雙層相變電阻及其形成方法、相變存儲器及其形成方法
2023-05-09 04:29:11 2
專利名稱：雙層相變電阻及其形成方法、相變存儲器及其形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種形成相變存儲器中雙層相變電阻的方法、雙層相變電阻，形成相變存儲器的方法、相變存儲器。
背景技術：
隨著信息技術的發展存儲器件的需要越來越大，因此促進了存儲器件朝著高性能、低壓、低功耗、高速及高密度方向發展。相變存儲器(PCRAM，phase change Random Access Memory)是在CMOS集成電路基礎上發展起來的新一代非易失性存儲器，其使用周期表中V族或VI族的一種或一種以上元素的合金作為相變電阻，用相變電阻作為存儲單元，相變電阻在以電脈衝的形式集中加熱的情況下，能夠從有序的晶態(電阻低)快速轉變為無序的非晶態(電阻高得多)。典型的相變存儲器使用硫族化物合金(比如GST，GeSbTe) 作為相變電阻，存儲單元是一種極小的硫族合金顆粒，相變電阻的非晶(a-GST，a-GeSbTe) 和結晶(c-GST，C-GeSbTe)狀態具有不同的電阻率，結晶狀態具有大約為千歐姆(kQ)的典型電阻，而非晶狀態具有大約為兆歐姆(ΜΩ)的典型電阻，因此通常利用硫族化物合金材料(比如GST，GeSbTe)製作相變電阻。通過測量PCRAM存儲單元的電阻值(即相變電阻的電阻值)來讀取PCRAM單元。關於相變存儲器的詳細描述可以參考公開號為CN101523505A 的中國專利文獻公開的「具有雙層底部電極的相變存儲器」。現有技術中，具有雙層相變電阻的相變存儲器，在PCRAM存儲單元傳統結構的加熱層和底部電極之間插入一層存儲介質GST，設計出含雙層GST相變電阻的PCRAM存儲單元結構。含雙層GST相變電阻的新型結構一方面實現了存儲單元與CMOS電晶體的熱兼容，增強了器件的穩定性；另一方面，將復位(reset)電流減小到0. 5mA，降低了器件功耗。現有技術中形成雙層GST相變電阻的方法為提供基底，所述基底上形成有第一層相變電阻，所述第一層相變電阻上形成介質層。圖形化所述介質層，用幹法刻蝕在所述介質層形成開口，該開口暴露出所述介質層。用GST相變材料沉積在所述介質層上，並填充所述開口。之後利用刻蝕工藝刻蝕沉積的相變材料形成第二層相變電阻。第二層相變電阻與第一層相變電阻的連接部(即填充在開口內的相變材料)的關鍵尺寸(CD)影響相變存儲器的復位性能。連接部的關鍵尺寸取決於開口的關鍵尺寸(CD)，而獲得關鍵尺寸小的開口的工藝困難，這將阻礙相變存儲器的進一步發展。
發明內容
本發明解決的問題是形成雙層相變電阻時，獲得關鍵尺寸小的開口工藝困難。為解決上述問題，本發明提供一種雙層相變電阻的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有第一層相變電阻；在所述第一層相變電阻上形成具有第一開口的第一介質層，所述第一開口暴露出所述第一層相變電阻；形成第二介質層，覆蓋所述第一開口的側壁，且所述第二介質層圍成第二開口 ；
