專利名稱：相變化存儲器陣列及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件及其制造方法，特別涉及一種相變化存儲器 陣列及其制造方法。
背景技術(shù)：
相變化存儲器具有速度、功率、容量、可靠度、工藝整合度和成本等具 竟?fàn)幜Φ奶匦?，為適合用來作為較高密度的獨(dú)立式或嵌入式的存儲器應(yīng)用。 由于相變化存儲器技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，使其被認(rèn)為非常有可能取代目前商業(yè)化
極具竟?fàn)幮缘撵o態(tài)存儲器SRAM與動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM揮發(fā)性存儲器， 與快閃存儲器Flash非揮發(fā)性存儲器技術(shù)，可望成為未來極具潛力的新一代 半導(dǎo)體存儲器。
相變化存儲器元件是利用相變化材料在結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)的可逆性的結(jié) 構(gòu)轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的電阻值差異來作為數(shù)據(jù)儲存的機(jī)制。在進(jìn)行寫入、擦除、或 是讀取操作時，主要是利用電流脈波的控制來達(dá)成，例如，當(dāng)要進(jìn)行寫入時， 可提供一短時間(例如50納秒)且相對較高的電流(例如0.6毫安培)，使相變 化層熔化并快速冷卻而形成非晶態(tài)。由于非晶態(tài)相變化層具有較高的電阻 (例如105 107歐姆)，使其在讀取操作時，提供一讀取電流可得到的電壓相對 較高。當(dāng)要進(jìn)行擦除時，可提供一較長時間(例如100納秒)且相對較低的電 流(例如0.3毫安培)，使非晶態(tài)相變化層因結(jié)晶作用而轉(zhuǎn)換成結(jié)晶態(tài)。由于 結(jié)晶態(tài)相變化層具有較低的電阻(例如102~104歐姆)，其在讀取操作時，提供 一讀取電流可得到的電壓相對較低。據(jù)此，可進(jìn)行相變化存儲器元件的操作。
近年來，相變化存儲器元件的尺寸持續(xù)微縮，如圖l所示，當(dāng)尺寸微縮 之后，單元102與單元102的相鄰距離d即會降低。假設(shè)單元102的單位面 積微縮至5. 8F2時(F表示工藝的最小特征尺寸(minimum feature size)),相鄰 相變化存儲器單元102的距離d約只有2.4F。因此，隨著相變化存儲器IOO 的單位單元尺寸的微縮，單元102與單元102間的距離即會減小，使得相變 化存儲器單元102間會發(fā)生熱干擾(thermal disturb或thermal crosstalk)的問 題，亦即相變化存儲器單元102的狀態(tài)會受到相鄰單元102于操作時的干擾。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述問題，本發(fā)明通過將相變化存儲器單元垂直交錯地堆疊于不同 的層次之中，使得相鄰的相變化存儲器單元的距離可有效地拉長，進(jìn)而避免 相變化存儲器熱干擾的問題。
本發(fā)明提供一種相變化存儲器陣列，包括第一單元與第二單元。該第一 單元包括一圖形化相變化層，該第二單元，包括一圖形化相變化層，其中第 一單元的圖形化相變化層和第二單元的圖形化相變化層位于不同層。
本發(fā)明提供一種相變化存儲器陣列的制造方法。提供基底，形成第一單 元的下電極，圖形化相變化層和上電極于基底上。在形成第一單元的上電極 后，形成第二單元的下電極，圖形化相變化層和上電極。


圖1顯示一般相變化存儲器陣列的平面圖。
圖2A 2H揭示本發(fā)明一實施例相變化存儲器陣列的制造方法。 圖3顯示本發(fā)明一實施例相變化存儲器陣列的平面圖。 圖4顯示本發(fā)明另 一實施例相變化存儲器陣列的平面圖。 圖5顯示本發(fā)明又另一實施例相變化存儲器陣列的平面圖。 圖6A 6H揭示本發(fā)明另 一實施例相變化存儲器陣列的制造方法。 附圖標(biāo)記說明
100 相變化存儲器陣列； 200 相變化存儲器陣列； 204 開關(guān)元件； 206 第一單元； 210 第一單元的下電極； 214 相變化材料； 218 第一單元的圖形化相變化層； 222 第二介電層； 226~第二單元部分內(nèi)連接； 230 第三介電層； 234 第二單元的下電極；
102 單元；
202 基底；
205 第一介電層；
208 第二單元；
212 第二單元的部分內(nèi)連接;
216 電極材料；
220 第一單元的上電極；
224 第一單元的部分內(nèi)連接;
228 第二單元的內(nèi)連接；
232 第一單元的部分內(nèi)連接;
236 相變化材料；238 電極材料；
