相變存儲器存儲單元的製作方法
2023-10-25 06:00:27 1
專利名稱：相變存儲器存儲單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種相變存儲器存儲單元的製作方法。
背景技術：
目前，相變存儲器(Wiase-Change RAM, PC RAM)由於具有非易失性、循環壽命長、 元件尺寸小、功耗低、可多級存儲、高效讀取、抗輻照、耐高低溫、抗振動、抗電子幹擾和製造工藝簡單等優點，被認為最有可能取代目前的快閃記憶體(Flash)、動態隨機存取存儲器(DRAM) 和靜態存儲器(SRAM)而成為未來半導體存儲器主流產品。PC RAM存儲單元包括相變層，以及與相變層接觸的底電極和頂電極。PC RAM存儲單元的相變層，是相變存儲器最核心的區域，用於相變材料發生相變，實現存儲功能。目前相變層有多種合金材料，一般為硫族化物，而鍺銻碲(GST，GeSbTe)合金是公認的研究最多的最為成熟的相變材料。圖1為現有技術相變存儲器存儲單元的製作方法流程圖，結合圖加 圖2f所示的相變存儲器存儲單元的製作方法剖面結構示意圖，進行詳細說明步驟101、如圖加所示，提供一底電極101，該底電極101可以為摻雜的多晶矽、摻雜的非晶矽或者金屬鎢的矽化物等；在該步驟中，底電極101形成於絕緣層102中，絕緣層102可以採用氧化物構成， 也可以為低介電常數材料層105，例如含有矽、氧、碳和氫元素的類似氧化物(Oxide)的黑鑽石(black diamond, BD)或者摻有氟離子的矽玻璃，也可以稱為氟化玻璃(Fluorin Silicon Glass, FSG)等；步驟102、如圖2b所示，在底電極101和絕緣層102表面依次沉積氮化矽層103和低介電常數材料層104 ；在本步驟中，沉積的低介電常數材料層104的材料為含有矽、氧、碳、氫元素的類似Oxide的BD或者摻有氟離子的矽玻璃，也可以稱為FSG等；在本步驟中，氮化矽層103作為刻蝕終止層，比較薄，從幾埃到二十埃左右，而低介電常數材料層104的厚度與後續所形成的相變層厚度相同；步驟103、如圖2c所示，按照相變層圖形，圖案化低介電常數材料層104，在底電極 101的接觸面形成後續要填充相變材料的孔洞；在本步驟中，圖案化低介電常數材料層104的過程為在低介電常數材料層104上塗布光刻膠層後，按照相變層圖形對光刻膠層進行曝光和顯影，形成具有相變層圖形的光刻膠層，最後以具有相變層圖形的光刻膠層為掩膜，刻蝕低介電常數材料層104和氮化矽層103，所述孔洞出露底電極的接觸面；步驟104、採用等離子體轟擊的方法301預清理底電極101的接觸面，如圖2d所示；在本步驟中，為了降低功耗及提高操作相變存儲器存儲單元的電流密度，需要減小相變層和底電極101之間的接觸面積，因此，相變材料被填充到橫截面積很小的孔洞內；為了使得相變層和底電極101之間具有良好的接觸，需要採用惰性氣體等離子體，比如氬氣等離子體轟擊對底電極101的接觸面預清理；步驟105、如圖2e所示，沉積相變材料並拋光後，形成相變層105 ；沉積的相變材料可以為化學元素周期表中的IVB、VB、VIB族中任一元素或任一元素的化合物；步驟106、如圖2f所示，在相變層105上形成頂電極106，該頂電極106形成於絕緣層107中；在本步驟中，形成頂電極106的過程為在相變層105及低介電常數材料層104 表面依次沉積第二氮化矽層和第二低介電常數材料層，採用頂電極106圖形，圖案化第二低介電常數材料層和第二氮化矽層，然後沉積頂電極材料並拋光至第二低介電常數材料層後，形成頂電極106，第二低介電常數材料層就是絕緣層107。這樣，就形成了相變存儲器存儲單元。在採用圖1所述的方案形成相變存儲器存儲單元的過程中，包括採用等離子體轟擊的方法預清理底電極101接觸面的步驟，在預清理過程中，會造成圖案化低介電常數材料層104表面的局部放電現象，該現象會導致最終所製作的相變存儲器存儲單元損壞，甚至失效。為了防止上述問題，可以採用兩種方法第一種方法，跳過預清理步驟，直接沉積形成相變層，但是由於底電極和相變層之間的接觸面積很小，再加上沉積相變材料得到相變層之前的各個工藝步驟都會讓底電極的接觸面發生沾汙，從而大大增加了底電極與相變層接觸不良的概率，進而大大降低了最終所製作的相變存儲器的良率；第二種方法，在預清理過程中，降低等離子體轟擊的射頻功率及時間，從而減少低介電常數材料層表面的局部放電現象的發生，但是這並沒有完全避免局部放電現象的發生。
發明內容