在所述第二開口內形成第三介質層，且所述第三介質層與所述第二介質層之間形成有環形開口；形成第二層相變電阻，所述第二層相變電阻覆蓋所述第一介質層、第二介質層、第三介質層且填充所述環形開口。可選的，所述在所述第一層相變電阻上形成具有第一開口的第一介質層包括在所述第一層相變電阻上形成第一介質層；光刻、刻蝕所述第一介質層形成第一開口。可選的，所述第二介質層的材料為氮化矽。可選的，所述形成第二介質層的方法為化學氣相沉積。可選的，所述在所述第二開口內形成第三介質層，且所述第三介質層與所述第二介質層之間形成有環形開口包括在所述第二開口的側壁形成側牆；形成第三介質層，覆蓋所述第一介質層、第二介質層、所述側牆並填滿所述第二開 Π ；平坦化所述第三介質層至暴露出所述第二介質層；去除所述側牆，在所述第三介質層與所述第二介質層之間形成環形開口。可選的，所述側牆的材料為非晶碳。可選的，所述在所述第二開口的側壁形成側牆的方法為化學氣相沉積方法。可選的，所述第一層相變電阻和第二層相變電阻的材料為鍺-銻-碲。本發明還提供一種相變存儲器的形成方法，包括形成雙層相變電阻，所述形成雙層相變電阻的方法為以上所述的方法。本發明還提供一種雙層相變電阻，包括第一層相變電阻和第二層相變電阻，所述第二層相變電阻包括連接部，與所述第一層相變電阻連接，所述連接部為環狀。本發明還提供一種相變存儲器，包括雙層相變電阻，所述雙層相變電阻包括第一層相變電阻和第二層相變電阻，所述第二層相變電阻包括連接部，與所述第一層相變電阻連接，所述連接部為環狀。本發明還提供一種相變存儲器，包括用以上所述的方法形成的雙層相變電阻。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明通過在第一層相變電阻上形成具有第一開口的第一介質層，該在第一開口側壁形成第二介質層，第二介質層圍成第二開口 ；在第二開口內形成第三介質層，且所述第三介質層與所述第二介質層之間形成有環形開口 ；形成第二層相變電阻，覆蓋所述第一介質層、第二介質層、第三介質層且填充所述環形開口。通過這樣的方法容易形成關鍵尺寸小的環形開口，從而可以確保第二層相變電阻和第一層相變電阻的連接部的關鍵尺寸小，提高PCRAM的性能，可以降低復位(reset)電流，提高設置速度(set speed)。在本發明的具體實施例中，在第二開口內形成第三介質層，且第三介質層與第二介質層之間形成有環形開口包括在所述第二開口的側壁形成側牆；沉積介電材料形成第三介質層，覆蓋所述第二介質層、所述側牆並填滿所述第一開口 ；平坦化所述第三介質層至暴露出所述第二介質層；去除所述側牆，在所述第三介質層與所述第二介質層之間形成環形開口。該具體實施例中的工藝簡單易行，而且環形開口的關鍵尺寸通過側牆的厚度控制，容易實現。
圖1為本發明具體實施方式
的雙層相變電阻的形成方法的流程圖；圖加 圖池為本發明具體實施例的雙層相變電阻的形成方法的剖面結構示意圖。
具體實施例方式本發明具體實施方式
的雙層相變電阻的形成方法，通過在第一層相變電阻上形成具有第一開口的第一介質層，在第一開口的側壁形成第二介質層，第二介質層圍成第二開口 ；在第二開口內形成第三介質層，且所述第三介質層與所述第二介質層之間形成有環形開口 ；形成第二層相變電阻，覆蓋所述第一介質層、第二介質層第三介質層且填充所述環形開口。開口內填充的相變電阻為第二層相變電阻與第一層相變電阻的連接部，通過這樣的方法容易形成關鍵尺寸小環形開口，從而可以確保第二層相變電阻和第一層相變電阻的連接部的關鍵尺寸小，提高PCRAM的性能。圖1為本發明具體實施方式
的雙層相變電阻的形成方法的流程圖，參考圖1，本發明具體實施方式
