相變存儲器的製造方法
2023-05-10 06:08:21
相變存儲器的製造方法
【專利摘要】本發明提出相變存儲器的兩種製作方法以改善其相變材料剝落現象。第一種方案：在相變材料與包埋下電極的介電層之間設置TiON粘合層，利用該TiON粘合層增強介電層與相變材料之間的結合程度，因而實現了防止相變材料脫落，提高了相變存儲器的可靠性。第二種方案：形成側牆狀的粘合層以增強相變材料與側壁的擴散阻擋層、介電層的粘合性能，同時利用了該側牆底部的尺寸大於頂部的尺寸，使得供相變材料沉積的空間的底部尺寸小於頂部尺寸，減小了相變材料與下電極的接觸面積，換言之，該側牆狀的粘合層不但增加了相變材料與側壁的擴散阻擋層、介電層的粘合性能，同時，降低了相變材料與下電極的接觸面積，降低了操作電流。
【專利說明】相變存儲器的製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及能防止相變材料剝落的相變存儲器的製造方法。
【背景技術】
[0002]相變存儲器作為一種新興的非易失性存儲技術，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較快閃記憶體FLASH都具有較大的優越性，成為目前不揮發存儲技術研究的焦點。相變存儲技術的不斷進步使之成為未來不揮發存儲技術市場的主流產品。
[0003]在相變存儲器(PCRAM)中，可以通過對記錄了數據的相變層進行熱處理，而改變存儲器的值。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「O」。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「I」。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。
[0004]圖1所示為現有的相變存儲器的結構，包括底部電極11 (也稱下電極)、頂部電極12(也稱上電極)，以及底部電極11與頂部電極12之間的相變層13。其中，相變層13的晶態轉變過程需要加熱，該加熱一般是使用底部電極11對相變層13進行加熱。為了獲得良好的加熱效果，相變存儲器一方面採用較大的驅動電流，例如，寫操作的電流要達到ImA左右，該較大的讀寫電流以及多次頻繁擦寫後，相變層13部分剝落，導致其與底部電極11之間的接觸性能變差，這會造成相變存儲器的性能變差。針對上述問題，現有技術也有一些改進，例如專利號為「US2004/0113136A1」的美國專利中提到的在相變層與包埋底部電極的介電層之間設置粘合層。然而，上述方式設置的粘合層對相變層與底部電極之間的接觸性能改善效果有限。
[0005]基於此，本發明提供一種新的相變存儲器的製造方法，以改善上述問題。
【發明內容】
[0006]本發明解決的問題是提出一種新的相變存儲器的製造方法，以改善現有的相變存儲器的相變層與底部電極之間的接觸性能較差問題。
[0007]為解決上述問題，本發明提供兩種相變存儲器的製造方法，第一種包括:
[0008]提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少具有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極；
[0009]在所述下電極及第一介電層上至少形成第二介電層；
[0010]利用光刻、刻蝕在所述第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽；
[0011]在第二介電層上及所述溝槽內形成TiON粘合層；
[0012]對所述TiON粘合層進行刻蝕以暴露所述溝槽底部的下電極；
[0013]在所述溝槽內填充相變材料且對所述溝槽外的相變材料進行平坦化去除。[0014]可選地，所述形成TiON粘合層的步驟包括:
[0015]在所述第二介電層上及溝槽內形成TiN擴散阻擋層；
[0016]對所述擴散阻擋層進行氧化處理形成TiON粘合層。
[0017]可選地，所述氧化處理採用UV光或微波加熱。
