經替換或消除，並可針對不同的實施例添加額外特徵。儘管一些實施例討論以特定次序執行的操作，但這些操作可以另一邏輯次序執行。
射頻(radio frequency，RF)開關或微波開關(有時亦稱為「RF開關裝置」或「微波開關裝置」)係經由傳輸路徑路由高頻訊號的裝置。RF或微波開關廣泛用於微波測試系統中，用於儀器與待測裝置(devices under test，DUT)之間的訊號路由。此外，RF開關廣泛應用於無線通訊中。
相變材料(phase-change material，PCM)RF開關係一種新態樣RF開關。PCM RF開關基於PCM開關機制來操作。PCM開關機制係PCM在電阻狀態，即，非晶體關斷狀態(即，高電阻狀態)與晶體導通狀態(即，低電阻狀態)之間可逆切換的機制。可逆切換藉由改變PCM的相位來致能，包括可基於例如透過焦耳加熱的溫度變化序列在非晶體與晶體之間改變相位的結構。焦耳加熱涉及電流經由例如導電材料的流動期間產生的熱量。舉例而言，當PCM將相位自晶體改變為非晶體時，由於加熱及冷卻序列由例如來自控制電路系統的施加之電壓偏置控制，PCM的電阻分別自低至高改變。因此，可藉由在高電阻狀態與低電阻狀態之間切換來導通或關斷PCM RF開關。
焦耳加熱通常藉由具有所需脈衝寬度及所需下降時間的溫度脈衝(由電流脈衝實施)控制。在重設操作(即，自晶態改變為非晶態)中，使用高電流將PCM的溫度提升至其熔化溫度之上，並快速冷卻(即，短的下降時間)以淬熄PCM，從而防止再結晶。在設定操作(即，自非晶態改變為晶態)中，使用中電流將PCM的溫度提升至其結晶溫
度之上但在其熔化溫度之下。成核形成的脈衝寬度相對長，而晶體生長的下降時間相對長。
在一些實施中，在PCM與加熱器元件之間插入諸如氮化矽(SiN)層的介電層，以使加熱器元件與PCM絕緣，並防止多個循環之後的相間隔離(即，PCM組成中的改變)。因此，因為存在氮化矽層，所以焦耳加熱係間接加熱的。間接加熱需要更多的功率以供切換。因此，熱傳輸的效率可受到影響。
氮化矽層通常具有比加熱器元件更大的面積(即，水平延伸超出加熱器元件)，且在寫入操作期間由加熱器元件產生的熱量的一部分側向耗散而非垂直耗散。因此，存在側向熱損耗，且寫入操作期間的功率消耗增加。熱分佈的效率會受到影響。
此外，側向熱耗散導致不在加熱器元件上的PCM的一部分未完全重設(即，並非完全非晶態，有時亦稱為「軟重設」)，因為彼處溫度升高但未達到熔化溫度。PCM的軟重設部分可產生寄生電阻。以下將參考例如第2圖更詳細地描述軟重設。
最後，擴展氮化矽層亦會導致大的寄生電容。大寄生電容會對PCM RF開關在關斷狀態下的隔離產生負面影響(即，在關斷狀態下非所需訊號之衰減)。
根據本揭露的一些態樣，提供一種相變材料(phase-change material，PCM)開關裝置。PCM開關裝置包括雙層加熱器元件及圍繞雙層加熱器元件的三個
側面的氣隙。在一個實施例中，雙層加熱器元件包括包含第一金屬元件的第一加熱器元件及包含第二金屬元件的第二加熱器元件。第一金屬元件以第一熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion，CTE)為特徵，而第二金屬元件以大於第一熱膨脹係數的第二熱膨脹係數為特徵。在寫入操作中，第二加熱器元件變形，且第二加熱器元件的頂表面朝向包含PCM的PCM區向上突出。因此，散熱路徑建立。PCM回應於產生的熱量在非晶態與晶態之間切換。PCM開關裝置亦相應地進行切換。
首先，因為存在氣隙及雙層加熱器元件，所以熱分佈效率提高。雙層加熱器元件與PCM區之間沒有習知介電層。因此，習知介電層不會吸收由雙層加熱器元件產生的熱量。此外，由於僅第二加熱器元件的頂表面的尖端及靠近尖端的小區域與PCM區的底表面接觸，故側向熱耗散經抑制。因此，垂直方向上的預期熱傳輸更加集中或聚焦，熱傳輸效率進一步提高。寫入操作期間所需的功率相應地降低。
其次，關斷狀態電容減小。由於存在氣隙(以約1的相對低介電常數為特徵)而非習知PCM RF開關中由氮化矽製成的氮化矽層(以7至8的相對高介電常數為特徵)，關斷狀態電容減小，且PCM RF開關的優值(figure of merit，FOM)增加。
第三，由於軟重設，讀取路徑中的寄生電阻得以緩解或防止。導通狀態電阻Ron相應地提高。
下文將參考第1A圖至第6圖描述PCM開關裝置的細節及這些益處。
實例PCM RF開關
第1A圖繪示根據一些實施例的實例PCM RF開關100之示意圖。第1A圖是立體圖。第1B圖繪示根據一些實施例的第1A圖中所示PCM RF開關100的橫截面之示意圖。第1C圖繪示根據一些實施例的寫入操作期間第1A圖中所示的PCM RF開關100的橫截面之示意圖。應理解，第1A圖及第1B圖並非按比例繪製。
