相變隨機存儲器及其製作方法
2023-06-14 10:54:31 2
專利名稱：相變隨機存儲器及其製作方法
技術領域：
本發明涉 及半導體技術領域，尤其涉及相變隨機存儲器及其製作方法。
背景技術：
相變隨機存儲器具有高讀取速度、低功率、高容量、高可靠度、高寫擦次數、低工作 電壓/電流和低成本等特性，且非常適合與CMOS工藝結合，可用來作為較高密度的獨立式 或嵌入式的存儲器。目前，相變隨機存取存儲器包括具有相變層的存儲節點、連接到該存儲節點的晶 體管和與電晶體接的PN結二極體。根據施加到其上的電壓，相變層從結晶態變成非結晶 態，或與此相反。如果所施加的電壓為設置電壓，相變層從非結晶態變成結晶態。如果所施 加的電壓為重置電壓，相變層從結晶態轉變成非結晶態。在中國專利申請200810008555中形成的相變隨機存儲器如圖1所示，源極12和 漏極14中摻雜有與半導體襯底10導電類型相反的離子；柵極結構20形成於源極12和漏 極14之間的半導體襯底10上，柵極結構20可包括柵絕緣層18和柵電極19，柵絕緣層18 和柵電極19可以順序堆疊在半導體襯底10上；半導體襯底10中柵極結構20之下的區域 可以是溝道區16。源極12和漏極14，柵極結構20和溝道區16可構成電晶體或開關器件。 第一絕緣中間層22可形成在半導體襯底10上，第一絕緣中間層22覆蓋電晶體；第一接觸 孔hi形成在第一絕緣中間層22中以暴露漏極14的至少一部分；第一接觸孔hi可以填充 有導電物質，形成導電插塞24。下電極30形成在第一絕緣中間層22上，且覆蓋導電塞24 的頂表面。繼續參考圖1，第二絕緣中間層32形成在第一絕緣中間層22上且覆蓋下電極30 ； 第二接觸孔h2形成在第二絕緣中間層32中，第二接觸孔h2暴露下電極30的至少一部分； 第二接觸孔h2內填充有下電極接觸層34，作為下電極導電插塞。籽層36形成在第二絕緣 中間層32上且覆蓋下電極接觸層34的頂表面，相變層38形成在籽層36上。籽層36和相 變層38被形成在第二絕緣中間層32上的絕緣層40圍繞。上電極42形成在絕緣層40且 覆蓋相變層38的頂表面。由於將相變材料從結晶狀態改變至非結晶狀態所需的電流取決於下電極與相變 層之間的接觸面的大小。而現有技術形成的相變隨機存儲下電極與相變層之間的接觸面較 大，電流大，存儲效率不高。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種相變隨機存儲器及其製作方法，防止相變材料從結 晶狀態改變至非結晶狀態所需的電流大，影響存儲效率。為解決上述問題，本發明提供一種相變隨機存儲器的製作方法，包括在半導體襯 底上依次形成有下電極和絕緣中間層，所述絕緣中間層包圍下電極；在絕緣中間層內形成 下電極導電插塞，所述下電極導電插塞與下電極連通；在下電極導電插塞表面形成納米顆粒；氧化納米顆粒表面；在絕緣中間層上形成相變層，且相變層覆蓋納米顆粒和下電極導 電插塞；在相變層上形成上電極。可選的，形成納米顆粒的步驟包括在下電極導電插塞上沉積非摻雜無定形矽層； 通入氣體與非摻雜無定形矽層反應，形成矽核；進行退火，形成均勻的半球狀矽顆粒；刻蝕 半球狀矽顆粒和未反應的非摻雜無定形矽層至露出下電極導電插塞。可選的，沉積非摻雜無定形矽層的方法為低壓化學氣相沉積法，沉積溫度為 500°C 600°C，壓力為1託 40託。可選的，所述非摻雜無定形矽層的厚度為lnm 80nm。可選的，形成矽核通入的氣體為SiH4和N2或SiH4和Ar，所述SiH4的流量為 lOsccm 20sccmo可選的，退火溫度為700°C 1000°C。可選的，退火採用的氣體為N2和02或Ar和02。可選的，形成納米顆粒的方法為採用濺射法直接在下電極導電插塞表面形成。本發明還提供一種相變隨機存儲器，包括半導體襯底；位於半導體襯底上的下 電極和絕緣中間層；位於絕緣中間層內與下電極連通的下電極導電插塞；位於絕緣中間層 上且覆蓋上電極導電插塞的相變層；位於相變層上的上電極；在下電極導電插塞和相變層 之間形成有納米顆粒，納米顆粒上表面還形成有氧化層。可選的，納米顆粒的材料為非摻雜無定形矽。與現有技術相比，本發明具有以下優點在下電極導電插塞上形成納米顆粒，減小 相變層與下電極導電插塞的接觸面積，等效於減小了相變區電極的尺寸和相變區的容積， 增加了電極的電流密度，降低了功耗。