[0018]可選地，所述氧化處理採用的氧氣源為:02、03、N0、N20中的至少一種。
[0019]可選地,所述氧化處理的氧氣源的壓強為0.5torr-780torr。
[0020]可選地，所述氧化處理的氧氣源的流量為5SCCm-5Slm。
[0021]可選地，還包括對相變存儲器進行退火處理，所述退火的溫度為室溫至300°C。
[0022]可選地，所述形成粘合層的步驟包括:
[0023]採用N2、Ar與O2的混合氣體與Ti靶材進行物理氣相沉積生成。
[0024]可選地，對所述TiON粘合層進行刻蝕以暴露所述溝槽底部的下電極步驟中的刻蝕為回蝕或光刻、幹法刻蝕。
[0025]可選地，所述第二介電層與所述第一介電層的材質相同。
[0026]另外一種相變存儲器的製造方法包括:
[0027]提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少具有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極；
[0028]在所述下電極及第一介電層上至少形成第二介電層；
[0029]利用光刻、刻蝕在所述第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽；
[0030]在第二介電層上及所述溝槽內依次澱積擴散阻擋層、粘合層；
[0031]對所述擴散阻擋層、粘合層進行回蝕以暴露所述溝槽底部的下電極；
[0032]在所述溝槽內填充相變材料且對所述溝槽外的相變材料進行平坦化去除。
[0033]可選地，所述擴散阻擋層的材質為TiN。
[0034]可選地，所述粘合層的材質為TaN或矽。
[0035]可選地，所述第二介電層與所述第一介電層的材質相同。
[0036]與現有技術相比，本發明具有以下優點:1)對於第一種製作方法，由於在相變材料與包埋下電極的介電層之間設置TiON粘合層，該TiON粘合層增強了介電層與相變材料之間的結合程度，因而可以防止相變材料脫落，提高了相變存儲器的可靠性。
[0037]2 )可選方案中，相變材料側壁的介電層(第二介電層)與包埋下電極的介電層(第一介電層)的材質相同，使得上述TiON粘合層在實現粘合相變材料與包埋下電極的介電層的同時，粘合了相變材料與相變材料側壁的介電層，更進一步地防止相變材料脫落，提高相變存儲器的可靠性。
[0038]3)可選方案中，TiON粘合層的形成工藝為:先澱積TiN層，後進行氧化，該澱積TiN層的工藝為現有製作擴散阻擋層的工藝，因而TiON粘合層的形成工藝與現有的工藝兼容性強。
[0039]4)可選方案中，在TiON粘合層上製作暴露下電極的窗口採用的刻蝕工藝具有兩種:a)回蝕；b)光刻後以圖形化光刻膠為掩膜進行幹法刻蝕。一般地，基於降低相變存儲器操作電流的目的，相變存儲器的下電極製作得較窄(一個維度)，因而相對於光刻具有曝光精度限制的要求，該回蝕工藝可以形成更小尺寸的窗口。
[0040]5 )對於第二種製作方法,通過對粘合層進行回蝕以形成側牆(spacer ),該側牆底部的尺寸大於頂部的尺寸，相應地，供相變材料沉積的空間即為底部尺寸小於頂部尺寸，該底部尺寸對應相變材料與下電極的接觸面積，換言之，該側牆狀的粘合層不但增加了相變材料與側壁的介電層(第二介電層)的粘合性能，同時，降低了相變材料與底部電極的接觸面積，降低了操作電流。
[0041]6)第二種製作方法的可選方案中，粘合層的材質為TaN或矽，為粘合層的材質提供了具體的方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]圖1是現有技術的相變存儲器結構示意圖；
[0043]圖2至圖7是本發明實施例一提供的相變存儲器的製造方法的結構示意圖；
[0044]圖8至圖10是本發明實施例二提供的相變存儲器的製造方法的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0045]為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。由於本發明重在解釋原理，因此，未按比例製圖。