有鑑於此，本發明提供一種相變存儲器存儲單元的製作方法，該方法能夠避免預清理過程出現的局部放電現象，且使得最終製作的相變存儲器存儲單元不會損壞。為達到上述目的，本發明實施的技術方案具體是這樣實現的一種相變存儲器存儲單元的製作方法，該方法包括在第一絕緣層中形成底電極後，依次沉積氮化矽層和低介電常數材料層；圖案化低介電常數材料層與氮化矽層，形成孔洞，所述孔洞出露底電極的接觸面， 在所述孔洞內沉積第一相變材料；採用等離子轟擊方法預清理所述第一相變材料至出露所述底電極接觸面後，沉積第二相變材料填充孔洞；拋光所沉積的第二相變材料至孔洞表面，形成相變層；在相變層上形成頂電極，所述頂電極形成於第二絕緣層中。所述沉積第一相變材料在低介電常數材料層表面上的厚度為1000埃 10埃。所述等離子為氬氣等離子體，所述預清理所採用的工作壓力範圍為10帕斯卡 0.01帕斯卡。所述沉積第一相變材料採用物理氣相沉積方法、化學氣相沉積方法或原子層沉積方法。
所述沉積第一相變材料為化學元素周期表中的IVB、VB、VIB族中任一元素或任一元素的化合物。 所述第一相變材料和第二相變材料相同或不同。由上述技術方案可見，本發明提供的方法在採用等離子體轟擊的方法預清理底電極101接觸面之前，先沉積一層相變材料作為清理底電極101接觸面的犧牲層。由於要製作相變層的孔洞深寬比很大且該孔洞的橫截面積比較小，在沉積一層相變材料時底電極101 的接觸面沉積速率遠遠小於低介電常數材料層104的表面沉積速率，因此，底電極101接觸面沉積的相變材料比低介電常數材料層104表面沉積的相變材料薄很多。這樣，在採用等離子體轟擊的方法預清理底電極101接觸面的過程時，底電極101的接觸面沉積的相變材料被轟擊乾淨且清理底電極101時，在低介電常數材料層104的表面的相變材料還存在著保護低介電常數材料層104表面，避免了低介電常數材料層104表面的局部放電現象。因此，本發明提供的方法避免了預清理過程出現的局部放電現象，且使得最終製作的相變存儲器存儲單元不會損壞。
圖1為現有技術相變存儲器存儲單元的製作方法流程圖；圖加 圖2f為現有技術的相變存儲器存儲單元的製作方法剖面結構示意圖；圖3為本發明提供的相變存儲器存儲單元的製作方法流程圖；圖如 圖4g為本發明提供的相變存儲器存儲單元的製作方法剖面結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明作進一步詳細說明。本發明在製作相變存儲器存儲單元時，為了避免預清理過程出現的局部放電現象，且使得最終製作的相變存儲器存儲單元不會損壞，利用氣相沉積方法受要形成相變層的孔洞影響比較明顯，而等離子體轟擊的方法受要形成相變層的孔洞影響小的特性，採用了如下方法在採用等離子體轟擊的方法預清理底電極101接觸面之前，先沉積一層相變材料作為清理底電極101的犧牲層和保護層。由於要製作相變層的孔洞深寬比很大且該孔洞的橫截面積比較小，在沉積一層相變材料時底電極101的接觸面沉積速率遠遠小於低介電常數材料層104的表面沉積速率，因此，底電極101接觸面沉積的相變材料比低介電常數材料層104表面沉積的相變材料薄得多。這樣，在採用等離子體轟擊的方法預清理底電極101 接觸面的過程時，底電極101的接觸面沉積的相變材料被轟擊乾淨且清理底電極101時，而低介電常數材料層104的表面的相變材料還存在著保護低介電常數材料層104表面，避免了低介電常數材料層104表面的局部放電現象。以下舉具體例子說明本發明提供的方法。圖3為本發明提供的相變存儲器存儲單元的製作方法流程圖，結合圖如 圖4g 為本發明提供的相變存儲器存儲單元的製作方法剖面結構示意圖，進行詳細說明步驟301、如圖如所示，提供一底電極101，該底電極101可以為摻雜的多晶矽、摻雜的非晶矽或者金屬鎢的矽化物等；在該步驟中，底電極101形成於絕緣層102中，絕緣層102可以採用氧化物構成， 也可以為低介電常數材料層105，例如含有矽、氧、碳和氫元素的類似Oxide的BD或者摻有氟離子的矽玻璃，也可以稱為FSG等；步驟302、如圖4b所示，在底電極101和絕緣層102表面依次沉積氮化矽層103和低介電常數材料層104 ；在本步驟中，沉積的低介電常數材料層104的材料為含有矽、氧、碳、氫元素的類似Oxide的BD或者摻有氟離子的矽玻璃，也可以稱為FSG等；在本步驟中，氮化矽層103作為刻蝕終止層，比較薄，從幾埃到二十埃左右，而低介電常數材料層104的厚度與後續所形成的相變層厚度相同；步驟303、如圖如所示，按照相變層圖形，圖案化低介電常數材料層104和氮化矽層103，在底電極表面形成用於製作相變層的孔洞，出露底電極101的接觸面；在本步驟中，圖案化低介電常數材料層104的過程為在低介電常數材料層104上塗布光刻膠層後，按照相變層圖形對光刻膠層進行曝光和顯影，形成具有相變層圖形的光刻膠層，最後以具有相變層圖形的光刻膠層為掩膜，刻蝕低介電常數材料層104和氮化矽層103，形成孔洞，出露底電極101的接觸面；步驟304、如圖4d所示，在低介電常數材料層104表面及底電極101接觸面沉積相變材料201 ；在本步驟中，沉積的相變材料可以為化學元素周期表中的IVB、VB、VIB族中任一元素或任一元素的化合物；在本步驟中，沉積相變材料的厚度，即在低介電常數材料層104表面上的厚度為 1000埃 