CN101355137A - 相变存储器装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相变存储器装置，包括：基板；电极层，形成于上述基板上；相变存储器结构，形成于上述电极层上，且电连接至上述电极层，其中上述相变存储器结构包括：杯形加热电极，设置于上述电极层上；绝缘层，沿第一方向设置于上述杯形加热电极上，且部分覆盖于上述杯形加热电极；电极结构，沿第二方向设置于上述杯形加热电极上，且部分覆盖于上述绝缘层和上述杯形加热电极；一对双层间隙壁，设置于上述电极结构的一对侧壁上，且部分覆盖于上述杯形加热电极，上述双层间隙壁包括相变材料间隙壁和绝缘材料间隙壁。

Description

相变存储器装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种相变存储器装置，特别是涉及一种高存储密度的相变存储器装置。

背景技术

相变存储器(phase change memory，PCM)为64MB下一代独立(stand-alone)非易失性存储器的重要候选元件，该元件结构如何能够产生最佳的元件电热特性将决定相变存储器能否取代快闪存储器(flash memory)成为主流的重要研发方向。然而如何能够利用相同的存储器半导体制造技术产生存储器密度更高的非易失性存储器是重要的发展方向。

如图1a所示，美国INTEL公司的专利(US 6,501,111)以杯型加热电极(Cup-Shaped Bottom Electrode)206为主体所实现的三维相变存储装置(three-dimensional PCM，3D-PCM)212。已将相变材料207与下电极的接触面积缩小成杯型加热电极206的宽度与相变材料207的接触面积，以提高存储器密度。然而，上述的立体相变存储器架构，在单位存储器面积微小化时会遇到瓶颈，较不适合微距解析度小于0.1μm以下的半导体光刻工艺。如图1b所示，美国STM公司的专利(EP 1339111)利用相变材料镀膜填入纳米尺寸接触孔57或STM公司所称的微型沟槽(minitrench)58内，缩小相变材料与杯型加热电极22的接触面积58，以达到提高存储器密度的需求。然而会有孔尺寸太小时填不满最底部或出现两边侧壁薄膜顶端接合时出现填不满缝隙(Seam)的问题。

因此需要一种相变存储器装置，以符合提高存储器密度的需求。

发明内容

本发明提供一种相变存储器装置，包括：基板；电极层，形成于上述基板上；相变存储器结构，形成于上述电极层上，且电连接至上述电极层，其中上述相变存储器结构包括：杯形加热电极，设置于上述电极层上；绝缘层，沿第一方向设置于上述杯形加热电极上，且部分覆盖上述杯形加热电极；电极结构，沿第二方向设置于上述杯形加热电极上，且部分覆盖上述绝缘层和上述杯形加热电极；一对双层间隙壁，设置于上述电极结构的一对侧壁上，且部分覆盖上述杯形加热电极，上述双层间隙壁包括相变材料间隙壁和设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁。

本发明提供一种相变存储器装置的制造方法，包括：提供基板，其上具有电极层；在上述电极层上形成相变存储器结构，且电连接至上述电极层，其中形成上述相变存储器结构包括：在上述电极层上形成杯形加热电极；在上述杯形加热电极上沿第一方向形成绝缘层，且部分覆盖上述杯形加热电极；在上述杯形加热电极上沿第二方向形成电极结构，且部分覆盖上述绝缘层和上述杯形加热电极；在上述电极结构的一对侧壁上形成一对双层间隙壁，且部分覆盖上述杯形加热电极，上述双层间隙壁包括相变材料间隙壁和设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁。

本发明提供一种相变存储器装置，包括：基板；电极层，形成于上述基板上；介电层，形成于上述电极层上；以及相变存储器结构，形成于上述介电层中，且电连接至上述电极层，其中上述相变存储器结构包括：杯形加热电极，设置于上述介电层的杯型开口中，其中上述杯形加热电极包括导电层，上述导电层部分覆盖上述杯型开口的侧壁；电极结构，设置于上述杯形加热电极上，且部分覆盖上述杯形加热电极；一对双层间隙壁，设置于上述电极结构的一对侧壁上，且部分覆盖上述杯形加热电极，上述双层间隙壁包括相变材料间隙壁和设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁。

本发明提供一种相变存储器装置的制造方法，包括：提供基板，其上具有电极层；在该电极层上形成介电层；以及在该介电层中形成相变存储器结构，且电连接至该电极层，其中形成该相变存储结构包括：在该介电层的杯型开口中形成杯形加热电极，其中该杯形加热电极包括导电层，该导电层部分覆盖该杯型开口的侧壁；在该杯形加热电极上形成电极结构，且部分覆盖该杯形加热电极；以及在该电极结构的一对侧壁上形成一对双层间隙壁，且部分覆盖该杯形加热电极，该双层间隙壁包括相变材料间隙壁和设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁。

附图说明

图1a、1b为现有的相变存储器装置。

图2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10a、11a、12a、13a、14a和15a为本发明第一实施例的相变存储器装置的制造工艺俯视图。

图16a、17a、18a、19a、20a、21a、22a、23a、24a、25a、26a和27a为本发明第二实施例的相变存储器装置的制造工艺俯视图。

图2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b、9b、10b、11b、12b、13b、14b和15b分别为沿图2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10a、11a、12a、13a、14a和15a的A-A’切线的制造工艺剖面图。

图16b、17b、18b、19b、20b、21b、22b、23b、24b、25b、26b和27b分别为沿图16a、17a、18a、19a、20a、21a、22a、23a、24a、25a、26a和27a的A-A’切线的制造工艺剖面图。