圖1是現有技術形成的相變隨機存儲器的示意圖；圖2是本發明形成相變隨機存儲器的具體實施方式
流程圖；圖3、圖4、圖5、圖6是本發明形成相變隨機存儲器的實施例示意圖；圖5a、圖5b、圖5c是圖5下電極和納米顆粒的放大圖。
具體實施例方式本發明形成相變隨機存儲器的工藝流程如圖2所示執行步驟S11，在半導體襯底 上依次形成有下電極和絕緣中間層，所述絕緣中間層包圍下電極。所述半導體襯底的導電類型可以是N型也可以是P型；半導體襯底上已形成有晶 體管、開關器件及金屬連等半導體器件。所述下電極通過導電插塞與半導體襯底上的半導體器件進行電連接。形成下電極的方法為濺鍍法或化學氣相沉積法；形成絕緣中間層的方法為低壓化 學氣相沉積法或等離子體增強化學氣相沉積法。執行步驟S12，在絕緣中間層內形成下電極導電插塞，所述下電極導電插塞與下電 極連通。形成下電極導電插塞的過程為先刻蝕絕緣中間層，形成露出下電極的接觸孔；然後向接觸孔內填充導電物質。執行步驟S13，在下電極導電插塞表面形成納米顆粒。形成納米顆粒的步驟包括在下電極導電插塞上沉積非摻雜無定形矽層；通入氣 體與非摻雜無定形矽層反應，形成矽核；進行退火，形成均勻的半球狀矽顆粒；刻蝕半球狀 矽顆粒和未反應的非摻雜無定形矽層至露出下電極導電插塞。執行步驟S14，氧化納米顆粒表面。本實施方式中，採用熱氧法或等離子體氧化法氧化納米顆粒表面，形成使納米顆 粒與後續相變層絕緣隔離的氧化矽層。執行步驟S15，在絕緣中間層上形成相變層，且相變層覆蓋納米顆粒和下電極導電插塞。本實施方式中先在絕緣中間層上依次形成絕緣層和光刻膠層，經過光刻工藝後， 定義出相變層圖形；以光刻膠層為掩膜，沿相變層圖形刻蝕絕緣層，形成相變層填充孔；向 相變層填充孔內填充滿相變材料。執行步驟S16，在相變層上形成上電極。形成上電極的方法為濺鍍法或化學氣相沉積法。基於上述實施方式形成的相變隨機存儲器，包括半導體襯底；位於半導體襯底 上的下電極和絕緣中間層；位於絕緣中間層內與下電極連通的下電極導電插塞；位於絕緣 中間層上且覆蓋上電極導電插塞的相變層；位於相變層上的上電極；在下電極導電插塞和 相變層之間形成有納米顆粒。下面結合附圖對本發明相變隨機存儲器的結構及形成方法做詳細的說明。如圖3所示，提供半導體襯底100 ；在半導體襯底100上形成電晶體，所述電晶體 包括位於半導體襯底100上的柵絕緣層104和柵電極106 ；位於柵電極106兩側半導體襯 底100內的源極101和漏極102，所述源極101和漏極102內注入的離子與半導體襯底100 導電類型相反。用化學氣相沉積法在半導體襯底100上形成第一絕緣中間層108，所述第一 絕緣中間層108的材料為氧化矽或氮氧化矽或正矽酸乙酯等。繼續參考圖3，在第一絕緣中間層108內形成與漏極102導通的導電插塞110。具 體形成工藝如下在第一絕緣中間層108上旋塗光刻膠層(未示出)，經過曝光、顯影工藝 後，形成與漏極102位置對應的接觸孔圖形；以光刻膠層為掩膜，沿接觸孔圖形刻蝕第一絕 緣中間層108至露出漏極102，形成接觸孔；去除光刻膠層後，在第一絕緣中間層108上形 成導電材料層，且將導電材料填充滿接觸孔；經過化學機械拋光工藝平坦化至露出在第一 絕緣中間層108。再參考圖3，在第一絕緣中間層108上形成存儲器的下電極112。具體實施工藝如 下用濺鍍法或化學氣相沉積法在第一絕緣中間層108上形成第一金屬層；接著用旋塗法 在第一金屬層上形成光刻膠層(未示出)，經過光刻工藝後，定義出電極圖形；以光刻膠層 為掩膜，沿電極圖形刻蝕第一金屬層，形成下電極112 ；接著，去除光刻膠層。如圖4所示，用低壓化學氣相沉積法或等離子體增強化學氣相沉積法在第一絕緣 中間層108和下電極112上形成第二絕緣中間層113，所述第二絕緣中間層113的材料為 氧化矽或氮氧化矽或正矽酸乙酯等。