在第1A圖及第1B圖中所示的實例中，實例PCM RF開關100包括底部介電層190、第一加熱器元件120C、第二加熱器元件121C、PCM區180、兩個RF襯墊(有時亦稱為「金屬襯墊」)110A及110B、以及其他元件。第二加熱器元件121C設置於第一加熱器元件120C上，如第1A圖及第1B圖中所示。第一加熱器元件120C與第二加熱器元件121C之組合可稱為「雙層加熱器元件」123C。雙層加熱器元件123C周圍以及雙層加熱器元件123C與PCM區180以及RF襯墊110A及110B之間存在氣隙160。應理解，PCM RF開關100可包括其他組件，諸如電連接至RF襯墊110A及110B的結構。
第一加熱器元件120C設置於底部介電層190的頂表面上。在一個實施例中，底部介電層190包含二氧化矽。在其他實施例中，底部介電層190包含其他介電材料。在一個實施中，底部介電層190係包含例如矽的半導體基
板上方的層間介電層。在另一實施例中，底部介電層190係包含例如矽的半導體基板的頂表面上的介電層。應理解，這些實施例及實施並非意欲為限制性的。
在第1A圖及第1B圖中所示的實例中，第一加熱器元件120C是細長的並在第一水平方向(即，Y方向)上延伸。在一些實施例中，加熱器襯墊分別位於第一加熱器元件120C的第一末端及第二末端處。當施加電壓時，電流在第一加熱器元件120C的加熱器襯墊之間流動穿過第一加熱器元件120C。如上所述，由第一加熱器元件120C產生的熱量可由電流來控制。
在第1A圖及第1B圖中所示的實例中，第二加熱器元件121C設置於第一加熱器元件120C的頂表面上，並在Y方向上延伸。在第1A圖及第1B圖中所示的實例中，當不處於寫入操作(即，沒有電流流動穿過其中)時，第二加熱器元件121C在垂直於第一水平方向的第二水平方向(即，X方向)上具有與第一加熱器元件120C基本相同的寬度。當差異小於5%時，第二加熱器元件121C的寬度與第一加熱器元件120C的寬度基本相同。在一個實例中，當不處於寫入操作時，第二加熱器元件121C的寬度與第一加熱器元件120C的寬度相同。
同樣，在一些實施例中，加熱器襯墊分別位於第二加熱器元件121C的第一末端及第二末端處。當施加電壓時，電流在第二加熱器元件121C的加熱器襯墊之間流動穿過第二加熱器元件121C。如上所述，由第二加熱器元
件121C產生的熱量可由電流來控制。在一個實施中，第二加熱器元件121C的諸加熱器襯墊在水平面(即，X-Y平面)中具有相同的形狀及尺寸。
有利地，第一加熱器元件120C的材料及第二加熱器元件121C的材料以相對高的熱導率及相對低的電阻率為特徵。相對高熱導率有助於提高熱傳輸效率，而相對低電阻率有助於提高寫入操作效率。
在一些實施例中，第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C的候選材料包括鎢(W)、鈦(Ti)、鋁(Al)、及鉭(Ta)。使用線性熱膨脹係數(coefficient of linear thermal expansion，CLTE)量度，鎢(W)的CLTE為4.5×10-6K-1；鈦(Ti)的CLTE為8.6×10-6K-1；鋁(Al)的CLTE為23.1×10-6K-1；鉭(Ta)的CLTE為6.4×10-6K-1。
如下所述，第二加熱器元件121C的CLTE大於第一加熱器元件120C的CLTE。因此，在不同的實施例中可採用以下組合。在一個實施例中，第一加熱器元件120C包含鎢(W)；第二加熱器元件121C包含鉭(Ta)。在另一實施例中，第一加熱器元件120C包含鎢(W)；第二加熱器元件121C包含鈦(Ti)。在又另一實施例中，第一加熱器元件120C包含鎢(W)；第二加熱器元件121C包含鋁(Al)。在仍然另一實施例中，第一加熱器元件120C包含鉭(Ta)；第二加熱器元件121C包含鈦(Ti)。在一個實施例中，第一加熱器元件120C包含鉭(Ta)；第二加熱
器元件121C包含鋁(Al)。在另一實施例中，第一加熱器元件120C包含鈦(Ti)；第二加熱器元件121C包含鋁(Al)。
RF襯墊110A及110B設置於底部介電層190上。RF襯墊110A設置於第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C的一個側面(在X方向上)處，其間具有氣隙部分160A。RF襯墊110B設置於第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C的另一側面(在X方向上)處，其間具有氣隙部分160B。換言之，RF襯墊110A及RF襯墊110B分別設置於底部介電層190上第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C的兩個側面處。儘管在第1A圖中所示的實例中，RF襯墊110A及110B由PCM區180覆蓋，但一般技藝人士將認識到，RF襯墊110A及110B可水平延伸，而無需由PCM區180覆蓋，從而形成相對大面積以供襯墊連接。