图10c、14c和15c为沿图10a、14a和15a的B-B’切线的制造工艺剖面图。

图19c、20c、21c、22c、23c和27c分别为沿图19a、20a、21a、22a、23a和27a的B-B’切线的制造工艺剖面图。

图15d为沿图15a的C-C’切线的制造工艺剖面图。

简单符号说明

100a、100b～相变存储器装置；

300～基板；

302～电极层；

304～介电层；

308～开关元件；

310、310a～硬掩膜层；

312、316、354～光致抗蚀剂层；

314、356～开口；

318～杯型开口；

320、320a、320b、320c、320d～导电层；

322、322a、322b、322c、322d～绝缘层；

324、324a～杯形加热电极；

317～第一方向；

319～第二方向；

326、328、358～绝缘层；

330～导电层；

332～叠层结构；

334～相变材料层；

334a～相变材料间隙壁；

338～侧壁；

340～电极结构；

350～绝缘材料层；

352～绝缘材料间隙壁；

380～接触面积；

400a、400b～相变存储器结构；

d1～第一距离；

d2～第二距离；

d3～第三距离；

h1、h2～高度。

具体实施方式

以下利用制造工艺剖面图，更详细地说明本发明实施例的相变存储器装置及其制造方法。图1a、1b为现有的相变存储器装置。图2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10a、11a、12a、13a、14a和15a为本发明第一实施例的相变存储器装置的制造工艺俯视图。图16a、17a、18a、19a、20a、21a、22a、23a、24a、25a、26a和27a为本发明第二实施例的相变存储器装置的制造工艺俯视图。图2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b、9b、10b、11b、12b、13b、14b和15b分别为沿2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10a、11a、12a、13a、14a和15a的A-A’切线的制造工艺剖面图。图16b、17b、18b、19b、20b、21b、22b、23b、24b、25b、26b和27b分别为沿图16a、17a、18a、19a、20a、21a、22a、23a、24a、25a、26a和27a的A-A’切线的制造工艺剖面图。图10c、14c和15c为沿图10a、14a和15a的B-B’切线的制造工艺剖面图。图19c、20c、21c、22c、23c和27c分别为沿图19a、20a、21a、22a、23a和27a的B-B’切线的制造工艺剖面图。图15d为沿图15a的C-C’切线的制造工艺剖面图。在本发明各实施例中，相同的符号表示相同的元件。

第一实施例

请参考图2a，其显示本发明第一实施例的相变存储器装置的制造工艺俯视图；请参考图2b，其显示本发明第一实施例的相变存储装置的制造工艺剖面图。提供基板300，基板300为硅基板。在其他实施例中，可利用锗化硅(SiGe)、块状半导体(bulk semiconductor)、应变半导体(strained semiconductor)、化合物半导体(compound semiconductor)、绝缘层上覆硅(silicon on insulator，SOI)或其他常用的半导体基板。基板300也可为包括具有晶体管(transistor)、二极管(diode)、双载子晶体管(bipolar junction transistor，BJT)、电阻(resistor)、电容(capacitor)、电感(inductor)等电子元件的基板。接着，可利用例如物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)、溅镀法(sputtering)、低压化学气相沉积法(low pressure CVD，LPCVD)和原子层化学气相沉积法(atomic layerCVD，ALD)或无电镀膜法(electroless plating)等方式，在基板300上形成电极层302(可视为下电极层302)。电极层302可包括金属、合金、金属化合物或半导体材料。电极层302可包括多晶硅(polysilicon)、非晶硅(amorphoussilicon)、金属氮化物或金属硅化物。电极层302可包括钴(cobalt，Co)、钽(tantalum，Ta)、镍(nickel，Ni)、钛(titanium，Ti)、钨(tungsten，W)、钨化钛(TiW)或其他耐火金属及复合金属，也可包括例如铝或铜等基础金属。电极层302可包括单一层或堆叠层，例如铝(Al)层、铜/氮化钽(Cu/TaN)叠层或其他金属的单一层或堆叠层。

接着，在第一电极层302上方形成开关元件308。开关元件308为可选择的(optional)元件，其可包括二极管结构或连接线(Interconnect)结构。可利用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)等薄膜沉积方式，在第一电极层302上方依次形成p型半导体材料层和n型半导体材料层。然后，利用光刻和蚀刻方式，移除部分该p型半导体材料层和该n型半导体材料层，在电极层302上方形成例如为二极管结构的开关元件308。在其他实施例中，可利用接触孔(Contact Hole)或介层孔(Via Hole)内填入金属的工艺形成例如为连接线结构的开关元件308。开关元件308可为包括例如多晶硅(polysilicon)或非晶硅(amorphous silicon)的多晶半导体材料组合层或非晶半导体材料组合层，优选为掺杂n型不纯物的半导体材料层和掺杂p型不纯物的半导体材料层堆叠而成以形成p/n二极管接口，其中n型不纯物可包括磷(P)或砷(As)，而p型不纯物可包括硼(B)或二氟化硼(BF2)。在其他实施例中，开关元件308可包括金属。

接着，可利用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)等薄膜沉积方式，在电极层302和开关元件308上方形成介电层304。介电层304可包括氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或其他介电材料。

请参考图3a和3b，其显示硬掩膜层310的形成。在介电层304上全面形成例如为氮化硅的硬掩膜层310，其厚度介于50nm至200nm之间，优选为100nm。

如图4a和4b所示，利用光致抗蚀剂层312覆盖于硬掩膜层310上，其中光致抗蚀剂层312的侧壁与开关元件308的一组侧壁相距第一距离d1。光致抗蚀剂层312的厚度介于400nm至600nm之间，优选为500nm。接着，如图5a和5b所示，进行各向异性蚀刻步骤，移除未被光致抗蚀剂层312覆盖的硬掩膜层310，然后移除光致抗蚀剂层312，以形成多个硬掩膜层310a，其中硬掩膜层310a的侧壁与开关元件308的一组侧壁也相距第一距离d1，而硬掩膜层310a彼此的间距(spacing)由光刻技术的微距解析度(CDResolution)能力控制，并无实际尺寸范围的限制。

