相變存儲器的製作方法
2023-11-10 04:52:22
專利名稱：相變存儲器的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及相變存儲器的製作方法。
相變存儲器(Phase Change Random Access Memory, PCRAM)技術是基於 S. R. Ovshinsky在20世紀60年代末提出相變薄膜可以應用於相變存儲介質的構想建立起來的。作為一種新興的非易失性存儲技術，相變存儲器在讀寫速度、讀寫次數、數據保持時間、單元面積、多值實現等諸多方面對快閃記憶體都具有較大的優越性，已成為目前非易失性存儲器技術研究的焦點。
在相變存儲器中，可以通過對記錄了數據的相變層進行熱處理，來改變存儲器的值。構成相變層的相變材料會由於所施加電流的加熱效果而進入結晶狀態或非晶狀態。當相變層處於結晶狀態時，PCRAM的電阻較低，此時存儲器賦值為「0」。當相變層處於非晶狀態時，PCRAM的電阻較高，此時存儲器賦值為「1」。因此，PCRAM是利用當相變層處於結晶狀態或非晶狀態時的電阻差異來寫入/讀取數據的非易失性存儲器。
現有的相變存儲器的製作方法請參考
圖1 圖3。首先，請參考圖1，提供半導體襯底100，在所述半導體襯底100表面形成有第一介質層101，所述第一介質層101內形成有底部電極102，所述底部電極102與所述第一介質層101齊平，所述底部電極102的材質為單晶矽。
然後，仍然參考圖1，在所述第一介質層101表面形成第二介質層103，所述第二介質層103內形成有溝槽，所述溝槽露出下方的底部電極102。
接著，繼續參考圖1，在所述第二介質層103表面和所述溝槽的底部和側壁形成側牆介質層104，所述側牆介質層104用於在所述溝槽的側壁製作側牆。
然後，請參考圖2，利用等離子體刻蝕工藝刻蝕所述側牆介質層104，去除位於所述溝槽的底部和第二介質層103表面的側牆介質層104，在所述溝槽的側壁形成側牆105。 最後，請參考圖3，在所述第二介質層103的表面和溝槽內沉積相變層106，所述相變層106至少填充滿所述溝槽。
在公開號為CN1017^492A的中國專利申請中可以發現更多關於現有的相變存儲器的信息。
在實際中發現，現有技術製作的相變存儲器的良率低，相變存儲器的工作可靠性無法滿足應用的要求。
本發明解決的問題是提供了一種相變存儲器的製作方法，提高了製作的相變存儲器的良率，提高了相變存儲器的工作可靠性。
為解決上述問題，本發明提供了一種相變存儲器的製作方法，包括
提供半導體襯底，所述半導體襯底表面形成有底部電極和與所述底部電極齊平的第一介質層；
在所述第一介質層表面形成第二介質層，所述第二介質層內形成有溝槽，所述溝槽露出下方的底部電極；
在所述溝槽的側壁形成側牆；
對所述底部電極進行預清理的步驟；對所述底部電極進行絕緣處理，在所述底部電極的表面形成絕緣層；
在所述第二介質層表面和所述溝槽內形成相變層，所述相變層至少填充滿所述溝槽且覆蓋於所述絕緣層表面。
可選地，所述預清理的步驟利用等離子體刻蝕工藝或溼法刻蝕工藝進行。 可選地，所述等離子刻蝕工藝利用惰性氣體產生的惰性氣體離子作為轟擊離子， 所述等離子體刻蝕工藝的功率範圍為100 1000瓦，時間範圍為2 100秒。 可選地，所述溼法刻蝕利用含氟的酸溶液進行。 可選地，所述絕緣層的厚度範圍為10 25埃。
可選地，所述絕緣處理為利用等離子體處理工藝、低溫氧化工藝或離子注入工藝進行。
可選地，所述底部電極的材質為晶態矽，所述等離子體處理工藝利用絕緣離子與所述底部電極表面的矽結合，在所述底部電極表面形成所述絕緣層。
可選地，所述絕緣離子為氧離子，形成的所述絕緣層為氧化矽；或所述絕緣離子為氮離子，形成的所述絕緣層為氮化矽；或所述絕緣離子為氧離子和氮離子的混合，形成的所述絕緣層為氮氧化矽。