PCM區180設置於RF襯墊110A及110B上。X方向上PCM區180的兩個末端分別與RF襯墊110A及110B接觸。具體地，X方向上PCM區180的第一末端設置於RF襯墊110A上並電連接至RF襯墊110A，且X方向上PCM區180的第二末端設置於RF襯墊110B上並電連接至RF襯墊110B。第一末端與第二末端之間PCM區180的中心區在第二加熱器元件121C的頂表面132之上，其間有氣隙部分160C。氣隙160(在第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C與RF襯墊110A
及110B以及PCM區180之間)包含氣隙部分160A、160B、及160C。氣隙160自三個側面(即，頂部側面及兩個側向側面)圍繞第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C。
如上所述，PCM區180的電阻狀態可在非晶體與晶體之間進行可逆切換。當PCM區180在晶體與非晶體之間改變相位時，PCM RF開關相應地導通或關斷。
在一些實例中，PCM區180包含以下各者的一或多個層：Ga-Sb、In-Sb、In-Se、Sb-Te、Ge-Te、及Ge-Sb的二元系；Ge-Sb-Te、In-Sb-Te、Ga-Se-Te、Sn-Sb-Te、In-Sb-Ge、及Ga-Sb-Te的三元系；Ag-In-Sb-Te、Ge-Sn-Sb-Te、Ge-Sb-Se-Te、Te-Ge-Sb-S、Ge-Sb-Te-O、及Ge-Sb-Te-N的四元系；含有來自週期表VI族的一或多個元素的硫系合金、Ge-Sb-Te合金、Ge2Sb2Te5、氧化鎢、氧化鎳、氧化銅、或其組合。在一個實施例中，PCM區180的PCM包含碲化鍺(GeTe)。在一個實施例中，PCM區180的PCM包含碲化銻(Sb2Te3)。應理解，這些材料係例示性而非限制性的。在一些實施方案中，PCM區180藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)、脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition，PLD)、濺射、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、或任何其他適合的薄膜沉積製程形成。
PCM區180的晶相與非晶相之間的相轉變與PCM區180的材料結構的長程有序與短程有序之間的相互作用有關。舉例而言，長程有序的崩潰會產生非晶相。晶相中的長程有序有助於導電，而非晶相阻礙導電並導致高電阻。為了針對不同的需要調諧PCM區180的性質，PCM區180的材料可摻雜有不同量的各種元素，以調整材料的鍵合結構內短程有序與長程有序的比例。摻雜元素可係經由使用例如離子植入或擴散用於半導體摻雜的任何元素。
如第1A圖及第1B圖中所示，RF襯墊110A及110B中之各者均與PCM區180接觸。因此，存在自RF襯墊110A經由PCM區180至RF襯墊110B的電路徑(即，讀取路徑)。讀取路徑與寫入路徑分離。當PCM區180處於非晶態時，電路徑切斷，且PCM RF開關100關斷。當PCM區180處於晶態時，電路徑建立，且PCM RF開關100導通。導通狀態下的電阻(即，Ron)由第1B圖中所示的電阻器符號表示。
寫入操作實例
如第1C圖中所示，第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C在寫入操作期間產生熱量。由於第一加熱器元件120C與第二加熱器元件121C彼此接觸，且兩者均具有相對高的熱導率，故在一些實例中，第一加熱器元件120C的溫度接近於、或甚至等於第二加熱器元件121C的溫度。第一加熱器元件120C及第二加熱器元件
121C的溫度由於產生的熱量而升高。
然而，第二加熱器元件121C的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion，CTE)大於第一加熱器元件120C的熱膨脹係數。材料的CTE係指示材料在加熱時膨脹的程度的性質。不同的材料具有不同的熱膨脹係數。因為第二加熱器元件121C的熱膨脹係數大於第一加熱器元件120C的熱膨脹係數，所以在寫入操作期間經加熱時，第二加熱器元件121C的膨脹程度大於第一加熱器元件120C。結果，第二加熱器元件121C變形。
