TWI451569B - 一種包含熱保護底電極的相變化記憶胞與其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於採用相變化記憶材料之高密度記憶裝置，其包含硫屬化物元素以其他可程式化之電阻材料。本發明亦揭露製作該種裝置之方法。
以相變化為基礎之記憶材料已經廣泛地運用於可讀寫光碟片中。這些材料具有至少兩種固態相，包括如一大致為非晶態之固態相，以及一大致上為結晶態之固態相。讀寫光碟片係利用雷射脈衝，以在二種相態之間切換，同時讀取材料經過相變化轉換之後的光學性質。
硫屬化物或其他相似材料之相變化記憶體材料，亦可藉由積體電路施以適當強度之電流，來改變相位。大致為非晶態的電阻率高於大致為結晶態時的電阻率，而此種電阻差異易於偵測，故可代表不同資料內容。該種物質特性引發研究動機，祈利用可控制之電阻材料，製作非揮發、並且可隨機讀寫之記憶體電路。
非晶態轉換至結晶態之過程，通常採用較低之操作電壓。由結晶態轉換為非晶態之過程，於此稱為『重置』(reset)。其通常需要較高之操作電壓，包含一短時間且高密度之電流脈衝，以熔化或破壞結晶結構，隨後快速冷卻相變化材料，經淬火處理，將至少一部分之相變化結構穩定為非晶態。此一過程，藉重置電流將相變化材料由結晶態轉變為非晶態，而吾人希望盡量降低重置電流之強度。欲降低重置電流之強度，可降低記憶體單元中的相變化材料元件尺寸，或者降低電極與相變化材料之接觸區域大小，此時穿越相變化元件的電流絕對值較小，故可產生較高的電流密度。
傳統相變化記憶體與其結構遭遇到散熱效應的問題。第1圖顯示習知技術中記憶胞的剖面示意圖，其包含位於介電層100中的底電極110、底電極110之上的相變化核心120、以及位於相變化核心120之上的頂電極130。具有熱傳導性的底電極110可作為散熱庫，其高導熱係數可快速地將熱能由相變化核心120帶離。由於核心120會因為熱能而產生相變化，因此散熱效應會提高相變化之發生門檻，故必須採用較高之電流。
第2圖顯示類似於第1圖的一種記憶胞結構之剖面示意圖，其中更包含底電極110中的接縫140。如過去所習知者，將材料沈積至深寬比相對較高的開口中(例如在介電層100中形成底電極110)，即會在沈積材料中造成如接縫140之型態。所沈積之材料傾向堆積於接近容納結構之邊緣，留下接縫或空孔，而不會形成均勻的固態材料。在此例中，稍後所沈積之相變化核心120無法完全與底電極接觸，造成接觸不良，同時影響記憶胞之穩定性與可靠度。
在極小的尺寸之下製作此種裝置，或者欲使製程符合大型記憶裝置之嚴格規格要求，均為重大挑戰。因此產生需求，希望能發展具有小尺寸與低重置電流之的記憶胞結構，也希望該結構可以著眼於導熱性之問題，同時能符合大型記憶裝置製程所需之嚴格製程標準。此外，也希望能製作具有微小主動相變化區域的記憶裝置。
本發明揭露一種記憶裝置，其包含一底電極、位於底電極上之一熱保護結構、以及位於該熱保護結構上的多層堆疊。熱保護結構包含一熱保護材料層，該熱保護材料之導熱係數低於底電極材料之導熱係數。多層堆疊包含位於相變化核心之上的頂電極。多層堆疊在第一方向上具有第一寬度，該寬度小於熱保護材料層，同時在第二方向上具有第二寬度，其寬度低於熱保護材料層，而該第二方向與第一方向垂直。
本發明揭露一種製作記憶裝置之方法，其包含提供一底電極，延伸至第一介電層之頂部表面。接著依序在第一底電極之上形成第一阻障材料層、熱保護材料層、第二阻障材料層、相變化材料層、頂電極材料層、以及硬罩幕材料，如此第一阻障材料層會位在底電極之上。在底電極之上的硬罩幕上形成一層光阻。以該光阻層作為幕罩，向下蝕刻至穿越相變化材料，以形成多層堆疊。多層堆疊包含(1)相變化核心，其包含相變化材料，而相變化核心具有邊牆；(2)頂電極包含位於相變化核心之上的頂電極材料，以及(3)硬罩幕覆蓋層包含位於頂電極之上的硬罩幕材料。隨後，形成第二介電材料層於該多層堆疊之上，並蝕刻該第二介電材料層，以形成介電側壁子於相變化核心之邊牆上。以該介電側壁子與該硬罩幕覆蓋層作為幕罩，向下蝕刻至第一介電層，以形成熱保護結構，該熱保護結構包含(1)第一阻障層位於該底電極之上，該第一阻障層包含第一阻障材料，(2)熱保護層位於該第一阻障層之上，該熱保護層包含熱保護材料，以及(3)第二阻障層位於該熱保護層之上，該第二阻障層包含第二阻障材料。熱保護材料具有低於該底電極材料之一導熱係數，同時具有低於該第一阻障材料與該第二阻障材料之一導電係數，而該記憶材料至少具有二固態相。
