半导体存储元件、相变存储元件及其制造方法技术

一种相变存储元件，包括基底、下电极、第一、第二、第三介电层、杯状加热电极、上电极以及相变材料间隙壁。其中，下电极形成于基底内。第一介电层位于基底上，且其中有与下电极相接触的杯状加热电极。条状的第二与第三介电层分别以不同方向排列于基底上，其中每一第二与第三介电层覆盖杯状加热电极所围的部分面积，且第三介电层叠于第二介电层上。而上电极是位于第三介电层上，其中由每一第三介电层与其上的上电极组成一个堆栈结构。相变材料间隙壁则是位于上述堆栈结构的侧壁，并与杯状加热电极及上电极呈物理及电接触。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体存储元件及其制造方法，且特别涉及一种可通过简便的工艺而得到小加热面积的半导体存储元件、相变存储元件(phasechange memory，PCM)及其制造方法。
技术介绍
随着便携式产品的蓬勃发展及功能需求的提高，使得当前全球存储器市场需求急速扩张，其中又以非挥发性存储器(non-volatile memory)的快速成长最引人侧目。为适应此产业变化，全球各大厂商与研究机构对于下世代存储器技术开发均早已如火如荼般地展开。在各种可能的技术中以相变存储元件与磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive RAM，MRAM)较受注目。 相变存储器是一种利用热效应改变相变材料的结晶相，来转换元件电阻值的非挥发性存储器元件。当电流流过的加热面积愈小，则所需要用以造成相变的加热电流愈小，RESET/SET驱动电流亦愈小。相对地，这也对应较小的驱动晶体管面积，亦即一个较小面积的存储单元胞(MemoryUnit Cell)。因此，近来有各式各样的研究多针对加热面积大小加以设计。例如公元2003年公告的欧洲专利EP 1339111。 然而，目前已知的技术大多牵涉到复杂的介电层或牺牲层(SacrificialLayer)蚀刻接触孔(Contact Hole)，以达到缩小加热面积的目的。而且，当接触孔仅为纳米尺寸时，相变薄膜的填洞可靠性及合格率将大幅降低，接触孔之镀膜前干式预清洁(Dry Pre-Cleaning)变得复杂难控制。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种相变存储元件，以轻易达到缩小加热面积的目的。 本专利技术的再一目的是提供一种相变存储元件的制造方法，可随着元件尺寸的缩减，仍保有其合格率。 本专利技术的又一目的是提供一种相变存储元件的制造方法，可简化工艺。 本专利技术的另一目的是提供一种半导体存储元件，适于应用在微小到纳米尺寸的非挥发性存储单元晶胞。 本专利技术提出一种相变存储元件，包括基底、多个下电极、第一介电层、多个杯状加热电极、多层第二与第三介电层、多个上电极以及多个相变材料间隙壁。其中，下电极形成于基底内，而第一介电层位于基底上，且其中有杯状加热电极，而各个杯状加热电极的底部与各个下电极相接触。第二介电层则是以第一方向排列于基底上，其中各第二介电层覆盖杯状加热电极所围的部分面积。第三介电层以第二方向排列于基底上，其中各第三介电层覆盖杯状加热电极所围的部分面积并叠于第二介电层上。而上电极是位于第三介电层上，其中由每一第三介电层与其上的上电极组成一个堆栈结构。相变材料间隙壁则是位于上述堆栈结构的侧壁，并与杯状加热电极及上电极形成物理及电接触。 依照本专利技术的较佳实施例所述相变存储元件，上述杯状加热电极的材料包括TiN、上电极的材料则包括TiW。 依照本专利技术的较佳实施例所述相变存储元件，上述每个杯状加热电极所围的面积之宽度为0.2μm时，相变材料间隙壁的厚度可在20-50nm之间(这数值取决于各种不同的光刻步进机(Stepper)的最大容许叠对误差(Overlay Error)而定，基本上遵循“相变材料间隙壁的一半厚度加上最大容许叠对误差等于每个杯状加热电极所围的面积之宽度的一半”之原则)。