242 第二單元的上電極；
246 第一單元的部分內(nèi)連接；
250 第二單元的內(nèi)連接；
402 第一單元；
406 第三單元；
504 第二單元；
508 第四單元；
604 開關(guān)元件；
606 第一單元；
610 第一單元的下電極；
614 電極材料；
618 第一單元的上電極；
622 第 一單元的部分內(nèi)連接；
626 第三介電層；
630 相變化材料；
634~第二單元的圖形化相變化層;
638 第四介電層；
644 第二單元的內(nèi)連接；
說明書第3/7頁
240 第二單元的圖形化相變化層；
244 第四介電層；
248 第一單元的內(nèi)連接；
252 位線；
404 第二單元；
502 第一單元；
506 第三單元；
602 基底；
605 第一介電層；
608 第二單元；
612 相變化材料；
616 第一單元的圖形化相變化層；
620 第二介電層；
624 第二單元的內(nèi)連接；
628 第二單元的下電極；
632 電極材料；
636 第二單元的上電極；
642 第一單元的內(nèi)連接；
646 位線。
具體實施例方式
以下詳細(xì)討論本發(fā)明優(yōu)選實施例的制造和使用，然而，根據(jù)本發(fā)明的概 念，其可包括或運(yùn)用于更廣泛的技術(shù)范圍。須注意的是，實施例僅用以揭示 本發(fā)明制造和使用的特定方法，并不用以限定本發(fā)明。
圖2A 2H揭示本發(fā)明一實施例相變化存儲器陣列200的制造方法。首 先，請參照圖2A，提供基底202,在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，基底202為硅基 底，但本發(fā)明不限于此，基底202可由其它半導(dǎo)體材料組成。接著，形成多 個開關(guān)元件204于基底202上，本實施例的開關(guān)元件204包括P型半導(dǎo)體層 和N型半導(dǎo)體層所組成的垂直二極管(vertical diode),但本發(fā)明不限于此， 開關(guān)元件204亦可以為雙極結(jié)晶體管(bipolar junction transistor， BJT)或金屬 氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)。后續(xù)，以例如化學(xué)氣相沉積法形成第一介電層205于開關(guān)元件 204和基底202上，第一介電層205可包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
接著，請參照圖2B,以例如光刻和蝕刻工藝，圖形化第一介電205層， 形成暴露開關(guān)元件204的開口(未繪示)，后續(xù)，在開口中填入例如Ti、 W、 Ta、 TiN、 TiW、 TaN、 TaW、 TiAl、 TiWN、 TiAlN或多晶硅等的導(dǎo)電材料， 以形成第一單元206的下電極210和第二單元208的部分內(nèi)連接212。
接下來，請參照圖2C，毯覆性地沉積例如Ge-Te-Sb硫族化合物的相變 化材料214于第一介電層205上，并接著毯覆性地沉積例如TiN或TiW的 電極材料216于相變化材料214上。繼之，請參照圖2D,以例如光刻和蝕 刻工藝，圖形化電極材料216和相變化材料214，以形成第一單元206的圖 形化相變化層218于第一單元206的下電極210上，和第一單元206的上電 極220于圖形化相變化層218上。后續(xù)，以例如化學(xué)氣相沉積法形成第二介 電層222于上電極220和第一介電層205上，第二介電層222可包括氧化硅、 氮化硅或氮氧化硅。
其后，請參照圖2E，以例如化學(xué)機(jī)械拋光法研磨第二介電層222，并接 著以例如光刻和蝕刻工藝，圖形化第二介電層222，形成多個開口(未繪示)。 接著，在開口中填入例如W的導(dǎo)電材料，以在第一單元206的上電極220 上形成第一單元206的部分內(nèi)連接224，并于第二單元208的部分內(nèi)連接212 上形成另 一部分內(nèi)連接226，以構(gòu)成第二單元208相變化層下的內(nèi)連接228。
請參照圖2F，以例如化學(xué)氣相沉積法形成第三介電層230于第二介電 層222上，第三介電層230可包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。以例如光刻 和蝕刻工藝，圖形化第三介電層230，形成多個開口(未繪示)。后續(xù)，在開 口中填入例如Ti、 W、 Ta、 TiN、 TiW、 TaN、 TaW、 TiAl、 TiWN、 TiAlN或 多晶硅等的導(dǎo)電材料，以在第一單元206的部分內(nèi)連接224上，形成另一部 分內(nèi)連接232,并于第二單元208的內(nèi)連接228上，形成第二單元208的下 電極234。其后，毯覆性地沉積例如Ge-Te-Sb硫族化合物的相變化材料236 于第三介電層230上，并接著趁覆性地沉積例如TiN或TiW的電極材料238 于相變化材料236上。繼之，請參照圖2G,以例如光刻和蝕刻工藝，圖形 化電極材料238和相變化材料236，以形成第二單元208的圖形化相變化層 240于第二單元208的下電極234上，和第二單元208的上電極242于圖形 化相變化層240上。請注意，第二單元208的圖形化相變化層240和第一單元206的圖形化相變化層218位于不同層，且彼此水平偏移固定距離。
