CN101271862A - 存储器元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种存储器元件。一柱形结构包括一第一电极层、一位于第一电极上的介电层及一位于介电层上的第二电极层。一相变化层包覆柱形结构的四周围。一下电极电性连接柱形结构的第一电极层。一上电极电性连接柱形结构的第二电极层。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元件及其制造方法，尤其涉及一种存储器元件及其制造方法。
背景技术
相变化存储器具有速度、功率、容量、可靠度、工艺整合度以及成本等具竞争力的特性，为一适合用来作为较高密度的独立式或嵌入式的存储器应用。由于相变化存储器技术的独特优势，也使得其被认为非常有可能取代目前商业化极具竞争性的静态存储器SRAM与动态随机存储器DRAM易失性存储器与快闪存储器Flash非易失性存储器技术，可望成为未来极有潜力的新时代半导体存储器。
相变化存储器元件是利用相变化存储器材料在结晶态和非晶态的电阻值的差异，进行写入、读取或是抹除，例如，当要进行写入时，可提供一短时间(例如50ns)且相对较高的电流(例如1mA)，使相变化层转换成非晶态，因为非晶态相变化层具有较高的电阻(例如105欧姆)，其在读取时，当提供一电压时，得到的电流相对较小。当要进行抹除时，可提供一较长时间(例如100ns)且相对较低的电流(例如0.2mA)，使相变化层转换成结晶态，因为结晶态相变化层具有较低的电阻(例如103～104欧姆)，其在读取时，当提供一电压，得到的电流相对较大，据此，可进行相变化存储器元件的操作。
图1绘示一现有T型结构的相变化存储器，如图1所示，现有T型结构的相变化存储单元依序包括下电极102、加热电极104、相变化层106和上电极108，柱状的加热电极104和相变化层106接触，相变化存储器的电流是由相变化层和电极的接触面积决定，此现有T型结构的相变化存储器是使用黄光光刻工艺进行相变化层106和加热电极104的图形化，因此，此种制造技术所形成相变化层106和电极104的接触面积是由黄光光刻工艺的极限决定，无法有效的缩小相变化层106和电极104的接触面积，使得相变化存储器元件的尺寸无法进一步的缩小。
图2绘示现有另一结构的相变化存储器，如图2所示，形成一水平加热电极202于下电极204和层间介电层206上，之后，对水平加热电极202进行一黄光光刻步骤，并形成一相变化层208接触水平加热电极202，接着，再对相变化层208进行另一方向的黄光光刻步骤，以定义存储单元，后续，形成一上电极210，电性连接相变化层208。此种存储元件结构的加热电极是采用水平设置，如此，加热电极的尺寸大小是由形成加热电极202的薄膜厚度决定，可不受黄光光刻工艺的限定，然而，此相变化存储器元件工艺的相变化材料是以填洞工艺沉积，其与加热电极112接触的可靠度、均匀性均不理想。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种存储器元件和其制造方法，其操作电流亦足够低，使用光掩模较现有技术少，制作成本相对较低。
本发明提供一种存储器元件的制造方法，包括下列步骤。首先，提供一基底，形成一第一层间介电层于基底上方。接着，形成一下电极于第一层间介电层中，形成一第一电极层于第一层间介电层和下电极上。其后，形成一介电层于第一电极层上，形成一第二电极层于介电层上。接下来，图形化第一电极层、介电层和第二电极层，以形成一柱形结构，其中柱形结构对应于存储器元件的一存储单元，形成一相变化层于柱形结构和基底上。接着，图形化相变化层，使存储单元的图形化相变化层和邻近存储单元的图形化相变化层分隔。后续，形成一上电极，电性连接柱形结构的第二电极层。
本发明提供一种存储器元件。一柱形结构包括一第一电极层、一位于第一电极上的介电层及一位于介电层上的第二电极层。一相变化层包覆柱形结构的四周围。一下电极电性连接柱形结构的第一电极层。一上电极电性连接柱形结构的第二电极层。
附图说明
图1绘示一现有T型结构的相变化存储器；
图2绘示现有另一结构的相变化存储器；
图3A绘示本发明一实施例相变化存储器元件的制造方法中间步骤的上视图；
图3B绘示图3A的剖面图；
图4A绘示本发明一实施例相变化存储器元件的制造方法中间步骤的上视图；
图4B绘示图4A的剖面图；
图5A绘示本发明一实施例相变化存储器元件的制造方法中间步骤的上视图；
图5B绘示图5A的剖面图；
图6A绘示本发明一实施例相变化存储器元件的制造方法中间步骤的上视图；
图6B绘示图6A的剖面图；
图7A绘示本发明一实施例相变化存储器元件的制造方法中间步骤的上视图；
