專(zhuān)利名稱(chēng)：雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制造方法，屬于相變存 儲(chǔ)器的制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器(PCRAM)被公認(rèn)為是近四十年以來(lái)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)最大 的突破，它不僅有著各方面的優(yōu)越的性能，并且是一種通用的存儲(chǔ)器，具有 廣闊的市場(chǎng)前景。在其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之后，有望部分或者全面替代包括目前的 包括flash(閃存)、DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)、硬盤(pán)在內(nèi)的多種存儲(chǔ)器件，從 而在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器市場(chǎng)中占據(jù)重要的地位。
PCRAM的存儲(chǔ)單元部分是可通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行編程調(diào)節(jié)的電阻，在實(shí)際應(yīng) 用過(guò)程中，需要邏輯器件對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行選通和操作。目前，PCRAM的密 度主要取決于驅(qū)動(dòng)的晶體管的尺寸，所以，在高密度的PCRAM存儲(chǔ)陣列中， 雙極型晶體管因?yàn)槠湎鄬?duì)較小的單元面積而成為目前各大半導(dǎo)體公司發(fā)展的 主流方向，目前應(yīng)用此技術(shù)制造的芯片存儲(chǔ)容量已經(jīng)達(dá)到512Mb。在雙極型 晶體管選通的PCRAM制造中，如何制造雙極型晶體管是技術(shù)的關(guān)鍵，也是 各大公司的角力所在。目前，三星公司采用選擇性外延法在重?fù)诫s的位線上 方制造雙極型晶體管，但是該方法對(duì)制造流程有很高的要求，制造成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制造方法， 以及基于上述結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器的制造方法。
為此，本發(fā)明提供兩種雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制造方法。
方法A的制造步驟是(1) 在第一導(dǎo)電類(lèi)型(p型或者n型)的襯底上，制造出互相獨(dú)立的位 線，位線之間通過(guò)較深的淺溝道隔離(STI)分隔開(kāi)(較深的STI是相對(duì)于后續(xù) 工藝中出現(xiàn)的較淺的STI，它的特征是具有相對(duì)較深的溝槽深度，STI深度在 50納米到10微米之間，深度因所采用的半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)的差異而異，比如 90nm工藝或者45nm半導(dǎo)體工藝技術(shù))；
(2) 在此較深STI的側(cè)壁和底部沉積含有第二導(dǎo)電類(lèi)型(n型或p型) 原子的材料；
(3) 在上述基底上旋涂一層光刻膠，通過(guò)氧離子轟擊將覆蓋在位線上 方和STI槽口的光刻膠去除，再通過(guò)回刻工藝將位線上方和STI槽口的含有 第二導(dǎo)電類(lèi)型(n型或p型)原子的材料去除，減少第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子在 退火時(shí)擴(kuò)散到位線頂部的幾率；
(4) 退火處理，經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)間退火，使含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料 中的第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子擴(kuò)散到位線中，使位線被此由第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子 摻雜；退火處理的條件因擴(kuò)散的第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子類(lèi)型、摻雜濃度和位線 寬度的不同而異，溫度在300'C到150(TC之間，而退火時(shí)間則在1分鐘到48 小時(shí)之間，采用的退火氣氛或?yàn)槎栊詺怏w、氮?dú)饣驗(yàn)檎婵眨?br> (5) 采用刻蝕法，將因?yàn)樯鲜龅诙?dǎo)電類(lèi)型原子擴(kuò)散而相互導(dǎo)通的位 線分隔開(kāi)，目的是使位線之間在電學(xué)上絕緣，避免在器件操作過(guò)程在位線之 間可能存在的信號(hào)串?dāng)_；