10埃，由於孔洞的影響，所以底電極101接觸面沉積相變材料的厚度遠遠小於在低介電常數材料層104表面上沉積的厚度；沉積相變材料採用的方法為氣相沉積方法，比如物理氣相沉積方法、化學氣相沉積方法或原子層沉積方法等；步驟305、如圖如所示，採用等離子體轟擊的方法301預清理底電極101的接觸在本步驟中，為了降低功耗及提高操作相變存儲器存儲單元的電流密度，需要減小相變層和底電極101之間的接觸面積，因此，相變材料被填充到橫截面積很小的孔洞內； 為了使得相變層和底電極101之間具有良好的接觸，需要採用惰性氣體等離子體，比如氬氣等離子體轟擊對底電極101的接觸面預清理；在預清理過程中，底電極101接觸面上的相變材料被首先轟擊乾淨，接著就會轟擊底電極101接觸面，而由於低介電常數材料層104表面的相變材料比較厚，所以整個預清理過程中都不會被刻蝕掉，而沉積的該層相變材料為高阻態，不會引起局部放電現象，保護了低介電常數材料層104表面不受電荷的影響；在該步驟中，預清理過程所採用的工作壓力範圍為10帕斯卡 0. 01帕斯卡；在該步驟中，沉積的相變材料可以為化學元素周期表中的IVB、VB、VIB族中任一元素或任一元素的化合物；步驟306、如圖4f所示，沉積相變材料並拋光後，形成相變層105 ；
在本步驟中，沉積的相變材料可以為化學元素周期表中的IVB、VB、VIB族中任一元素或任一元素的化合物，沉積的相變材料可以與步驟304沉積的相變材料相同或不同， 這裡不再限定；在本步驟中，沉積的相變材料可以與步驟304沉積的相變材料相同或不同，在拋光過程時，在低介電常數材料層104表面，且在步驟305未被等離子體轟擊掉，留下的相變材料會被拋光掉，不影響後續相變層105的形成；步驟307、如圖4g所示，在相變層105上形成頂電極106，該頂電極106形成於絕緣層107中；在本步驟中，形成頂電極106的過程為在相變層105及低介電常數材料層104 表面依次沉積第二氮化矽層和第二低介電常數材料層，採用頂電極106圖形，圖案化第二低介電常數材料層和第二氮化矽層，然後沉積頂電極材料並拋光至第二低介電常數材料層後，形成頂電極106，第二低介電常數材料層就是絕緣層107。以上舉較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種相變存儲器存儲單元的製作方法，該方法包括在第一絕緣層中形成底電極後，依次沉積氮化矽層和低介電常數材料層；圖案化低介電常數材料層與氮化矽層，形成孔洞，所述孔洞出露底電極的接觸面，在所述孔洞內沉積第一相變材料；採用等離子轟擊方法預清理所述第一相變材料至出露所述底電極接觸面後，沉積第二相變材料填充孔洞；拋光所沉積的第二相變材料至孔洞表面，形成相變層；在相變層上形成頂電極，所述頂電極形成於第二絕緣層中。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述沉積第一相變材料在低介電常數材料層表面上的厚度為1000埃 10埃。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述等離子為氬氣等離子體，所述預清理所採用的工作壓力範圍為10帕斯卡 0. 01帕斯卡。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述沉積第一相變材料採用物理氣相沉積方法、化學氣相沉積方法或原子層沉積方法。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述沉積第一相變材料為化學元素周期表中的IVB、VB、VIB族中任一元素或任一元素的化合物。
6.如權利要求1 5任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述第一相變材料和第二相變材料相同或不同。
全文摘要
本發明公開了一種相變存儲器存儲單元的製作方法，該方法包括在第一絕緣層中形成底電極後，依次沉積氮化矽層和低介電常數材料層；圖案化低介電常數材料層與氮化矽層，形成孔洞，所述孔洞出露底電極的接觸面，在所述孔洞內沉積第一相變材料；採用等離子轟擊方法預清理所述第一相變材料至出露所述底電極接觸面後，沉積第二相變材料填充孔洞；拋光所沉積的第二相變材料至孔洞表面，形成相變層；在相變層上形成頂電極，所述頂電極形成於第二絕緣層中。本發明提供的方法避免了預清理過程出現的局部放電現象，且使得最終製作的相變存儲器存儲單元不會損壞。
文檔編號H01L27/24GK102315386SQ20101022833
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月6日 優先權日2010年7月6日
發明者任萬春, 馮永剛, 向陽輝, 周真 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司