專利名稱：具有不同晶粒尺寸的相變化存儲裝置及其形成方法
技術領域：
本發明涉及相變化存儲器，特別涉及改善相變化存儲器的擦寫可靠度的 方法。
背景技術：
相變化存儲器有希望成為下一世代的存儲器，相變化存儲器使用硫化物
半導體(chalcogenide semiconductor)來儲存數據，上述硫化物半導體具有晶 相與非晶(amorphous)相因而具有相變化的能力。在晶相中，上述相變化材 料具有低電阻率；而在非晶相中，上述相變化材料則具有高電阻率。上述相 變化材料在非晶相時的電阻率，通常大于在晶相時的電阻率的1000倍，因而 使得存儲裝置在讀取數據時不太可能發生錯誤。硫化物半導體在晶相及非晶 相的溫度范圍內均相當穩定，因而可通過電力脈沖在此二相之間相互切換。 使用硫化物半導體的相變化原理的一種存儲裝置，通常稱為相變化隨機存取 存儲器(phase change random access memory; PRAM)。
某些相變化材料例如Ge-Sb-Te合金可具有三種可能的結構非晶結構、 面心立方(face-centered cubic; FCC)結構、與六角密堆積(hexagonal close packed; HCP)結構。非晶相具有高電阻率、六角密堆積相具有低電阻率， 而面心立方相的電阻率則介于非晶相的電阻率與六角密堆積相的電阻率之 間。通常非晶相的相變化材料會在約15(TC轉換成面心立方相；而將其從非 晶相或面心立方相轉換成六角密堆積相，則需要36(TC的溫度或更高。
既然六角密堆積相的相變化材料具有低電阻率，完成制造后的初始復位 操作(initial reset operation)需要非常高的復位電流。在后續的操作中，上述 相變化材料通常是在非晶相與面心立方相之間作相變化。因此，可以較小的 復位電流來執行后續的復位操作。然而，雖然后續操作僅需要較小的復位電 流；但是用以提供復位電流的集成電路仍需要提供足夠高的電流從而足以執 行上述初始復位操作。在裝置的操作上，這是一項關鍵的議題，需要減少操
作電流、以及初始復位電流與后續復位電流之間的差異。
更糟的是，每個用以加熱上述相變化材料的加熱器，其形成工藝之間存 在著工藝變動，因此即使是位于同一個芯片中，不同的相變化存儲單元可能 會需要不同的復位電流。無疑地，需要上述初始復位電流足夠的高，才能對 所有的相變化存儲單元進行復位，這樣又需要更高的初始復位電流，因此必 須對集成電路的性能有更高的要求，才能提供符合需求的初始復位電流。另 外，為了提供超出需求的復位電流，會增加不必要的電力消耗。因此，業界 需要新的相變化存儲器及其形成方法。
發明內容
有鑒于此，本發明的優選實施例提供一種存儲裝置，其包含相變化元件， 上述相變化元件具有第一相變化層，其具有第一平均晶粒尺寸；及第二相
變化層，位于上述第一相變化層上。上述第一相變化層與上述第二相變化層 為上述相變化元件的深度相關區，且上述第二相變化層具有第二平均晶粒尺 寸，上述第二平均晶粒尺寸不同于上述第一平均晶粒尺寸。
上述存儲裝置還可包含襯底，位于該第一相變化層與該第二相變化層 的下方；加熱器，鄰接于該第一相變化層，其中該第二平均晶粒尺寸大于該 第一平均晶粒尺寸；以及導體結構，鄰接于該第二相變化層。
上述存儲裝置中，該第二平均晶粒尺寸可大于該第一平均晶粒尺寸的二倍。
上述存儲裝置中，在該第一相變化層中的摻雜物濃度可大于在該第二相 變化層中的摻雜物濃度。
上述存儲裝置還可包含過渡性相變化層，位于該第一相變化層與該第 二相變化層之間、并與該第一相變化層和該第二相變化層鄰接，其中該過渡 性相變化層的平均晶粒尺寸介于該第一平均晶粒尺寸與該第二平均晶粒尺寸 之間。