另一種製作記憶裝置之方法，包含提供底電極，延伸穿越第一介電層之頂部表面，並蝕刻該底電極層之一部分以形成凹槽。形成第一阻障材料層區塊於該第一介電層之該頂部表面之上以及該凹槽中，以連接該底電極，並界定該凹槽中之開口。形成一熱保護材料層於該第一阻障材料之上，同時填充該凹槽之開口。平坦化該第一阻障材料層與該熱保護材料層，以暴露該第一介電層之頂部表面，由此形成包含第一阻障材料之第一阻障層於該底電極之上與該凹槽中，同時形成包含熱保護材料之熱保護層於該第一阻障層上與該凹槽中。接著形成第二阻障材料層、相變化材料層、以及頂電極材料層於該第一介電層之上，由此該第二阻障材料層位於該熱保護層之上。形成光阻柱體於該頂電極材料層上，同時覆蓋該底電極。以該光阻層作為一幕罩，向下蝕刻至穿越該相變化材料層，以形成一多層堆疊，該多層堆疊位於該相變化核心上，包含相變化材料的相變化核心，以及包含頂電極材料的頂電極，而該相變化核心具有一邊牆。形成第二介電材料層於該多層堆疊之上，然後蝕刻該介電材料層與該第二阻障材料層。蝕刻將形成包含第二阻障材料而位於熱保護層之上的第二阻障層，同時在相變化核心之邊牆上，形成包含第二介電材料之介電側壁子。
此處所揭露之記憶胞，可具有極小的主動區域，以降低引發相變化所需的電流。在較佳實施例中，相變化核心之寬度(在某些實施例中為半徑)小於製作記憶胞之微影製程所需的最低特徵尺寸。核心之厚度亦可低於製作記憶胞之微影製程所需的最小特徵尺寸，而該厚度係以記憶材料之薄膜沈積方法形成於熱保護結構之上。
熱保護結構可作為熱絕緣體，以降低相變化核心被底電極所汲取之熱量，有效地增加單位電流在相變化核心中所產生之熱量。此種核心之絕熱設計可讓記憶胞採用的電流大小，低於所有習知技藝中所採用者。
本發明之其他目的與優點將參照圖式說明如下。
下列實施方式之敘述，主要係參照特定結構實施例之結構與方法。吾人應理解其內容，並非欲將本發明之範疇限定於特定之實施例與方法之中，反之，本發明可利用其他特徵功能、元件、方法、以及實施例而據以實施。此處利用較佳實施例之說明，以揭露本發明之內容，但該說明並非用以限定發明之範疇，而應以申請專利範圍為準。習知該技術領域之人將理解基於實施方式所進行之多種變化均將落入本發明之範圍中。不同實施方式中相類似的元件多以相同的元件標號呈現。
關於方向之敘述，可見圖式中之上、下、左、右標示個別圖面中的參考方向。相同地，厚度係指垂直方向而寬度係指水平方向。習知技藝之人將理解上述方向並非指涉電路操作或者其他應用之方向。
以下參見第3圖至第20圖以詳細說明本發明之內容。
第3A圖顯示依據本發明之一種較佳實施例，所製作在頂電極330與底電極310具有熱保護結構340的記憶胞剖面示意圖。
底電極310延伸穿越層間介電層300，以連接位於其下的存取電路(未顯示)。較佳實施例中，層間介電層300包含二氧化矽或者其他習知技藝常採用之材料，例如聚合物、氮化矽、或其他介電填充材料。在各種實施例中，介電層300具有相對較佳之絕熱特性，同時具有較佳之電性絕緣特性，以作為熱和電之絕緣體。較佳實施中，底電極310包含鎢等絕熱金屬。其他可作為底電極310之材料，包含鈦、鉬、鋁、鉈、銅、鉑、銥、鑭、鎳、氮、氧、釕。然底電極亦可採用其他之結構與材料。可選擇性地採用薄層308以將底電極310與介電層300及下方之存取電路(未顯示)隔絕。選擇特定材料時，薄層308可作為底電極310及介電層300之間的擴散障礙。
依據第3A圖所示之實施例，其中熱保護結構340包含位於底電極310之上的一第一阻障材料層350，位於第一阻障層350之上的熱保護材料層360，以及位於熱保護層360之上的第二阻障材料層370。第一阻障層350與第二阻障層370通常具有防止擴散之功用。第一阻障層350與第二阻障層370採用之材料，其導電係數大於熱保護層360之導電係數，因此可有效地在熱保護層360中造成電場/電流密度385之一致性，如第3B圖所示。
第一阻障層350與第二阻障層370之電場/電流密度430之一致性所具有的優良效應，可增加熱保護結構340對底電極310的對準窗口，如第3C圖所示。
在某較佳實施例中，第一阻障層350與第二阻障層370包含相同材料。在其他實施例中，第一阻障層350與第二阻障層370亦可包含不同的材料。依據本發明之較佳實施例，第一阻障層350與第二阻障層370係為氮化鈦或其他類似的材料，諸如由矽、鈦、鋁、鉈、氮、氧、碳之群組中所選出的一種或多種元素的組合。較佳實施例中，第一阻障層350與第二阻障層370為薄層，其厚度舉例而言約小於等於30nm，在最佳實施例中約在2nm至10nm之間。所示實施例中，第二阻障層370之寬度大約等於熱保護層360之寬度。在其他實施例中，第二阻障層370之寬度小於熱保護層360之寬度，舉例而言大致等於相變化核心320之寬度。