图7B绘示图7A的剖面图；
图8A绘示本发明一实施例相变化存储器元件的制造方法中间步骤的上视图；
图8B绘示图8A的剖面图；
图9A绘示本发明一实施例相变化存储器元件的制造方法中间步骤的上视图；
图9B绘示图9A的剖面图；
图9C绘示本发明一实施例多个存储单元的上视图；
图10A绘示本发明一实施例相变化存储器元件的制造方法中间步骤的上视图；
图10B绘示图10A的剖面图；
图11绘示本发明一实施例相变化存储器元件的立体图。
主要元件符号说明
102～下电极；
104～加热电极；
106～相变化层；
108～上电极；
202～水平加热电极；
204～下电极；
206～层间介电层；
208～相变化层；
210～上电极；
301～邻近存储单元；
302～第一层间介电层；
303～邻近存储单元；
304～下电极；
305～邻近存储单元；
306～第一电极层；
307～图形化相变化层；
308～介电层；
309～图形化相变化层；
310～第二电极层；
311～图形化相变化层；
312～图形化光致抗蚀剂层；
314～柱形结构；
316～相变化层；
318～图形化光致抗蚀剂层；
320～相变化层；
330～第二层间介电层；
332～上电极。
具体实施方式
以下将以实施例详细说明做为本发明的参考，且范例是伴随着图式说明的。在图式或描述中，相似或相同的部分使用相同的附图标记。在图式中，实施例的形状或是厚度可扩大，以简化或是方便标示。图式中各元件的部分将以分别描述说明之，值得注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以具有各种本领域技术人员所知的形式，另外，特定的实施例仅为揭示本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。
图3A～图10B揭示本发明一实施例相变化存储器元件的制造方法，其中图3A为图3B的上视图，首先，请参照图3A和图3B，提供一基底(未绘示)，基底上可包括所需的元件，例如栅极，基底上可形成有介电层和/或导电插塞，上述的单元或是其制作方法为本领域技术人员所熟知，在此，为简洁，并未将上述所有单元绘示或详细描述。接着，如图3A和图3B所示，于介电层和/或导电插塞上(未绘示)形成第一层间介电层302和下电极304，第一层间介电层302可以例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或是低介电材料所组成，下电极304可以为铝、铜或钨等低导电系数材料所组成。形成下电极304的方法可为以黄光光刻蚀刻法于第一层间介电层302中形成开口，再于开口中填入导电层以形成下电极304。另外，亦可以先图形化一导电层以形成下电极304，再于下电极304四周沉积第一层间介电层302，之后，回蚀刻第一层间介电层302。
接着，请参照图4A和图4B，以例如物理气相沉积法(physical vapordeposition，以下可简称PVD)或原子层沉积法(Atomic layer deposition，以下可简称ALD)形成一第一电极层306于下电极304和第一层间介电层302上，第一电极层306可以为TiN、TiW或TiAlN所组成，须注意的是第一电极层306的厚度不可太厚，其厚度可以为5埃～500埃，优选地，第一电极层306的厚度为100埃～300埃。后续，以例如低压化学气相沉积法(low pressurechemical vapor deposition，以下可简称LPCVD)、常压化学气相沉积法(atmosphere pressure chemical vapor deposition，以下可简称APCVD)、次大气压化学气相沉积法(sub-atmospheric chemical vapor deposition，以下可简称SACVD)、等离子体化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapordeposition，以下可简称PECVD)或其它技术沉积一介电层308于第一电极层306上，介电层308可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其它类似的材料。接着，以例如物理气相沉积法(PVD)或原子层沉积法(ALD)形成一第二电极层310于介电层308上，第二电极层310可以为TiN、TiW、TiAl、TaN或TiAlN所组成，在本发明优选实施例中，第二电极层310的厚度较第一电极层306的厚度为厚，例如至少两倍到三倍的厚度，第二电极层的厚度优选大体上为100埃～3000埃。