上述存儲裝置中，該第一相變化層可鄰接于該第二相變化層。 上述存儲裝置還可包含加熱器；以及非晶相變化區，位于該加熱器與 該第一相變化層之間、且物理性分離該加熱器與該第一相變化層。
上述存儲裝置中，該第一相變化層與該第二相變化層可包含Ge-Sb-Te
本發明的另一優選實施例又提供一種存儲裝置，包含半導體襯底；加 熱器，位于上述半導體襯底上「以及相變化元件，位于上述半導體襯底上， 上述相變化元件分成至少兩個水平的層狀物，其具有第一層，鄰接于上述 加熱器，其具有第一平均晶粒尺寸；及第二層，具有一部分與上述第一層重 疊，其中上述第二層具有第二平均晶粒尺寸，上述第二平均晶粒尺寸大于上 述第一平均晶粒尺寸。
本發明的另一優選實施例又提供一種存儲裝置，包含半導體襯底，其
具有至少一個形成于其上面的有源區；介電層，位于上述半導體襯底上；加 熱器，位于上述介電層中；細晶粒晶形的相變化層，位于上述加熱器上；粗 晶粒晶形的相變化層，位于上述細晶粒晶形的相變化層上；以及上導體層， 位于上述粗晶粒晶形的相變化層上。
本發明的另一優選實施例又提供一種存儲裝置，包含半導體襯底；導 體結構，位于上述半導體襯底上；介電層，位于上述導體結構上；溝槽，位 于上述介電層中，并暴露上述導體結構的至少一部分；以及相變化元件，位 于上述半導體襯底上，上述相變化元件是分成至少兩個水平的層狀物，其具 有-第一層，局限于上述溝槽中，其具有第一平均晶粒尺寸；及第二層，位 于上述介電層與上述第一層上，其中上述第二層具有第二平均晶粒尺寸，上 述第二平均晶粒尺寸大于上述第一平均晶粒尺寸。
本發明的另一優選實施例又提供一種存儲裝置的形成方法，包含提供 襯底；在上述襯底上沉積第一相變化層，上述第一相變化層具有第一平均晶 粒尺寸；以及在上述第一相變化層上沉積第二相變化層，上述第二相變化層 具有第二平均晶粒尺寸，上述第二平均晶粒尺寸不同于上述第一平均晶粒尺 寸。
本發明的另一優選實施例又提供一種存儲裝置的形成方法，包含提供 襯底；在上述襯底上形成加熱器；使用第一工藝條件，在上述加熱器上、且 相鄰上述加熱器沉積第一相變化層；以及使用不同于上述第一工藝條件的第 二工藝條件，在上述第一相變化層上沉積第二相變化層。
本發明優選實施例的技術效果包含能夠減少初始復位電流；以及減少 初始復位電流與后續復位電流之間的差距。
圖1~圖9B為一系列剖面圖，示出本發明一個實施例的相變化存儲器的 制造的中間步驟。
圖9C、圖10與圖11為一系列的剖面圖，示出本發明其他實施例的相變 化存儲器。
其中，附圖標記說明如下 20 半導體襯底 23~晶體管 26 氧化物 30 加熱器層 34~加熱器 36~介電質區 40 溝槽 43 活性區 46~上電極 50~下電極 54 金屬線
具體實施例方式
為讓本發明的上述和其他目的、特征、和優點能更明顯易懂，以下特舉 出優選實施例，并配合附圖作詳細說明。
以下是提供一種嶄新的相變化存儲器及其制造方法，并以附圖示出本發 明優選實施例的相變化存儲器的制造的中間步驟。接下來便討論本發明優選 實施例的變化型式。在本發明所有圖示的實施例中，是以同類型的元件符號 來代表同類型的元件。
請參考圖1，導體插塞22形成于介電層24中，而介電層24則形成于半 導體襯底20上。半導體裝置例如晶體管(表示為晶體管23)則形成于半導 體襯底20的表面。導體插塞22的材質可以是鎢、鋁、銅、銀或上述的組合， 其與上述半導體裝置電性連接。介電層24可以是層間介電層(inter-layer
22 導體插塞
24~介電層
28 開口
32~介電層
34' 邊緣
38 介電層
42 細晶粒相變化層
44 粗晶粒相變化層