可選地，所述氧化工藝為在低溫環境下，將所述底部電極放置於氧氣的環境中，所述氧氣與所述底部電極表面矽結合，在所述底部電極的表面形成氧化矽，所述氧化矽作為所述絕緣層。
可選地，所述氧化工藝的低溫環境的溫度範圍為300 500攝氏度，所述氧氣的流量範圍為100 2000sccm。
可選地，所述離子注入的摻雜離子為氧離子，所述氧離子與所述底部電極表面的矽結合，形成氧化矽，所述氧化矽作為所述絕緣層；或所述離子注入的摻雜離子為氮離子， 所述氮離子與所述底部電極表面的矽結合，形成氮化矽，所述氮化矽作為所述絕緣層。 與現有技術相比，本發明具有以下優點
首先提供形成有底部電極和第一介質層的半導體襯底，然後在所述半導體襯底表面形成具有溝槽的第二介質層，所述溝槽露出下方的底部電極，接著，對所述底部電極進行預處理的步驟，從而去除所述底部電極表面的來自於潔淨室的汙染物和自然氧化層 (native oxide)，防止所述汙染物和自然氧化層影響所述底部電極與相變層之間的電連接的可靠性，然後，對所述底部電極進行絕緣處理，在所述底部電極的表面形成絕緣層，在使用時，來自於所述底部電極的相變電流能夠擊穿所述絕緣層，在所述絕緣層內形成多個小孔，所述多個小孔作為底部電極與相變層之間的相變電流的導電通道；並且形成有小孔的絕緣層可以防止相變層的熱量向底部電極傳遞，從而使得相變層在較小的相變電流作用下發生相變，提高相變存儲器的功耗，並且提高相變存儲器的存儲速度。圖1 圖3是現有技術的相變存儲器的製作方法剖面結構示意圖； 圖4是本發明的相變存儲器製作方法流程示意圖5 圖7是本發明一個實施例的相變存儲器的製作方法剖面結構示意圖。
現有技術製作的相變存儲器的良率低，相變存儲器的可靠性無法滿足應用的要求。請結合圖2，經過發明人研究發現，由於現有技術的相變層106與底部電極102的電連接的可靠性不高，導致所述相變層106與底部電極102容易斷開(open)，從而所述相變層 106無法接受來自底部電極102的相變電流，使得相變層106無法進行相變操作。造成上述的相變層106與底部電極102的電連接可靠性不高的原因是由於所述底部電極102表面有汙染物和自然氧化層，其中所述汙染物由來自於潔淨室的水蒸汽、顆粒、有機物和無機物等。所述汙染物和自然氧化層使得所述相變層沉積工藝時形成的相變層與底部電極102的電連接的可靠性不高，從而影響相變存儲器的良率和器件的工作可靠性。
因此，需要提高所述相變層106與底部電極102之間的電連接的可靠性，以提高相變存儲器的良率和提高器件的工作的可靠性。發明人考慮在進行相變層沉積工藝前，進行對所述底部電極102進行預清理的步驟，以去除所述汙染物和自然氧化層。所述預清理的步驟可以為幹法刻蝕或溼法刻蝕，所述預處理步驟可以將所述底部電極102的表面的汙染物薄膜去除，從而提高相變層與底部電極102之間的電連接的可靠性，提高相變存儲器的良率和器件的工作可靠性。
但是，發明人考慮到，由於所述底部電極102的材質為晶態矽，所述晶態矽可以為具有整齊晶格排布的單晶矽或多晶矽。在對所述底部電極102進行預清理的步驟時，所述底部電極102表面的部分晶態矽容易受到預清理步驟的損傷，破壞了所述底部電極表面的晶態矽的晶格結構，在所述底部電極102的表面形成一層非晶態的矽層。所述非晶態的矽層的厚度範圍為5 20埃。
由於非晶態的矽層的導電性不如晶態矽層的導電性好，並且所述底部電極102的表面形成的非晶態的矽層的厚度不受工藝的控制，這將破壞後續形成相變層與所述底部電極102之間的電連接的可靠性，從而影響相變存儲器的良率和器件的工作可靠性。