在第1C圖中所示的實例中，第二加熱器元件121C由於熱膨脹係數差異而變形。由於第二加熱器元件121C變形，第二加熱器元件121C朝向PCM區180向上突出。頂表面132及底表面134變為彎曲表面而非平坦表面。在一個實例中，頂表面132及底表面134變為單彎曲表面(即，這些彎曲表面在X方向而非Y方向上變得彎曲)。頂表面132的尖端136(及尖端136附近的小區域)與PCM區180的底表面138接觸。因此，散熱路徑139(如第1C圖中的箭頭所示)建立。寫入操作期間由流動穿過第二加熱器元件121C的電流產生的熱量在垂直方向(即，第1C圖中所示的Z方向)上耗散至PCM區180；寫入操作期間由流動穿過第一加熱器元件120C的電流產生的熱量經由第二加熱器元件121C耗散至PCM區180。
當PCM區180的溫度高於PCM區180的熔化溫度時，PCM區180自晶態改變為非晶態並轉換成高電
阻狀態。當PCM區180的溫度高於結晶溫度但低於PCM區180的熔化溫度時，PCM區180自非晶態改變為晶態並轉換成低電阻狀態。
由於存在氣隙160及雙層加熱器元件123C，熱分佈效率提高。在雙層加熱器元件123C與PCM區180之間沒有習知介電層。結果，不會由習知介電層吸收由雙層加熱器元件123C產生的熱量。此外，由於僅第二加熱器元件121C的頂表面132的尖端136及尖端附近的小區域與PCM區180的底表面138接觸，故側向熱耗散經抑制。因此，垂直方向上的預期熱傳輸更加集中或聚焦，熱傳輸效率進一步提高。寫入操作期間所需的功率相應地降低。
關斷狀態電容Coff減小。如第1B圖中所示，關斷狀態電容Coff可視為並聯連接的兩個電容器C1與C2。針對電容器C1及C2中之各者，電容由RF襯墊110A/110B與雙層加熱器元件123C之間的材料判定。由於存在氣隙160(以約1的相對低介電常數為特徵)而非習知PCM RF開關中由氮化矽製成的氮化矽層(以7至8的相對高介電常數為特徵)，電容器C1及C2的電容減小。因此，關斷狀態電容Coff減小，且PCM RF開關100的隔離度得以改善。與1/(2π×R on ×C off )成比例的PCM RF開關100的優值(figure of merit，FOM)增加。Ron係導通狀態電阻。插入損耗(即，當PCM RF開關導通時，輸出埠的輸出功率與輸入埠的輸入功率之比)及隔離度(即，
當PCM RF開關關斷時，輸出功率與輸入功率之比)亦得以改善。
減輕或防止與軟重設相關的寄生電阻
第2圖繪示根據一些實施例的可防止的軟重設之示意圖。第3圖繪示根據一些實施例的PCM區的實例等效電路之示意圖。如第2圖中所示，在寫入操作期間實施的重設操作中，PCM電阻隨著溫度的升高而變化。在重設操作(即，自晶態改變為非晶態)中，使用高電流將PCM的溫度提升至其熔化溫度之上(即，第2圖中所示的區域3)，並快速冷卻(即，短的下降時間)以淬熄PCM，從而防止再結晶。然而，若溫度升高但未達到熔化溫度(即，第2圖中所示的區域2)，則PCM電阻低於完全非晶態PCM之電阻。
在習知結構中，由於側向熱耗散，加熱器元件與PCM區之間重疊區域的兩側上的PCM區的一部分經軟重設。
相反，第1A圖至第1C圖中所示的PCM RF開關100可減輕甚至防止軟重設區的發生，因為垂直方向上的預期熱傳輸更集中或更聚焦。因此，如第3圖中所示，RF埠302(舉例而言，對應於第1A圖中所示的RF襯墊110A)與RF埠304(舉例而言，對應於第1A圖中所示的RF襯墊110B)之間的讀取路徑可視為對應於PCM區180的中心處的活性PCM區的電阻器312，以及對應於PCM區180的周邊區域的新PCM區的電阻器314及316。
換言之，在第3圖中所示的等效電路中習知結構中對應於軟重設區的電阻器經消除。讀取路徑中由於軟重設導致的寄生電阻得以緩解或防止。導通狀態電阻Ron相應地提高。
實例製程流程
第4圖繪示根據一些實施例的用於製造PCM RF開關的實例方法400之流程圖。在第4圖中所示的實例中，方法400包括操作402、404、406、408、410、412、414、416、418、及420。可執行額外操作。此外，應理解，上文參考第4圖討論的各種操作的序列係出於說明目的而提供的，且因此，其他實施例可利用不同的序列。這些各種操作序列待包括於實施例的範疇內。第5A圖至第5H圖繪示根據一些實施例的處於各種製造階段的PCM RF開關的一部分之橫截面圖。
方法400開始自操作402。在操作402處，提供底部介電層。在一個實施中，底部介電層係在包含例如矽的半導體基板上方的層間介電層。在另一實施中，底部介電層係在包含例如矽的半導體基板的頂表面上的介電層。應理解，這些實施並非意欲為限制性的。
在第5A圖中所示的實例中，提供底部介電層190。在一個實施例中，底部介電層190包含以相對低熱導率(約1.4W/(m.K))為特徵的二氧化矽，這有利於熱約束。在其他實施例中，底部介電層190包含其他介電材料。
在操作404處，在底部介電層上形成第一加熱器