48 上電極接點
52 金屬線
dielectric; ILD)、或金屬間介電層(inter-metal dielectric; IMD)，具有低k 值(介電常數)，例如其k值可小于3.9。導體插塞22的形成可通過下列步 驟來達成在介電層24中形成開口；以導體材料填入上述開口；以及施以化 學機械研磨(chemical mechanical polish; CMP)的步驟，以除去多余的導體 材料。為了簡化附圖，后續的附圖中不再示出半導體襯底20。
在圖2中，氧化物26形成于介電層24上，接下來則形成開口28，以暴 露出開口下方的導體插塞22。氧化物26的材質可與介電層24的材質實質上 相同，而其材質也可以是其他常見的已知介電材料，例如氧化物、氮化物、 氮氧化物、碳化物、或其他類似材料。
接下來如圖3所示，順應性地在冠狀氧化物26上與開口 28中形成加熱 器層30，之后則在加熱器層30上形成介電層32。加熱器層30的材質可包含 導體材料例如多晶硅、TiSiC、 C、 TiW、 SiC、 Ti、 Ta、 V、 W、 Cr、 Fe、 Ni、 Nb、 Pd、 Pt、 Zr、 Mo、 Cu、 Al、 Ag、 Au、 Hf或上述的合金；另一方面，上 列材質也可使用下列材質來取代金屬氮化物，例如TiN、TaN、TiSiN、TiAlN、 TiCN、 TaSiN、 MoN、 TaAlN或WN;金屬硅化物，例如TiSix、 NiSix或CoSix; 具有導電性的氧化物例如Ir02、 Ru02、 SrRu03或LaNi03;或上述的組合。 為了減少后續形成的加熱器與相變化層之間的接觸面積，加熱器層30優選為 具有較薄的厚度，例如其厚度Tl小于200A。介電層32優選為將開口 28完 全填滿。
請參考圖4，以平坦化工藝將多余的加熱器層30與介電層32除去。結 果，介電質區36留在被加熱器34所環繞的內部區域內，而加熱器34的邊緣 34'則形成環繞介電質區36的環狀物。接下來如圖5所示，形成介電層38并 將其圖形化，從而在介電層38中形成溝槽40。 一部分的介電質區36與加熱 器34的至少一個邊緣34'暴露于溝槽40中(請參考圖6B)。溝槽40優選為 具有較小的寬度W，寬度W的具體數值例如為小于500A。
在圖6A中，形成細晶粒相變化層42以填入溝槽40中。在優選的實施 例中，細晶粒相變化層42的材質為Ge-Sb-Te合金(GST);另外，細晶粒 相變化層42的材質也可由下列材料取代Si-Sb-Te合金、Ga-Sb-Te合金、 As-Sb-Te合金、Ag-In-Sb-Te合金、Ge-In-Sb-Te合金、Ge-Sb合金、Sb-Te 合金、Si-Sb合金或上述的組合。如本發明所屬技術領域中普通技術人員所了
解，相變化材料具有低電阻率的晶相、以及高電阻率的非晶相。細晶粒相變
化層42的厚度T2優選為大于介電層38的厚度T3。厚度T3更優選為大于 后續形成的相變化元件中的活性區的厚度，其中上述活性區是指發生相變化 的區域。在一例示的實施例中，厚度T2為400A 800A。上述活性區可包含 鄰接于加熱器34的細晶粒相變化層42的一部分。
細晶粒相變化層42的平均晶粒尺寸可為3 nm 10 nm、但也可以是其他 的值，其晶粒愈小，其電阻率及六角密堆積相的轉換溫度就愈高，其理想的 晶粒尺寸取決于優選的初始復位電流(當存儲器完成后首次操作時，施加于 相變化存儲單元的第一次復位電流)。而且，所需的初始復位電流愈低，則 細晶粒相變化層42的平均晶粒尺寸優選為愈小。