的雙層相變電阻的形成方法包括步驟Si，提供基底，所述基底上形成有第一層相變電阻；步驟S2，在所述第一層相變電阻上形成具有第一開口的第一介質層，所述第一開口暴露出所述第一層相變電阻；步驟S3，形成第二介質層，覆蓋所述第一開口的側壁，且所述第二介質層圍成第二開口 ；步驟S4，在所述第二開口內形成第三介質層，且所述第三介質層與所述第二介質層之間形成有環形開口；步驟S5，形成第二層相變電阻，所述第二層相變電阻覆蓋所述第一介質層、第二介質層、第三介質層且填充所述環形開口。圖加 圖池為本發明具體實施例的雙層相變電阻的形成方法的剖面結構示意圖，結合參考圖1與圖加 圖池詳細說明本發明具體實施例的雙層相變電阻的形成方法。結合參考圖1與圖2a，執行步驟Si，提供基底30，所述基底30上形成有第一層相變電阻31。基底30包括襯底(圖中未標)，襯底的材料可以為單晶矽(Si)、單晶鍺(Ge)、 或矽鍺(GeSi)、碳化矽(SiC)；也可以是絕緣體上矽(SOI)，絕緣體上鍺(GOI)；或者還可以為其它的材料，例如砷化鎵等III-V族化合物。在襯底和第一層相變電阻31之間形成有電晶體(圖中未示)，該電晶體用來給第一層相變電阻以及之後形成的第二層相變電阻提供電流。在本發明具體實施例中，第一層相變電阻31的材料為鍺-銻-碲(GST)，在其他實施例中也可以使用周期表中V族或VI族的一種或一種以上元素的合金作為第一層相變電阻 31。結合參考圖1與圖2b，執行步驟S2，在所述第一層相變電阻31上形成具有第一開口 321的第一介質層32，所述第一開口 321暴露出所述第一層相變電阻31。在本發明具體實施例中，在所述第一層相變電阻31上形成具有第一開口 321的第一介質層32包括在所述第一層相變電阻上形成第一介質層；光刻、刻蝕所述第一介質層形成第一開口 321。在本發明的該具體實施例中，第一介質層的材料為氧化矽，在其他實施例中，第一介質層的材料也可以為本領域技術人員公知的其他絕緣層材料。第一開口 321在本發明具體實施例中為圓孔形開口，其直徑範圍為80nm 200nm。結合參考圖1與圖2c，執行步驟S3，形成第二介質層33，覆蓋所述第一開口 321的側壁，所述第二介質層33圍成第二開口 322。在本發明的該具體實施例中，所述第二介質層 33的材料為氮化矽，在所述第一開口 321的側壁形成氮化矽材料的第二介質層的方法為化學氣相沉積，具體方法為利用化學氣相沉積方法在第一開口 321的側壁以及第一介質層 32的表面形成氮化矽層，氮化矽層的厚度範圍20nm 150nm，然後利用刻蝕去除第一介質層32表面的氮化矽，剩餘第一開口 321側壁的氮化矽，從而形成環形的第二介質層33。在具體實施例中，氮化矽層的厚度根據第一開口的直徑做相應的調整，做到刻蝕的氮化矽工藝完成後，第二開口 322的直徑在40nm lOOnm。結合參考圖1與圖2d、圖2e、圖2f、圖2g，執行步驟S4，在所述第二開口 322內形成第三介質層35，且所述第三介質層35與所述第二介質層33之間形成有環形開口 36。在本發明具體實施例中，在所述第二開口 322內形成第三介質層35，且所述第三介質層35與所述第二介質層33之間形成有環形開口 36具體為參考圖2d，在所述第二介質層33的側壁或者說第二開口 322的側壁(可參考圖2c)形成側牆34;參考圖加，形成第三介質層35，覆蓋所述第一介質層、第二介質層、所述側牆並填滿所述第二開口 322(可結合參考圖2c)；參考圖2f，平坦化所述第三介質層35至暴露出所述第二介質層33 ；參考圖 2g，去除所述側牆34，在所述第三介質層35與所述第二介質層33之間形成環形開口 36。下面對形成環形開口 36做詳細說明。參考圖2d，在所述第二介質層33的側壁形成側牆34，在該具體實施例中，側牆34 的材料為非晶碳(amorphous carbon無定型碳)。