(6) 通過(guò)光刻和離子注入法在上述位線上方形成兩層不同導(dǎo)電類(lèi)型的 薄層，與第二導(dǎo)電類(lèi)型摻雜的位線形成雙極型晶體管，同一根位線上的各個(gè) 雙極型晶體管之間通過(guò)較淺的STI分隔開(kāi)，較淺的STI的深度在10納米和2 微米之間；
(7) 通過(guò)介質(zhì)材料的填充、硅化和平坦化工藝，形成雙極型晶體管陣列。 方法B的制造步驟是
(1) 在第一導(dǎo)電類(lèi)型的襯底上，制造出互相獨(dú)立的位線，位線之間通 過(guò)較深的STI分隔開(kāi)，STI深度在50納米和10微米之間，該深度因所采用 的半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)的差異而異；
(2) 繼續(xù)在此較深STI的側(cè)壁和底部沉積含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材
料；
(3) 在此較深STI的側(cè)壁和底部沉積含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料， 確保STI底部沉積有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料，通過(guò)回刻工藝去除STI頂部 和側(cè)壁的第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料，保留底部淺道部分的第二導(dǎo)電類(lèi)型原子 的材料作為擴(kuò)散阻擋層；
(4) 在上述基底上旋涂一層光刻膠，通過(guò)氧離子轟擊將覆蓋在位線上 方和STI槽口的光刻膠去除，通過(guò)回刻工藝將覆蓋在位線上方和STI槽口的 含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料去除，避免第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子過(guò)多擴(kuò)散到位 線的頂部；
(5) 退火處理，經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)間退火，使含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料 中的第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子擴(kuò)散到位線中，使位線被此第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子摻 雜；退火處理的條件因擴(kuò)散的第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子類(lèi)型、摻雜濃度和位線寬 度的不同而異，溫度在30(TC到150(TC之間，而退火時(shí)間則在1分鐘到48 小時(shí)之間；
(6) 采用刻蝕法，將較深的STI底部含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料去
除；
(7) 通過(guò)光刻和離子注入法在上述位線上方形成雙極型晶體管，同一 根位線上的各個(gè)雙極型晶體管之間通過(guò)較淺的STI分隔開(kāi)，STI深度在10納 米和2微米之間；
(8) 通過(guò)介質(zhì)材料的填充、硅化和平坦化工藝，形成雙極型晶體管陣列。 在上述的兩種制造方法中-
① 所述的含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料，其特征是該第二導(dǎo)電類(lèi)型的原 子在高溫退火的條件下可擴(kuò)散到第一導(dǎo)電類(lèi)型的材料中，形成對(duì)第一導(dǎo)電類(lèi) 型材料的第二導(dǎo)電類(lèi)型的慘雜。
② 所述的第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜原子為砷、磷、銻、鉍、硫、硒、碲、碘、 硼、鋁、鉀、銦、鉈、鋰、鉀、鈉、鈹、鎂、鈣或銀。
③ 所述的沉積含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料的方法包括化學(xué)氣相沉積 法、濺射法、原子層沉積法或溶膠—凝膠法。
④ 所述的介質(zhì)材料的電阻率高于1歐姆，米；所述的雙淺溝道隔離的雙極 型晶體管陣列用作相變存儲(chǔ)器單元選通。
本發(fā)明還提供了基于上述兩種方法中任一種制造的雙淺溝道隔離的雙極 型晶體管選通相變存儲(chǔ)器的制造方法，包括如下步驟
在所制作的雙晶體管陣列上沉積電極材料、相變材料，通過(guò)光刻法制造 出存儲(chǔ)單元；
通過(guò)介質(zhì)材料的沉積、平坦化，進(jìn)而光刻法在介質(zhì)材料上刻出孔洞，從 而將相變存儲(chǔ)單元的上電極以及位線公共電極引出，并制造出驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng) 封裝后最終形成基本的相變存儲(chǔ)陣列。
