一種相變存儲器及其製造方法
2023-05-14 12:37:01 1
專利名稱：一種相變存儲器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體領域，特別涉及一種相變存儲器及其製造方法。
背景技術：
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對快閃記憶體FLASH都具有較大的優越性，成為目前非易揮發性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非易揮發性存儲技術市場主流產品最有力的競爭者之一。在相變存儲器中，可以通過對記錄了數據的相變材料層進行熱處理，而改變存儲器的值。構成相變材料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。當相變材料層處於結晶狀態時，相變存儲器的電阻較低，此時存儲器賦值為「0」。 當相變材料層處於非晶狀態時，相變存儲器的電阻較高，此時存儲器賦值為「 1 」。因此，相變存儲器是利用當相變材料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。關於由固態相變材料所製造的相變存儲器的結構可以參考公開號為 CN1627547A的中國發明專利申請所公開的內容。現有的相變存儲器的製作方法請參考圖1 圖4。首先，請參考圖1，提供半導體襯底100，所述半導體襯底100內形成有電晶體，所述半導體襯底100上形成有層間介質層 101，所述層間介質層101內形成有導電插塞102，所述導電插塞102將所述電晶體與後續形成的相變材料層電連接。所述層間介質層101上方依次形成有第一氧化矽層103、氮化矽層 104和第二氧化矽層105。然後，參考圖2，在所述第二氧化矽層105上形成光刻膠層106，以所述光刻膠層 106為掩膜，對所述第二氧化矽層105進行刻蝕，在所述第二氧化矽層105內形成溝槽開口， 所述溝槽開口底部露出下方的氮化矽層104。所述溝槽開口的寬度大於下方的導電插塞 102的寬度。然後，參考圖3，去除所述光刻膠層106，在所述溝槽開口的側壁形成側牆 (spacer) 107。所述側牆107的厚度等於所述溝槽開口的寬度與所述導電插塞102的寬度之差的1/2。接著，以所述側牆107為掩膜進行刻蝕，在所述氮化矽層104、第一氧化矽層103內形成通孔，所述通孔露出下方的導電插塞102。最後，請參考圖4，進行沉積工藝，在所述通孔內形成相變材料層108，所述相變材料層108與所述導電插塞102接觸。在實際中發現，以現有製作方法獲得的相變存儲器的功耗大，無法滿足應用的需求。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種功耗小的相變存儲器結構及其製作方法，為解決上
4述問題，本發明提供的相變存儲器製造方法包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有層間介質層和位於所述層間介質層內的底部電極；形成覆蓋所述層間介質層和底部電極的絕緣介質層和刻蝕停止層；依次刻蝕所述刻蝕停止層和絕緣介質層，形成頂部寬度大於底部寬度的通孔；形成填充滿所述通孔的相變材料層。優選地，形成所述頂部寬度大於底部寬度的通孔的步驟包括依次刻蝕所述刻蝕停止層和絕緣介質層，形成深度小於所述絕緣介質層厚度的第一通孑L ；沿所述第一通孔的表面刻蝕所述絕緣介質層，直至暴露所述底部電極，形成第二通孔，所述第二通孔的寬度小於所述第一通孔的寬度。優選地，形成所述第一淺通孔的步驟包括在所述刻蝕停止層表面形成有開口的光刻膠層，所述開口的位置與所述底部電極的位置對應；以所述光刻膠層為掩膜刻蝕所述刻蝕停止層，直至暴露所述絕緣介質層；以刻蝕後的刻蝕停止層為掩膜，刻蝕所述絕緣介質層，形成深度小於所述絕緣介質層厚度的第一通孔。