[0046]本發明提出兩種可以改善相變存儲器的相變材料剝落的方案。I)在相變材料與包埋下電極的介電層之間設置TiON粘合層，利用該TiON粘合層增強介電層與相變材料之間的結合程度，因而可以實現防止相變材料脫落，提高了相變存儲器的可靠性。2)形成側牆(spacer)狀的粘合層，該側牆底部的尺寸大於頂部的尺寸，相應地，供相變材料沉積的空間即為底部尺寸小於頂部尺寸，該底部尺寸對應相變材料與下電極的接觸面積，換言之，該側牆狀的粘合層不但增加了相變材料與側壁的介電層(第二介電層)的粘合性能，同時，降低了相變材料與底部電極的接觸面積，降低了操作電流。以下分別採用兩個實施例對兩種製作方法進行介紹。
[0047]實施例一
[0048]圖2-圖7所示為本實施例一提供的相變存儲器的製造方法的結構示意圖。以下結合圖2-圖7進行具體介紹。
[0049]首先，執行步驟Sll:如圖2所示的俯視圖，提供半導體襯底20，所述半導體襯底20上至少形成有包埋在第一介電層21中的相變存儲器的下電極22。下電極22也稱底部電極、底部接觸結構，基於降低相變存儲器操作電流的目的，其一般呈現長窄條狀，寬度較窄，例如小於10nm。為後續步驟示意方便，本實施例給出沿圖2中A-A直線的剖面結構如圖3所示。
[0050]半導體襯底20可以為現有的半導體材料，例如矽襯底、鍺襯底等，第一介電層21、下電極22的材質可以為現有的第一介電層、下電極的材質,本實施例中,第一介電層21的材質為二氧化矽、下電極22的材質為銅或鎢。
[0051]執行步驟S12:如圖4所示，在下電極22及第一介電層21上形成第二介電層23，利用光刻、刻蝕在第二介電層23內形成暴露所述下電極22的溝槽24。
[0052]第二介電層23中的溝槽24用於後續相變材料的填充，該第二介電層23的材質可以與第一介電層21的材質不同，本實施例中，兩者優選相同，都為二氧化矽。
[0053]在第二介電層23上形成溝槽24的光刻、刻蝕工藝具體地:在第二介電層23上旋塗光刻膠，利用圖案化掩膜板曝光後，形成圖案化光刻膠，之後以該圖案化光刻膠為掩膜進行幹法刻蝕至下電極22的頂部暴露停止。
[0054]執行步驟S13:如圖5所示，在第二介電層22上及溝槽24內形成TiON粘合層25。
[0055]本實施例提供兩種形成TiON粘合層25的方案。
[0056]具體地，I)首先在第二介電層23上及溝槽24內形成TiN擴散阻擋層；接著對TiN擴散阻擋層進行氧化處理形成TiON粘合層25。
[0057]形成TiN擴散阻擋層的方法為現有工藝，例如採用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)。本實施例採用採用N2與Ar的混合氣體與Ti靶材進行物理氣相沉積生成。
[0058]對TiN擴散阻擋層進行氧化具有多種方法，例如採用UV光或微波加熱，其氧氣源為:o2、o3、no、n2o中的一種或幾種的混合。優選地，上述氧氣源為o3、no，控制該o3、no的流量範圍為5sccm-5slm,反應腔室的壓強為0.5torr_780torr,能實現較好的TiN氧化效果，生成的TiON粘合層25對相變材料(GxSyTz，GST)與第一介電層21 二氧化矽的粘合性能較佳。
[0059]2)採用N2、Ar與O2的混合氣體與Ti靶材進行物理氣相沉積生成。換言之，邊生成TiN擴散阻擋層邊進行氧化。
[0060]不論採用何種氧化工藝，生成的TiON材質均能起到粘合相變材料與第一介電層21的作用，相對於未設置該粘合層25的方案，相變材料脫落的機率降低，相變存儲器的壽命得以延長，可靠性得以提高。
[0061]執行步驟S14:如圖6所示，對所述TiON粘合層25進行刻蝕以暴露溝槽24底部的下電極22。
[0062]本步驟的刻蝕工藝具有兩種。具體地，I)光刻、幹法刻蝕。即:在TiON粘合層25上旋塗光刻膠，後採用掩膜板曝光形成圖形化的光刻膠，後以該圖形化光刻膠為掩膜進行刻蝕至下電極22暴露停止。
[0063]2)回蝕(etch back)。即:採用無掩膜刻蝕，隨著器件小型化，溝槽24的寬度不斷較小，因而，即使澱積的TiON粘合層25厚度均等，在回蝕過程中，由於溝槽24側壁的阻擋，該位置處會形成底部尺寸大,頂部尺寸小的側牆(spacer)，如此，將覆蓋在溝槽24底部的下電極22上的TiON粘合層25去除。