在一個實施例中，可在工藝當中，通過添加摻雜物來調整細晶粒相變化 層42的平均晶粒尺寸，上述摻雜物例如為氮、氧、硅或上述的組合，且也可 添加下列材質例如介電質來取代上述摻雜物氧化物，例如氧化硅和/或氧化 鍺；氮化物，例如氮化硅和/或氮化鍺；或氮氧化物，例如氮氧化硅和/或氮 氧化鍺。細晶粒相變化層42的形成可使用反應性濺鍍法(reactive sputtering)、 共濺鍍法(co-sputtering)、化學氣相沉積法(chemical vapor deposition; CVD)、 原子層沉積法(atomic layer deposition; ALD)或其他類似技術。在一例示的 實施例中，使用GST的靶材與硅耙材，以共濺鍍法在細晶粒相變化層42中 摻雜硅。而要摻雜氧時，可使用含氧氣體、或是氧化物靶材來達成。
如果摻雜物為氮、氧和/或硅，上述摻雜物的原子百分比優選為2%~25%; 若是混入介電質時，上述介電質的摩爾百分比可為3%~20%。可以理解當摻 雜的摻雜物或介電質愈多時，細晶粒相變化層42的平均晶粒尺寸就愈小，從 而會因晶粒尺寸的減少而增加其電阻率，因而減低復位電流，并使晶相穩定 化，并減少初始復位電流與后續的復位電流之間的差距。
調整細晶粒相變化層42的平均晶粒尺寸的上述方法可被調整沉積溫度 的方法所取代，降低沉積溫度可使平均晶粒尺寸變小，，相反地，提升沉積溫 度則會使平均晶粒尺寸變大。在一例示的實施例中，細晶粒相變化層42的沉 積溫度低于25(TC。
圖6B是所示結構的剖面圖，此圖是沿著圖6A中的剖面線6B-6B得出 的。圖6B示出，細晶粒相變化層42的形成于溝槽40 (請參考圖5)內的那
一部分與加熱器34的上緣接觸，其中活性區43即是細晶粒相變化層42的那 一部分的對應界面。在執行復位之后，活性區43優選為變成非晶相。視需求 可將細晶粒相變化層42向左延伸，從而使得細晶粒相變化層42與加熱器34 的兩個邊緣接觸，但是此結構會增加細晶粒相變化層42與加熱器34之間的 接觸面積。
圖6C示出視需求實施的化學機械研磨的步驟，用以使細晶粒相變化層 42的上表面與介電層38的上表面高度相等。在本實施例中，細晶粒相變化 層42的殘留部分的厚度T2優選為大于150A、或至少大于所形成的活性區 的厚度。
接下來，如圖7所示，其中的形成步驟己變更為形成粗晶粒相變化層44， 粗晶粒相變化層44的平均晶粒尺寸大于細晶粒相變化層42的平均晶粒尺寸， 粗晶粒相變化層44的平均晶粒尺寸優選為大于細晶粒相變化層42的平均晶 粒尺寸的2倍。在一例示的實施例中，粗晶粒相變化層44的平均晶粒尺寸為 6 nm~20 nm。優選為以相同的相變化材料來形成細晶粒相變化層42與粗晶 粒相變化層44，然而也可以使用不同的材料來形成細晶粒相變化層42與粗 晶粒相變化層44。在整篇本說明書中，由于是一層一層地形成細晶粒相變化 層42與粗晶粒相變化層44的，故將這兩個晶粒相變化層稱為深度相關 (depth-wise)區，因此這兩個晶粒相變化層分別位于晶圓的不同深度之處。
與前文所述相同或相似，可通過添加摻雜物來調整粗晶粒相變化層44 的平均晶粒尺寸，上述摻雜物例如為氮、氧、硅、或介電質例如氧化物、氮 化物、氮氧化物或其他類似材料。因此，粗晶粒相變化層44中的摻雜物濃度 小于細晶粒相變化層42中的摻雜物濃度。此外，也可以使用提升沉積溫度的 方法，來使得粗晶粒相變化層44的平均晶粒尺寸變大，例示的沉積溫度是高 于30(TC。實驗數據示出通過低于25(TC與高于30(rC的沉積溫度，可使得所 形成的細晶粒相變化層42與粗晶粒相變化層44 (二者的材質均為GST)具 有令人滿意的電阻率值。
