專利名稱：相變化存儲器裝置及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種存儲器裝置及其制造方法，特別涉及一種相變化存儲器 裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
相變化存儲器具有非揮發(fā)性、高讀取信號、高密度、高擦寫次數(shù)以及低 工作電壓/電流的特質(zhì)、是相當有潛力的非揮發(fā)性存儲器。其中提高存儲密度、 降低電流密度是重要的技術(shù)指標。
相變化材料至少可呈現(xiàn)兩種固態(tài)相，包括結(jié)晶態(tài)及非結(jié)晶態(tài)， 一般利用 溫度來改變結(jié)構(gòu)以進行兩態(tài)間的轉(zhuǎn)換。結(jié)晶相結(jié)構(gòu)由于具規(guī)則性的原子排
列，使其電阻較低；而非結(jié)晶相結(jié)構(gòu)具有不規(guī)則的原子排列使其電阻較高， 結(jié)晶相結(jié)構(gòu)與非結(jié)晶相結(jié)構(gòu)之間的電阻差異可高達四個數(shù)量級。因此，通過 簡單的電學量測即可輕易區(qū)分出相變化材料的結(jié)晶態(tài)與非結(jié)晶態(tài)的狀態(tài)。在 各種相變化材料中，含鍺(Ge)、銻(Sb)與碲(Te)的合金已廣泛應用至各種記錄 元件中。
由于相變化材料的相轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可逆反應，因此相變化材料用來當作存 儲器材料時，是通過非結(jié)晶狀態(tài)與結(jié)晶狀態(tài)兩態(tài)之間的轉(zhuǎn)換來進行存儲。更 明確地說，可利用結(jié)晶態(tài)與非結(jié)晶態(tài)之間電阻的差異來寫入或讀取存儲位0 與1。
為降低相變化存儲器的操作電流，傳統(tǒng)相變化存儲器裝置選用較高阻值 的電極層材料，以提升加熱效率，并降低相變化材料進行相變化過程所需的 驅(qū)動電流密度(reset current)。在文獻J. Appl. Phys. Vol. 94 (2003) p.3536中披 露一種相變化存儲器裝置，通過一高電阻加熱層設置在相變化材料層與導電 層間，可提升加熱效率并降低驅(qū)動相變化所需的電流。
圖1是顯示傳統(tǒng)相變化存儲器裝置的剖面示意圖。在圖1中，硅基底10 包括控制相變化存儲單元的字線(word line， WL)與開關元件，例如MOS晶 體管。介電層20設置在硅基底10上。在介電層20下半部中，具有導孔，填入導電材料30，例如鎢(W)。在介電層20上半部中，具有溝槽，填入導 電材料作為相變化存儲單元的位線(bit line, BL) 50。相變化材料層40設置 在位線50下，且之間夾置有緩沖層45，例如TiN。傳統(tǒng)相變化存儲器裝置 通過高電阻值材料層35作為發(fā)熱層，設置在相變化材料層40與導電層30 之間。高電阻值材料層35可提供良好的發(fā)熱效率，并降低驅(qū)動相變化元件 操作所需的電流。然而，以傳統(tǒng)半導體工藝制作不同材質(zhì)的導電材料30與 高電阻值材料層35在單一導孔中，需繁復且不易的工藝步驟。
美國專利第US 6,946,673號，披露一種通過局部提高電阻于相變化材料 層與導電層間，可提升加熱效率并降低驅(qū)動相變化所需的電流。圖2是顯示 另一種傳統(tǒng)的相變化存儲器裝置的剖面示意圖。在圖2中，硅基底55上設 置介電層60。在介電層60中，具有導孔，填入導電材料65,例如鎢(W)。 相變化材料層80設置在介電層60上，且與導電材料65電連接。導電材料 90設置在相變化材料層80上，作為相變化存儲單元的位線(bit line, BL)。 通過將導電材料65的上半部70摻雜氮，可隨著含氮濃度的增加，提升加熱 電極的電阻值。對相變化存儲單元施以大于閥電壓(Vth)的跨壓，使加熱電極 70產(chǎn)生熱，直接加熱相變化材料使其至少一部分85發(fā)生相變化。
摻雜氮的導電材料65的電阻值的變化量與氮摻雜濃度的深度分布有關。 其優(yōu)點在于可避免元件操作時，整體壓降落于加熱電極上。然而，由于加熱 電極的阻值直接與氮摻雜濃度的深度分布相關，因此在工藝上不易使所欲氮 摻雜濃度的深度分布達到 一致。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種具有局部高電阻的相變化存儲器的加熱構(gòu)件，降低 相變化存儲器元件操作讀寫所需的電流，以及提升存儲器的集成度。再者， 利用具自對準特性的金屬硅化工藝及氮化處理，有效提升工藝裕度(process window)。
本發(fā)明提供一種相變化存儲器裝置，包括加熱構(gòu)件具有導電部與相對 高電阻的加熱部；以及相變化存儲層與該加熱構(gòu)件堆疊；其中該相對高電阻 的加熱部包括金屬硅氮化物部分。
