相变化存储器装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种相变化存储器装置及其制造方法。上述相变化存储器装置包括相变化存储单元阵列。各相变化存储单元包括设置于基板上的晶体管元件。直立式电极结构与晶体管元件电性相连，以及直立式存储层与该直立式电极结构上下直立形式堆迭并于一接触点接触，其中该接触点作为相变化存储单元作用的相变化位置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术有关于一种存储器元件及其制造方法，特别有关于一种相变化存 储单元、相变化存储阵列结构及其制作方法。
技术介绍
相变化存储器(Phase-Change Memory,简称PCM)具有非挥发性、高读 取信号、高密度、高擦写次数以及低工作电压/电流的特质，是相当有潜力的 存储器。为了满足高密度与降低电流密度的需求，传统相变化存储器的元件 设计法则为缩小存储单元与加热电极的接触面积，以降低操作电流，进一步 缩小晶体管的尺寸，达成高密度、大容量存储器装置的目的。然而碍于电流 控制元件(一般以MOS晶体管为例)所提供的电流密度有限，因此需缩小存 储单元与加热电极的接触面积。相变化材料至少可呈现两种固态相，包括结晶态及非结晶态， 一般利用 温度的改变结构来进行两态间的转换。结晶相结构由于具规则性的原子排 列，使其电阻较低。另一方面，非结晶相结构具有不规则的原子排列使其电 阻较高，结晶相结构与非结晶相结构之间的电阻差异可高达四个数量级以 上。因此，藉由简单的电性测量即可轻易区分出相变化材料的结晶态与非结 晶态的状态。在各种相变化材料中，含锗(Ge)、锑(Sb)与締(Te)的合金已广泛 应用至各种记录元件中。由于相变化材料的相转变为一种可逆反应，因此相变化材料用来当作存 储器材料时，是藉由非结晶状态与结晶状态两态之间的转换来进行存储。更 明确地说，可利用结晶态与非结晶态之间电阻的差异来写入或读取存储位阶 0与1。传统相变化存储阵列的特征为构成的存储单元阵列中，各个存储单元包 括一晶体管搭配一相变化存储材料层构件，又称1T-1R结构。美国专利第 US 6,429,064号、第US 6,605,821号、第US 6,707,087号皆揭露相变化存储 器结构，其共同特点为降低接触电极的厚度，以达到缩小元件的目的。更明确地说，相变化存储器所需的电流密度由相变化层与电极的接触面积所决 定。降低相变化层与电极的接触面积即降低相变化存储器所需的电流密度。 图1是显示传统相变化存储阵列的平面示意图。请参阅图l， 一半导体基板10具有晶体管阵列(未图示)由沿第一方向的导线20所串接。电极结构 32与各个晶体管元件电性相连。电极结构32为一方形金属墙结构，围绕在 一绝缘层34四周。 一相变化存储层40设置于电极结构32与绝缘层34上， 并且位于方形金属墙结构的一隅，以降低相变化存储层40与电极结构32的 接触面积。降低相变化层与电极的接触面积即降低相变化存储器所需的电流 密度。然而，于图l中，相变化存储层40为平面的区块，其与电极结构32的 接触面积，随着元件密度增加仍必须进一步缩小降低相变化层与电极的接触 面积。图2A-2C是显示另一种传统相变化存储阵列的示意图，其中图2A与2B 分别显示沿X方向与Y方向的剖面示意图，图2C为平面示意图。请参阅图 2A与2B， 一金属栓塞55设置于一介电层50的下半部中，金属栓塞55的 另一端与晶体管元件(未图示)连接。 一电极结构60设置于介电层50的上半部中，且与金属栓塞55电性相连。电极结构60为一方形金属墙结构，围绕 一绝缘层65。 一介电层72设置于介电层50上，具有长条状开口露出部分的 电极结构60。 一相变化存储层74设置于介电层72上并填入长条状开口 ，使 其与电极结构60的接触面积局限于长条状开口的宽度，因而进一步缩小相 变化层与电极的接触面积。金属导线76设置于相变化存储层74上，作为相 变化存储器的位线。保护层80设置于金属导线76上，以保护存储器结构。 为了更进一步增加相变化存储元件的集成度，因而需要进一步缩小相变 化层与电极的接触面积。再者，传统的相变化存储元件皆为一晶体管搭配一 相变化存储构件，又称1T-1R结构。