元件層。第一加熱器元件層包含第一金屬元件。第二金屬元件以第一CTE為特徵。在一個實施中，第一加熱器元件層藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)、脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition，PLD)、濺射、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、或任何其他適合的製程形成。
在操作406處，第二加熱器元件層形成於第一加熱器元件層上。第二加熱器元件層包含第二金屬元件。第二金屬元件以第二CTE為特徵。第二CTE大於第一CTE。在一個實施中，第一加熱器元件層藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)、脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition，PLD)、濺射、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、或任何其他適合的製程形成。
在操作408處，第二加熱器元件層及第一加熱器元件層經圖案化及蝕刻以形成第二加熱器元件及第一加熱器元件。在一個實施中，在第二加熱器元件層上形成光阻劑層，接著使用光學微影術進行圖案化，且隨後蝕刻第二加熱器元件層及第一加熱器元件層的經曝光區域。
在第5B圖中所示的實例中，在操作404至408之後，第一加熱器元件120C設置於底部介電層190上，且第二加熱器元件121C設置於第一加熱器元件120C上。
在第5B圖中所示的實例中，當第二加熱器元件121C不處於寫入操作(即，沒有電流流動穿過其中)時，其在X方向上具有與第一加熱器元件120C相同的寬度。
在一個實施例中，第一加熱器元件120C包含鎢(W)；第二加熱器元件121C包含鉭(Ta)。在另一實施例中，第一加熱器元件120C包含鎢(W)；第二加熱器元件121C包含鈦(Ti)。在又另一實施例中，第一加熱器元件120C包含鎢(W)；第二加熱器元件121C包含鋁(Al)。在仍然另一實施例中，第一加熱器元件120C包含鉭(Ta)；第二加熱器元件121C包含鈦(Ti)。在一個實施例中，第一加熱器元件120C包含鉭(Ta)；第二加熱器元件121C包含鋁(Al)。在另一實施例中，第一加熱器元件120C包含鈦(Ti)；第二加熱器元件121C包含鋁(Al)。
在操作410處，形成第一金屬層。在一個實施中，第一加熱器元件層藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)、脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition，PLD)、濺射、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、或任何其他適合的製程形成。在第5C圖中所示的實例中，形成第一金屬層110'。
在操作412處，第一金屬層經圖案化及蝕刻以形成RF襯墊。在一個實施中，在第一金屬層上形成光阻劑層，接著使用光學微影術進行圖案化，且隨後蝕刻第一金屬層的經曝光區域。
在第5D圖中所示的實例中，RF襯墊110A及110B形成於底部介電層190上。在X方向上RF襯墊110A側向設置於第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C的左側面，其間具有氣隙部分160A。在X方向上RF襯墊110B側向設置於第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C的右側面，其間具有氣隙部分160B。第二加熱器元件121C的頂表面132在Z方向上低於RF襯墊110A及110B的頂表面。
在操作414處，形成犧牲區。犧牲區自頂部側面及兩個側向側面圍繞第一加熱器元件及第二加熱器元件。犧牲區由在後續犧牲釋放製程中可選擇性移除的材料製成。在一個實施例中，犧牲區包含氮化矽。在另一實施例中，犧牲區係有機介電層(organic dielectric layer，ODL)。應理解，在其他實施例中，犧牲區可包含其他適合的材料。在一些實施中，犧牲區藉由形成犧牲層並執行諸如化學機械研磨(chemical-mechanical polishing，CMP)製程的平坦化製程以移除犧牲層的多餘部分來形成。
在第5E圖中所示的實例中，犧牲區170自頂部側面(在Z方向上)及兩個側向側面(在X方向上)圍繞第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C。第5D圖中所示的氣隙部分160A及160B由犧牲區170填充。第1B圖中所示的氣隙部分160C亦由犧牲區170填充。
在操作416處形成PCM層。PCM層形成於底部