為了解決上述問題，發明人提出在對所述底部電極102進行預處理步驟後，對將所述底部電極102表面的非晶態的矽層轉變為絕緣層，所述絕緣層的厚度範圍為10 25 埃，由於絕緣層的厚度較薄，從而來自於所述底部電極的相變電流可以將絕緣層擊穿，在所述絕緣層內形成多個小孔，所述多個小孔作為底部電極與相變層之間電連接的導電通道； 並且形成有多個小孔的絕緣層可以防止所述相變層產生的熱量向所述底部電極擴散，更有利於所述相變層的相變，即使得相變層在較小的相變電流下發生相變，從而可以降低相變存儲器的功耗，並且提高相變存儲器的存儲速度。
具體地，請參考圖4所示的本發明所述的相變存儲器的製作方法流程示意圖，所述方法包括
步驟Si，提供半導體襯底，所述半導體襯底表面形成有底部電極和與所述底部電極齊平的第一介質層；
5步驟S2，在所述第一介質層表面形成第二介質層，所述第二介質層內形成有溝槽， 所述溝槽露出下方的底部電極；
步驟S3，在所述溝槽的側壁形成側牆； 步驟S4，對所述底部電極進行預清理的步驟；
步驟S5，對所述底部電極進行絕緣處理，在所述底部電極的表面形成絕緣層； 步驟S6，在所述第二介質層表面和所述溝槽內形成相變層，所述相變層至少填充滿所述溝槽且覆蓋於所述絕緣層表面。
下面結合具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細地說明。 為了更好地說明本發明的技術方案，請結合圖5 圖7所示的本發明一個實施例的相變存儲器製作方法剖面結構視圖。
首先，請參考圖5，提供半導體襯底200，所述半導體襯底200的表面形成有底部電極202和與所述底部電極202齊平的第一介質層201。
作為一個實施例，所述半導體襯底200的材質為矽。在其他的實施例中，所述半導體襯底200的材質還可以為鍺矽或絕緣體上矽(SOI)。所述半導體襯底200內還形成有電晶體，用於驅動後續形成的相變層。
所述底部電極202的材質為晶態矽。所述晶態矽可以為單晶矽或多晶矽。所述單晶矽或多晶矽具有整齊的晶格排布。所述單晶矽或多晶矽可以利用外延沉積工藝製作。所述底部電極202的厚度範圍為500 8000埃。所述外延沉積工藝與現有技術的外延沉積工藝相同，作為本領域技術人員的公知技術，在此不做詳細說明。
所述第一介質層201的材質可以為氧化矽、氮化矽、碳化矽或氮氧化矽。作為優選的實施例，所述第一介質層201的材質為氧化矽，其可以利用氧化工藝或化學氣相沉積工藝製作。所述氧化工藝或化學氣相沉積工藝與現有技術相同，作為本領域技術人員的公知技術，在此不做贅述。
然後，仍然參考圖5，在所述第一介質層201的表面形成第二介質層203，所述第二介質層203內形成有溝槽，所述溝槽露出下方的底部電極202。
作為一個實施例，所述第二介質層203的材質可以為氧化矽、氮化矽、碳化矽或氮氧化矽。所述第二介質層203的材質可以與所述第一介質層201的材質相同或不同。在實施例中，所述第二介質層203的材質與所述第一介質層201的材質相同，所述第二介質層 203的材質為氧化矽。所述第二介質層203可以利用現有的氧化工藝或化學氣相沉積工藝製作。作為一個實施例，所述第二介質層203的厚度範圍為500 8000埃。
所述溝槽的寬度優選地等於所述底部電極202的寬度。所述溝槽的側壁用於後續形成側牆，所述溝槽的底部用於露出下方的底部電極202，從而在後續的工藝步驟中在所述溝槽內沉積相變層。
然後，請繼續參考圖5，在所述溝槽的側壁和底部以及所述第二介質層203表面形成側牆介質層204。位於所述溝槽的側壁的側牆介質層204將用於製作側牆，因此需要將位於所述溝槽的底部和第二介質層203表面的側牆介質層204去除。
所述側牆介質層204的材質應選擇與所述第二介質層203和底部電極202具有刻蝕選擇比的材質，以減少刻蝕工藝對所述第二介質層203和底部電極202造成的損傷。作為一個實施例，所述側牆介質層204的材質為氮化矽。在其他的實施例中，所述側牆介質層204還可以為碳化矽或氮氧化矽。