另外，如果相变材料间隙壁的厚度大到100nm时，每个杯状加热电极所围的面积之宽度也要随之增加。 依照本专利技术的较佳实施例所述相变存储元件，上述第一介电层与第三介电层的材料包括氧化物，且第二介电层的材料包括氮化物。 本专利技术再提出一种相变存储元件的制造方法，包括先提供基底，其中已形成有多个下电极。然后，于基底上提供第一介电层，这个第一介电层内具有多个杯状加热电极，各个杯状加热电极的底部与每个下电极相接触。之后，于基底上形成多层第二介电层，且每一层第二介电层在第一方向上覆盖各杯状加热电极所围的部分面积。然后，于基底上形成多个堆栈结构，且每一个堆栈结构在第二方向上覆盖各杯状加热电极所围的部分面积，其中堆栈结构是由一层第三介电层与一层上电极所构成。接着，于基底上形成一层相变材料(PC)薄膜，覆盖上述堆栈结构与第二介电层，再各向异性蚀刻这层相变材料薄膜，以于堆栈结构侧壁形成相变材料间隙壁，且各相变材料间隙壁会与各个杯状加热电极及上电极做物理及电接触。之后还要过度蚀刻(Over-Etching)上述相变材料间隙壁，以去除第二介电层侧壁的相变材料薄膜。 依照本专利技术的一实施例所述的相变存储元件的制造方法，上述过度蚀刻相变材料间隙壁之时间是蚀刻相变材料间隙壁的厚度之对应的时间。 本专利技术又提出一种相变存储元件的制造方法，包括先提供基底，其中已形成有多个下电极。然后，于基底上提供第一介电层，这个第一介电层内具有多个杯状加热电极，各个杯状加热电极的底部与每个下电极相接触。之后，于基底上形成多层第二介电层，且每一层第二介电层在第一方向上覆盖各杯状加热电极所围的部分面积。然后，圆滑化各个第二介电层的边角(edge)，再于基底上形成多个堆栈结构，且每一个堆栈结构在第二方向上覆盖各杯状加热电极所围的部分面积，其中堆栈结构是由一层第三介电层与一层上电极所构成。接着，于基底上形成一层相变材料(PC)薄膜，覆盖上述堆栈结构与第二介电层，再各向异性蚀刻这层相变材料薄膜，以于堆栈结构侧壁形成相变材料间隙壁，且各相变材料间隙壁会与各个杯状加热电极及上电极做物理及电接触。 依照本专利技术的另一实施例所述的相变存储元件的制造方法，上述圆滑化第二介电层的边角的方法包括利用感应耦合等离子体-氩气(InductivelyCoupled Plasma-Ar，ICP-Ar)清洁步骤或是各向同性(部分或完全)的干式蚀刻工艺或甚至是湿式蚀刻工艺等均可达成。 于本专利技术的上述所有方法中，形成第二介电层的步骤例如先于基底上形成氮化物膜，再进行光刻及蚀刻工艺，以于第一方向形成上述第二介电层。 于本专利技术的上述所有方法中，形成堆栈结构的步骤例如先于基底上依次形成第三介电层与上电极，再进行光刻及蚀刻工艺，以于第二方向形成堆栈结构。 于本专利技术的上述所有方法中，于基底上提供第一介电层的步骤例如先在基底上提供具有多个开口的第一氧化层，且各开口暴露出各个下电极，再于基底上形成加热电极材料覆盖第一氧化层、开口内面与下电极。接着，于开口中填满第二氧化层，再平坦化前述第二氧化层，以去除开口外的第二氧化层及加热电极材料。 本专利技术另提出一种半导体存储元件，包括基底、多个下电极、第一和第二和第三介电层、多个杯状电极、多个上电极、导体材料间隙壁以及非挥发性存储单元晶胞。其中，下电极形成于基底内、第一介电层位于基底上，而杯状电极则位于第一介电层内，且各电极的底部与各个下电极相接触。第二介电层是以第一方向排列于基底上，其中各层第二介电层覆盖各个杯状电极所围的部分面积。而第三介电层则以第二方向排列于基底上，其中各层第三介电层覆盖各个杯状电极所围的部分面积并叠于第二介电层上。上电极则是位于第三介电层上，其中各层第三介电层与其上的各个上电极组成堆栈结构，而导体材料间隙壁是位于堆栈结构的侧壁，并与杯状电极及上电极形成物理及电接触。再者，非挥发性存储单元晶胞是嵌入各个导体材料间隙壁与各个杯状电极之间。 