后續(xù)，請參照圖2H，以例如化學(xué)氣相沉積法形成第四介電層244于第 二單元208的上電極242和第三介電層230上，第四介電層244可包括氧化 硅、氮化硅或氮氧化硅。以例如光刻和蝕刻工藝，圖形化第四介電層244， 形成多個開口(未繪示)。接著，在開口中填入例如W的導(dǎo)電材料，在第一單 元206的部分內(nèi)連接232上形成又另 一部分內(nèi)連接246，以構(gòu)成第 一單元206 的上電極220上的內(nèi)連接248，并于第二單元208的上電極242上形成內(nèi)連 接250。后續(xù)，形成多條位線252，分別連接第一單元206和第二單元208 的內(nèi)連接248、 250。
如此，完成本發(fā)明一實施例相變化存儲器陣列200，如圖2H所示，第 一單元206和第二單元208相鄰，且第一單元206的圖形化相變化層218和 第二單元208的圖形化相變化層240位于不同層。在本發(fā)明一實施例中，第 一單元206和第二單元208的水平距離大體上小于250nm。另外，在本發(fā)明 一實施例中，相鄰單元的內(nèi)連接具有不同的長度，舉例來說，如圖2H所示， 第一單元206的上電極220上的內(nèi)連接248較第二單元208的上電極242上 的內(nèi)連4妻250長。
圖3顯示本發(fā)明一實施例相變化存儲器陣列的平面圖。在此實施例中， 相鄰的第 一單元206的圖形化相變化層和第二單元208的圖形化相變化層分 別位于第一層和第二層，然而，本發(fā)明不限于此，第一單元206的圖形化相 變化層和第二單元208的圖形化相變化層可分別位于不同層的其它層。例如， 第一單元206的圖形化相變化層和第二單元208的圖形化相變化層分別位于 第一層和第N層，N為2 10。
圖4顯示本發(fā)明另一實施例相變化存儲器陣列的平面圖。如圖所示，第 一單元402和第二單元404相鄰，而第三單元406和第一單元402間的水平 距離，較第二單元404和第一單元402間的水平距離遠(yuǎn)。第一單元402的圖 形化相變化層與該第二單元404的圖形化相變化層相差的層數(shù)，較第一單元 402的圖形化相變化層與第三單元406的圖形化相變化層相差的層數(shù)多。在 一范例中，第一單元402的圖形化相變化層位于第一層，位于第一單元402 兩側(cè)的第二單元404的圖形化相變化層位于第三層，位于第 一單元402斜角 的第三單元406的圖形化相變化層位于第二層。請注意，本發(fā)明包括三層單 元的實施例，不限于圖4的排列方式，其可采用其它方式排列。圖5顯示本發(fā)明又另一實施例相變化存儲器陣列的平面圖。如圖所示，
第一單元502與第二單元504和第三單元506相鄰，第一、第二和第三單元 502、 504、 506的相變化層分別位于不同層。第四單元508與第一單元502 間的水平距離較第二和第三單元504、 506與第一單元502間的水平距離遠(yuǎn)， 第四單元508的圖形化相變化層與第一單元502的圖形化相變化層相差的層 數(shù)，較第一單元502的圖形化相變化層與第二和第三單元504、 506的圖形 化相變化層相差的層數(shù)少。在一范例中，第一單元502的圖形化相變化層位 于第一層，位于第一單元502兩側(cè)的第二單元504和第三單元506的圖形化 相變化層分別位于第三層和第四層，位于第一單元502斜角的第四單元508 的圖形化相變化層位于第二層。請注意，本發(fā)明包括四層單元的實施例不限 于圖5的排列方式，其可采用其它方式排列。
圖6A 6H揭示本發(fā)明另一實施例相變化存儲器陣列的制造方法。首先， 請參照圖6A，提供基底602,接著，形成多個開關(guān)元件604于基底602上。 后續(xù)，以例如化學(xué)氣相沉積法形成第一介電層605于開關(guān)元件604和基底602 上，第一介電層605可包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
如圖6B所示，以例如光刻和蝕刻工藝，圖形化第一介電層605,形成 暴露開關(guān)元件604的開口(未繪示)，后續(xù)，在開口中填入例如Ti、 W、 Ta、 TiN、 TiW、 TaN、 TaW、 TiAl、 TiWN、 TiAlN或多晶硅等的導(dǎo)電材料，以形 成第一單元606的下電極610。接下來，請參照圖6C,逸覆性地沉積例如 Ge-Te-Sb硫族化合物的相變化材料612于第一介電層605上，并接著毯覆性 地沉積例如TiN或TiW的電極材料614于相變化材料612上。