在第二絕緣中間層113上旋塗光刻膠層(未示出)， 經過曝光、顯影工藝後，形成與下電極112位置對應的下電極接觸孔圖形；以光刻膠層為掩膜，沿下電極接觸孔圖形刻蝕第二絕緣中間層113至露出下電極112，形成下電極接觸孔； 在第二絕緣中間層113上形成導電材料層，且將導電材料填充滿下電極接觸孔；經過化學 機械拋光工藝平坦化至露出第二絕緣中間層113，形成下電極導電插塞114。本實施例還可以在向下電極接觸孔填充導電材料之前在下電極接觸孔內壁形成 以氮化鈦為材料的擴散阻擋層，防止後續填充的導電材料擴散至絕緣中間層。如圖5所示，在下電極導電插塞114表面形成納米顆粒116c。具體工藝如下在 第二絕緣中間層113上旋塗光刻膠層(未示出)，經過曝光顯影工藝後，定義出下電極導電 插塞圖形；接著，如圖5a所示，以光刻膠層為掩膜，用低壓化學氣相沉積法在下電極導電插 塞上形成厚度為Inm 80nm的非摻雜無定形矽層116，其中沉積溫度為500°C 600°C，壓 力為1託 40託。如圖5b所示，在溫度大於等於50°C，壓力小於等於1託時，向沉積反應 腔內通入流量為IOsccm 20SCCm的SiH4，並且通入N2或Ar作為載氣體 ，在反應時間為5 秒 20秒時，部分非摻雜無定形矽層116與氣體反應形成矽核；然後，進行退火工藝，形成 半球狀矽顆粒116b，並且在下電極導電插塞114表面殘留完整的非摻雜無定形矽層116a， 退火所需的溫度為700°C 1000°C，採用的氣體為N2或Ar。接著，通入O2以更好的控制半 球狀矽顆粒116b的尺寸和均勻性。如圖5c所示，用等離子體幹法刻蝕法刻蝕半球狀矽顆 粒116b和殘留完整的非摻雜無定形矽層116a至露出下電極導電插塞114表面，形成納米 顆粒116c，所述納米顆粒116c的形狀可以是三角形、半球形或半橢球形等。本實施例中，形成納米顆粒116c後，對納米顆粒116c表面進行氧化，形成氧化層 (未圖示)，用以保護納米顆粒116c，且使納米顆粒116c與後續的相變層絕緣隔離，以達到 減小後續相變層與下電極導電插塞114的接觸面積的目的。除了實施例的方式以外，還可以採用濺射法直接在下電極導電插塞表面形成形狀 為三角形、半球形或半橢球形的納米顆粒116c。本實施例中，在下電極導電插塞114上形成納米顆粒116c，可以減小後續相變層 與下電極導電插塞114的接觸面積，等效於減小了相變區電極的尺寸和相變區的容積，增 加了電極的電流密度，降低了功耗。如圖6所示，用低壓化學氣相沉積法或等離子體增強化學氣相沉積法在第二絕緣 中間層113上形成絕緣層118 ；在絕緣層118上旋塗光刻膠(未示出)，採用光刻技術，定 義出相變層圖形；以光刻膠層為掩膜，沿相變層圖形刻蝕絕緣層118至露出第二絕緣中間 層113和下電極導電插塞114，形成相變層填充孔；用物理氣相沉積法在絕緣層118上形 成相變材料，並將相變材料填充滿相變層填充孔；用化學機械拋光工藝平坦化相變材料至 露出絕緣層118，形成相變層120，所述相變層120覆蓋下電極導電插塞114;相變層120 的材料為GeSbTe (GST)硫族化物材料，例如是鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te)、氮-鍺-銻-碲 (N-Ge-Sb-Te)、砷-銻-碲(As-Sb-Te)、銦-銻-碲(In-Sb-Te)等。繼續參考圖6，用濺鍍法或化學氣相沉積法在絕緣層118和相變層120上形成金屬 層；然後，用幹法刻蝕法刻蝕金屬層至露出絕緣層118，形成上電極122，其中上電極122、相 變層120及下電極插塞114、下電極112構成相變隨機存儲器。基於上述實施例形成的相變隨機存儲器包括半導體襯底100，所述半導體襯底 100上形成有電晶體，其中電晶體包括位於半導體襯底100上的柵絕緣層104和柵電極 106 ；位於柵電極106兩側半導體襯底100內的源極101和漏極102，所述源極101和漏極102內注入的離子與半導體襯底10導電類型相反。