本發(fā)明制作的以雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列選通的相變存儲(chǔ)器的 特征在于
① 利用相變材料的可逆相變前后的電阻的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；
② 相變材料具有兩個(gè)以上可在電信號(hào)作用下可逆轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，各個(gè)狀態(tài)
之間具有不同的電阻率；可選擇的材料包括Ge-Sb-Te合金、Si-Sb-Te合金、 Ge-Sb、 Si-Sb、 Ag-In-Sb-Te、 Ge-Te、純Sb以及摻雜Sb等材料、上述各種材 料的混合物以及在上述材料上進(jìn)行摻雜后獲得的材料。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于不僅避免了昂貴的選擇性外延法制造雙極型晶體管， 并且也解決了深度離子注入無(wú)法注入大濃度的問(wèn)題。利用了在STI側(cè)壁的原 子擴(kuò)散對(duì)位線進(jìn)行摻雜，并且通過(guò)后續(xù)的刻蝕將各個(gè)位線有效分隔開(kāi)。并且 將此發(fā)明應(yīng)用到相變存儲(chǔ)器中。


圖1A—1P實(shí)施例1所示的雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制備步驟。 圖2A基于雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的PCRAM存儲(chǔ)陣列示意圖， 圖2B為前圖中沿5-5方向的投影。
圖3A—3J實(shí)施例3的雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制備步驟。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
1.在潔凈的p型導(dǎo)電襯底11上，利用曝光和刻蝕工藝制造出深度為500納 米的STI槽14，光刻膠12阻擋住的部分沒(méi)有被刻蝕，刻蝕之后在硅片上
形成相互分開(kāi)的突起的線條15;上述加工之后形成線條的截面圖如圖1A
所示，俯視圖如圖1B所示。
2. 去膠之后采用化學(xué)氣相沉積法，在線條15頂部、STI槽14的側(cè)壁和底部 均勻沉積的As玻璃薄膜16;利用化學(xué)機(jī)械拋光去除線條15上的含As玻 璃層16。得到圖形的截面和俯視圖如圖1C和圖1D所示。
3. 用甩膠機(jī)在上述基底上旋轉(zhuǎn)涂上光刻膠，光刻膠層18將部分滲入STI槽 14，如圖1E所示。
4. 在刻蝕機(jī)中利用氧離子轟擊基底，將基底表面的光刻膠去除，靠近槽口部 分的膠也被去除，并殘留一部分光刻膠19在STI槽中，如圖1F所示。
5. 采用刻蝕工藝，把STI槽14槽口的含As玻璃去除，槽下部的含As玻璃 因?yàn)楣饪棠z的保護(hù)沒(méi)有被刻蝕，去除殘留光刻膠之后，形成了如圖1G所 示的結(jié)構(gòu)。
6. 在真空中進(jìn)行退火處理，退火溫度為1000 °C 6小時(shí)，使含As玻璃薄膜 16中的As原子擴(kuò)散到線條15中，退火擴(kuò)散完成后，線條15就被As重 摻雜，成為重?fù)诫s的n型半導(dǎo)體，即形成了位線19，并具有較低的電阻 率；如圖1G所示，因?yàn)镾TI 14的底部也沉積有含As玻璃，所以在STI 底部也擴(kuò)散進(jìn)了眾多As原子，使靠近含As玻璃的硅材料具有較低電阻 率，從而使周?chē)噜彽奈痪€全部導(dǎo)通。
7. 采用離子注入法，在位線19的上方注入形成n型輕摻雜的區(qū)域20和p型 重?fù)诫s的區(qū)域21， 21、 20和19之間就形成了 ？+/11-/11+結(jié)構(gòu)，如圖II所示； 經(jīng)過(guò)此步工藝后，圖ll中沿l-l方向的投影如圖1J所示。
8. 再一次采用光刻法，將原本因As原子擴(kuò)散而相互電導(dǎo)通的位線19分隔開(kāi)， 形成如圖1K所示的結(jié)構(gòu)。這樣位線19之間就完全分開(kāi)，此時(shí)的俯視圖 如圖1L所示，圖1L中沿2-2方向的投影如圖1J所示。
9. 通過(guò)光刻法在上述位線19的上方制造出各個(gè)相互分離的雙極型晶體管
(19+20+21)，形成結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖1M所示，圖lM中沿3-3方向的 投影如圖1N所示，晶體管之間通過(guò)較淺的STI22分隔開(kāi)，此STI的深度 為150nm，故與前面500納米的STI相比較淺。
10. 介質(zhì)材料的填充和平坦化工藝，采用填充的介質(zhì)材料為非晶硅，平坦化方 法為化學(xué)機(jī)械拋光。