本發(fā)明另提供一種相變化存儲器裝置的制造方法，包括提供半導體基 板，具有介電層位于半導體基板上，其中該介電層具有導孔；形成加熱構(gòu)件于該導孔中，該加熱構(gòu)件具有導電部與相對高電阻的加熱部；以及形成相變 化存儲層于該介電層上，且與該加熱構(gòu)件堆疊；其中該相對高電阻的加熱部 包括金屬硅氮化物部分。
為使本發(fā)明能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳細說明 ^口下
圖1是顯示傳統(tǒng)相變化存儲器裝置的剖面示意圖2是顯示另 一種傳統(tǒng)的相變化存儲器裝置的剖面示意圖3-8B是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的具有局部高電阻的相變化存儲器的
工藝步驟的剖面示意圖；以及
圖9-13是顯示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的具有局部高電阻的相變化存儲
器的工藝步驟的剖面示意圖。
附圖標記說明
10硅基底20介電層
30導電材料35高電阻值材料層
40相變化材料層50位線
55硅基底60介電層
65導電材料70力口熱電才及
80相變化材料層85發(fā)生相變化的部分
卯位線110基底
120介電層130、 130，第一金屬層
135絕緣層150、 150，硅層
155a、 155b金屬硅化物160、 160，氮化硅
165a、 165b金屬氮硅化物層170相變化存儲層
A、 B局部區(qū)域N氮化處理步驟
210基底220介電層
230第一金屬層240第二金屬層
245第二介電層246開口
250硅層255金屬硅化物
260氮化硅265金屬氮硅化物層270相變化存儲層
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種具有局部高電阻的相變化存儲器的加熱構(gòu)件，利用具有 自對準特性的金屬硅化物工藝技術(shù)結(jié)合氮化反應，形成具有高電阻值的金屬 硅氮化合物(MSixNy)。氮化反應包括以離子注入或以含氮等離子體處理步驟 達成，同時可通過調(diào)整氮含量或氮化的程度達到調(diào)整加熱層的電阻值。
圖3-8B是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的具有局部高電阻的相變化存儲器的 工藝步驟的剖面示意圖。首先，請參閱圖3,提供基底110,例如半導體基 板，其包括控制相變化存儲單元的字線(word line, WL)與開關元件，例如 MOS場效晶體管。介電層120設置在基底110上。在介電層120中，具有 導孔，其下半部填入第一金屬層130,例如Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或多元金屬元素的組合。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例模式，形成加熱構(gòu)件的步驟包括，填入第一金 屬層于該導孔的內(nèi)部，其中該第一金屬層的表面可與該介電層的表面齊高。 接著，形成硅層于該介電層上，使該硅層與該第一金屬層接觸。施以熱處理 步驟以在該部分硅層與該第 一金屬層的接觸介面處形成金屬硅化物層。接 著，施以氮化處理步驟使該金屬硅化物層轉(zhuǎn)變成金屬氮^5圭化物層。
請參閱圖4,在介電層120上形成硅層150,使其至少一部分與該第一 金屬層130直接接觸。硅層150包括多晶硅層或非晶硅層，以物理氣相沉積 法(PVD)或濺射法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可利用任意的圖案化步驟形成隔 離層(未繪示)，使該硅層150與第一金屬層130僅以特定區(qū)域接觸。
請參閱圖5A，施以熱處理步驟以形成金屬硅化物層155a于該硅層150 與第一金屬層130的接觸位置。熱處理形成金屬硅化物的優(yōu)選溫度范圍大約 介于600°C-800°C。由于金屬硅化物155a的阻值高于第一金屬層130，因此 可作為相變化存儲單元的加熱構(gòu)件。金屬硅化物155a的面積或形狀與第一 金屬層130相同，例如實心圓形、實心橢圓形、實心方形、實心矩形或?qū)嵭?菱形。金屬硅化物155a局部位置A的上視圖如圖6A-6C所示。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，請參閱圖5B，該硅層150與第一金屬層130，僅 以特定區(qū)域接觸，亦即第一金屬層130，以襯墊的形式形成于導孔中，再將絕 緣層135(例如氧化硅或氮化硅)填入導孔中，因此僅于接觸位置形成金屬硅化物155b，其余位置為未反應的硅層150，。因此，相變化存儲單元的加熱 較集中，亦具較佳的發(fā)熱效率。例如，特定區(qū)域形成的金屬硅化物155b的 形狀為空心圓環(huán)、空心橢圓環(huán)、空心方環(huán)、空心矩形環(huán)或空心菱形環(huán)。金屬 硅化物155b局部位置B的上視圖如圖6D-6F所示。