相變化核心320與頂電極330共同形成多層堆疊，而相變化核心320包含相變化材料。頂電極330舉例而言可包含TiN、TaN、TiW、TiSiN、或TaSiN。如第3A圖所示，多層堆疊之寬度324在圖示剖面圖之第一方向(即圖示平面)上小於熱保護層360之寬度。同樣地，堆疊在第二方向(即垂直圖面之方向)上之寬度，小於熱保護層360之寬度。
操作時，底電極310之電壓與頂電極330之電壓可引導電流自底電極310經過熱保護結構340與相變化核心320流向頂電極330，或者是相反的方向。
主動區域係指相變化核心320中，可誘發記憶材料在兩種固態相之間轉換的區域。在所示結構中，主動區域可以極小，以降低誘發相變化所需之電流。在較佳實施例中，相變化核心之寬度324(在某些實施例中為直徑)小於製作記憶胞之微影製程的最小特徵尺寸。在某些實施例中，核心320之寬度324係小於或等於60nm，舉例而言約在10nm至40nm之間。核心320之厚度322亦可以低於製作記憶胞之微影製程的最小特徵尺寸。厚度322可利用記憶材料所採用的薄膜沈積技術，製作形成於熱保護結構340之上。在某些實施例中，厚度322係小於或等於100nm，舉例而言約在20nm至80nm之間。
熱保護結構340可作為熱絕緣體，以降低核心320經由底電極310所散逸之熱量，有效地增加單位電流在相變化核心320所產生的總熱量。核心320之絕熱設計，可使記憶胞之設計具有低於先前技術所採用之電流，因此可進一步降低記憶胞之尺寸。具有導電性質之熱保護層360包含熱保護材料，其導熱係數低於底電極310所採用之材料。二者之比例而言，熱保護層之導熱係數與底電極310所採用之材料的導熱係數比例，係約為10%，而在較佳實施例中約為0.1%。
在某些實施例中，熱保護層360包含具有相變化特性之記憶材料，舉例而言包含Ge、Sb、與Te。熱保護層360舉例而言可包含與相變化核心320相同之材料。另一方面，熱保護層360可能包含與相變化核心320具有不同元素組合比例的材料，舉例而言相變化核心320包含Ge2Sb2Te5，而熱保護層360則包含另一比例的Ge、Sb、Te組合，或者包含Ge與Sb之組合。讓相變化核心320與熱保護層360採用相同材料之優點，即是可以降低兩者之間熱擴散之影響。在某些實施例中，熱保護層360可包含硫屬化物或者其他具有摻雜的相變化材料，以改變導電係數、相變化溫度、熔點、以及其他性質。可摻雜於硫屬化物之典型雜質，包含氮、氧化矽、二氧化矽、氮化矽、銅、銀、金、鋁、氧化鋁、鉈、氧化鉈、氮化鉈、鈦、與氧化鈦。熱保護層360之厚度，舉例而言約小於或等於100nm，在較佳實施例中係在20nm至80nm之間。
記憶胞之實施例，包含利用相變化之記憶材料，其中包含硫屬化物材料以及其他材料，作為相變化核心320。硫屬化物可能包含氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)等四種元素，為元素週期表第六族之一部分。硫屬化物包含硫族元素與其他例如過渡金屬元素之化合物。硫屬化物合金通常包含一種以上的元素週期表第六族元素，例如鍺(Ge)和錫(Sn)。通常，硫屬化物合金中包含一種以上的銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、與銀(Ag)元素。文獻中已有許多種類之相變化記憶體材料，例如下列合金：Ga/Sb、In/Sb、In/Se、Sb/Te、Ge/Te、Ge/Sb/Te、In/Sb/Te、Ga/Se/Te、Sn/Sb/Te、In/Sb/Ge、Ag/In/Sb/Te、Ge/Sn/Sb/Te、Ge/Sb/Se/Te、以及Te/Ge/Sb/S。Ge/Sb/Te之合金家族中，許多合金組合均可作為相變化記憶體材料，此類組合可特定為Tea
Geb
Sb100－(a＋b)
,某些實施例中，硫屬化物與其他相變化材料會摻雜其他雜質以改變電性、相變化溫度、熔點、以其他記憶元件之性質。可摻雜於硫屬化物之典型雜質，包含氮、氧化矽、二氧化矽、氮化矽、銅、銀、金、鋁、氧化鋁、鉈、氧化鉈、氮化鉈、鈦、與氧化鈦。舉例而言，可參照美國專利號U.S.6,800,504與美國專利申請案2005/0029502。