请参考图6a和6b，可利用光刻工艺，在硬掩膜层310a上形成多个光致抗蚀剂层316，其与该硬掩膜层310a互相垂直。光致抗蚀剂层316彼此的间距由光刻技术的微距解析度(CD Resolution)能力控制，并无实际尺寸范围的限制。光致抗蚀剂层316的侧壁与开关元件308的另一组侧壁相距第二距离d2。在本发明第一实施例中，第一距离d1可等于第二距离d2以形成正方形杯状接触孔。第一距离d1可不等于第二距离d2以形成矩形杯状接触孔。d1和d2也可容许均为负数值以表示开关元件俯视面积比接触孔面积大。

接着，如图7a和7b所示，利用硬掩膜层310a和光致抗蚀剂层316作为蚀刻硬掩膜，进行各向异性蚀刻步骤，移除部分介电层304，直到暴露出开关元件308，以形成杯形开口318，其底部叠对对准(Overlay Alignment)于开关元件308的上方。在本发明实施例中，硬掩膜层310a与介电层304的蚀刻选择比优选为大于5。如图7a的俯视图所示，杯形开口318为方形。由上述方式形成的杯型开口318的孔径或间距可由硬掩膜层310a和光致抗蚀剂层316的关键尺寸所决定，可避免在现有光刻工艺中，仅用一道光掩膜步骤定义杯型开口318造成边角圆滑化(corner rounding)的缺点，且可使杯型开口318的孔径或间距缩小至光刻工艺的极限(例如65nm)。杯型开口318的孔径大小与后续形成相变材料间隙壁的厚度相关，在本发明第一实施例中，杯型开口318的孔径介于10nm至500nm之间，优选为480nm。

请参考图8a和8b，可利用例如物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)、溅镀法(sputtering)、低压化学气相沉积法(low pressure CVD，LPCVD)和原子层化学气相沉积法(atomic layer CVD，ALD)或无电镀膜法(electrolessplating)等方式，顺应性地形成导电层320于如图7a和7b所示的杯形开口318的侧壁上，且覆盖开关元件308。接着，在导电层320上形成绝缘层322，并填入如图7a和7b所示的杯形开口318中。绝缘层322可包括氧化硅、氮化硅或其组合。导电层320可包括金属、合金、金属化合物、半导体材料。导电层320可包括基础金属或其合金(例如铝或铜)、耐火金属或其合金(例如钴、钽、镍、钛、钨、钨化钛)、过渡金属氮化物、耐火金属氮化物(例如氮化钴、氮化钽、氮化镍、氮化钛、氮化钨)、金属氮硅化物(例如氮硅化钴、氮硅化钽、氮硅化镍、氮硅化钛、氮硅化钨)、金属硅化物(例如硅化钴、硅化钽、硅化镍、硅化钛、硅化钨)、多晶或非晶半导体材料、相变材料(例如锑化镓(GaSb)、碲化锗(GeTe)、锗-锑-碲合金(Ge2Sb2Te5)、银-铟-锑-碲合金(Ag-In-Sb-Te))、导电氧化物材料(例如钇钡铜氧化物(YBCO)、氧化亚铜(Cu2O)、氧化铟锡(ITO))或其组合，其厚度优选介于1nm至300nm之间。

然后，如图9a和9b所示，进行例如化学机械抛光(chemical mechanicalpolishing，CMP)的平坦化工艺，移除过量的导电层320和绝缘层322，以形成杯型加热电极324。杯型加热电极324包括导电层320a和绝缘层322a。杯型加热电极324通过开关元件308电连接至电极层302。如图9a的俯视图所示，本发明第一实施例的导电层320a为四方环形(square ring)。

请参考图10a、10b和10c，其显示绝缘层326的形成。全面形成例如为氧化硅、氮化硅或其组合的绝缘层于介电层304和杯型加热电极324上。然后，利用图案化的光致抗蚀剂(图未显示)覆盖绝缘层上，定义出绝缘层326的形成位置，再进行各向异性蚀刻步骤，移除未被光致抗蚀剂覆盖的绝缘层，然后移除图案化的光致抗蚀剂，以形成绝缘层326。在本发明第一实施例中，绝缘层326与介电层304的蚀刻选择比优选为大于1且小于1000。另一实施例中，绝缘层326可利用感应耦合氩等离子体(inductively coupled plasma-Ar，ICP-Ar)等方式，在形成条状的绝缘层326后再进行清洁步骤，或仅进行包括干蚀刻或湿蚀刻的各向同性蚀刻步骤，以形成具有圆形(rounded)边缘(图未显示)的绝缘层326。绝缘层326沿第一方向317形成于介电层304上，且部分覆盖杯型加热电极324。在本实施例中，绝缘层326优选仅覆盖杯型加热电极324平行于第一方向317的两边缘的其中之一，例如覆盖杯型加热电极324的一半面积，其厚度优选为60nm。

请参考图11a和11b，其显示叠层结构332的形成。依次形成绝缘层和导电层于介电层304和绝缘层326上。上述绝缘层可包括氧化硅、氮化硅或其组合。上述导电层可包括金属、合金、金属化合物、半导体材料。导电层可包括基础金属或其合金(例如铝或铜)、耐火金属或其合金(例如钴、钽、镍、钛、钨、钨化钛)、过渡金属氮化物、耐火金属氮化物(例如氮化钴、氮化钽、氮化镍、氮化钛、氮化钨)、金属氮硅化物(例如氮硅化钴、氮硅化钽、氮硅化镍、氮硅化钛、氮硅化钨)、金属硅化物(例如硅化钴、硅化钽、硅化镍、硅化钛、硅化钨)、多晶或非晶半导体材料、相变材料(例如锑化镓(GaSb)、碲化锗(GeTe)、锗-锑-碲合金(Ge2Sb2Te5)、银-铟-锑-碲合金(Ag-In-Sb-Te))、导电氧化物材料(例如钇钡铜氧化物(YBCO)、氧化亚铜(Cu2O)、氧化铟锡(ITO))或其组合。上述导电层可为单层结构，也可为前述所有材料的任意顺序及任意重复层次数目加以堆叠的复合层结构。然后，利用图案化的光致抗蚀剂(图未显示)覆盖于导电层上，定义出叠层结构332的形成位置，再进行各向异性蚀刻步骤，移除未被光致抗蚀剂覆盖的绝缘层和导电层，然后移除图案化的光致抗蚀剂，以形成叠层结构332。叠层结构332包括绝缘层328和导电层330(可视为上电极层330)，其沿第二方向319形成于介电层304上，且部分覆盖杯型加热电极324和绝缘层326。在本实施例中，第一方向317与第二方向319实质上垂直。叠层结构332优选仅覆盖杯型加热电极324平行于第二方向319的两边缘的其中之一，例如覆盖杯型加热电极324的四分之一面积，其中绝缘层328和导电层322的厚度优选为100nm。