本發(fā)明的選擇步驟為在金屬硅化物反應后，氮化反應之前，移除未反應 的硅層150。然而，以下說明仍以未移除者為例。
請參閱圖7A，施以氮化處理步驟N使金屬硅化物層155a轉(zhuǎn)變成金屬氮 硅化物層165a(圖示于圖8A)。未經(jīng)金屬硅化反應的區(qū)域的硅層經(jīng)氮化反應 成氮化硅160(圖示于圖8A)。上述氮化處理步驟包括氮離子注入步驟或含氮 等離子體處理步驟。金屬氮硅化物層165a為MSixNy，其中M為第一金屬材 料優(yōu)選為包括Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或多 元金屬元素的組合，以及x與y分別為Si與N的含量，其優(yōu)選的范圍大約 為x=1.5~2.5且y=l~3。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，請參閱圖7B，金屬硅化物層155b形成于特定區(qū) 域經(jīng)氮化反應N而形成特定區(qū)域的金屬氮硅化物層165b(圖示于圖8B)。未 經(jīng)金屬硅化反應的區(qū)域的硅層經(jīng)氮化反應成氮化硅160及160，(圖示于圖 8B)。
請參閱圖8A及8B，形成相變化存儲層170于介電層120上，與加熱構(gòu) 件堆疊。更明確地說，例如將相變化存儲層170設置在氮化硅層160與金屬 硅氮化物層165a上，如圖8A所示。相變化存儲層170優(yōu)選由鍺(Ge)、銻(Sb) 與碲(Te)所組成的合金或化合物所構(gòu)成。本發(fā)明的相變化存儲器裝置另包括 其他工藝步驟，例如形成位線的金屬化工藝，應為任何本領域普通技術(shù)人員 所公知，在此不再贅述。
本發(fā)明利用高電阻值的金屬硅氮化物(MSixNy)以提供操作時所產(chǎn)生的焦 耳熱(joule heat)效果，達到降低操作電流的目的，降低施于存儲器元件電極 的跨壓。由于金屬硅氮化物(MSixNy)可形成于接觸栓(plug)上或形成特定的環(huán) 狀，可進一步集中加熱的效果。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例模式，形成加熱構(gòu)件的步驟另包括，形成第二金 屬層于該第一介電層上并與該第一金屬層電接觸。形成第二介電層于該第一 介電層上，且經(jīng)圖案化步驟后，使其具有開口露出特定區(qū)域的第二金屬層。 形成硅層于該第二介電層上，使該硅層與該特定區(qū)域的第二金屬層直接接觸。施以熱處理步驟以形成金屬硅化物層于該部分硅層與該第二金屬層的接 觸介面處，以及施以氮化處理步驟使該金屬硅化物層轉(zhuǎn)變成金屬氮硅化物 層。
圖9-13是顯示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的具有局部高電阻的相變化存儲 器的工藝步驟的剖面示意圖。首先，請參閱圖9，提供基底210，例如半導 體基板，其包括控制相變化存儲單元的字線(wordline， WL)與開關元件，例 如MOS場效晶體管。介電層220設置在基底210上。在介電層220中，具 有導孔，填入第一金屬層230，例如鎢(W)。圖案化第二金屬層240形成于 介電層220上且與第一金屬層230接觸。第二金屬材料包括Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或多元金屬元素的組合。接著，順應性 地形成第二介電層245于該介電層220與圖案化第二金屬層240上，且形成 開口 246露出特定區(qū)域的第二金屬層240。開口 246可為任意形狀，例如 實心圓形、實心橢圓形、實心方形、實心矩形或?qū)嵭牧庑?、空心圓環(huán)、空心 橢圓環(huán)、空心方環(huán)、空心矩形環(huán)或空心菱形環(huán)，不受圖案化第二金屬層240 的面積與形狀限制。
請參閱圖10,順應性地形成硅層250于第二介電層245上，使其與該第 二金屬層240的露出部分接觸。硅層250包括多晶硅層或非晶硅層，以物理 氣相沉積法(PVD)或濺射法。
請參閱圖11，施以熱處理步驟以形成金屬硅化物層255于該硅層250 與露出的第二金屬層240的接觸位置。熱處理形成金屬硅化物的優(yōu)選溫度范 圍大約介于600。C-80(TC。由于金屬硅化物255的阻值高于第二金屬層240， 因此可作為相變化存儲單元的加熱構(gòu)件。金屬硅化物255的面積或形狀與開 口 246露出的第二金屬層240相同。
本發(fā)明的選擇步驟為于金屬硅化物反應后，氮化反應之前，移除未反應 的硅層250。然而，以下說明仍以未移除者為例。