已有研究人員指出，效能最佳之合金，其沈積材料中的Te平均濃度均低於70%，通常低於60%，而其範圍多為23%至58%之間，最佳濃度又為48%至58%之Te。Ge之濃度則為5%以上，範圍約為8%至30%之間，通常低於50%。最佳實施例中，Ge之濃度範圍約為8%至40%。此一組成中，最後一項主要組成元素為Sb，而上述所有元素之比例總和為100%。(Ovshinsky’112 patent,columns 10－11)。研究人員所評估之其他特定合金包含Ge2
Sb2
Te5
、GeSb2
Te4
、與GeSb4
Te7
(Noboru Tamada,“Potential of Ge－Sb－Te Phase－Change Optical Disks for High－Data－Rate－Recording”,SPIE v.3109,pp.28－37(1997))。就更為普遍之面向，過渡金屬，例如鉻(Cr)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈮(Nb)、鈀(Pd)、鉑(Pt)，與上述元素之合金，均可能與Ge/Sb/Te組成相變化合金，並使其具備程式可程式電阻之性質。可作為記憶體材料之特定範例，見於Ovshinsky’112 at column 11－13，此處之所載之範例即為參考上述文獻所為之組合。
相變化材料通常可於非晶固態相之第一結構，與通常為結晶固態相之第二結構之間切換，而此種轉換係進行於記憶單元中之主動通道區域內。『非晶』無固定晶向之結構，較結晶相具有更高之電阻率等特性。『結晶』有固定晶向之結構，較非晶相具有更低之電阻率等特性。通常而言，可於非晶態與結晶態之間，利用脈衝電流變換相變化材料之相態。材料可轉換為兩種相異之固態相，亦可轉換為兩種固態相之組合，故可於完整非晶相與完整結晶相之間，形成灰色地帶，材料之電性亦將隨之轉換。
相變化合金可利用電脈衝改變相態。時間較短、振幅較大的脈衝，易將相變化材料轉為通常之非晶態。而時間長、振幅較低之脈衝，則易將相變化材料轉為通常之結晶態。時間短且振幅高之脈衝，能量較高，足以破壞結晶態之鍵結，同時縮短時間可防止原子重新排列為結晶態。利用實驗或者模擬之方式，均可獲得適當之脈衝參數，以應用於特定之相變化合金。以下揭露之實施例中，相變化材料係指GST，舉例而言，此處用以製作PCRAM之一種材料為Ge2
Sb2
Te5
。然而，亦可採用其他相變化材料。
代表性的硫屬化物材料如下：Gex
Sby
Tez
，其中x：y：z＝2：2：5，其他實施例中可應用之組成為x：0~5,y：0~5,z：0~10。GeSbTe加入添加物，例如N－、Si－、Ti－、或添加其他元素。製作之方法可以採用PVD濺鍍或磁控濺鍍法，以Ar、N2
、和/或He等作為反應氣體，壓力為1mtorr~100mtorr。此一沈積步驟通常於室溫下完成。可採用深寬比1~5之準直儀，以增進填充效能。為增進填充之效能，常施加數十伏特至數百伏特之DC偏壓。另一方面，亦可同時結合DC偏壓與準直儀之使用。有時需要於真空或N2
環境中進行後沈積之退火處理，以提升硫屬化物材料之結晶狀態。退火溫度之通常範圍為100℃至400℃，退火時間則低於30分鐘。
本發明之一種重要特徵，即是熱保護結構340可利用底電極310之中的接縫390(如第3D圖所示)，增進記憶胞之可靠度及穩定性。即使熱保護結構340有部分填入接縫390中，也不會影響細胞核心的效能,如此可提高記憶胞之可靠度及穩定性。如第3E圖所示，既使記憶胞之製作過程或者操作過程，使得源自熱保護層360之材料流入熱保護層360中的接縫390與空孔395，第二阻障層370亦可使相變化核心320在熱保護結構340及相變化核心320之間建立穩定可靠的接觸。
依據不同狀況，可選擇採用第一阻障層350與第二阻障層370，在某些實施例中亦可省略其一或者省略二者。省略第一阻障層350與第二阻障層370之一或者省略二者可增進熱保護結構340的絕熱特性。
第4A圖顯示類似於第3A圖之實施例，其中省略第二阻障層370，使得熱保護層360之中形成非一致性的電場/電流密度410。非一致性的電場/電流密度410將增加熱保護層360之電阻，同時增加特定電流之下第一阻障層350與相變化核心320之間的電壓差異。非一致性的電場/電流密度410將使得熱點420具有相對較高的電場/電流密度。