介電層的頂表面、RF襯墊的頂表面、及犧牲區的頂表面上。如上所述，PCM層可包含以下各者的一或多個層：Ga-Sb、In-Sb、In-Se、Sb-Te、Ge-Te、及Ge-Sb的二元系；Ge-Sb-Te、In-Sb-Te、Ga-Se-Te、Sn-Sb-Te、In-Sb-Ge、及Ga-Sb-Te三元系；Ag-In-Sb-Te、Ge-Sn-Sb-Te、Ge-Sb-Se-Te、Te-Ge-Sb-S、Ge-Sb-Te-O、及Ge-Sb-Te-N的四元系；含有來自週期表VI族的一或多個元素的硫系合金、Ge-Sb-Te合金、Ge2Sb2Te5、氧化鎢、氧化鎳、氧化銅、或其組合。應理解，這些材料是例示性的而非限制性的。
在一些實施中，PCM層藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)、脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition，PLD)、濺射、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、或任何其他適合的薄膜沉積製程形成。
在第5F圖中所示的實例中，PCM層180'形成於底部介電層190的頂表面、RF襯墊110A及110B的頂表面、及犧牲區170的頂表面上。
在操作418處，PCM層經圖案化及蝕刻以形成PCM區。在一個實施中，在操作416處形成的PCM層上形成光阻劑層，接著使用光學微影術進行圖案化，且隨後蝕刻PCM層的經曝光區域。
在第5G圖中所示的實例中，在第5F圖中所示的
PCM層180'經圖案化及蝕刻之後形成PCM區180。如第5G圖中所示，PCM區180設置於RF襯墊110A及110B的頂表面以及犧牲區170的頂表面上。
在操作420處，移除犧牲區。在一個實施中，使用犧牲釋放製程來移除犧牲區。如上所述，犧牲區由在後續犧牲釋放製程中可選擇性地移除的材料製成。在移除犧牲區之後，形成氣隙。
犧牲釋放製程係在犧牲區上形成結構的製程，該結構稍後經移除以在結構與犧牲區下方的結構或層之間留下間隙。在一些實施中，使用例如各種微影術及蝕刻技術來製造釋放孔徑。釋放孔徑接著為在犧牲釋放製程中使用的蝕刻劑提供對犧牲區的蝕刻通道。蝕刻劑開始蝕刻穿過釋放孔徑並蝕刻至空腔中。釋放孔徑的大小以及諸如溫度的其他參數判定犧牲區的蝕刻速度，並可相應地進行設計。應理解，上述實例並非意欲為限制性的。在一些實施中，可使用多個釋放孔徑。
在第5H圖中所示的實例中，在操作420之後移除第5G圖中所示的犧牲區170。結果，形成氣隙部分160A、160B、及160C。
應理解，除操作402至420以外，另外可採用其他操作。舉例而言，可形成、圖案化、及蝕刻額外的介電層，且隨後在額外介電層中形成垂直連接至RF襯墊110A及110B(其中RF襯墊110A及110B不由PCM區180覆蓋)的通孔。
PCM RF開關的實例操作
第6圖係根據一些實施例的用於操作PCM RF開關的實例方法600之流程圖。在第6圖中所示的實例中，方法600包括操作602、604、606、及608。可執行額外操作。
在操作602處，產生流動穿過第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C的電流，且作為結果由第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C產生熱量。在一個實施中，藉由在第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C的兩個末端處施加偏置來產生電流。
在操作604處，回應於由第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C產生的熱量，第二加熱器元件121C變形，使得第二加熱器元件121C的頂表面132與PCM區180的底表面138接觸。因此，散熱路徑139建立。
在操作606處，回應於由第一加熱器元件120C及第二加熱器元件121C產生並經由第二加熱器元件121C耗散的熱量，PCM區180的PCM在非晶態與晶態之間切換。非晶態對應於高電阻狀態。晶態對應於低電阻狀態。
在操作608處，回應於PCM區180的PCM的非晶態與晶態，PCM開關裝置(即PCM RF開關)100在導通狀態與關斷狀態之間切換。相應地建立或切斷在X方向上延伸的讀取路徑，讀取路徑可自RF襯墊110A與
110B之間的電壓讀取。