繼之，請參照圖6D，以例如光刻和蝕刻工藝，圖形化電極材料614和 相變化材料612，以形成第 一單元606的圖形化相變化層616于第一單元606 的下電極610上，和第一單元606的上電極618于圖形化相變化層616上。 后續(xù)，以例如化學(xué)氣相沉積法形成第二介電層620于上電極618和第一介電 層605上，第二介電層620可包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
其后，請參照圖6E,以例如化學(xué)機(jī)械拋光法研磨第二介電層620,并接 著以例如光刻和蝕刻工藝，圖形化第二介電層620,形成多個開口(未繪示)。 后續(xù)，在開口中填入例如W的導(dǎo)電材料，以在第一單元606的上電極618 上形成第一單元606的部分內(nèi)連接622,并形成第二單元608相變化層下的 內(nèi)連接624。接著，請參照圖6F，以例如化學(xué)氣相沉積法形成第三介電層626于第 二介電層620上，第三介電層626可包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。以例 如光刻和蝕刻工藝，圖形化第三介電層626,形成多個開口(未繪示)。后續(xù)， 在開口中填入例如Ti、 W、 Ta、 TiN、 TiW、 TaN、 TaW、 TiAl、 TiWN、 TiAlN 或多晶硅等的導(dǎo)電材料，在第二單元608的內(nèi)連接624上形成第二單元608 的下電極628。其后，毯覆性地沉積例如Ge-Te-Sb硫族化合物的相變化材料 630于第三介電層626上，并接著毯覆性地沉積例如TiN的電極材料632于 相變化材料630上。
繼之，請參照圖6G，以例如光刻和蝕刻工藝，圖形化電極材料632和 相變化材料630,以形成第二單元608的圖形化相變化層634于第二單元608 的下電極628上，和第二單元608的上電極636于圖形化相變化層634上。 請注意，第二單元608的圖形化相變化層634和第一單元606的圖形化相變 化層616位于不同層，且彼此水平偏移固定距離。
請參照圖6H，以例如化學(xué)氣相沉積法形成第四介電層638于第二單元 608的上電極636和第三介電層626上，第四介電層638可包括氧化硅、氮 化硅或氮氧化硅。以例如光刻和蝕刻工藝，圖形化第四介電層638，形成多 個開口(未繪示)。后續(xù)，在開口中填入例如W的導(dǎo)電材料，在第一單元606 的部分內(nèi)連接622上形成另一部分內(nèi)連接640,而構(gòu)成第一單元606的上電 極618上的內(nèi)連接642，并于第二單元608的上電極636上形成第二單元608 的內(nèi)連接644。接著，形成多條位線646，分別連接第一單元606和第二單 元608的內(nèi)連接642、 644。
根據(jù)本發(fā)明上述實施例，相變化存儲器陣列的單元是垂直交錯地堆疊于 不同層次中，使得相鄰的相變化存儲器單元的距離可有效地拉長，因而減少 相變化存儲器單元熱干擾的問題。此外，本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)大致上不增加 存儲器陣列中單位單元的尺寸或面積的條件下，減少相變化存儲器單元熱干 擾的問題，故可達(dá)到高密度相變化存儲器。
以上提供的實施例是用以描述本發(fā)明不同的技術(shù)特征，但根據(jù)本發(fā)明的 概念，其可包括或運(yùn)用于更廣泛的技術(shù)范圍。須注意的是，實施例僅用以揭 示本發(fā)明工藝、裝置、組成、制造和使用的特定方法，并不用以限定本發(fā)明， 本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤 飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍，當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種相變化存儲器陣列，包括第一單元，包括一圖形化相變化層；第二單元，包括一圖形化相變化層，其中該第一單元的圖形化相變化層和該第二單元的圖形化相變化層位于不同層。
2. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器陣列，其中該第一單元和該第二單 元相鄰。
3. 如權(quán)利要求2所述的相變化存儲器陣列，還包括第三單元，包括一圖 形化相變化層，其中該第三單元的圖形化相變化層與該第 一和第二單元的圖 形化相變化層位于不同層。
4. 如權(quán)利要求3所述的相變化存儲器陣列，其中該第三單元和該第一單 元間的水平距離，較該第二單元和該第一單元間的水平距離遠(yuǎn)，且該第一單 元的圖形化相變化層與該第二單元的圖形化相變化層相差的層數(shù)，較該第一 單元的圖形化相變化層與該第三單元的圖形化相變化層相差的層數(shù)多。