请参考图12a和12b，其显示相变材料层334的形成。可利用例如物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)、热蒸镀法(thermal evaporation)、脉冲激光沉积(pulsed laser deposition)或有机金属化学气相沉积法(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)等方式，全面性地覆盖相变材料层334(phase change film，PC film)。相变材料层334可包括二元、三元或四元硫族化合物(chalcogenide)，例如锑化镓(GaSb)、碲化锗(GeTe)、锗-锑-碲合金(Ge-Sb-Te，GST)、银-铟-锑-碲合金(Ag-In-Sb-Te)或其组合。在本实施例中，相变材料层334的厚度优选介于10nm至50nm，若因相变存储器需求要厚至100nm，则如图7a和7b所示的杯型开口318的孔径必须再加大。

接着，如图13a和13b所示，可利用例如等离子体增强型化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)，在相变材料层334上覆盖绝缘材料层350。绝缘材料层350可包括氧化物或氮化物，其厚度介于10nm至50nm之间。

然后，如图14a、14b和14c所示，进行各向异性蚀刻步骤，移除部分绝缘材料层350，以在叠层结构332的侧壁338上方形成绝缘材料间隙壁352，其中相变材料层334与该绝缘材料层350的蚀刻选择比大于1且小于1000。在另一实施例中，具有圆形(rounded)边缘(图未显示)的绝缘层326上的绝缘材料层350在各向异性蚀刻步骤之后自然完全移除。

接着，如图15a、15b、15c和15d所示，利用绝缘材料层间隙壁352作为蚀刻硬掩膜，进行各向异性蚀刻步骤，移除部分绝缘材料间隙壁352、未被绝缘材料间隙壁352覆盖以及形成于绝缘层326侧壁的相变材料层334，以形成相变材料间隙壁334a，而构成具有绝缘材料层间隙壁352和相变材料间隙壁334a的双层间隙壁的电极结构340。在另一实施例中，具有圆形(rounded)边缘(图未显示)的绝缘层326上的相变材料层334在各向异性蚀刻步骤之后自然完全移除。电极结构340包括绝缘层328、导电层322、绝缘材料间隙壁352和相变材料间隙壁334a，以形成相变存储器结构400a。且经过上述工艺，以完成本第一实施例的相变存储器装置100a。其中相变材料间隙壁334a与杯形加热电极324的接触面积380，可为相变材料间隙壁334a或导电层320a的薄膜厚度交叉的面积控制，比现有技术利用光刻工艺形成的加热电极产生的面积更小，控制更为精确。

上述的相变存储器装置100a，电极结构340中的相变材料间隙壁334a被绝缘材料层间隙壁352所覆盖。在蚀刻相变材料层334以形成相变材料间隙壁334a时，由于绝缘材料间隙壁352覆盖于相变材料层334上，可保护相变材料层334的表面在蚀刻时不致损伤。在现有技术中，在蚀刻相变材料层时，相变材料层的蚀刻边缘会有金属基聚合物残留物(metal-based polymerresidual)，且蚀刻气体会攻击(attack)相变材料层的表面，而造成表面损伤，严重时会使蚀刻后的相变材料层不能产生相变现象，影响相变存储器的电表现。而本发明实施例的相变存储器装置100a，可将蚀刻时在相变材料间隙壁334a边缘形成的金属基聚合物残留物(metal-based polymer residual)及蚀刻损伤区域，利用绝缘材料间隙壁352，使与相变材料间隙壁334a和杯形加热电极324的接触面积380拉开，可改善相变存储器装置的特性，提高工艺的成品率。

在其他实施例中，可在相变存储器结构400a上沉积介电层(图未显示)。然后，进行例如为化学机械抛光(CMP)的平坦化工艺，移除过量的介电层，直至露出电极结构340的导电层330的表面。接着，重复如图2a、2b至15a～15d的工艺步骤，垂直堆叠多个相变存储器结构400a，且彼此电连接，以形成三维(3D)的存储器阵列，但相变存储器结构400a堆叠的层数并无限定。

本发明第一实施例的相变存储器装置100a的主要元件包括基板300；电极层302，形成于基板300上；相变存储器结构400a，形成于电极层302上，且电连接至电极层302。相变存储器结构400a包括：杯形加热电极324，设置于电极层302上；绝缘层326，沿第一方向317设置于杯形加热电极324上，且部分覆盖该杯形加热电极324；电极结构340，沿第二方向319设置于杯形加热电极324上，且部分覆盖绝缘层326和杯形加热电极324；一对双层间隙壁，设置于电极结构340的一对侧壁338上，且部分覆盖杯形加热电极324，双层间隙壁包括相变材料间隙壁334a和设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁352。