第4B圖顯示類似於第3A圖的實施例，其中省略第一阻障層350，而熱保護層360亦未對準底電極310，藉以在熱保護層360中造成非一致性的電場/電流密度440以及熱點450。基本上，省略阻障層有助於減少熱散，但阻障層有助於提升穩定度。
第5A圖顯示本發明之一種較佳實施例的剖面圖，其中頂電極530與底電極510之間具有一熱保護結構540。熱保護結構540包含第一阻障層550以及熱保護層560，其係形成於介電層500之凹槽中，而第二阻障層570則位於熱保護層560之上。第5A圖所示的記憶胞材料以及尺寸，均可與第3A圖所示者相同。
熱保護結構540係位於穿越介電層500的底電極510之上，另有存取電路位於其下(未顯示)。選用薄層508可用以分隔底電極510與介電層500和存取電路(未顯示)。薄層508可選用特定材料，以作為底電極510與介電層500之擴散障礙。
包含相變化材料的相變化核心520位在熱保護結構540之上，而頂電極530又位在相變化核心520之上。
本發明之一種重要面向，即是以底電極熱保護結構540填補接縫590，增加記憶胞之可靠度與穩定性，如第5B圖所示。熱保護結構540可部分填入接縫590，同時可因此增進記憶胞之可靠度與穩定性。如第5C圖所示，即使記憶胞之製作過程或操作過程使得源自熱保護層560之材料流入熱保護層560中的接縫590與空孔595，第二阻障層570亦可使相變化核心520在熱保護結構540及相變化核心520之間建立穩定可靠的接觸。
第6圖至第12圖顯示依據本發明之第一實施例，製作記憶胞之流程圖。以下說明不再重複如材料選用、厚度、或者其他前面已經提及之特徵。
第6圖顯示製程步驟之第一步的剖面圖，包含提供層間介電層300，其具有底電極(接點)310延伸穿越其中。
稍後，多層結構形成於第6圖所示之結構上，依序包含形成第一阻障層750，熱保護層760、第二阻障層770，相變化材料層720，頂電極層730，以及硬罩幕層700，以形成如第7圖所示之結構。在某些實施例中，硬罩幕材料700包含SiN、SiO2、或SiON。
稍後，包含光阻材料的柱體800形成於第7圖所示之結構上，造就第8圖所示之結構。舉例而言，柱體800可利用圖案化一層光阻層而形成。此外，較佳實施例係在圖案化之光阻上進行修裁，舉例而言可利用電漿氧氣蝕刻之類的非等向蝕刻製程，如此柱體800可具有寬度810(在某些實施例中為直徑)，其係小於圖案化光阻層之製程的最小特徵尺寸。
接著，如第8圖所示，利用柱體800作為幕罩，將柱體800移除，以向下蝕刻至第二阻障材料層770，造成如第9圖所示之結構，其具有一硬罩幕覆蓋層900、頂電極330、相變化核心320、以及邊牆910。第二阻障材料層770可作為蝕刻製程中的蝕刻停止層。此外，亦可蝕刻第二阻障材料層770，使得第二阻障材料層770包含一實質上與相變化核心320之寬度。
然後，介電材料層1000形成於如第9圖所示之結構之上，形成如第10圖所示之結構。介電材料1000舉例而言可包含SiO2、SiN、SiON或AlO。稍後對介電材料層1000進行蝕刻，以在相變化核心320的邊牆910上形成介電側壁子1100，如第11圖所示。
隨後，可利用硬罩幕覆蓋層900與介電側壁子1100作為幕罩，在如第11圖所示的結構上進行向下蝕刻，造成如第12圖所示的自對準記憶胞，使其具有對準於相變化核心320、頂電極330、與介電側壁子1100的熱保護結構340。熱保護結構340包含第一阻障層350、熱保護層360、以及第二阻障層370。
採用如第6圖至第12圖所示之製程來製作自對準記憶胞之優點，即是僅需採用一道光阻幕罩。
第13圖至第20圖顯示依據本發明之第二實施例，製作記憶胞之流程圖。
第13圖顯示製程步驟之剖面圖，包含提供層間介電層500，該層間介電層500又有底電極510穿越其中。
稍後，蝕刻如第13圖所示的部分底電極510，形成凹槽1400，以形成如第14圖所示之結構。
隨後，依據結構之形狀，形成第一阻障材料層1500於第14圖所示的結構之上，形成如第15圖所示之結構。具有凹槽之第一阻障材料1500，會在凹槽1400中形成開口1510。
熱保護材料層形成於第15圖所示之結構上，隨後經過例如化學機械研磨(CMP)等平坦化製程，以形成凹槽1400中具有第一阻障層550和熱保護層560的結構。
稍後，形成多層結構於第16圖所示之結構上，其包含依序形成第二阻障材料層1770、相變化材料層1720、與頂電極材料層1730。在某些實施例中，多層結構更包含位於頂電極材料1730之上的硬罩幕材料。