1T-1R相变化存储器结构导致存储器元 件阵列空间未能有效利用，而限制相变化存储元件的集成度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种相变化存储单元设计及存储阵列结构，利用 直立式电极结构与直立式相变化存储构件，缩小接触面积，并利用一电流控 制元件搭配两相变化存储单元结构(1T-2R结构)，达到缩小存储元件单位面积即增加集成度的效果。本专利技术提供一种相变化存储器装置，包括 一电流控制元件设置于一基 板上； 一直立式电极结构与该电流控制元件电性相连；以及一第一直立式存 储层与该直立式电极结构上下直立形式堆迭并于一第一接触点接触，其中该 直立式电极结构与该第一直立式存储层交会的第一接触点作为一第一相变 化存储单元作用的相变化位置。本专利技术另提供一种相变化存储器装置的制造方法，包括提供一基板具 有一电流控制元件于其上；形成一直立式电极结构于该基板上，且与该电流 控制元件电性相连；以及形成一直立式存储层于该直立式电极结构上，且以 直立形式堆迭作为一相变化存储单元作用的相变化位置。为使本专利技术之上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例， 并配合所附图式，作详细说明如下。附图说明图l是显示传统相变化存储阵列的平面示意图；图2A-2C是显示另一种传统相变化存储阵列的示意图，其中图2A与2B 分别显示沿X方向与Y方向的剖面示意图，图2C为平面示意图； 图3是显示根据本专利技术实施例的一相变化存储器的示意图； 图4是显示根据本专利技术实施例的相变化存储器阵列的平面示意图； 图5A-14B是显示根据本专利技术第一实施例的相变化存储器阵列的制造方 法各步骤的示意图；7A-9C图分别显示本专利技术第 一实施例的形成直立式电极结构于基板上 步骤的示意图；图10A-12B分别显示本专利技术第一实施例的形成直立式存储层于直立式 电极结构上步骤的示意图；图13A-14B分别显示本专利技术第一实施例的形成位线连接直立式存储层 步骤的示意图；图15A-17C分别显示本专利技术第二实施例的形成直立式存储层于直立式 电极结构上步骤的示意图；图18A-19C分别显示本专利技术第二实施例的形成位线连接直立式存储层 步骤的示意图；图20是显示根据本专利技术实施例的相变化存储器阵列的 一样态的示意图； 图21是显示根据本专利技术实施例的相变化存储器阵列另 一样态的示意图；以及图22是显示根据本专利技术实施例的相变化存储器阵列另一样态的示意图。主要元件符号说明习知部分(图1~2)10 半导体基板；20~导线；32 电才及结构；34 绝纟彖层；40 相变化存储层；50 介电层；55 金属栓塞；60 电极结构；65~绝缘层；72 介电层；74 相变化存储层；76 j属导线；80 保护层。本案部分(图3 22)100 相变化存储器单元；110~基板；120 栅极；122~源极；124 漏极；130 导电栓塞；135 直立式电才及结构；140 直立式存储层；145 接触点；15CM立线；150a 第一位线；150b 第二位线；222、 224、 226 双极结型晶体管(BJT)的三个电极;115 第一介电层；132 第二介电层；133~开口；136 第三介电层；138 第四介电层；E 非等向性回蚀刻步骤；140a 第一直立式存储层； 140b 第二直立式存储层；140 ，~平行第 一 方向的两对向间隙壁的第二金属层;140 平行第二方向的两对向间隙壁的第二金属层;142 间隙壁；1 离子注入法；146 第五介电层；246 第四介电层；238 第五本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变化存储器装置，包括：　电流控制元件，设置于基板上；　直立式电极结构，与该电流控制元件电性相连；以及　第一直立式存储层，与该直立式电极结构上下直立形式堆迭并于第一接触点接触，其中该直立式电极结构与该第一直立式存储层交会的第一接触点作为第一相变化存储单元。

【技术特征摘要】