本发明第一实施例的相变存储器装置100a具有以下优点：(1)本发明实施例的杯型开口工艺，可使杯型开口的孔径或间距缩小至光刻工艺的极限。(2)本发明实施例的相变存储器装置具有外覆绝缘材料层间隙壁形成的双层间隙壁，可保护相变材料间隙壁的表面在蚀刻时不致损伤。同时，蚀刻时在相变材料间隙壁边缘形成的金属基聚合物残留物及蚀刻损伤区域，可利用绝缘材料间隙壁，使与相变材料间隙壁和杯形加热电极的接触面积拉开，可改善相变存储器装置的特性，提高工艺的成品率。(3)单位存储单元(unit memorycell)面积上有多个位元(bits)，可实现多层单元(multi-level cell，MLC)的要求。(4)相变材料间隙壁与杯形加热电极的接触面积可由相变材料间隙壁与杯型加热电极的薄膜厚度交叉的面积控制，以实现接触面积最小化的效果。

第二实施例

请参考图16a和16b，其显示本发明第二实施例中杯形开口318的形成，其中元件与图2a、2b～6a、6b所示的相同部分，则可参考前面的相关叙述，在此不做重复叙述。利用图6a、6b所示的硬掩膜层310a和光致抗蚀剂层316作为蚀刻硬掩膜，进行各向异性蚀刻步骤，移除部分介电层304，直到暴露出开关元件308。接着，可利用例如光致抗蚀剂灰化(photoresist asher)的光致抗蚀剂剥除(PR stripping)工艺，移除光致抗蚀剂层316。然后，可利用干蚀刻或湿蚀刻方式，移除硬掩膜层310a，以形成杯形开口318，其底部叠对对准(Overlay Alignment)于开关元件308的上方。在本发明实施例中，硬掩膜层310a与介电层304的蚀刻选择比优选为大于5。如图16a的俯视图所示，杯形开口318为方形。由上述方式形成的杯型开口318的孔径或间距可由硬掩膜层310a和光致抗蚀剂层316的关键尺寸所决定，可避免在现有光刻工艺中，仅用一道光掩膜步骤定义杯型开口318造成边角圆滑化(cornerrounding)的缺点，且可使杯型开口318的孔径或间距缩小至光刻工艺的极限(例如65nm)。杯型开口318的孔径大小与后续形成相变材料间隙壁的厚度相关，在本发明实施例中，杯型开口318的孔径介于10nm至500nm之间，优选为480nm。

请参考图17a和17b，可利用例如物理气相沉积法(physical vapordeposition，PVD)、溅镀法(sputtering)、低压化学气相沉积法(low pressure CVD，LPCVD)和原子层化学气相沉积法(atomic layer CVD，ALD)或无电镀膜法(electroless plating)等方式，在介电层304上顺应性地形成导电层320b，且覆盖于如图16a和16b所示的杯形开口318的侧壁和开关元件308。接着，在导电层320b上形成绝缘层322b，并填入如图16a和16b所示的杯形开口318中。在本发明第二实施例中，绝缘层322b可包括氧化硅或其他氧化物。导电层320b可包括金属、合金、金属化合物、半导体材料。导电层320b可包括基础金属或其合金(例如铝或铜)、耐火金属或其合金(例如钴、钽、镍、钛、钨、钨化钛)、过渡金属氮化物、耐火金属氮化物(例如氮化钴、氮化钽、氮化镍、氮化钛、氮化钨)、金属氮硅化物(例如氮硅化钴、氮硅化钽、氮硅化镍、氮硅化钛、氮硅化钨)、金属硅化物(例如硅化钴、硅化钽、硅化镍、硅化钛、硅化钨)、多晶或非晶半导体材料、相变材料((例如锑化镓(GaSb)、碲化锗(GeTe)、锗-锑-碲合金(Ge2Sb2Te5)、银-铟-锑-碲合金(Ag-In-Sb-Te))、导电氧化物材料(例如钇钡铜氧化物(YBCO)、氧化亚铜(Cu2O)、氧化铟锡(ITO))或其组合，其厚度优选介于1nm至300nm之间。

请参考图18a和18b，利用光致抗蚀剂层覆盖于绝缘层322b上，再共用形成光致抗蚀剂层316的同一光掩膜，沿第二方向319位移(offset)第三距离d3后，再对光致抗蚀剂层曝光显影，以形成光致抗蚀剂层354。在本发明第二实施例中，第三距离d3介于120nm至200nm之间，优选为140nm。光致抗蚀剂层354仅覆盖如图16a所示的杯形开口318的部分面积，优选覆盖如图16a所示的杯形开口318的近二分之一面积。

接着，请参考图19a、19b和19c，利用例如干蚀刻等各向异性蚀刻方式，移除部分绝缘层322b，以形成绝缘层322c和开口356。开口356中的绝缘层322c的高度h1优选低于导电层320b。在本发明第二实施例中，绝缘层322c的高度h1优选为绝缘层322c与介电层304的高度差h2的四分之一。

接着，利用湿蚀刻方式，移除未被光致抗蚀剂层354覆盖的导电层320b，以形成如图20a、20b和20c所示的导电层320c，其覆盖于如图16a及16b所示杯型开口318的部分侧壁上。然后，可利用例如光致抗蚀剂灰化(photoresist asher)的光致抗蚀剂剥除(PR stripping)工艺移除光致抗蚀剂层354。如图20b所示，位于开口356中的导电层320c大体上与绝缘层322c共平面。如图20c所示，位于开口356中的导电层320c部分被移除。

请参考图21a、21b和21c，全面性形成绝缘层358，并填入开口356中。在本发明第二实施例中，绝缘层358可包括氧化硅或其他氧化物。

然后，如图22a、22b和22c所示，进行例如化学机械抛光(CMP)的平坦化工艺，移除过量的导电层320c、绝缘层322c和绝缘层358，直到露出介电层304，以形成杯型加热电极324a。杯型加热电极324a包括导电层320d、绝缘层322d和绝缘层358b。杯型加热电极324a通过开关元件308电连接至电极层302。如图22a的俯视图所示，本发明第二实施例的杯型加热电极324a为U型。