優選地，形成所述第二通孔的步驟包括形成填充所述第一通孔的填充介質層； 刻蝕所述填充介質層形成側牆；以所述側牆為掩膜，沿所述第一通孔的表面刻蝕所述絕緣介質層，直至暴露所述底部電極，形成第二通孔。優選地，所述絕緣介質層的厚度是500-3000埃。優選地，所述第一通孔的深度為500-2000埃。優選地，所述第一通孔的寬度為300-2000埃。優選地，所述填充介質層的材料是多晶矽。優選地，所述第二通孔的寬度是50-1500埃。優選地，所述相變材料層的材料是硫族化合物。優選地，所述固態相變材料層的材料是GexSbyTez，且1 < x，y，ζ < 1，x+y+z = 1。相應地，本發明還提供一種相變存儲器，包含襯底、位於襯底表面的層間介質層和位於所述層間介質層內的底部電極，位於層間介質層表面的絕緣介質層，以及位於絕緣介質層內與所述底部電極位置相對應的的相變材料層，其中，所述相變材料層包含依次位於所述底部電極表面的第二相變材料層、第一相變材料層，其中，第二相變材料層的寬度小於第一相變材料層的寬度。優選地，所述第二相變材料層、第一相變材料層沿平行於襯底的方法的截面為圓形。優選地，所述第二相變材料層的寬度為50-1500埃。優選地，所述第一相變材料層的寬度為300-2000埃。本發明在形成有層間介質層和底部電極的半導體襯底上形成絕緣介質層，在所述絕緣介質層內依次形成第一通孔和第二通孔，第二通孔的寬度小於第一通孔的寬度，填充所述第一通孔和第二通孔，形成相變材料層，所述相變材料層包含依次位於所述底部電極表面的第二相變材料層、第一相變材料層，其中，第二相變材料層的寬度小於第一相變材料層的寬度。所述相變材料層通過第二相變材料層與所述底部電極接觸，與現有技術相比，本發明通過減小相變材料層與底部電極的接觸面積，增大歐姆電阻值，改進加熱效果，從而降低相變存儲器的功耗。
圖1至圖4是現有相變存儲器的製作方法剖面結構示意圖；圖5是本發明所提供的相變存儲器製造方法的流程示意圖；圖6至圖11是本發明所提供的相變存儲器的形成方法的實施例的示意圖。
具體實施例方式由背景技術可知，現有製作方法獲得的相變存儲器的功耗大，本發明的發明人經過研究發現，現有製作方法獲得的相變存儲器的功耗大是因為需要較大的驅動電流對相變材料層加熱以使相變材料層發生相變，並經過進一步的研究發現可以通過減小相變材料層與底部電極的接觸面的面積來減小相變材料層與底部電極層構成歐姆接觸的接觸面積，從而提高接觸電阻，並以此來降低驅動電流，減小功耗，特在本發明中提供一種相變存儲器製造方法及對應的相變存儲器。圖5是本發明所提供的相變存儲器製造方法的流程示意圖，本發明所提供的相變存儲器製造方法包括以下步驟步驟S101，提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有層間介質層和位於所述層間介質層內的底部電極。步驟S102，形成覆蓋所述層間介質層和底部電極的絕緣介質層和刻蝕停止層。步驟S103，依次刻蝕所述刻蝕停止層和絕緣介質層，形成頂部寬度大於底部寬度的通孔。所述頂部寬度大於底部寬度的通孔包括刻蝕所述刻蝕停止層和絕緣介質層依次形成的第一通孔和第二通孔。所述通孔的形成步驟包括依次刻蝕所述刻蝕停止層和絕緣介質層，形成深度小於所述絕緣介質層厚度的第一通孔；沿所述第一通孔的表面刻蝕所述絕緣介質層，直至暴露所述底部電極，形成第二通孔，所述第二通孔的寬度小於所述第一通孔的寬度；步驟S104，形成填充滿所述通孔的相變材料層。與現有技術相比，本發明減小了相變材料層與底部電極的接觸面積，增大了歐姆電阻，從而使得所述相變材料層在同樣的相變電流的情況下更容易發生相變或所述相變材料層需要較小的相變電流即可發生相變。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。請參考圖6，提供半導體襯底200，所述半導體襯底200上形成有層間介質層201 和位於所述層間介質層201內的底部電極202。