請參閱圖12,施以氮化處理步驟N使金屬硅化物層255轉(zhuǎn)變成金屬氮 硅化物層265(圖示于圖13)。未經(jīng)金屬硅化反應的區(qū)域的硅層經(jīng)氮化反應成 氮化硅260(圖示于圖13)。上述氮化處理步驟包括氮離子注入步驟或含氮等 離子體處理步驟。金屬氮硅化物層265為MSixNy,其中M為第二金屬材料 優(yōu)選為包括Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或多元 金屬元素的組合，以及x與y分別為Si與N的含量，其優(yōu)選的范圍大約為<formula>formula see original document page 11</formula>
請參閱圖13,形成相變化存儲層270于第二介電層245上，與加熱構(gòu)件 堆疊。更明確地說，例如將相變化存儲層270設置在氮化硅層260與金屬硅 氮化物層265上。相變化存儲層270優(yōu)選由鍺(Ge)、銻(Sb)與碲(Te)所組成的 合金或化合物所構(gòu)成。本發(fā)明的相變化存儲器裝置另包括其他工藝步驟，例 如形成位線的金屬化工藝，應為本領域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。
本發(fā)明雖以實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，本領域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可做些許的更動與潤飾，因此 本發(fā)明的保護范圍當視后附的權(quán)利要求所界定的為準。
權(quán)利要求
1. 一種相變化存儲器裝置，至少包括加熱構(gòu)件具有導電部與相對高電阻的加熱部；以及相變化存儲層與該加熱構(gòu)件堆疊；其中該相對高電阻的加熱部包括金屬硅氮化物部分。
2. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器裝置，其中該導電部包括Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或多元金屬元素的組合。
3. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器裝置，其中該金屬硅氮化物部分 包括Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或多元金屬元 素的硅氮化合物。
4. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器裝置，其中該導電部的面積大于 該金屬硅氮化物部分。
5. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器裝置，其中該金屬硅氮化物部分 為實心圓形、實心橢圓形、實心方形、實心矩形或?qū)嵭牧庑巍?br>
6. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器裝置，其中該金屬硅氮化物部分 為空心圓環(huán)、空心橢圓環(huán)、空心方環(huán)、空心矩形環(huán)或空心菱形環(huán)。
7. 如權(quán)利要求1所述的相變化存儲器裝置，還包括半導體基板以及介 電層位于半導體基板上，其中該介電層具有導孔。
8. 如權(quán)利要求7所述的相變化存儲器裝置，其中該加熱構(gòu)件設置在該 導孔內(nèi)，且該相對高電阻的加熱部形成于該導孔上半部且與該介電層的上表 面的高度相等。
9. 如權(quán)利要求7所述的相變化存儲器裝置，其中該導電部設置在該導 孔內(nèi)，且該相對高電阻的加熱部設置在該導孔與該介電層的上層位置。
10. 如權(quán)利要求9所述的相變化存儲器裝置，還包括第二介電層，順應 性地形成于該介電層與該相對高電阻的加熱部上，且具有開口對應該金屬硅 氮化物部分。
11. 一種相變化存儲器裝置的制造方法，至少包括 提供半導體基板，具有介電層位于半導體基板上，其中該介電層具有導孔；形成加熱構(gòu)件于該導孔中，該加熱構(gòu)件具有導電部與相對高電阻的加熱部；以及形成相變化存儲層于該介電層上，且與該加熱構(gòu)件堆疊； 其中該相對高電阻的加熱部包括金屬硅氮化物部分。
12. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該形成 加熱構(gòu)件于該導孔中的步驟包括填入第一金屬層于該導孔的內(nèi)部，其中該第一金屬層的表面與該介電層 的表面齊高；形成硅層于該介電層上，使該硅層與該第一金屬層直接接觸； 施以熱處理步驟以形成金屬硅化物層于該部分硅層與該第一金屬層的 才妻觸介面處；施以氮化處理步驟使該金屬硅化物層轉(zhuǎn)變成金屬氮硅化物層。
13. 如權(quán)利要求12所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中于施以 氮化處理步驟之前，還包括移除未反應的硅層。
14. 如權(quán)利要求12所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中于形成 硅層于該介電層上步驟前，還包括形成圖案隔離層使該硅層與該第一金屬層 僅以特定區(qū)域直接接觸。