请参考图23a、23b和23c，其显示叠层结构332的形成。依次形成绝缘层和导电层于介电层304和杯型加热电极324a上。在本发明第二实施例中，上述绝缘层包括氮化硅或其他氮化物。上述导电层可包括金属、合金、金属化合物、半导体材料。导电层可包括基础金属或其合金(例如铝或铜)、耐火金属或其合金(例如钴、钽、镍、钛、钨、钨化钛)、过渡金属氮化物、耐火金属氮化物(例如氮化钴、氮化钽、氮化镍、氮化钛、氮化钨)、金属氮硅化物(例如氮硅化钴、氮硅化钽、氮硅化镍、氮硅化钛、氮硅化钨)、金属硅化物(例如硅化钴、硅化钽、硅化镍、硅化钛、硅化钨)、多晶或非晶半导体材料、相变材料(例如锑化镓(GaSb)、碲化锗(GeTe)、锗-锑-碲合金(Ge2Sb2Te5)、银-铟-锑-碲合金(Ag-In-Sb-Te))、导电氧化物材料(例如钇钡铜氧化物(YBCO)、氧化亚铜(Cu2O)、氧化铟锡(ITO))或其组合。上述导电层可为单层结构，也可为前述所有材料的任意顺序及任意重复层次数目加以堆叠的复合层结构。然后，利用图案化的光致抗蚀剂(图未显示)覆盖于导电层上，定义出叠层结构332的形成位置，再进行各向异性蚀刻步骤，移除未被光致抗蚀剂覆盖的绝缘层和导电层，然后移除图案化的光致抗蚀剂，以形成叠层结构332。叠层结构332包括绝缘层328和导电层330(可视为上电极层330)，其沿第二方向319形成于介电层304上，且部分覆盖杯型加热电极324a。在本发明第二实施例中，第一方向317与第二方向319实质上垂直，且绝缘层328和位于其下杯型加热电极324a中的绝缘层322d和358的蚀刻选择比优选大于5且小于1000。叠层结构332优选仅覆盖杯型加热电极324a的平行于第二方向319的两边缘的其中之一，例如覆盖于杯型加热电极324a的二分之一面积，其中绝缘层328和导电层322的厚度优选为100nm。

请参考图24a和24b，其显示相变材料层334的形成。可利用例如物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)、热蒸镀法(thermal evaporation)、脉冲激光沉积(pulsed laser deposition)或有机金属化学气相沉积法(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)等方式，全面性地覆盖相变材料层334(phase change film，PC film)。相变材料层334可包括二元、三元或四元硫族化合物(chalcogenide)，例如锑化镓(GaSb)、碲化锗(GeTe)、锗-锑-碲合金(Ge-Sb-Te，GST)、银-铟-锑-碲合金(Ag-In-Sb-Te)或其组合。在本发明第二实施例中，相变材料层334的厚度优选介于10nm至50nm，若因相变存储器需求要厚至100nm，则如图16a和16b所示的杯型开口318的孔径必须再加大。

接着，如图25a和25b所示，可利用例如等离子体增强型化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)，在相变材料层334上覆盖绝缘材料层350。绝缘材料层350可包括氧化层，其厚度介于10nm至50nm之间。

然后，如图26a和26b所示，进行各向异性蚀刻步骤，移除部分绝缘材料层350，以在叠层结构336的侧壁338上方形成绝缘材料间隙壁352，其中相变材料层334与该绝缘材料层350的蚀刻选择比大于1且小于1000。

接着，如图27a、27b和27c所示，利用绝缘材料层间隙壁352作为蚀刻硬掩膜，进行各向异性蚀刻步骤，移除部分绝缘材料间隙壁352以及未被绝缘材料间隙壁352覆盖的相变材料层334，以形成相变材料间隙壁334a，而构成具有绝缘材料层间隙壁352和相变材料间隙壁334a的双层间隙壁的电极结构340。电极结构340包括绝缘层328、导电层322、绝缘材料间隙壁352和相变材料间隙壁334a，以形成相变存储器结构400b。且经过上述工艺，以完成本发明第二实施例的相变存储器装置100b。其中相变材料间隙壁334a与杯形加热电极324a的接触面积380，可为相变材料间隙壁334a或导电层320d的薄膜厚度交叉的面积控制，比现有技术利用光刻工艺形成的加热电极产生的面积更小，控制更为精确。

上述的相变存储装置100b，电极结构340中的相变材料间隙壁334a被绝缘材料层间隙壁352所覆盖。在蚀刻相变材料层334以形成相变材料间隙壁334a时，由于绝缘材料间隙壁352覆盖于相变材料层334上，可保护相变材料层334的表面在蚀刻时不致损伤。在现有技术中，在蚀刻相变材料层时，相变材料层的蚀刻边缘会有金属基聚合物残留物(metal-based polymerresidual)，且蚀刻气体会攻击(attack)相变材料层的表面，而造成表面损伤，严重时会使蚀刻后的相变材料层不能产生相变现象，影响相变存储器的电表现。而本发明第二实施例的相变存储器装置100b，可将蚀刻时于相变材料间隙壁334a边缘形成的金属基聚合物残留物(metal-based polymer residual)及蚀刻损伤区域，利用绝缘材料间隙壁352，使与相变材料间隙壁334a和杯形加热电极324a的接触面积380拉开，可改善相变存储器装置的特性，提高工艺的成品率。

在其他实施例中，可在相变存储器结构400b上沉积介电层(图未显示)。然后，进行例如为化学机械抛光(CMP)的平坦化工艺，移除过量的介电层，直至露出电极结构340的导电层330的表面。接着，重复如图16a、16b至27a～27c的工艺步骤，垂直堆叠多个相变存储器结构400b，且彼此电连接，以形成三维(3D)的存储器阵列，但相变存储器结构400b堆叠的层数并无限定。