1.一种相变化存储器装置，包括电流控制元件，设置于基板上；直立式电极结构，与该电流控制元件电性相连；以及第一直立式存储层，与该直立式电极结构上下直立形式堆迭并于第一接触点接触，其中该直立式电极结构与该第一直立式存储层交会的第一接触点作为第一相变化存储单元。2. 如权利要求1所述的相变化存储器装置，其中该直立式电极结构为金 属墙结构。3. 如权利要求2所述的相变化存储器装置，其中该第一直立式存储层为 单面金属墙。4. 如权利要求1所述的相变化存储器装置，其中该直立式电极结构与该 第一直立式存储层以厚度面直立交叉，其交叉夹角包括垂直或非垂直。5. 如权利要求2所述的相变化存储器装置，其中该直立式电极结构由高 熔点的导电材料构成，包括过渡金属元素、稀土金属元素、或上述金属元素 的合金、氮化物、碳化物或氮碳化物。6. 如权利要求3所述的相变化存储器装置，其中该第一直立式存储层由 相变化存储材料构成，通过控制生成相的状态达到存储的作用。7. 如权利要求6所述的相变化存储器装置，其中该相变化存储材料包括 III、 IV、 V、 VI族金属元素或上述金属元素的合金。8. 如权利要求1所述的相变化存储器装置，其中该电流控制元件是晶体 管元件。9. 如权利要求2所述的相变化存储器装置，还包括第二直立式存储层， 与该直立式电极结构上下直立形式堆迭并于第二接触点接触，其中该直立式 电极结构与该第二直立式存储层交会的该第二接触点作为第二相变化存储 单元。10. 如权利要求9所述的相变化存储器装置，其中该第二直立式存储层为 单面金属墙。11. 如权利要求9所述的相变化存储器装置，其中该直立式电极结构与该 第二直立式存储层以厚度面直立交叉，其交叉夹角包括垂直或非垂直。12. 如权利要求IO所述的相变化存储器装置，其中该第二直立式存储层由相变化存储材料构成，通过控制生成相的状态达到存储的功能。13. 如权利要求12所述的相变化存储器装置，其中该相变化存储材料包 括in、 IV、 V、 VI族金属元素或上述金属元素的合金。14. 如权利要求9所述的相变化存储器装置，其中该第一直立式存储层与 第二直立式存储层分别连接至两条不同的导线，且其中各导线对应于该相变 化存储器装置的位线。15. 如权利要求1所述的相变化存储器装置，还包括多个该第一相变化存储单元所构成的阵列，对应多个该电流控制元件所 构成的阵列于该基板上；多条字线，沿第一方向串接各电流控制元件；以及 多条位线，沿第二方向串接各第一直立式存储层， 其中该第一方向与该第二方向实质上正交。16. 如权利要求9所述的相变化存储器装置，还包括多个该第 一相变化存储单元与该第二相变化存储单元所构成的阵列，对应多个该电流控制元件所构成的阵列于该基板上； 多条字线，沿第一方向串接各电流控制元件； 多条第一位线，沿第二方向串接各第一直立式存储层；以及 多条第二位线，沿该第二方向串接各第二直立式存储层，其中该第一方向与该第二方向实质上正交。17. 如权利要求16所述的相变化存储器装置，其中该多个电流控制元件 所构成的阵列包括第一组次晶体管阵列与第二组次晶体管阵列。18. 如权利要求17所述的相变化存储器装置，其中该第一组次晶体管阵 列与该第二组次晶体管阵列成(1/2, 1/2)平移对称。19. 一种相变化存储器装置的制造方法，包括 提供基板，具有电流控制元件于其上；形成直立式电极结构于该基板上，且与该电流控制元件电性相连；以及 形成直立式存储层于该直立式电极结构上，且以直立形式堆迭作为相变 化存储单元。20. 如权利要求19所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该电流控 制元件是晶体管元件。21. 如权利要求19所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该基板还包括第一介电层以及导电栓于该第一介电层中，其中该导电栓电性连接该电 流控制元件与直立式电极结构。22. 如权利要求21所述的相变化存储器装置的制造方法，其中形成该直 立式电极结构的步骤包括形成第二介电层于该第一介电层上；图案化该第二介电层，以形成方形开口露出该导电栓； 顺应性沉积第一金属层于该第二介电层与该方形开口上； 沉积第三介电层于第 一金属层上并填满该方形开口 ； 平坦化该第三介电层与该第一金属层直至露出该第二介电层的表面，以 形成金属墙结构。23. 如权利要求22所述的相变化存储器装置的制造方法，其中该...

【专利技术属性】
技术研发人员：李乾铭，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，力晶半导体股份有限公司，南亚科技股份有限公司，茂德科技股份有限公司，华邦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[]