11.進(jìn)而形成硅化物SixCo層23;用電極引出位線，形成截面如圖10所示的 雙極型晶體管陣列，在圖10中沿4-4方向的投影的俯視圖如圖1P所示。
基于上述方法制造的雙極型晶體管選通的PCRAM器件的制造方法。
1. 制造雙極型晶體管陣列的制造方法如實(shí)施例1。
2. 在上述得到的雙極型晶體管陣列上方依次沉積電極材料24 (TiN30nm)、 相變材料25 (SiSb材料100 nm)和電極材料24 (TiN 30nm)，通過(guò)光刻 法制造出存儲(chǔ)單元圖形。
3. 通過(guò)介質(zhì)材料29的沉積、化學(xué)機(jī)械拋光平坦化，進(jìn)而在介質(zhì)材料上進(jìn)行 光刻，在介質(zhì)材料中刻出孔洞，從而將相變存儲(chǔ)單元上電極24以及位線 19用金屬栓27和26引出，制造出電極28，形成存儲(chǔ)陣列，如圖2A所 示。圖2A中，沿5-5方向的投影如圖2B所示。
實(shí)施例3
1. 在p型導(dǎo)電的硅襯底30上，用光刻工藝刻蝕出深度為700nm的STI槽32， 并形成了相互分開(kāi)的線條31，其截面如圖3A所示。
2. 用氣相沉積法沉積氧化硅33，如圖3B所示。
3. 采用回刻工藝，使除了STI槽底部氧化硅的其余部分全被刻蝕去除，如圖 3C所示。
4. 化學(xué)氣相沉積法沉積含磷玻璃34，采用類(lèi)似與實(shí)施例1中3到5條步驟 的方法，去除STI頂部和槽口的含磷玻璃，形成如圖3D所示的截面圖。
5. 在氬氣保護(hù)中進(jìn)行退火處理，退火溫度為1100 °C 5小時(shí)，使材料中的磷 原子充分?jǐn)U散到線條31中，形成了重?fù)诫s的位線35，如圖3E所示。
6. 回亥U，去除STI槽中的磷玻璃34，如圖3F所示。
7. 離子注入，依次形成含磷雜質(zhì)的36層和含硼雜質(zhì)的37層，如圖3G所示， 磷的注入深度為150納米；沿6-6方向的投影如圖3H所示。
8. 光刻法，在位線上方形成獨(dú)立的單元，用深度180納米的STI40將各單元 分隔開(kāi)，圖3H經(jīng)過(guò)加工后就形成了如圖3I所示的結(jié)構(gòu)。
9. 通過(guò)后續(xù)的半導(dǎo)體加工工藝形成相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，如圖3J所示。圖中， 41和42為硅化物SixCo， 43為電極TiN， 44為相變材料GeSbTe， 46和47為W金屬栓，48為A1金屬導(dǎo)線。 綜上所述，本發(fā)明提供了一種雙淺溝道隔離的雙極型晶體管和基于該種 晶體管PCRAM存儲(chǔ)器件的制造方法。盡管僅詳細(xì)描述了某些優(yōu)選實(shí)施例， 但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯見(jiàn)，在不偏離由所附權(quán)利要求界定的本發(fā)明的 范圍的情形下，可以進(jìn)行某些改良和變化。
權(quán)利要求
1、一種雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制造方法，其特征在于采用下述兩種方法中的任一種方法Aa)在第一導(dǎo)電類(lèi)型的襯底上，制造出互相獨(dú)立的位線，位線之間通過(guò)較深的淺溝道隔離分隔開(kāi)；b)在步驟a形成的淺溝道隔離的側(cè)壁和底部沉積含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料；c)覆蓋在位線上方和淺溝道隔離的槽口附近的含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料去除；d)退火處理，使含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料中的第二導(dǎo)電類(lèi)型原子擴(kuò)散到位線中，對(duì)位線形成第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜；e)采用刻蝕法，將步驟d形成的擴(kuò)散摻雜而相互導(dǎo)通的位線分隔開(kāi)，使位線之間電學(xué)不導(dǎo)通；f)通過(guò)光刻和離子注入法在步驟e形成的電學(xué)上不導(dǎo)通的位線上形成雙極型晶體管，同一根位線上方的各個(gè)雙極型晶體管之間通過(guò)較淺的淺溝道隔離分隔開(kāi)；g)最后，通過(guò)介質(zhì)材料的填充和平坦化工藝，形成雙極型晶體管陣列；方法Ba)在第一導(dǎo)電類(lèi)型的襯底上，制造出互相獨(dú)立的位線，位線之間通過(guò)較深的淺溝道隔離分隔開(kāi)；b)在此步驟a形成的較深的淺溝道隔離的側(cè)壁和底部沉積第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料；c)通過(guò)回刻工藝，把覆蓋在位線上方和較深淺溝道隔離的側(cè)壁的第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