依照本专利技术的另一实施例所述的半导体存储元件，上述杯状电极的材料包括TiW、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变存储元件，其特征是包括：基底；多个下电极，形成于该基底内；第一介电层，位于该基底上；多个杯状加热电极，位于该第一介电层内，且各该杯状加热电极的底部与各该下电极相接触；多层第二介电层，以第一方向 排列于该基底上，其中各该第二介电层覆盖各该杯状加热电极所围的部分面积；多层第三介电层，以第二方向排列于该基底上，其中各该第三介电层覆盖各该杯状加热电极所围的部分面积并叠于上述这些第二介电层上；多个上电极，位于上述这些第三介电 层上，其中各该第三介电层与其上的各该上电极组成堆栈结构；以及多个相变材料间隙壁，位于该堆栈结构的侧壁，并与上述这些杯状加热电极及上电极形成物理及电接触。

【技术特征摘要】
所界定者为准。权利要求1.一种相变存储元件，其特征是包括基底；多个下电极，形成于该基底内；第一介电层，位于该基底上；多个杯状加热电极，位于该第一介电层内，且各该杯状加热电极的底部与各该下电极相接触；多层第二介电层，以第一方向排列于该基底上，其中各该第二介电层覆盖各该杯状加热电极所围的部分面积；多层第三介电层，以第二方向排列于该基底上，其中各该第三介电层覆盖各该杯状加热电极所围的部分面积并叠于上述这些第二介电层上；多个上电极，位于上述这些第三介电层上，其中各该第三介电层与其上的各该上电极组成堆栈结构；以及多个相变材料间隙壁，位于该堆栈结构的侧壁，并与上述这些杯状加热电极及上电极形成物理及电接触。2.根据权利要求1所述之相变存储元件，其特征是上述这些杯状加热电极的材料包括TiN、TaN、W或金属硅化物。3.根据权利要求1所述之相变存储元件，其特征是上述这些上电极的材料包括TiW、TiN、Al、Cu/TaN或金属硅化物。4.根据权利要求1所述之相变存储元件，其特征是该第一介电层与该第三介电层的材料包括氧化物，且该第二介电层的材料包括氮化物。5.一种相变存储元件的制造方法，其特征是包括提供基底，该基底已形成有多个下电极；于该基底上提供第一介电层，该第一介电层内具有多个杯状加热电极，各该杯状加热电极的底部与各该下电极相接触；于该基底上形成多层第二介电层，各该第二介电层在第一方向上覆盖各该杯状加热电极所围的部分面积；于该基底上形成多个堆栈结构，各该堆栈结构在第二方向上覆盖各该杯状加热电极所围的部分面积，其中各该堆栈结构是由第三介电层与上电极所构成；于该基底上形成相变材料薄膜，覆盖上述这些堆栈结构与上述这些第二介电层；各向异性蚀刻该相变材料薄膜，以于上述这些堆栈结构侧壁形成多个相变材料间隙壁，各该相变材料间隙壁与各该杯状加热电极及上电极形成物理及电接触；以及过度蚀刻上述这些相变材料间隙壁，以去除上述这些第二介电层侧壁的该相变材料薄膜。6.根据权利要求5所述之相变存储元件的制造方法，其特征是于该基底上形成上述这些第二介电层的步骤包括于该基底上形成氮化物膜；以及进行光刻及蚀刻工艺，以于该第一方向形成上述这些第二介电层。7.根据权利要求5所述之相变存储元件的制造方法，其特征是于该基底上形成上述这些堆栈结构的步骤包括于该基底上依次形成该第三介电层与该上电极；以及进行光刻及蚀刻工艺，以于该第二方向形成上述这些堆栈结构。8.根据权利要求5所述之相变存储元件的制造方法，其特征是过度蚀刻上述这些相变材料间隙壁之时间为蚀刻各该相变材料间隙壁的厚度之对应的时间。9.根据权利要求5所述之相变存储元件的制造方法，其特征是于该基底上提供该第一介电层的步骤包括于该基底上提供第一氧化层，该第一氧化层具有多个开口，各该开口暴露出各该下电极；于该基底上形成加热电极材料覆盖该第一氧化层、上述这些开口内面与上述这些下电极；于上述这些开口中填满第二氧化层；以及平坦化该第二氧化层，以去除上述这些开口外之该第二氧化层及该加热电极材料。10.一种相变存储元件的制造方法，其特征是包括提供基底，该基底已形成有多个下电极；于该基底上提供第一介电层，该第一介电层内具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈维恕，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]