其中，所述半導體襯底200的材質可以為矽、鍺矽、絕緣體上矽等。作為一個實施例，所述半導體襯底200內形成有電晶體，所述電晶體用於通過所述底部電極202與後續形成的相變材料層電連接，向所述相變材料層提供相變所需的相變電流。所述層間介質層201的材質為絕緣材質。所述絕緣材質可以為氧化矽、氮化矽、 氮氧化矽、碳化矽或含氮碳化矽等。本實施例中，所述層間介質層201的材質為氧化矽，其可以通過沉積或氧化的方法形成。本實施例中，所述層間介質層201的厚度範圍為100 5000 埃。所述底部電極202的製作方法為對所述層間介質層201進行刻蝕，在所述層間介質層內形成電極通孔，所述電極通孔與半導體襯底200內的電晶體的位置對應，暴露出襯底200內電晶體的電極；在所述電極通孔內沉積導電材質。所述導電材質可以為金屬、金屬化合物。所述金屬可以為金、銦、銅、鋁、鎢等。所述金屬化合物可以為氮化鈦、矽化鎢等。 本實施例中，所述底部電極202的材質為鎢。在本發明的其它實施例中，還可以先在所述電極通孔內形成一層粘附層203，然後在所述電極通孔內形成填滿所述電極通孔的導電層，所述粘附層203可以增強所述底部電極202與層間介質層201的結合性。參考圖7，形成覆蓋所述層間介質層201和底部電極202的絕緣介質層204和刻蝕停止層205。本實施例中，所述絕緣介質層204的厚度範圍為500 3000埃，優選地，所述絕緣介質層204的厚度為1500埃，所述刻蝕停止層205的厚度範圍是200-1000埃，優選地，所述刻蝕停止層205的厚度是500埃。因為所述絕緣介質層204將在後續的步驟中以所述刻蝕停止層205為掩膜通過刻蝕形成通孔，並隔離後續通過填充所述通孔形成的相變材料層，所以所述絕緣介質層204 的材料應該是與底部電極202、所述刻蝕停止層205具有較大刻蝕選擇比的材料，比如與刻蝕停止層的刻蝕選擇比大於3 1的材料，比如二氧化矽、氮化矽或者其他低介電常數材料，優選地，所述絕緣介質層204的材料選擇二氧化矽。當絕緣介質層204的材料選擇二氧化矽時，所述刻蝕停止層205的材料可以選擇氮化矽，或與二氧化矽有較大刻蝕選擇比的其他介質材料；當絕緣介質層204的材料選擇氮化矽時，所述刻蝕停止層205的材料可以選擇二氧化矽，或與氮化矽有較大刻蝕選擇比的其他介質材料。接著，依次刻蝕所述刻蝕停止層205和絕緣介質層204，形成頂部寬度大於底部寬度的通孔。所述頂部寬度大於底部寬度的通孔包括刻蝕所述刻蝕停止層和絕緣介質層依次形成的第一通孔和第二通孔。請參考圖8，形成第一通孔的步驟包括在所述刻蝕停止層205表面形成有開口的光刻膠層208，所述開口的位置與所述底部電極的位置對應；以所述光刻膠層208為掩膜刻蝕所述刻蝕停止層205，直至暴露所述絕緣介質層204 ；以刻蝕後的刻蝕停止層205為掩膜， 刻蝕所述絕緣介質層204，形成深度小於所述絕緣介質層204厚度的第一通孔206。所述第一通孔206的深度為500-2000埃，優選為1500埃，所述第一通孔206的寬度為300-2000埃。所述刻蝕可以採用現有的刻蝕工藝，比如幹法刻蝕工藝，可以通過控制刻蝕時間控制所述第一通孔206的深度。光刻膠層208的開口定義了所述第一通孔206的位置和寬度，第一通孔206的位置與底部電極202相對應，以使後續填充通孔形成的相變材料層與底部電極202接觸形成電連接，優選地，第一通孔206的位置與底部電極202對準。優選地， 所述第一通孔206沿平行於襯底200方向的截面為圓形。參考圖9、10，形成所述第二通孔207的步驟包括形成填充所述第一通孔206的填充介質層209 ；刻蝕所述填充介質層209形成側牆210 ；以所述側牆210為掩膜，沿所述第一通孔的表面刻蝕所述絕緣介質層204，直至暴露所述底部電極202，形成第二通孔207。所述第二通孔207的寬度是50-1500埃，優選為1000埃。優選地，所述第二通孔 207沿平行於襯底200方向的截面為圓形。