接著，包含光阻材料的柱體1700形成於該多層結構上，形成如第17圖所示之結構。舉例而言可利用圖案化光阻層之方法製作柱體1700。此外，較佳實施例係在圖案化之光阻上進行修裁，舉例而言可利用電漿氧氣蝕刻之類的非等向蝕刻製程，如此柱體1700可具有寬度1710(在某些實施例中為直徑)，其係小於圖案化光阻層之製程的最小特徵尺寸。
接著，如第17圖所示，利用柱體1700作為幕罩，將柱體1700移除，以向下蝕刻至第二阻障材料層1770，造成如第18圖所示之結構，其具有頂電極530、相變化核心520、以及邊牆1810。第二阻障材料層1770可作為蝕刻製程中的蝕刻停止層。此外，亦可蝕刻第二阻障材料層1770，使得第二阻障材料層1770包含一實質上與相變化核心520之寬度。
然後，介電材料層1900形成於如第18圖所示之結構之上，形成如第19圖所示之結構。
隨後，向下蝕刻介電層500，形成相變化核心520之邊牆1810上的介電側壁子2000，以及包含第二介電材料1770的第二阻障層570，形成如第20圖所示之記憶胞。
此處所揭露之記憶胞所具有的優點，包含可降低記憶胞尺寸，同時可提供解決熱傳導問題之結構，提供支援高密度裝置的陣列結構，以及製作此種結構之方法，以符合大型記憶裝置所要求的嚴格製程參數。此外，熱保護結構為相變化核心提供良好的接觸表面，而無須考慮下方各層不規則之狀態。
本發明揭露如上述較佳實施例以及範例，但應理解為此等實施例與範例僅供舉例之用，而非用以限制本發明之範疇。習知技藝之人依據上述內容進行的修改與組合，均落入本發明之範疇以及下列申請專利範圍之中。
任何與所有之專利、專利申請、以及印刷公開之文件均已經包含於本專利說明書中作為參考。
100、300、500、1000、1900．．．介電層
110、310、510．．．底電極
120、320、520、720．．．相變化核心
130、330、530、730、1730．．．頂電極
140、390、590．．．接縫
308、508．．．薄層
322．．．厚度
324、810、1710．．．寬度(直徑)
340、540．．．熱保護結構
350、550、750、1500．．．第一阻障層
360、560、760．．．熱保護材料層
370、570、770、1770．．．第二阻障層
385、410、440．．．電流密度
400．．．電流方向
420、450．．．熱點
595．．．空孔
700．．．硬罩幕材料
800、1700．．．柱體
900．．．硬罩幕覆蓋層
910、1810．．．邊牆
1100、2000．．．介電側壁子
1400．．．凹槽
1510．．．開口
1720．．．相變化材料層
第1圖顯示先前技術所採用之相變化記憶胞剖面圖。
第2圖顯示先前技術中，在底電極具有接縫的相變化記憶胞剖面圖。
第3A圖顯示本發明之一種實施例，其為具有熱保護結構之記憶胞剖面圖。
第3B圖顯示第3A圖所示記憶胞的剖面圖，其顯示第一阻障層與第二阻障層如何有效地改善熱保護層中的電場/電流密度一致性。
第3C圖顯示第3A圖所示記憶胞的剖面圖，其顯示熱保護結構對底電極之對準窗口的尺寸。
第3D圖顯示第3A圖所示記憶胞的剖面圖，其中更包含在底電極中的接縫。
第3E圖顯示第3A圖所示記憶胞的剖面圖，其中更包含填充之接縫，以形成空孔。
第4A圖顯示類似於第3A圖所示記憶胞之剖面圖，其中省略第二阻障層。
第4B圖顯示類似於第3A圖所示記憶胞之剖面圖，其中省略第一阻障層。
第5A圖顯示依據本發明之一種實施例所製作之記憶胞剖面圖，其具有熱保護結構。
第5B圖顯示如第5A圖所示記憶胞的剖面圖，其中底電極包含接縫。
第5C圖顯示如第5B圖所示記憶胞的剖面圖，其中更包含接縫填充，以形成空孔。
第6圖至第12圖顯示依據本發明之第一實施例製作記憶胞之製作流程。
第13圖至第20圖顯示依據本發明之第二實施例製作記憶胞之製作流程。
300．．．介電層
310．．．底電極
320．．．相變化核心
330．．．頂電極
308．．．薄層
322．．．厚度
324．．．寬度(直徑)
340．．．熱保護結構
350．．．第一阻障層
360．．．熱保護材料層
370．．．第二阻障層
Claims (20)