根據本揭露的一些態樣，提供一種PCM開關裝置。PCM開關裝置包括：半導體基板上方的底部介電層；設置於底部介電層上的第一加熱器元件，第一加熱器元件包含以第一熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion，CTE)為特徵的第一金屬元件；設置於第一加熱器元件上的第二加熱器元件，第二加熱器元件包含以第二CTE為特徵的第二金屬元件，其中第二CTE大於第一CTE；設置於底部介電層上的第一金屬襯墊，其中在第一水平方向上第一金屬襯墊側向於第一加熱器元件及第二加熱器元件的第一側面，其間具有第一氣隙部分；設置於底部介電層上的第二金屬襯墊，其中在第一水平方向上第二金屬襯墊側向於第一加熱器元件及第二加熱器元件的第二側面，其間具有第二氣隙部分；及包括PCM的PCM區，PCM可操作以回應於由第一加熱器元件及第二加熱器元件產生的熱量而在非晶態與晶態之間切換，其中PCM區在第二加熱器元件的頂表面之上，其間具有第三氣隙部分。在一些實施例中，第二加熱器元件可操作以回應於由第一加熱器元件及第二加熱器元件產生的熱量而變形。在一些實施例中，第二加熱器元件可操作以變形，使得第二加熱器元件的頂表面變為一彎曲表面。在一些實施例中，第二加熱器元件可操作以變形，使得彎曲表面朝向相變材料區向上突出。在一些實施例中，第二加熱器元件可操作以變形，使得彎曲表面與相變材料區的一底表面接觸。在一些
實施例中，第一加熱器元件包含鎢，且第二加熱器元件包含鉭。在一些實施例中，第一加熱器元件包含鎢，且第二加熱器元件包含鈦。在一些實施例中，第一加熱器元件包含鉭，且第二加熱器元件包含鈦。在一些實施例中，第一加熱器元件及第二加熱器元件是細長的且在垂直於第一水平方向的一第二水平方向上延伸。在一些實施例中，相變材料包含碲化鍺及碲化銻中之至少一者。
根據本揭露的一些態樣，提供一種製造PCM開關裝置的方法。方法包括以下步驟：提供底部介電層；在底部介電層上形成第一加熱器元件，第一加熱器元件包含以第一熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion，CTE)為特徵的第一金屬元件；在第一加熱器元件上形成第二加熱器元件，第二加熱器元件包含以大於第一熱膨脹係數的第二熱膨脹係數為特徵的第二金屬元件；在底部介電層上形成第一金屬襯墊，其中在第一水平方向上第一金屬襯墊側向於第一加熱器元件及第二加熱器元件的第一側面，其間具有第一氣隙部分；在底部介電層上形成第二金屬襯墊，其中在第一水平方向上第二金屬襯墊側向於第一加熱器元件及第二加熱器元件的第二側面，其間具有第二氣隙部分；以及在第一金屬襯墊及第二金屬襯墊上並在第二加熱器元件的頂表面之上形成PCM區，其間具有第三氣隙部分，其中PCM區包含PCM，PCM可操作以回應於由第一加熱器元件及第二加熱器元件產生的熱量而在非晶態與晶態之間切換。在一些實施例中，方法進一步含在第一氣
隙部分、第二氣隙部分及第三氣隙部分中形成一犧牲區，且移除犧牲區。在一些實施例中，移除犧牲區包含蝕刻犧牲區。在一些實施例中，蝕刻犧牲區係穿過至少一個釋放孔徑，釋放孔徑提供對犧牲區的蝕刻通道。在一些實施例中，第二加熱器元件可操作以回應於由第一加熱器元件及第二加熱器元件產生的熱量而變形。在一些實施例中，第二加熱器元件可操作以變形，使得第二加熱器元件的頂表面朝向相變材料區向上突出。在一些實施例中，第二加熱器元件可操作以變形，使得第二加熱器元件的頂表面與相變材料區的一底表面接觸。
根據本揭露的一些態樣，提供一種PCM開關裝置。PCM開關裝置包括：半導體基板上方的底部介電層；設置於底部介電層上的第一加熱器元件，第一加熱器元件包含以第一熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion，CTE)為特徵的第一金屬元件；設置於第一加熱器元件上的第二加熱器元件，第二加熱器元件包含以第二熱膨脹係數為特徵的第二金屬元件，其中第二熱膨脹係數大於第一熱膨脹係數；分別設置於底部介電層上第一加熱器元件及第二加熱器元件的兩個側面處的第一金屬襯墊及第二金屬襯墊；及包括PCM的PCM區，PCM可回應於由第一加熱器元件及第二加熱器元件產生的熱量而在非晶態與晶態之間切換，其中PCM區設置於第一金屬襯墊及第二金屬襯墊上並在第二加熱器元件的頂表面之上，且氣隙自三個側面圍繞第一加熱器元件及第二加熱器元件。
在一些實施例中，第二加熱器元件可操作以回應於由第一加熱器元件及第二加熱器元件產生的熱量而變形，使得第二加熱器元件的頂表面與相變材料區的一底表面接觸。在一些實施例中，第一加熱器元件包含鎢，且第二加熱器元件包含由鉭及鈦組成的群組中之一者。
前述內容概述若干實施例的特徵，使得熟習此項技術者可更佳地理解本揭露的態樣。熟習此項技術者應瞭解，其可易於使用本揭露作為用於設計或修改用於實施本文中引入之實施例之相同目的及/或達成相同優勢之其他製程及結構的基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效構造並不偏離本揭露的精神及範疇，且此類等效構造可在本文中進行各種改變、取代、及替代而不偏離本揭露的精神及範疇。
400:方法
402~420:操作
Claims (10)