所述側牆介質層204的厚度範圍為10 300埃。所述側牆介質層204可以利用化學氣相沉積工藝或氧化工藝製作。所述工藝與現有技術相同，作為本領域技術人員的公知技術，在此不做贅述。
然後，請參考圖6，進行刻蝕工藝，去除位於所述溝槽的底部和第二介質層203表面的側牆介質層204，位於所述溝槽側壁的側牆介質層形成側牆205。
所述刻蝕工藝為等離子體刻蝕工藝、所述等離子體刻蝕工藝的參數設置與現有技術相同，作為本領域技術人員的公知技術，在此不做詳細說明。
所述等離子體刻蝕工藝可能會損傷所述底部電極202，使得所述底部電極202表面的部分晶態矽轉變為非晶態的矽。
然後，繼續參考圖6，對所述底部電極202和側牆205進行預處理的步驟。作為一個實施例，所述預處理的步驟可以利用等離子體刻蝕工藝或溼法刻蝕工藝進行。
作為一個實施例，所述預處理的步驟利用等離子體刻蝕工藝進行。所述等離子體刻蝕工藝利用惰性氣體產生的惰性氣體離子作為刻蝕離子。所述惰性氣體可以為氬氣、氙氣等。作為一個實施例，所述惰性氣體為氬氣，其在等離子刻蝕的腔室中被離子化為氬離子，所述氬離子轟擊所述底部電極202和側牆205的表面，從而可以去除所述底部電極202 和側牆205表面的自然氧化物和汙染物(所述汙染物來自於潔淨室)。以利用氬離子進行等離子刻蝕工藝，所述等離子體刻蝕工藝的功率範圍為100 1000瓦，時間範圍為2 100 秒。
作為本發明的又一實施例，所述預處理的步驟利用溼法刻蝕工藝進行，所述溼法刻蝕工藝利用含氟的溶液進行。例如，所述溼法刻蝕工藝可以利用氫氟酸與水的混合溶液進行。其中氫氟酸的質量百分比為 10%。
由於所述預處理步驟的等離子體刻蝕工藝或溼法刻蝕工藝會打亂所述底部電極 202表面的晶態矽的晶格結構，使所述晶態矽轉變為非晶態的矽，從而在所述底部電極202 的表面形成非晶態的矽層。
經過形成所述側牆205的刻蝕工藝和對所述側牆205和底部電極202的表面進行的預處理步驟之後，所述底部電極202的表面形成非晶態的矽層，其厚度範圍為10 20 埃。所述非晶態的矽層的導電性不好，這影響了所述底部電極202與後續工藝形成的相變層的電連接的可靠性。所述非晶態的矽層的厚度不受工藝控制，從而所述非晶態的矽層對相變存儲器的影響不受控制。
為了解決上述問題，本發明對所述底部電極202進行絕緣處理，在所述底部電極 202的表面形成絕緣層206，所述溝槽暴露出所述絕緣層206。本發明所述的絕緣處理，是將所述底部電極202表面的非晶態的矽層轉換為所述絕緣層206。
作為一個實施例，所述絕緣層206的厚度範圍為10 25埃。在上述的厚度範圍內，來自於底部電極202的相變電流可以將所述絕緣層206擊穿，從而在所述絕緣層206內形成多個小孔，所述小孔作為底部電極202與後續形成的相變層之間的導電通道，從而提高所述底部電極202與所述相變層之間電連接的可靠性，提高了相變存儲器的良率。並且， 形成有小孔的絕緣層206可以防止相變層產生的熱量向所述底部電極202傳遞，有利於相變層在較小的相變電流下發生相變，有利於減小相變存儲器的功耗，提高了相變存儲器的存儲速度。若所述底部電極202與相變層之間為非晶矽層，但是利用來自底部電極的相變電流將所述絕緣層激活的難度較大，從而難以形成本發明所述的多個小孔，無法利用所述非晶矽層作為導電層。
其中，所述絕緣處理可以利用等離子體處理工藝、氧化工藝或離子注入工藝進行。 作為優選的實施例，所述絕緣處理利用等離子處理工藝進行，所述等離子體處理工藝利用絕緣離子轟擊所述底部電極202表面的非晶態的矽層，從而使得所述絕緣離子與所述底部電極202表面的非晶態的矽層結合，在所述底部電極202表面形成所述絕緣層 206，所述絕緣層206暴露於所述溝槽的底部。