在優選的實施例中，是在同一處形成細晶粒相變化層42與粗晶粒相變化 層44，優選為在二者的形成步驟之間不執行破真空的程序。在一個實施例中， 在形成細晶粒相變化層42之后，將工藝條件變成適用于形成粗晶粒相變化層 44的工藝條件，然后再展開沉積步驟。因此，細晶粒相變化層42與粗晶粒
相變化層44之間具有明顯、不連續的界面。另夕卜，也可以在工藝條件逐漸改 變的同時，持續進行沉積從而取代上述步驟，所沉積的相變化材料會從細晶 粒逐漸變成粗晶粒。即使是工藝條件急遽地改變而使平均晶粒尺寸急遽地轉 換時，自然而然仍會形成較薄的過渡層。無疑地，上述過渡層的平均晶粒尺
寸會介于細晶粒相變化層42的平均晶粒尺寸與粗晶粒相變化層44的平均晶 粒尺寸之間。
圖8示出上電極46的形成，其可包含Ti、 TiN、 TiW、 W、 TiAl、 TiAlN、 Ta、 TaN、 W、或其他類似材料。
圖9A示出上電極接點48的形成，電極接點48的材質可以是具有低電 阻率的導體材料，因此而形成相變化存儲單元。在圖6A 圖9A中，需要形 成介電材料以定義介電層38、細晶粒相變化層42、粗晶粒相變化層44、上 電極46、與上電極接點48的界線，但是在上述附圖中省略了上述介電材料 的繪示，對本發明所屬技術領域中普通技術人員而言，可以輕易地完成上述 介電材料的形成所需的細節。
圖9B示出以圖6C所示結構為基礎完成的存儲單元，其中細晶粒相變化 層42局限于介電層38所定義的溝槽中。在圖9C中，則未形成介電層38， 因此細晶粒相變化層42與加熱器34之間的界面形成環狀物。
圖10示出T字型的存儲單元，其中細晶粒相變化層42與柱狀的加熱器 34接觸。在圖11中，下電極50形成于細晶粒相變化層42的下方。下電極 50、細晶粒相變化層42、粗晶粒相變化層44、與上電極46的形狀均為柱狀， 且均形成于金屬線52與54之間。本發明所屬技術領域中普通技術人員可以 了解相變化存儲器可具有許多不同的形式，并可加以實施。
在完成后段工藝之后，細晶粒相變化層42與粗晶粒相變化層44可具有 相同或不同的結晶構造，二者可具有面心立方結構、六角密堆積結構或上述 結構的組合。相變化材料在六角密堆積結構相的電阻率，小于其在面心立方 結構相的電阻率。在細晶粒相變化層42中面心立方結構所占百分比，比較有 可能多于粗晶粒相變化層44中面心立方結構所占百分比。也有可能使得實質 上整個細晶粒相變化層42都由面心立方結構來形成，而粗晶粒相變化層44 則包含面心立方結構與六角密堆積結構。形成細晶粒相變化層42的好處在于 由于晶粒之間的晶界面積增加，因而會增加界面自由能，從而會提升其轉換
成六角密堆積結構的轉換溫度。上述轉換溫度優選為高于上述后段工藝適用 的溫度。因此所完成的相變化存儲器中的細晶粒相變化層轉換為六角密堆積 結構的可能性便降低，從而增加了上述相變化存儲器的初始電阻率。其優點 在于上述相變化存儲器的初始電阻率降低，降低了所需的初始復位電流，并 因而減少了上述初始復位電流與后續的復位電流之間的差距。
以相同或相似的結構制造三個存儲單元樣本來進行模擬操作，其中分別 使用粗晶粒與細晶粒的相變化材料來形成第一樣本與第二樣本，而第三樣本 (本發明的一個實施例)則包含粗晶粒層與細晶粒層。模擬結果示出上述第
一樣本需要約585 ^A的初始復位電流、上述第二樣本則需要約97 ^A的初 始復位電流、而上述第一樣本則需要約100 的初始復位電流。與上述第 一樣本比較，上述第三樣本的優點在于大幅降低所需的初始復位電流；與上 述第二樣本比較，上述第三樣本的優點在于可以因為粗晶粒相變化層44的存 在，而降低相變化存儲單元上的電壓降(voltage drop)。