所述填充介質層209與絕緣介質層204具有較大的刻蝕選擇比，優選地，所述填充介質層209的材料選擇多晶矽。可以採用現有刻蝕工藝刻蝕所述填充介質層209形成側牆210，側牆210的寬度與第二通孔207的寬度相關，從而與相變材料層與底部電極202的接觸面積相關，進一步與相變材料層與底部電極202之間的歐姆電阻相關。所述側牆210的寬度是通過設置所述刻蝕工藝的刻蝕時間(over etch rate)控制的，刻蝕時間越長，側牆210的寬度越小，所述接觸面積越大，對應的歐姆電阻越小，因此，為了增加所述歐姆電阻，所述刻蝕時間不宜過長。 受現有光刻工藝的限制，所述第一通孔206不容易做得很小，並且第一通孔206做得太小的話，後續填充通孔形成相變材料層的步驟中，容易在相變材料層中形成空洞或縫隙，影響器件的性能，通過本發明所提供的方法，不但可以減小相變材料層與底部電極的接觸面積，而且因為通孔206的寬度比較大，相對容易填充所述通孔，有利於在增加歐姆電阻的同時提高相變材料層的質量。在本發明的其他實施例中，還可以通過其他方法形成頂部寬度大於底部寬度的通孔，以實現本發明的方案。參考圖11，形成填充滿所述第一通孔206和第二通孔207的相變材料層。所述相變材料層的材質可以為硫族化合物。所述硫族化合物為Ge-Sb-Te、 Ag-In-Te或Ge-BiTe，優選地，所述硫族化合物合金是GexSbyTez，且1 < x，y，ζ < 1，x+y+z =1。沉積固態相變材料層的方法已為本領域技術人員所熟知，在此不再贅述。相應地，本發明還提供採用本發明所提供相變存儲器形成方法所形成的相變存儲器。請繼續參考圖11，本發明所提供的相變存儲器包含襯底200、位於襯底200表面的層間介質層201和位於所述層間介質層內的底部電極202，位於層間介質層201表面的絕緣介質層204，以及位於絕緣介質層204內與所述底部電極202位置相對應的的相變材料層，其中，所述相變材料層包含依次位於所述底部電極202表面的第二相變材料層213、第一相變材料層212，其中，第二相變材料層213的寬度小於第一相變材料層212的寬度。進一步，所述第二相變材料層213、第一相變材料212層沿平行於襯底200的方法的截面為圓形。所述第二相變材料層213的寬度為50-1500埃。所述第一相變材料層212 的寬度為300-2000埃。本發明在形成有層間介質層和底部電極的半導體襯底上形成絕緣介質層，在所述絕緣介質層內依次形成第一通孔和第二通孔，第二通孔的寬度小於第一通孔的寬度，填充所述第一通孔和第二通孔，形成相變材料層，所述相變材料層包含依次位於所述底部電極表面的第二相變材料層、第一相變材料層，其中，第二相變材料層的寬度小於第一相變材料層的寬度。所述相變材料層通過第二相變材料層與所述底部電極接觸，與現有技術相比，本發明減小了相變材料層與底部電極的接觸面積，增大了歐姆電阻值，從而減小驅動電路，減小相變存儲器的功耗。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
1.一種相變存儲器製造方法，其特徵在於，包括以下步驟提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有層間介質層和位於所述層間介質層內的底部電極；形成覆蓋所述層間介質層和底部電極的絕緣介質層和刻蝕停止層； 依次刻蝕所述刻蝕停止層和絕緣介質層，形成頂部寬度大於底部寬度的通孔； 形成填充滿所述通孔的相變材料層。
2.依據權利要求1所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，形成所述頂部寬度大於底部寬度的通孔的步驟包括依次刻蝕所述刻蝕停止層和絕緣介質層，形成深度小於所述絕緣介質層厚度的第一通孔；沿所述第一通孔的表面刻蝕所述絕緣介質層，直至暴露所述底部電極，形成第二通孔， 所述第二通孔的寬度小於所述第一通孔的寬度。