- 一種相變材料開關裝置，包含：一底部介電層，位於一半導體基板上方；一第一加熱器元件，設置於該底部介電層上，該第一加熱器元件包含以一第一熱膨脹係數為特徵的一第一金屬元件；一第二加熱器元件，設置於該第一加熱器元件上，該第二加熱器元件包含以一第二熱膨脹係數為特徵的一第二金屬元件，其中該第二熱膨脹係數大於該第一熱膨脹係數；一第一金屬襯墊，設置於該底部介電層上，其中在一第一水平方向上該第一金屬襯墊側向於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的一第一側面，其間具有一第一氣隙部分；一第二金屬襯墊，設置於該底部介電層上，其中在該第一水平方向上該第二金屬襯墊側向於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的一第二側面，其間具有一第二氣隙部分；及一相變材料區，包含一相變材料，該相變材料可操作以回應於由該第一加熱器元件及該第二加熱器元件產生的熱量而在一非晶態與一晶態之間切換，其中該相變材料區在該第二加熱器元件的一頂表面之上，其間具有一第三氣隙部分。
- 如請求項1所述之相變材料開關裝置，其中 該第二加熱器元件可操作以回應於由該第一加熱器元件及該第二加熱器元件產生的熱量而變形。
- 如請求項2所述之相變材料開關裝置，其中該第二加熱器元件可操作以變形，使得該第二加熱器元件的該頂表面變為一彎曲表面。
- 如請求項3所述之相變材料開關裝置，其中該第二加熱器元件可操作以變形，使得該彎曲表面朝向該相變材料區向上突出。
- 如請求項4所述之相變材料開關裝置，其中該第二加熱器元件可操作以變形，使得該彎曲表面與該相變材料區的一底表面接觸。
- 如請求項1所述之相變材料開關裝置，其中該第一加熱器元件包含鎢，且該第二加熱器元件包含鉭。
- 如請求項1所述之相變材料開關裝置，其中該第一加熱器元件包含鎢，且該第二加熱器元件包含鈦。
- 如請求項1所述之相變材料開關裝置，其中該第一加熱器元件包含鉭，且該第二加熱器元件包含鈦。
- 一種製造相變材料開關裝置的方法，該方法包含以下步驟：提供一底部介電層；在該底部介電層上形成一第一加熱器元件，該第一加熱器元件包含以一第一熱膨脹係數為特徵的一第一金屬元件；在該第一加熱器元件上形成一第二加熱器元件，該第二加熱器元件包含以一第二熱膨脹係數為特徵的一第二金屬元件，該第二熱膨脹係數大於該第一熱膨脹係數；在該底部介電層上形成一第一金屬襯墊，其中在一第一水平方向上該第一金屬襯墊側向於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的一第一側面，其間具有一第一氣隙部分；在該底部介電層上形成一第二金屬襯墊，其中在該第一水平方向上該第二金屬襯墊側向於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的一第二側面，其間具有一第二氣隙部分；及在該第一金屬襯墊及該第二金屬襯墊上並在該第二加熱器元件的一頂表面之上形成一相變材料區，其間具有一第三氣隙部分，其中該相變材料區包含一相變材料，該相變材料可操作以回應於由該第一加熱器元件及該第二加熱器元件產生的熱量而在一非晶態與一晶態之間切換。
- 一種相變材料開關裝置，包含： 一底部介電層，位於一半導體基板上方；一第一加熱器元件，設置於該底部介電層上，該第一加熱器元件包含以一第一熱膨脹係數為特徵的一第一金屬元件；一第二加熱器元件，設置於該第一加熱器元件上，該第二加熱器元件包含以一第二熱膨脹係數為特徵的一第二金屬元件，其中該第二熱膨脹係數大於該第一熱膨脹係數；一第一金屬襯墊及一第二金屬襯墊，設置於該底部介電層上且分別位於該第一加熱器元件及該第二加熱器元件的兩個側面；及一相變材料區包含一相變材料，該相變材料可回應於由該第一加熱器元件及該第二加熱器元件產生的熱量而在一非晶態與一晶態之間切換，其中該相變材料區設置於該第一金屬襯墊及該第二金屬襯墊上並在該第二加熱器元件的一頂表面之上，且一氣隙自三個側面圍繞該第一加熱器元件及該第二加熱器元件。
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| US17/851,026 | 2022-06-28 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW202127673A (zh) | 2019-11-26 | 2021-07-16 | 日商鎧俠股份有限公司 | 記憶體裝置及記憶體裝置之製造方法 |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW202127673A (zh) | 2019-11-26 | 2021-07-16 | 日商鎧俠股份有限公司 | 記憶體裝置及記憶體裝置之製造方法 |
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