第一絕緣中間層108，位於半導體襯底100上；導電插塞110，貫穿第一絕緣中間層 108且與與漏極102導通；下電極112，位於導電插塞110和部分第一絕緣中間層108上； 第二絕緣中間層113，位於第一絕緣中間層108上且覆蓋下電極112 ；下電極導電插塞114， 貫穿第二絕緣中間層113且與下電極112接觸；納米顆粒116c，間隔分布於下電極導電插 塞114上；氧化層(未示出)，覆蓋於納米顆粒116c表面；相變層120，位於第二絕緣中間層 113和納米顆粒116c上，且部分與下電極導電插塞114接觸；絕緣層118，位於第二絕緣中 間層113上且圍繞相變層120 ；上電極122，位於相變層120和部分絕緣層118上。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術 人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應 當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
一種相變隨機存儲器的製作方法，其特徵在於，包括在半導體襯底上依次形成有下電極和絕緣中間層，所述絕緣中間層包圍下電極；在絕緣中間層內形成下電極導電插塞，所述下電極導電插塞與下電極連通；在下電極導電插塞表面形成納米顆粒；氧化納米顆粒表面；在絕緣中間層上形成相變層，且相變層覆蓋納米顆粒和下電極導電插塞；在相變層上形成上電極。
2.根據權利要求1所述相變隨機存儲器的製作方法，其特徵在於，形成納米顆粒的步 驟包括在下電極導電插塞上沉積非摻雜無定形矽層；通入氣體與非摻雜無定形矽層反應，形成矽核；進行退火，形成均勻的半球狀矽顆粒；刻蝕半球狀矽顆粒和未反應的非摻雜無定形矽層至露出下電極導電插塞。
3.根據權利要求2所述相變隨機存儲器的製作方法，其特徵在於，沉積非摻雜無定形 矽層的方法為低壓化學氣相沉積法，沉積溫度為500°C 600°C，壓力為1託 40託。
4.根據權利要求3所述相變隨機存儲器的製作方法，其特徵在於，所述非摻雜無定形 矽層的厚度為Inm 80nm。
5.根據權利要求2所述相變隨機存儲器的製作方法，其特徵在於，形成矽核通入的氣 體為SiH4和N2或SiH4和Ar，所述SiH4的流量為IOsccm 20sccm。
6.根據權利要求2所述相變隨機存儲器的製作方法，其特徵在於，退火溫度為700°C 1000°C。
7.根據權利要求6所述相變隨機存儲器的製作方法，其特徵在於，退火採用的氣體為 N2 禾口 O2 或 Ar 禾口 02。
8.根據權利要求1所述相變隨機存儲器的製作方法，其特徵在於，形成納米顆粒的方 法為採用濺射法直接在下電極導電插塞表面形成。
9.一種相變隨機存儲器，包括半導體襯底；位於半導體襯底上的下電極和絕緣中間 層；位於絕緣中間層內與下電極連通的下電極導電插塞；位於絕緣中間層上且覆蓋上電極 導電插塞的相變層；位於相變層上的上電極；其特徵在於，在下電極導電插塞和相變層之 間形成有納米顆粒，納米顆粒上表面還形成有氧化層。
10.根據權利要求9所述相變隨機存儲器，其特徵在於，納米顆粒的材料為非摻雜無定 形矽。
全文摘要
一種相變隨機存儲器及其製作方法。其中相變隨機存儲器的製作方法，包括在半導體襯底上依次形成有下電極和絕緣中間層，所述絕緣中間層包圍下電極；在絕緣中間層內形成下電極導電插塞，所述下電極導電插塞與下電極連通；在下電極導電插塞表面形成納米顆粒；在絕緣中間層上形成相變層，且相變層覆蓋納米顆粒和下電極導電插塞；在相變層上形成上電極。本發明減小相變層與下電極導電插塞的接觸面積，等效於減小了相變區電極的尺寸和相變區的容積，增加了電極的電流密度，降低了功耗。
文檔編號H01L27/24GK101958395SQ20091005494
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月16日 優先權日2009年7月16日
發明者劉燕, 吳關平, 肖德元 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司