雖然本發明已以優選實施例公開如上，然而其并非用以限定本發明，任 何本發明所屬技術領域中普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內， 應當可作一定的更動與修改，因此本發明的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1. 一種存儲裝置，包含相變化元件，具有第一相變化層，其具有第一平均晶粒尺寸；及第二相變化層，位于該第一相變化層上，其中該第一相變化層與該第二相變化層為該相變化元件的深度相關區，且該第二相變化層具有第二平均晶粒尺寸，該第二平均晶粒尺寸不同于該第一平均晶粒尺寸。
2. 如權利要求1所述的存儲裝置，還包含襯底，位于該第一相變化層與該第二相變化層的下方；加熱器，鄰接于該第一相變化層，其中該第二平均晶粒尺寸大于該第一 平均晶粒尺寸；以及導體結構，鄰接于該第二相變化層。
3. 如權利要求2所述的存儲裝置，其中該第二平均晶粒尺寸大于該第一 平均晶粒尺寸的二倍。
4. 如權利要求2所述的存儲裝置，其中在該第一相變化層中的摻雜物濃 度大于在該第二相變化層中的摻雜物濃度。
5. 如權利要求1所述的存儲裝置，還包含過渡性相變化層，位于該第 一相變化層與該第二相變化層之間、并與該第一相變化層和該第二相變化層 鄰接，其中該過渡性相變化層的平均晶粒尺寸介于該第一平均晶粒尺寸與該 第二平均晶粒尺寸之間。
6. 如權利要求1所述的存儲裝置，其中該第一相變化層鄰接于該第二相 變化層。
7. 如權利要求l所述的存儲裝置，還包含 加熱器；以及非晶相變化區，位于該加熱器與該第一相變化層之間、且物理性分離該 加熱器與該第一相變化層。
8. 如權利要求1所述的存儲裝置，其中該第一相變化層與該第二相變化 層包含Ge-Sb-Te合金。
9. 一種存儲裝置，包含 半導體襯底；加熱器，位于該半導體襯底上；以及相變化元件，位于該半導體襯底上，該相變化元件分成至少兩個水平的層狀物，其具有第一層，鄰接于該加熱器，具有第一平均晶粒尺寸；及第二層，具有與該第一層重疊的部分，其中該第二層具有第二平均晶粒尺寸，該第二平均晶粒尺寸大于該第一平均晶粒尺寸。
10. —種存儲裝置，包含 半導體襯底；導體結構，位于該半導體襯底上； 介電層，位于該導體結構上；溝槽，位于該介電層中，并暴露該導體結構的至少一部分；以及相變化元件，位于該半導體襯底上，該相變化元件分成至少兩個水平的 層狀物，其具有第一層，局限于該溝槽中，具有第一平均晶粒尺寸；及 第二層，位于該介電層與該第一層上，其中該第二層具有第二平均 晶粒尺寸，該第二平均晶粒尺寸大于該第一平均晶粒尺寸。
11. 一種存儲裝置的形成方法，包含 提供襯底；在該襯底上沉積第一相變化層，該第一相變化層具有第一平均晶粒尺寸;以及在該第一相變化層上沉積第二相變化層，該第二相變化層具有第二平均 晶粒尺寸，該第二平均晶粒尺寸不同于該第一平均晶粒尺寸。
全文摘要
本發明公開一種包含相變化元件的存儲裝置及其形成方法，上述相變化元件具有第一相變化層，具有第一平均晶粒尺寸；及第二相變化層，位于上述第一相變化層上。上述第一相變化層與上述第二相變化層為上述相變化元件的深度相關區，且上述第二相變化層具有不同于上述第一平均晶粒尺寸的第二平均晶粒尺寸。本發明能夠減少初始復位電流并減少初始復位電流與后續復位電流之間的差距。
文檔編號H01L27/24GK101393964SQ200710161138
公開日2009年3月25日 申請日期2007年12月18日 優先權日2007年9月20日
發明者李自強, 楊富量, 梁春升 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司