形成非晶碳側牆的方法為用化學氣相沉積方法在所述第一介質層32的表面、第二介質層33的表面以及側壁形成非晶碳層，厚度 5nm 30nm，幹法刻蝕去除第一介質層32的表面以及第二介質層33的表面的非晶碳，剩餘第二介質層33側壁的非晶碳，從而在第二介質層的側壁形成側牆34。參考圖加，形成第三介質層35，覆蓋所述第一介質層32、第二介質層33、所述側牆 34並填滿所述第二開口 322(結合參考圖2c)。在該具體實施例中，第三介質層的材料氧化矽層，利用化學氣相沉積形成第三介質層，在本發明的其他實施例中，第三介質層的材料也可以為本領域技術人員公知的其他絕緣材料。參考圖2f，平坦化所述第三介質層35至暴露出所述第二介質層33。在該具體實施例中，第一介質層32和第二介質層33等高，平坦化所述第三介質層35至暴露出所述第二介質層33時，也暴露出第一介質層32。參考圖2g，去除所述側牆34，在所述第三介質層35與所述第二介質層33之間形成環形開口 36。在該具體實施例中，側牆34的材料為非晶碳，利用氧氣與非晶碳反應生成二氧化碳氣體，即0+C — CO2，去除側牆34，從而在第三介質層35與所述第二介質層33之間形成環形開口 36，環形開口 36的外徑與內徑之差由側牆34的厚度決定，因此可以通過控制形成的側牆34的厚度來控制環形開口 36的內外徑之差，而側牆34的厚度可以很薄，因此控制環形開口 36的內外徑之差可以很小，即環形開口的關鍵尺寸可以很小。該具體實施例中形成環形開口的工藝簡單易行，而且環形開口的關鍵尺寸通過側牆的厚度控制，容易實現。結合參考圖1與圖池，執行步驟S5，形成第二層相變電阻37，所述第二層相變電阻 37覆蓋所述第一介質層32、第二介質層33、第三介質層35且填充所述環形開口 36。在該具體實施例中，第二層相變電阻的材料為鍺-銻-碲(GST，Ge2Sb2Te5)，形成第二層相變電阻的方法為利用磁控濺射方法濺射鍺-銻-碲合金，在所述第一介質層32、第二介質層33、 第三介質層35上以及所述環形開口 36內沉積鍺-銻-碲合金，作為第二層相變電阻37。 之後平坦化所述第二層相變電阻，再對其進行刻蝕，可以與第一層相變電阻作為存儲單元。填充在環形開口 36內的第二層相變電阻為該第二層相變電阻與第一層相變電阻的連接部371，該連接部371的關鍵尺寸由環形開口 36的內外徑之差決定，由於環形開口的內外徑由側牆的厚度決定，側牆的厚度可以做的很小，因此環形開口的內外徑之差可以做的很小，相應的第二層相變電阻與第一層相變電阻的連接部的關鍵尺寸可以做的很小，因此可以提高提高PCRAM的性能，可以降低復位(reset)電流，提高設置速度(set speed)。在形成第二層相變電阻後，就形成了雙層相變電阻，之後可以在第二層相變電阻上形成金屬互連層，形成互連結構。基於本發明的形成雙層相變電阻的方法，本發明還提供一種形成相變存儲器的方法，包括形成雙層相變電阻，所述形成雙層相變電阻的方法為以上所述的形成雙層相變電阻的方法。參考圖池，本發明還提供一種雙層相變電阻以及包括該雙層相變電阻的相變存儲器，所述雙層相變電阻包括第一層相變電阻31和第二層相變電阻37，所述第二層相變電阻 37包括連接部371，與所述第一層相變電阻31連接，所述連接部為環狀。另外，本發明還提供一種包括用以上所述方法形成的雙層相變電阻的相變存儲器。