接着，请参照图5A和图5B，以例如旋转涂布法形成一光致抗蚀剂层(未绘示)于第二电极层310上，接着，进行一黄光光刻步骤，定义光致抗蚀剂层形成图形化光致抗蚀剂层312，使光致抗蚀剂层形成预定形成的图案。后续，请参照图6A和图6B，以图形化光致抗蚀剂层312为掩模，进行一各向异性蚀刻工艺，依序蚀刻第二电极层310、介电层308和第一电极层306，以形成一具有封闭环绕四周围的柱形结构314。接着，移除图形化光致抗蚀剂层312，在本优选实施例中，此结构314绘示为圆柱形结构314，但本发明不限于此，此结构可以为任何封闭几何图形，例如椭圆柱形结构、方形结构等等，此具有封闭环绕四周围的柱形结构314对应于本发明存储器元件的一存储单元。
接下来，请参照图7A和图7B，以例如物理气相沉积法(PVD)或原子层沉积法(ALD)，形成一相变化层316于第一层间介电层302和上述柱形结构314的顶部和侧壁上，相变化层316可以为Ag、In、Te、Sb或其组合，或Ge、Te、Sb或其组合所组成，在本发明优选实施例中，相变化层316为AgxInyTezSbw或GexTeySbw的合金，另外，相变化层316的厚度优选约大于500埃，在此须注意的是，相变化层316直接接触柱形结构314的环绕周围，特别是，相变化层316直接接触柱形结构314的第一电极层306的四周围。
后续，请参照图8A和图8B，以例如旋转涂布法形成一光致抗蚀剂层(未绘示)于相变化层316上，接着，进行一黄光光刻步骤，定义光致抗蚀剂层以形成图形化光致抗蚀剂层318。接着，请参照图9A和图9B，以图形化光致抗蚀剂层318为掩模，蚀刻相变化层316，使此存储单元300的图形化相变化层320和邻近存储单元301、303、305的图形化相变化层307、309、311分隔，如图9C所示。
接下来，请参照图10A和图10B，以例如化学气相沉积法，形成一第二层间介电层330覆盖相变化层316和第一层间介电层302，第二层间介电层330可以为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，后续经化学机械抛光平坦化，接下来，图形化第二层间介电层330和相变化层316，以形成一开口(未绘示)，暴露第二电极层310，接下来，沉积一例如Al、Cu或是W的导电层于第二层间介电层330上，且填入开口中，以形成上电极332，电性连接柱形结构314的第二电极层310。
图11为本发明一实施例相变化存储单元的立体图，如图所示，此实施例中，存储单元主体为一包括第一电极层306、介电层308和第二电极层310的柱形结构314，且此柱形结构314为一图形化相变化层320所包覆，另外，柱形结构314的第一电极层306和第二电极层310是分别电性连接一下电极304和一上电极332。
根据本发明的上述实施例，由于柱形结构314的第一电极层306的厚度较第二电极层310薄许多，如此，其阻抗较大，因此，电流通过所发出的热能大部份沿着第一电极层306的周围分布。若柱形结构314为一圆柱形，其第一电极层306(加热电极)和相变化层320的接触面为一水平环状(ring)，而若圆柱形结构314的直径为cd，厚度为t，则其加热电极和相变化层320的接触面积为A＝cd×π×t，可不受黄光光刻工艺限制。此外，本发明此工艺仅使用一次黄光光刻工艺即决定加热电极和相变化层320的接触面积，可减少多一道光刻工艺所产生的变数或影响，另外，本发明上述实施例在形成相变化层320之后，并未在加热相变化区(即316和320接触区)对相变化层320进行额外的特殊工艺加工，修饰其轮廓，可避免相变化层320的组成产生变化，又另外，本发明形成加热电极(第一电极层306)的方法，为将其沉积于一平面上，可较容易控制加热电极的厚度。
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
Claims (30)
1. 一种存储器元件的制造方法，包括：
提供基底；
形成第一层间介电层于该基底上方；
形成下电极于该第一层间介电层中；
形成第一电极层于该第一层间介电层和该下电极上；
形成介电层于该第一电极层上；
形成第二电极层于该介电层上；
图形化该第一电极层、该介电层和该第二电极层，以形成柱形结构，其中该柱形结构对应于该存储器元件的存储单元；
形成相变化层于该柱形结构和该基底上；
图形化该相变化层，使该存储单元的图形化相变化层和邻近存储单元的图形化相变化层分隔；及
形成上电极，电性连接该柱形结构的第二电极层。
2. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该柱形结构具有环绕的周围。
3. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该相变化层直接接触该柱形结构的环绕周围。