所述絕緣離子可以為氧離子或氮離子。當所述絕緣離子為氧離子時，氧離子與所述底部電極202表面的非晶態的矽層結合，在所述底部電極202的表面形成氧化矽，所述氧化矽作為所述絕緣層206 ；當所述絕緣離子為氮離子時，氮離子與所述底部電極202表面的非晶態的矽層結構，在所述底部電極202表面形成氮化矽，所述氮化矽作為所述絕緣層 206。為了保證所述絕緣離子能夠與所述非晶態的矽結合，所述等離子處理工藝應對所述底部電極202進行加熱，使得所述底部電極202的溫度在100 300攝氏度。
作為本發明的又一實施例，所述絕緣處理還可以利用氧化工藝進行。所述氧化工藝為在低溫環境下，將所述底部電極202放置於氧氣的環境中，所述氧氣與所述底部電極 202表面的非晶態的矽層結合，在所述底部電極202的表面形成氧化矽，所述氧化矽作為所述絕緣層206。
本發明所述的低溫環境的溫度範圍為300 500攝氏度，例如為300攝氏度、400 攝氏度或500攝氏度。在所述溫度範圍內，可以保證不會影響半導體襯底的熱預算。作為一個實施例，所述氧氣的流量範圍為100 2000sCCm，例如所述氧氣的流量範圍可以為 100sccm、500sccm、IOOOsccm 或 2000sccmo
作為本發明的再一實施例，所述絕緣處理還可以為利用離子注入工藝進行。所述離子注入的摻雜離子可以為氧離子或氮離子。當所述離子注入的摻雜離子為氧離子時，所述氧離子與所述底部電極202表面的非晶態的矽層結合，在所述底部電極202的表面形成氧化矽，所述氧化矽作為所述絕緣層206 ；當所述離子注入的摻雜離子為氮離子時，所述氮離子與所述底部電極202表面的非晶態的矽層結合，在所述底部電極202的表面形成氮化矽，所述氮化矽作為所述絕緣層206。
由於在離子注入後，需要進行退火，以激活所述摻雜離子，所述退火的溫度範圍通常大於900攝氏度，因此，可能會增大所述半導體襯底200的熱預算，由於所述氧化工藝和等離子體刻蝕工藝的溫度在300 500攝氏度，所述的溫度範圍不會增大半導體襯底200 的熱預算，因此，優選地，利用所述氧化工藝和等離子體處理工藝形成所述絕緣層206。
然後，請參考圖7，在所述第二介質層203的表面和所述溝槽內形成相變層207，所述相變層207至少填充滿所述溝槽。所述相變層207的材質為硫族化合物合金。所述硫族化合物合金為Si-Sb-Te、Ge4b-Te、Ag-In-Te或Ge-Bi-Te。所述相變層207利用化學氣相沉積工藝製作。
綜上，本發明提供的相變存儲器的製作方法，在進行化學氣相沉積工藝製作所述相變層前，對底部電極進行預處理的步驟，去除了位於底部電極表面的汙染物和自然氧化物，提高了底部電極與相變層之間電連接的可靠性；並且在所述預處理步驟之後，對所述底部電極進行絕緣處理，以在所述底部電極表面形成絕緣層，來自於底部電極的相變電流可以將所述絕緣層擊穿，並在所述底部電極內形成多個小孔，所述小孔作為相變層與底部電極之間的導電通道，從而保證了所述底部電極與相變層之間的電連接，並且形成有小孔的絕緣層可以防止相變層內產生的熱量向所述底部電極傳遞，有利於相變層在較小的相變電流下發生相變，降低了相變存儲器的功耗，提高了相變存儲器的存儲速度。
本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。
權利要求
1.一種相變存儲器的製作方法，其特徵在於，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底表面形成有底部電極和與所述底部電極齊平的第一介質層；在所述第一介質層表面形成第二介質層，所述第二介質層內形成有溝槽，所述溝槽露出下方的底部電極；在所述溝槽的側壁形成側牆；對所述底部電極進行預清理的步驟；對所述底部電極進行絕緣處理，在所述底部電極的表面形成絕緣層；在所述第二介質層表面和所述溝槽內形成相變層，所述相變層至少填充滿所述溝槽且覆蓋於所述絕緣層表面。