[0064]執行步驟S15:如圖7所示，在溝槽24內填充相變材料26且對溝槽24外的相變材料26進行平坦化去除。
[0065]本步驟中的相變材料26可以為現有的相變材料，例如鍺-銻-碲材料(GxSyTz,GST)，其填充及平坦化工藝為現有工藝，在此不再贅述。
[0066]之後，根據需要進行上電極的製作。至此，本實施例一提供的相變存儲器已製作完畢。
[0067]上述步驟完成後，優選地，還對該相變存儲器進行退火處理，以釋放製作過程中各層的應力，進一步防止相變材料26剝落，本發明人研究發現:上述退火的溫度為室溫至300°C，各層應力釋放較佳，能降低相變材料26剝落的機率，提高了相變存儲器的可靠性。
[0068]可以看出，本方案由於在相變材料26與包埋下電極22的第一介電層21之間設置TiON粘合層25，該TiON粘合層25增強了第一介電層21與相變材料26之間的結合程度，因而可以防止相變材料26脫落，提高了相變存儲器的可靠性。
[0069]優選地，相變材料26側壁的介電層(第二介電層23 )與包埋下電極22的介電層(第一介電層21)的材質相同，使得上述TiON粘合層25在實現粘合相變材料26與包埋下電極22的介電層21的同時，粘合了相變材料26與相變材料26側壁的介電層23，更進一步地防止相變材料26脫落，提高相變存儲器的可靠性。
[0070]實施例二
[0071]圖8-圖10所示為發明提供的另一種相變存儲器的製造方法的結構示意圖。以下結合圖8-圖10進行具體介紹。
[0072]首先，執行步驟S21:提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少形成有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極。本步驟與實施例一的步驟Sll相同，半導體襯底20，其上的第一介電層21及包埋在該介電層21中的下電極22的結構仍參照圖2與圖3所示。
[0073]執行步驟S22:在下電極及第一介電層上形成第二介電層，利用光刻、刻蝕在第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽。本步驟與實施例一的步驟S12相同，第二介電層23及該介電層中的溝槽24的結構仍參照圖4所示。
[0074]執行步驟S23:如圖8所示，在第二介電層23上及溝槽24內依次澱積擴散阻擋層31、粘合層32。
[0075]上述擴散阻擋層31可以為現有的擴散阻擋層，例如材質為TiN。粘合層32的材質需滿足能粘合相變材料與第二介電層23的材質，或能起到粘合相變材料與擴散阻擋層31的材質，換言之，設置粘合層32後，相對於無粘合層32設置的方案，能降低相變材料剝落的機率。本發明人經過大量研究表明，對於常用擴散阻擋層31材質TiN，常用的第二介電層23材質二氧化矽，粘合層32材質為TaN，Si時，能起到降低相變材料剝落的機率。
[0076]執行步驟S24:如圖9所示，對擴散阻擋層31、粘合層32進行回蝕以暴露溝槽24底部的下電極22。
[0077]上述回蝕與實施例一中的回蝕類似，也為無掩膜板刻蝕，形成的粘合層32也為側牆結構，底部尺寸大，頂部尺寸小，利於降低相變材料與下電極22的接觸面積。
[0078]執行步驟S25:如圖10所示，在溝槽24內填充相變材料26且對溝槽24外的相變材料26進行平坦化去除。本步驟與實施例一的步驟S15大致相同。
[0079]之後，根據需要進行上電極的製作。至此，本實施例二提供的相變存儲器已製作完畢。
[0080]與實施例一類似地，在上述步驟完成後，優選地，還對該相變存儲器進行退火處理，以釋放製作過程中各層的應力，以起到進一步防止相變材料26剝落的作用。上述退火的溫度優選室溫至300°C，該退火溫度下，各層應力釋放較佳，能降低相變材料26剝落的機率，提高相變存儲器的可靠性。