4. 如权利要求3所述的存储器元件的制造方法，其中该相变化层直接接触该柱形结构的第一电极层的四周围。
5. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该柱形结构为圆柱形。
6. 如权利要求5所述的存储器元件的制造方法，其中该第一电极层和该相变化层的接触面为环状。
7. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该相变化层的厚度大体上大于500埃。
8. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该第一电极层的厚度比该第二电极层的厚度薄。
9. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该第一电极层的厚度大体上为5埃～500埃。
10. 如权利要求9所述的存储器元件的制造方法，其中该第一电极层的厚度大体上为100埃～300埃。
11. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该第一电极层为TiN、TiW或TiAlN所组成。
12. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该第二电极层为TiN、TiW、TiAl、TaN或TiAlN所组成。
13. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该相变化层包括Ag、In、Te、Sb或其组合，和Ge、Te、Sb或其组合。
14. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该介电层为氧化硅、氮化硅或是氮氧化硅所组成。
15. 如权利要求1所述的存储器元件的制造方法，其中该下电极和该上电极为Al、Cu或W所组成。
16. 一种存储器元件，包括：
柱形结构，包括第一电极层、位于该第一电极上的介电层，及位于该介电层上的第二电极层；
相变化层，包覆该柱形结构的四周围；
下电极，电性连接该柱形结构的第一电极层；及
上电极，电性连接该柱形结构的第二电极层。
17. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该柱形结构具有环绕的周围。
18. 如权利要求17所述的存储器元件，其中该相变化层直接接触该柱形结构的环绕周围。
19. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该相变化层直接接触该柱形结构的第一电极层的四周围。
20. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该柱形结构为圆柱形。
21. 如权利要求20所述的存储器元件，其中该第一电极层和该相变化层的接触面为环状。
22. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该相变化层的厚度大体上大于500埃。
23. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该第一电极层的厚度比该第二电极层的厚度薄。
24. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该第一电极层的厚度大体上为5埃～500埃。
25. 如权利要求24所述的存储器元件，其中该第二电极层的厚度大体上为100埃～3000埃。
26. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该第一电极层为TiN、TiW或TiAlN所组成。
27. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该第二电极层为TiN、TiW、TiAl、TaN或TiAlN所组成。
28. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该相变化层包括Ag、In、Te、Sb或其组合，和Ge、Te、Sb或其组合。
29. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该介电层为氧化硅、氮化硅或是氮氧化硅所组成。
30. 如权利要求16所述的存储器元件，其中该下电极和该上电极为Al、Cu或W所组成。
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