15. 如權(quán)利要求14所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該特定 區(qū)域為實心圓形、實心橢圓形、實心方形、實心矩形或?qū)嵭牧庑巍?br>
16. 如權(quán)利要求14所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該特定 區(qū)域為空心圓環(huán)、空心橢圓環(huán)、空心方環(huán)、空心矩形環(huán)或空心菱形環(huán)。
17. 如權(quán)利要求12所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該第一 金屬層包括Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或多元 金屬元素的組合。
18. 如權(quán)利要求12所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該硅層 包括多晶硅層或非晶硅層。
19. 如權(quán)利要求12所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該氮化 處理步驟包括氮離子注入步驟或含氮等離子體處理步驟。
20. 如權(quán)利要求12所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該金屬 氮硅化物層包括Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或 多元金屬元素的硅氮化合物層。
21. 如權(quán)利要求11所述的相變化存儲器裝置的制造方法，還包括形成第二金屬層于該第一介電層上并與該第一金屬層電接觸； 形成第二介電層于該第一介電層上，且經(jīng)圖案化步驟后，使其具有開口露出特定區(qū)域的第二金屬層；形成硅層于該第二介電層上，使該硅層與該特定區(qū)域的第二金屬層直接 接觸；施以熱處理步驟以形成金屬硅化物層于該部分硅層與該第二金屬層的 才妾觸介面處；以及施以氮化處理步驟使該金屬硅化物層轉(zhuǎn)變成金屬氮硅化物層。
22. 如權(quán)利要求21所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中于施以 氮化處理步驟之前，還包括移除未反應的硅層。
23. 如權(quán)利要求21所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該特定 區(qū)域為實心圓形、實心橢圓形、實心方形、實心矩形或?qū)嵭牧庑巍?br>
24. 如權(quán)利要求21所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該特定 區(qū)域為空心圓環(huán)、空心橢圓環(huán)、空心方環(huán)、空心矩形環(huán)或空心菱形環(huán)。
25. 如權(quán)利要求21所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該第一 金屬層包括Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或多元 金屬元素的組合。
26. 如權(quán)利要求21所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該硅層 包括多晶硅層或非晶硅層。
27. 如權(quán)利要求21所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該氮化 處理步驟包括氮離子注入步驟或含氮等離子體處理步驟。
28. 如權(quán)利要求21所述的相變化存儲器裝置的制造方法，其中該金屬 氮硅化物層包括Ti、 W、 Ta、 Co、 Mo、 Ni、 Pt、 TiAl、 TiW及上述一元或 多元金屬元素的硅氮化合物層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種相變化存儲器裝置及其制造方法。上述相變化存儲器裝置包括加熱構(gòu)件具有導電部與相對高電阻的加熱部；以及相變化存儲層與該加熱構(gòu)件堆疊；其中該相對高電阻的加熱部包括金屬硅氮化物部分。
文檔編號H01L27/24GK101312231SQ20071010519
公開日2008年11月26日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者李乾銘, 許宏輝, 陳志偉, 陳頤承 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院;力晶半導體股份有限公司;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