[0081]本實施二通過側牆(spacer)狀粘合層32提高相變材料26與第二介電層23的粘合性能，使得相變材料26不易剝落，提高了相變材料26與下電極22之間的電接觸性能，提高了相變材料的可靠性。此外，還利用了該側牆狀粘合層32底部的尺寸大於頂部的尺寸，從而使得供相變材料26沉積的空間即為底部尺寸小於頂部尺寸，從而減小相變材料26與下電極22的接觸面積，降低了操作電流。換言之，該側牆狀的粘合層32不但增加了相變材料26與側壁的擴散阻擋層31、介電層(第二介電層23)的粘合性能，同時，降低了相變材料26與下電極22的接觸面積。
[0082]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造方法，其特徵在於，包括: 提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少具有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極； 在所述下電極及第一介電層上至少形成第二介電層； 利用光刻、刻蝕在所述第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽； 在第二介電層上及所述溝槽內形成TiON粘合層； 對所述TiON粘合層進行刻蝕以暴露所述溝槽底部的下電極； 在所述溝槽內填充相變材料且對所述溝槽外的相變材料進行平坦化去除。
2.根據權利要求1所述的製作方法，其特徵在於，所述形成TiON粘合層的步驟包括: 在所述第二介電層上及溝槽內形成TiN擴散阻擋層； 對所述TiN擴散阻擋層進行氧化處理形成TiON粘合層。
3.根據權利要求2所述的製作方法，其特徵在於，所述氧化處理採用UV光或微波加熱。
4.根據權利要求2所述的製作方法，其特徵在於，所述氧化處理採用的氧氣源為:02、O3> NO、N2O中的至少一種。
5.根據權利要求4所述的製作方法，其特徵在於，所述氧化處理的氧氣源的壓強為0.5torr_780torro
6.根據權利要求4所述的製作方法，其特徵在於，所述氧化處理的氧氣源的流量為5sccm_5slm0
7.根據權利要求1所述的製作方法，其特徵在於，還包括對相變存儲器進行退火處理，所述退火的溫度為室溫至300°C。
8.根據權利要求1所述的製作方法，其特徵在於，所述形成TiON粘合層的步驟包括: 採用N2、Ar與O2的混合氣體與Ti靶材進行物理氣相沉積生成。
9.根據權利要求1所述的製作方法，其特徵在於，對所述TiON粘合層進行刻蝕以暴露所述溝槽底部的下電極步驟中的刻蝕為回蝕或光刻、幹法刻蝕。
10.根據權利要求1所述的製作方法，其特徵在於，所述第二介電層與所述第一介電層的材質相同。
11.一種相變存儲器的製造方法，其特徵在於，包括: 提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少具有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極； 在所述下電極及第一介電層上至少形成第二介電層； 利用光刻、刻蝕在所述第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽； 在第二介電層上及所述溝槽內依次澱積擴散阻擋層、粘合層； 對所述擴散阻擋層、粘合層進行回蝕以暴露所述溝槽底部的下電極； 在所述溝槽內填充相變材料且對所述溝槽外的相變材料進行平坦化去除。
12.根據權利要求11所述的製作方法，其特徵在於，所述擴散阻擋層的材質為TiN。
13.根據權利要求11所述的製作方法，其特徵在於，所述粘合層的材質為TaN或矽。
14.根據權利要求11所述的製作方法，其特徵在於，所述第二介電層與所述第一介電層的材質相同。
【文檔編號】H01L45/00GK103840077SQ201210492209
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月27日 優先權日:2012年11月27日
【發明者】林靜, 洪中山 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司