5. 如權(quán)利要求4所述的相變化存儲器陣列，其中該第一單元的圖形化相 變化層位于第 一層，位于該第 一單元兩側(cè)的第二單元的圖形化相變化層位于 第三層，位于該第一單元斜角的第三單元的圖形化相變化層位于第二層。
6. 如權(quán)利要求3所述的相變化存儲器陣列，還包括第四單元，包括一圖 形化相變化層，其中該第四單元的圖形化相變化層與該第一、第二和第三單 元的圖形化相變化層位于不同層。
7. 如權(quán)利要求6所述的相變化存儲器陣列，其中該第四單元與該第一單 元間的水平距離，較該第二和第三單元與該第一單元間的水平距離遠(yuǎn)，且該 第一單元的圖形化相變化層與該第四單元的圖形化相變化層相差的層數(shù)，較 該第一單元的圖形化相變化層與該第二和第三單元的圖形化相變化層相差 的層數(shù)少。
8. 如權(quán)利要求7所述的相變化存儲器陣列，其中該第一單元的圖形化相 變化層位于第一層，位于該第一單元兩側(cè)的第二單元和第三單元的圖形化相 變化層分別位于第三層和第四層，位于該第一單元斜角的第四單元的圖形化 相變化層位于第二層。
9. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器陣列，其中該第一單元的圖形化相 變化層和該第二單元的圖形化相變化層相差至少 一層。
10. 如權(quán)利要求9所述的相變化存儲器陣列，其中該第一單元的圖形化相 變化層和該第二單元的圖形化相變化層相差至少兩層。
11. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器陣列，其中該第一單元或該第二單 元電性連接開關(guān)元件。
12. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲器陣列，其中該開關(guān)元件為垂直二 極管、雙極結(jié)晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管。
13. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器陣列，其中該第一單元和該第二單 元的水平距離大體上小于250nm。
14. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器陣列，其中該第一單元的上電極上 的內(nèi)連接，較第二單元的上電極上的內(nèi)連接長。
15. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器陣列，其中該圖形化相變化層包括 硫族化合物所形成的相變化材料。
16. —種相變化存儲器陣列的制造方法，包括 提供基底；形成第一單元的下電極，圖形化相變化層和上電極于該基底上；及 在形成該第一單元的上電極后，形成第二單元的下電極，圖形化相變化 層和上電極。
17. 如權(quán)利要求16所述的相變化存儲器陣列的制造方法，其中在形成該 第二單元的下電極前，形成該第二單元的部分內(nèi)連接，且該第二單元的部分 內(nèi)連接和該第 一單元的下電極是同時制作。
18. 如權(quán)利要求17所述的相變化存儲器陣列的制造方法，其中該第二單 元的部分內(nèi)連接和該第一單元的下電極包括Ti、 W、 Ta、 TiN、 TiW、 TaN、 TaW、 TiAl、 TiWN、 TiAlN或多晶硅。
19. 如權(quán)利要求16所述的相變化存儲器陣列的制造方法，其中形成該第 一單元的上電極后，還包括在該第 一單元的上電極上形成該第 一單元的部分 內(nèi)連接，且同時形成該第二單元的位于該第二單元的下電^l下的部分內(nèi)連 接。
20. 如權(quán)利要求16所述的相變化存儲器陣列的制造方法，還包括同時形 成該第一單元位于該上電極上的部分內(nèi)連接，和該第二單元位于下電極下的 全部內(nèi)連才妄。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變化存儲器陣列及其制造方法。該相變化存儲器陣列包括第一單元與第二單元。該第一單元包括一圖形化相變化層，該第二單元包括一圖形化相變化層。第一單元的圖形化相變化層和第二單元的圖形化相變化層位于不同層。
文檔編號G11C11/56GK101409302SQ20071018015
公開日2009年4月15日 申請日期2007年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月10日
發(fā)明者趙得勝 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院;力晶半導(dǎo)體股份有限公司;南亞科技股份有限公司;茂德科技股份有限公司;華邦電子股份有限公司