本发明第二实施例的相变存储器装置100b的主要元件包括基板300；电极层302，形成于上述基板300上；介电层304，形成于上述电极层302上；以及相变存储器结构400b，形成于上述介电层304中，且电连接至上述电极层302，其中上述相变存储器结构包括：杯形加热电极324a，设置于上述介电层的杯型开口318中，其中上述杯形加热电极324a包括导电层320d，上述导电层320d部分覆盖上述杯型开口318的侧壁；电极结构340，设置于上述杯形加热电极324a上，且部分覆盖上述杯形加热电极324a；一对双层间隙壁，设置于上述电极结构340的一对侧壁338上，且部分覆盖上述杯形加热电极324a，上述双层间隙壁包括相变材料间隙壁334a和设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁352。

本发明第一和第二实施例的相变存储器装置100a和100b，使用不同的方式覆盖部分杯型加热电极的导电层。第一实施例的相变存储器装置100a，以沿第一方向317形成的条状绝缘层326覆盖部分杯型加热电极的导电层，且杯型加热电极的导电层的俯视图为四方环形(square ring)；而第二实施例的相变存储器装置100b，共用形成光致抗蚀剂层316的同一光掩膜，再以光掩膜移位(offset)的方式，在形成杯型加热电极324a之前移除部分绝缘层322和导电层320，再在其上填入绝缘层358，在完成杯型加热电极324a的同时覆盖部分杯型加热电极的导电层，且可节省一道光掩膜工艺，且杯型加热电极的导电层的俯视图为U型。

本发明第二实施例的相变存储器装置100b除具有本发明第一实施例的相变存储器装置100a的优点之外，尚具有以下优点：(1)在覆盖部分杯型加热电极的导电层时共用形成杯型加热电极的光掩膜，降低因工艺光掩膜数增加所导致上升的制造成本。(2)在蚀刻叠层结构的绝缘层时可与其下杯型加热电极内外的绝缘层均具有蚀刻选择比，使蚀刻终点更易于侦测。(3)可避免用于覆盖部分杯型加热电极导电层的绝缘层边缘因蚀刻条件的控制性不佳，而产生于绝缘层上意外形成非必要的相变材料间隙壁的可能性。(4)杯型加热电极上表面为平整状态下形成叠层结构，使得之后形成相变材料间隙壁时，相变材料间隙壁不会跨过具有起伏地形(topography)的表面。优点是叠层结构可以较薄而仍不会断线，且相变材料间隙壁在整条叠层结构的边缘都一样，电性能较易一致。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与修改，因此本发明的保护范围以所附权利要求所界定的为准。

Claims (37)

1.一种相变存储器装置，包括：

基板；

电极层，形成于该基板上；以及

相变存储器结构，形成于该电极层上，且电连接至该电极层，其中该相变存储器结构包括：

杯形加热电极，设置于该电极层上；

绝缘层，沿第一方向设置于该杯形加热电极上，且部分覆盖该杯形加热电极；

电极结构，沿第二方向设置于该杯形加热电极上，且部分覆盖该绝缘层和该杯形加热电极；

一对双层间隙壁，设置于该电极结构的一对侧壁上，且部分覆盖该杯形加热电极，该双层间隙壁包括相变材料间隙壁和设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁。

2.一种相变存储器装置，包括：

基板；

电极层，形成于该基板上；

介电层，形成于该电极层上；以及

相变存储器结构，形成于该介电层中，且电连接至该电极层，其中该相变存储器结构包括：

杯形加热电极，设置于该介电层的杯型开口中，其中该杯形加热电极包括导电层，该导电层部分覆盖该杯型开口的侧壁；

电极结构，设置于该杯形加热电极上，且部分覆盖该杯形加热电极；

一对双层间隙壁，设置于该电极结构的一对侧壁上，且部分覆盖该杯形加热电极，该双层间隙壁包括相变材料间隙壁和设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁。

3.如权利要求1或2所述的相变存储器装置，其中该杯形加热电极包括：

开关元件；

导电层，设置于该开关元件上，且电连接至该开关元件，其中该导电层为杯形，且具有杯形开口；

绝缘层，设置于该导电层上，并填入该杯形开口中。

4.如权利要求3所述的相变存储器装置，其中该开关元件包括二极管结构或连接线结构。

5.如权利要求3所述的相变存储器装置，其中该导电层包括金属、合金、金属化合物、半导体材料或其组合。

6.如权利要求5所述的相变存储器装置，其中该金属包括铝、铜、钴、钽、镍、钛、钨或其组合。

7.如权利要求5所述的相变存储器装置，其中该合金包括铝合金、铜合金、钴合金、钽合金、镍合金、钛合金、钨合金、钨化钛、锑化镓、碲化锗、锗-锑-碲合金、银-铟-锑-碲合金或其组合。

8.如权利要求5所述的相变存储器装置，其中该金属化合物包括氮化钴、氮化钽、氮化镍、氮化钛、氮化钨、氮硅化钴、氮硅化钽、氮硅化镍、氮硅化钛、氮硅化钨、硅化钴、硅化钽、硅化镍、硅化钛、硅化钨、钇钡铜氧化物、氧化亚铜、铟锡氧化物或其组合。

9.如权利要求5所述的相变存储器装置，其中该半导体材料包括多晶半导体材料、非晶半导体材料或其组合。

10.如权利要求3所述的相变存储器装置，其中该导电层的俯视图为四方环形。

11.如权利要求3所述的相变存储器装置，其中该导电层的俯视图为U形。

12.如权利要求1所述的相变存储器装置，其中该绝缘层覆盖该杯形加热电极的一半面积。

13.如权利要求1所述的相变存储器装置，其中该电极结构覆盖该杯形加热电极的四分之一面积。

14.如权利要求2所述的相变存储器装置，其中该电极结构覆盖该杯形加热电极的二分之一面积。

15.如权利要求1或2所述的相变存储器装置，其中该电极结构为复合层，其包括绝缘层和导电层。

16.如权利要求15所述的相变存储器装置，其中该导电层包括金属、合金、金属化合物、半导体材料或其组合。

17.如权利要求16所述的相变存储器装置，其中该金属包括铝、铜、钴、钽、镍、钛、钨或其组合。

18.如权利要求16所述的相变存储器装置，其中该合金包括铝合金、铜合金、钴合金、钽合金、镍合金、钛合金、钨合金、钨化钛、锑化镓、碲化锗、锗-锑-碲合金、银-铟-锑-碲合金或其组合。