3.依據權利要求2所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，形成所述第一通孔的步驟包括在所述刻蝕停止層表面形成含有開口的光刻膠層，所述開口的位置與所述底部電極的位置對應；以所述光刻膠層為掩膜刻蝕所述刻蝕停止層，直至暴露所述絕緣介質層； 以刻蝕後的刻蝕停止層為掩膜，刻蝕所述絕緣介質層，形成深度小於所述絕緣介質層厚度的第一通孔。
4.依據權利要求2所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，形成所述第二通孔的步驟包括形成填充所述第一通孔的填充介質層； 刻蝕所述填充介質層形成側牆；以所述側牆為掩膜，沿所述第一通孔的表面刻蝕所述絕緣介質層，直至暴露所述底部電極，形成第二通孔。
5.依據權利要求1所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，所述絕緣介質層的厚度是 500-3000 埃。
6.依據權利要求4所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，所述第一通孔的深度為 500-2000 埃。
7.依據權利要求3所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，所述第一通孔的寬度為 300-2000 埃。
8.依據權利要求3所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，所述填充介質層的材料是多晶娃。
9.依據權利要求4所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，所述第二通孔的寬度是 50-1500 埃。
10.依據權利要求1所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，所述相變材料層的材料是硫族化合物。
11.依據權利要求10所述的相變存儲器製造方法，其特徵在於，所述固態相變材料層的材料是 GexSbyTez,且 1 < x，y，ζ < 1，x+y+z = 1。
12.一種相變存儲器，包含襯底、位於襯底表面的層間介質層和位於所述層間介質層內的底部電極，位於層間介質層表面的絕緣介質層，以及位於絕緣介質層內與所述底部電極位置相對應的的相變材料層，其特徵在於，所述相變材料層包含依次位於所述底部電極表面的第二相變材料層、第一相變材料層，其中，第二相變材料層的寬度小於第一相變材料層的寬度。
13.依據權利要求12的相變存儲器，其特徵在於，所述第二相變材料層、第一相變材料層沿平行於襯底的方向的截面為圓形。
14.依據權利要求13的相變存儲器，其特徵在於，所述第二相變材料層的寬度為 50-1500 埃。
15.依據權利要求13的相變存儲器，其特徵在於，所述第一相變材料層的寬度為 300-2000 埃。
全文摘要
本發明所提供的相變存儲器製造方法包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有層間介質層和位於所述層間介質層內的底部電極；形成覆蓋所述層間介質層和底部電極的絕緣介質層和刻蝕停止層；依次刻蝕所述刻蝕停止層和絕緣介質層，形成頂部寬度大於底部寬度的通孔；形成填充滿所述通孔的相變材料層。相應地，本發明還提供根據上述方法所形成的相變存儲器。本發明所提供的相變存儲器及其製造方法可以減小相變材料層和底部電極的接觸電阻，增加歐姆阻值，改進加熱效果，從而降低相變存儲器的功耗。
文檔編號H01L45/00GK102468436SQ20101055148
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月19日 優先權日2010年11月19日
發明者何其暘, 李凡 申請人:中芯國際集成電路製造(北京)有限公司