- 一種記憶裝置，包含：一底電極，包含一底電極材料；一熱保護結構位於該底電極之上，該熱保護結構包含一熱保護材料層以及一第一阻障層於該熱保護材料層之上，該熱保護材料層具有低於該底電極材料之一導熱係數，且該熱保護材料層具有低於該第一阻障層之一導電係數；以及一多層堆疊位於該熱保護結構上且與其自動對準，該多層堆疊包含一頂電極位於一相變化核心之上，該相變化核心包含具有至少二固態相之一相變化材料，其中該多層堆疊在一第一方向上具有一第一寬度，該第一寬度小於該熱保護材料層之寬度，以及在一第二方向上具有一第二寬度，該第二寬度小於該熱保護材料層之寬度，而該第二方向與該第一方向垂直。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該熱保護結構包含：一第二阻障層，包含一位於該底電極上的一阻障材料；以及該熱保護材料層位於該第二阻障層之上。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該熱保護結構包含：一第二阻障層於該底電極之上；該熱保護材料層位於該第二阻障層上；以及該第一阻障層位於該熱保護材料層之上，其中該第一阻障層與該第二阻障層均具有大於該熱保護材料層之一導電係數。
- 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中該第一阻障層與該第二阻障層分別包含由矽、鈦、鋁、鉈、氮、氧、和碳所構成之一群組中所選出的一種或多種元素。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中：該底電極延伸至一介電層之一頂部表面；以及該熱保護結構包含：一第二阻障層，位於該介電層之該頂部表面上，並與該底電極接觸；該熱保護材料層位於該第二阻障層上；以及該第一阻障層位於該熱保護材料層上，其中該第一阻障層與該第二阻障層均具有大於該熱保護材料之一導電係數。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中：該底電極延伸至一介電層之一頂電極之下，界定一凹槽；以及該熱保護結構包含：一第二阻障層，位於該凹槽中，同時與該底電極接觸，以界定一開口於該凹槽中；該熱保護材料層位於該第二阻障層上；以及該第一阻障層位於該熱保護材料層上，其中該第一阻障層與該第二阻障層均具有大於該熱保護材料之一導電係 數。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該熱保護層之導熱係數係小於或等於約10%的該底電極材料之導熱係數。
- 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該熱保護層之導熱係數係小於或等於約0.1%的該底電極材料之導熱係數。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該多層堆疊之該第一寬度與該第二寬度係低於製作該裝置之一微影製程的一最小特徵尺寸。
- 一種製作記憶裝置之方法，其步驟包含：形成一底電極，包含底電極材料；形成一熱保護結構於該底電極上，該熱保護結構包含一熱保護材料層以及一第一阻障層於該熱保護材料層之上，該熱保護材料層具有低於該底電極材料之一導熱係數，且該熱保護材料層具有低於該第一阻障層之一導電係數；以及形成一多層堆疊於該熱保護結構上且與其自動對準，該多層堆疊包含一頂電極位於一相變化核心之上，該相變化核心包含至少二固態相之相變化材料，其中該多層堆疊在一第一方向上具有一第一寬度，其低於該熱保護材料層之寬度，以及在一第二方向上具有一第二寬度，該第二寬度小於該熱保護材料層之寬度，而該第二方向與該第一方向垂直。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該形成一熱保護結構之步驟包含：形成一第二阻障層於該底電極上，該第二阻障層包含一阻障材料；以及形成該熱保護材料層於該第二阻障層之上。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中形成一熱保護結構之步驟包含：形成一第二阻障層於該底電極上；形成該熱保護材料層於該第二阻障層之上；以及形成該第一阻障層於該熱保護材料層上，其中該第一阻障層與該第二阻障層均具有大於該熱保護材料層之一導電係數。
