[发明专利]相变化存储装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明有关于一种半导体存储装置，而特别有关于一种相变化存储装置及其制造方法。

背景技术

相变化存储器具有非易失性、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、是相当有潜力的非易失性存储器。

相变化材料至少可呈现两种固态，包括结晶态及非结晶态，一般利用温度的改变来进行两态间的转换，由于非结晶态混乱的原子排列而具有较高的电阻，因此藉由简单的电测量即可轻易区分出相变化材料的结晶态与非结晶态。在各种相变化材料中，硫属化物已广泛应用至各种光记录元件中。

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，是藉由非结晶态与结晶态两态之间的转换来进行记忆，也就是说记忆位阶(0、1)是利用两态间电阻的差异来区分。

请参照图1，部分显示了一种习知相变化存储单元结构。如图1所示，相变化存储单元结构包括设置于一半导体基底10内特定区域的一隔离物12，以进而定义出一有源区。于有源区内则设置有互为隔离的一源极区16a与一漏极区16b。于源极区16a与漏极区16b间的有源区上则设置有一栅极14，以作为字线之用。栅极14、源极区16a与漏极区16b则组成了一开关晶体管。于具有此开关晶体管的半导体基底10上则覆盖一绝缘层20。于绝缘层20内则设置有一内连导线24，内连导线24形成于贯穿绝缘层20的一接触孔内，藉以电连接于源极区16a。于内连导线24上则形成有另一绝缘层22。于上述绝缘层22与20内则设置有一加热插拴18，以电连接于漏极区16b。于绝缘层22上则依序堆迭有一图案化的相变化材料层28与一顶电极34，其中相变化材料层28的底面接触加热插拴18。于绝缘层22上则还形成有一绝缘层26。于绝缘层26上则形成有一位线36并接触顶电极34。

于写入模式时，经由启动开关晶体管而使得加热插拴通过一大电流，其结果为，介于相变化材料层28与加热插拴18间的介面将被加热，因而使得相变化材料层28的一有源区30转变成为非晶态相或结晶态相，其需视流经加热插拴18的电流量与时间长短而决定。

图2则部分显示了美国第5,789,758号专利中所揭露的另一种习知相变化存储单元的剖面情形。如图2所示，在此相变化存储单元90包括依序埋设于一氧化物层35内并相互堆迭的底电极接触层55、60与65，其中底电极接触层65包括相变化材料。氧化物层35内形成有一开口70，开口70部分露出了底电极接触层65。于氧化物层35上则依序形成有另一相变化材料层75以及碳材料的上方接触电极层80以及钼材料的上方接触电极层85，相变化材料层75并填入于开口70中且实体接触了下方底电极接触层65内的相变化材料。此些相变化材料层、碳材料的上方接触电极层80以及钼材料的上方接触电极层85则为一氧化物层95所部分包覆，于氧化物层95上则形成有一铝导线100，铝导线100则部分设置于氧化物层95内并电接触了钼材料的上方接触电极层85。于铝导线100上则形成有一顶包覆层105。于如图2所示的存储单元结构中，于写入模式时，将加热位于开口70内的一有源区A内的部分相变化材料层75，并视电流量与时间长短而使得有源区A内的相变化材料层75转变成非晶态相或结晶态相。

然而，如图1与图2所示的习知相变化存储单元结构具有以下缺点，由于其存储单元内的有源区内的相变化材料实体上接触了邻近的绝缘层或氧化物层，故于有源区A内的加热效果不可避免的将为相邻的绝缘层或氧化物材料所传导逸散(如图1内的绝缘层20、22以及图2内的氧化物层35、95)，故于写入模式时由于其需要较大电流以成功地转变相变化材料的相态，因而将增加此相变化存储单元所需的操作功率，而不利于其于相变化存储装置中的应用。

因此，便需要一种结构改善的相变化存储单元结构以解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种相变化存储装置及其制造方法，以提供具有较佳加热效率与经改善的热逸散效应的相变化存储单元结构。

依据一实施例，本发明提供了一种相变化存储装置，包括：

第一电极，设置于第一介电层内；第二介电层，设置于该第一介电层与该第一电极之上；相变化材料层，设置于该第二介电层内并电连接该第一电极；第三介电层，设置于该第二介电层之上；第二电极，设置于该第三介电层内并电连接该相变化材料层；以及至少一空室(gap)，设置于该第一介电层或该第二介电层之内，以至少隔离部分的该相变化材料层与其邻近的该第一介电层或该第二介电层。

依据另一实施例，本发明提供了一种相变化存储装置，包括：