19.如权利要求16所述的相变存储器装置，其中该金属化合物包括氮化钴、氮化钽、氮化镍、氮化钛、氮化钨、氮硅化钴、氮硅化钽、氮硅化镍、氮硅化钛、氮硅化钨、硅化钴、硅化钽、硅化镍、硅化钛、硅化钨、钇钡铜氧化物、氧化亚铜、铟锡氧化物或其组合。

20.如权利要求16所述的相变存储器装置，其中该半导体材料包括多晶半导体材料或非晶半导体材料或其组合。

21.如权利要求15所述的相变存储器装置，其中该导电层是单一层或堆叠层。

22.如权利要求1所述的相变存储器装置，其中该第一方向与该第二方向实质上垂直。

23.如权利要求1或2所述的相变存储器装置，其中该相变材料间隙壁与该绝缘材料间隙壁的蚀刻选择比大于1且小于1000。

24.如权利要求1或2所述的相变存储器装置，还包括：

另一个相变存储器结构，垂直堆叠于该相变存储器结构上，且彼此电连接。

25.一种相变存储器装置的制造方法，包括下列步骤：

提供基板，其上具有电极层；

在该电极层上形成相变存储器结构，且电连接至该电极层，其中形成该相变存储器结构包括：

在该电极层上形成杯形加热电极；

在该杯形加热电极上沿第一方向形成绝缘层，且部分覆盖该杯形加热电极；

在该杯形加热电极上沿第二方向形成电极结构，且部分覆盖该绝缘层和该杯形加热电极；以及

在该电极结构的一对侧壁上形成一对双层间隙壁，且部分覆盖该杯形加热电极，该双层间隙壁包括相变材料间隙壁及设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁。

26.一种相变存储器装置的制造方法，包括下列步骤：

提供基板，其上具有电极层；

在该电极层上形成介电层；以及

在该介电层中形成相变存储器结构，且电连接至该电极层，其中形成该相变存储器结构包括：

在该介电层的杯型开口中形成杯形加热电极，其中该杯形加热电极包括导电层，该导电层部分覆盖于该杯型开口的侧壁；

在该杯形加热电极上形成电极结构，且部分覆盖该杯形加热电极；以及

在该电极结构的一对侧壁上形成一对双层间隙壁，且部分覆盖该杯形加热电极，该双层间隙壁包括相变材料间隙壁和设置于其侧壁上的绝缘材料间隙壁。

27.如权利要求25或26所述的相变存储器装置的制造方法，在形成该杯形加热电极之前还包括：

形成开关元件于该电极层上，且电连接至该电极层；以及

在该电极层及该开关元件上方形成介电层，且覆盖该开关元件。

28.如权利要求27所述的相变存储器装置的制造方法，其中该开关元件包括二极管结构或连接线结构。

29.如权利要求27所述的相变存储器装置的制造方法，其中形成该杯形加热电极包括：

在该介电层上形成多个硬掩膜层，其中该多个硬掩膜层的侧壁与该开关元件的一组侧壁相距第一距离；

在该多个硬掩膜层上形成多个光致抗蚀剂层，其与该多个硬掩膜层实质上垂直，该多个光致抗蚀剂层与该开关元件的另一组侧壁相距第二距离；

利用该多个硬掩膜层和该多个光致抗蚀剂层为蚀刻硬掩膜，移除部分该介电层直到该开关元件，以形成杯形开口；

在该杯形开口中形成导电层，其中该导电层为杯形；

在该导电层上填入绝缘层，并填入该杯形开口中；以及

进行平坦化工艺，移除部分该导电层和该绝缘层，以形成该杯形加热电极。

30.如权利要求29所述的相变存储器装置的制造方法，其中该第一距离等于该第二距离。

31.如权利要求29所述的相变存储器装置的制造方法，其中该第一距离不等于该第二距离。

32.如权利要求25所述的相变存储器装置的制造方法，其中该绝缘层覆盖于该杯形加热电极的一半面积。

33.如权利要求25所述的相变存储器装置的制造方法，其中该电极结构覆盖该杯形加热电极的四分之一面积。

34.如权利要求25或26所述的相变存储器装置的制造方法，其中形成该电极结构包括：

在该杯形加热电极上形成包括绝缘层和导电层的叠层结构；

在该叠层结构上依次形成相变材料层和绝缘材料层；

移除部分该绝缘材料层，以在该叠层结构的侧壁上方形成一对绝缘材料间隙壁；以及

利用该对绝缘材料层间隙壁做为蚀刻硬掩膜，移除部分该相变材料层，以在该叠层结构的侧壁上形成一对相变材料间隙壁，以形成该电极结构。

35.如权利要求29所述的相变存储器装置的制造方法，其中进行该平坦化工艺之前还包括：

进行光刻和蚀刻工艺，部分移除位于该杯形开口中的该导电层和该绝缘层，以形成另一开口；

在该另一开口中填入另一绝缘层，并覆盖于该绝缘层上。

36.如权利要求35所述的相变存储器装置的制造方法，其中形成该另一开口的光掩膜为形成该多个光致抗蚀剂层的光掩膜。

37.如权利要求26所述的相变存储器装置的制造方法，其中该电极结构覆盖于该杯形加热电极的二分之一面积。

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