- 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該第一阻障層與該第二阻障層個別包含由矽、鈦、鋁、鉈、氮、氧與碳所構成之一群組中所選出之一種或以上的元素。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中：該形成一底電極之步驟，包含形成該底電極，延伸至一介電層之一頂部表面；以及該形成一熱保護結構之步驟包含：形成一第二阻障層，位於該介電層之該頂部表面之上，同時接觸該底電極； 形成該熱保護材料層於該第二阻障層之上；形成該第一阻障層於該熱保護材料層之上，其中該第一阻障層與該第二阻障層具有大於該熱保護材料之一導電係數。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中：該形成一底電極之步驟，包含形成該底電極延伸至一介電層之一頂部表面，並蝕刻該底電極之一部分以形成一凹槽；以及該形成一熱保護結構之步驟包含：形成一第二阻障層，位於該凹槽中，同時與該底電極接觸，以在該凹槽中界定一開口；形成該熱保護材料層於該第二阻障層之上，同時填充該凹槽中之該開口；以及形成該第一阻障層於該熱保護材料層之上，其中該第一阻障層與該第二阻障層具有大於該熱保護材料之一導電係數。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該熱保護層之導熱係數係小於或等於約10%的該底電極材料之導熱係數。
- 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該熱保護層之導熱係數係小於或等於約0.1%的該底電極材料之導熱係數。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該多層堆疊之該第一寬度與該第二寬度係低於製作該裝置之一微影製程的一最小特徵尺寸。
- 一種製作記憶裝置之方法，該方法包含：提供一底電極，延伸至一第一介電層之一頂部表面；接著在該第一介電層之上形成一第一阻障材料層、一熱保護材料層、一第二阻障材料層、一相變化材料層、一頂電極材料層、以及一硬罩幕材料層，如此該第一阻障材料層係位於該底電極之上；形成一光阻柱體於該硬罩幕材料層上，該光阻柱體並位於該底電極之上；以該光阻柱體作為一幕罩，向下蝕刻至穿越該相變化材料層，以形成一多層堆疊，該多層堆疊具有(1)包含相變化材料的一相變化核心，該相變化核心具有一邊牆，(2)包含頂電極材料的一頂電極位於該相變化核心上，以及(3)包含硬罩幕材料之一硬罩幕覆蓋層位於該頂電極之上；形成一第二介電材料層於該多層堆疊之上；蝕刻該第二介電材料層，以形成一介電側壁子於該相變化核心之該邊牆上；以及以該介電側壁子與該硬罩幕覆蓋層作為一幕罩，向下蝕刻至該第一介電層，以形成一熱保護結構，該熱保護結構包含(1)一第一阻障層位於該底電極之上，該第一阻障層包含第一阻障材料，(2)一熱保護層位於該第一阻障層之上，該熱保護層包含熱 保護材料，以及(3)一第二阻障層位於該熱保護層之上，該第二阻障層包含第二阻障材料；其中該熱保護材料具有低於該底電極材料之一導熱係數，同時具有低於該第一阻障材料與該第二阻障材料之一導電係數，而該相變化材料具有至少二固態相。
- 一種製作記憶裝置之方法，該方法包含：提供一底電極，延伸穿越一第一介電層之一頂部表面；蝕刻該底電極之一部分以形成一凹槽；形成一第一阻障材料層於該第一介電層之該頂部表面之上以及該凹槽中，以連接該底電極，並界定該凹槽中之一開口；形成一熱保護材料層於該第一阻障材料層之上，同時填充該凹槽之該開口；平坦化該第一阻障材料層與該熱保護材料層，以暴露該第一介電層之該頂部表面，由此形成包含第一阻障材料之一第一阻障層於該底電極之上與該凹槽中，同時形成包含熱保護材料之一熱保護層於該第一阻障層上與該凹槽中；接著形成一第二阻障材料層、一相變化材料層、以及一頂電極材料層於該第一介電層之上，由此該第二阻障材料層位於該熱保護層之上；形成一光阻柱體於該頂電極材料層上，該光阻柱體並位於該底電極之上；以該光阻柱體作為幕罩，向下蝕刻至該相變化材料層，以形成一多層堆疊，該多層堆疊包含具有相變化材料之一相變化核 心，以及一頂電極位於該相變化核心之上，該頂電極包含頂電極材料位於該相變化材料之上，該相變化核心包含一邊牆；形成一第二介電材料層於該多層堆疊之上；以及蝕刻該第二介電材料層與該第二阻障材料層，藉以形成包含第二阻障材料之一第二阻障層於該熱保護層之上，以及形成包含第二介電材料之一介電側壁子於該相變化核心之該邊牆上；其中該熱保護材料具有小於該底電極材料之一導熱係數，同時亦具有小於該第一阻障材料層與該第二阻障材料層之一導電係數，而該相變化材料具有至少二固態相。
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