以上所述僅為本發明的具體實施例，為了使本領域技術人員更好的理解本發明的精神，然而本發明的保護範圍並不以該具體實施例的具體描述為限定範圍，任何本領域的技術人員在不脫離本發明精神的範圍內，可以對本發明的具體實施例做修改，而不脫離本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種雙層相變電阻的形成方法，其特徵在於，包括提供基底，所述基底上形成有第一層相變電阻；在所述第一層相變電阻上形成具有第一開口的第一介質層，所述第一開口暴露出所述第一層相變電阻；形成第二介質層，覆蓋所述第一開口的側壁，且所述第二介質層圍成第二開口 ；在所述第二開口內形成第三介質層，且所述第三介質層與所述第二介質層之間形成有環形開口 ；形成第二層相變電阻，所述第二層相變電阻覆蓋所述第一介質層、第二介質層、第三介質層且填充所述環形開口。
2.如權利要求1所述的雙層相變電阻的形成方法，其特徵在於，所述在所述第一層相變電阻上形成具有第一開口的第一介質層包括在所述第一層相變電阻上形成第一介質層；光刻、刻蝕所述第一介質層形成第一開口。
3.如權利要求1所述的雙層相變電阻的形成方法，其特徵在於，所述第二介質層的材料為氮化矽。
4.如權利要求3所述的雙層相變電阻的形成方法，其特徵在於，所述形成第二介質層的方法為化學氣相沉積。
5.如權利要求1所述的雙層相變電阻的形成方法，其特徵在於，所述在所述第二開口內形成第三介質層，且所述第三介質層與所述第二介質層之間形成有環形開口包括在所述第二開口的側壁形成側牆；形成第三介質層，覆蓋所述第一介質層、第二介質層、所述側牆並填滿所述第二開口 ； 平坦化所述第三介質層至暴露出所述第二介質層；去除所述側牆，在所述第三介質層與所述第二介質層之間形成環形開口。
6.如權利要求5所述的雙層相變電阻的形成方法，其特徵在於，所述側牆的材料為非晶碳。
7.如權利要求6所述的雙層相變電阻的形成方法，其特徵在於，所述在所述第二開口的側壁形成側牆的方法為化學氣相沉積方法。
8.如權利要求1所述的雙層相變電阻的形成方法，其特徵在於，所述第一層相變電阻和第二層相變電阻的材料為鍺-銻-碲。
9.一種相變存儲器的形成方法，包括形成雙層相變電阻，其特徵在於，所述雙層相變電阻的形成方法為權利要求1 8任一項所述的方法。
10.一種雙層相變電阻，其特徵在於，包括第一層相變電阻和第二層相變電阻，所述第二層相變電阻包括連接部，與所述第一層相變電阻連接，所述連接部為環狀。
11.一種相變存儲器，包括雙層相變電阻，其特徵在於，所述雙層相變電阻包括第一層相變電阻和第二層相變電阻，所述第二層相變電阻包括連接部，與所述第一層相變電阻連接，所述連接部為環狀。
12.一種相變存儲器，其特徵在於，包括用權利要求1 8任一項所述的方法形成的雙層相變電阻。
全文摘要
一種雙層相變電阻及其形成方法、相變存儲器及其形成方法，其中雙層相變電阻的形成方法，包括提供基底，基底上形成有第一層相變電阻；在第一層相變電阻上形成具有第一開口的第一介質層，第一開口暴露出第一層相變電阻；形成第二介質層，覆蓋第一開口的側壁，所述第二介質層圍成第二開口；在第二開口內形成第三介質層，且第三介質層與第二介質層之間形成有環形開口；形成第二層相變電阻，第二層相變電阻覆蓋第一介質層、第二介質層、第三介質層且填充環形開口。本發明可以確保第二層相變電阻和第一層相變電阻的連接部的關鍵尺寸小，提高PCRAM的性能，可以降低復位電流，提高設置速度。
文檔編號H01L45/00GK102447059SQ201010509349
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月14日 優先權日2010年10月14日
發明者張海洋, 李凡 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司