2.如權利要求1所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述預清理的步驟利用等離子體刻蝕工藝或溼法刻蝕工藝進行。
3.如權利要求2所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述等離子刻蝕工藝利用惰性氣體產生的惰性氣體離子作為轟擊離子，所述等離子體刻蝕工藝的功率範圍為 100 1000瓦，時間範圍為2 100秒。
4.如權利要求2所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述溼法刻蝕利用含氟的酸溶液進行。
5.如權利要求1所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述絕緣層的厚度範圍為10 25埃。
6.如權利要求5所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述絕緣處理為利用等離子體處理工藝、低溫氧化工藝或離子注入工藝進行。
7.如權利要求6所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述底部電極的材質為晶態矽，所述等離子體處理工藝利用絕緣離子與所述底部電極表面的矽結合，在所述底部電極表面形成所述絕緣層。
8.如權利要求7所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述絕緣離子為氧離子， 形成的所述絕緣層為氧化矽；或所述絕緣離子為氮離子，形成的所述絕緣層為氮化矽；或所述絕緣離子為氧離子和氮離子的混合，形成的所述絕緣層為氮氧化矽。
9.如權利要求6所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述氧化工藝為在低溫環境下，將所述底部電極放置於氧氣的環境中，所述氧氣與所述底部電極表面矽結合，在所述底部電極的表面形成氧化矽，所述氧化矽作為所述絕緣層。
10.如權利要求9所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述氧化工藝的低溫環境的溫度範圍為300 500攝氏度，所述氧氣的流量範圍為100 2000sCCm。
11.如權利要求6所述的相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述離子注入的摻雜離子為氧離子，所述氧離子與所述底部電極表面的矽結合，形成氧化矽，所述氧化矽作為所述絕緣層；或所述離子注入的摻雜離子為氮離子，所述氮離子與所述底部電極表面的矽結合， 形成氮化矽，所述氮化矽作為所述絕緣層。
全文摘要
本發明提供了一種相變存儲器的製作方法，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底表面形成有底部電極和與所述底部電極齊平的第一介質層；在所述第一介質層表面形成第二介質層，所述第二介質層內形成有溝槽，所述溝槽露出下方的底部電極；在所述溝槽的側壁形成側牆；對所述底部電極進行預清理的步驟；對所述底部電極表面進行絕緣處理，在所述底部電極表面形成絕緣層，所述溝槽暴露出所述絕緣層；在所述第二介質層表面和所述溝槽內形成相變層，所述相變層至少填充滿所述溝槽。本發明提高了相變存儲器的良率，提高了相變存儲器工作的可靠性。
文檔編號H01L45/00GK102479923SQ201010568380
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者任萬春, 劉波, 向陽輝, 宋志棠 申請人:中芯國際集成電路製造(北京)有限公司