料去除，在淺溝道隔離的槽底部殘留部分第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料；d)沉積含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料，并把覆蓋在位線上方和淺溝道隔離的槽口附近的含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料去除，避免第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子在退火處理過(guò)程中過(guò)多擴(kuò)散到位線的頂部；e)退火處理，使含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料中的第二導(dǎo)電類(lèi)型原子擴(kuò)散到位線中，使位線被此由第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子摻雜；f)采用刻蝕法，將較深的淺溝道隔離中含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料去除；g)通過(guò)離子注入和光刻法在上述位線上方形成兩層不同導(dǎo)電類(lèi)型的薄層，與第二導(dǎo)電類(lèi)型摻雜的位線形成雙極型晶體管，同一根位線上方的各個(gè)雙極型晶體管之間通過(guò)較淺的STI分隔開(kāi)；h)通過(guò)介質(zhì)材料的填充和平坦化，形成雙極型晶體管陣列；所述的較深的STI的深度在50納米到10微米之間；所述的較淺的STI的深度在10納米到2微米之間；所述的第一導(dǎo)電類(lèi)型為p型或n型，第二導(dǎo)電類(lèi)型為n型或p型。
2、 如權(quán)利要求1中所述的雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制造方 法，其特征在于所述的第二導(dǎo)電類(lèi)型的原子為砷、磷、銻、鉍、硫、硒、碲、 碘、硼、鋁、鉀、銦、鉈、鋰、鉀、鈉、鈹、鎂、f!或銀。
3、 如權(quán)利要求1中所述的雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制造方 法，其特征在于退火處理?xiàng)l件是溫度在30(TC到150(TC之間，退火時(shí)間在1 分鐘到48小時(shí)之間，氣氛為惰性氣氛、氮?dú)饣蛘婵铡?br> 4、 如權(quán)利要求1中所述的雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制造方 法，其特征在于沉積含有第二導(dǎo)電類(lèi)型原子的材料的方法為化學(xué)氣相沉積法、 濺射法、原子層沉積法或溶膠一凝膠法。
5、 如權(quán)利要求1中所述的雙淺溝道隔離的雙極型晶體管陣列的制造方 法，其特征在于介質(zhì)材料的電阻率大于l歐姆，米。
6、 一種由權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所制造的雙淺溝道隔離的雙極型晶體 管陣列選通的相變存儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于① 在方法A或方法B制作的雙極型晶體管的陣列上沉積電極材料、相 變材料，通過(guò)光刻法制造出存儲(chǔ)單元；② 通過(guò)介質(zhì)材料的沉積、平坦化，進(jìn)而用光刻法在介質(zhì)材料上刻出孔洞， 從而將相變存儲(chǔ)單元的上電極以及位線公共電極引出，制造出驅(qū)動(dòng)電路，形 成基本的相變存儲(chǔ)器陣列。
7、如權(quán)利要求6所述相變材料存儲(chǔ)器的制作方法，其特征是相變材料具 有兩個(gè)以上可在電信號(hào)作用下可逆轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，各個(gè)狀態(tài)之間具有不同的電 阻率；所述的相變材料包括Ge-Sb-Te合金、Si-Sb-Te合金、Ge-Sb、 Si-Sb、 Ag-In-Sb-Te、 Ge-Te、純Sb或摻雜Sb材料以及上述材料上混合或進(jìn)行慘雜 后獲得的材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及雙淺溝道隔離(dual-STI)的雙極型晶體管陣列的制造方法，其特征在于制造方法中，避免了選擇性外延法，在第一導(dǎo)電類(lèi)型的襯底上制造形成較深的STI，在STI的側(cè)壁和底部均勻沉積含有易擴(kuò)散的第二導(dǎo)電類(lèi)型原子材料；去除沉積在STI槽口附近的含有易擴(kuò)散的第二導(dǎo)電類(lèi)型原子材料；退火使上述材料中的第二導(dǎo)電類(lèi)型原子擴(kuò)散到位線中，形成對(duì)位線的第二導(dǎo)電類(lèi)型重?fù)诫s；隨后通過(guò)刻蝕將因第二導(dǎo)電類(lèi)型原子擴(kuò)散而相互連接的位線分隔開(kāi)，使位線之間電學(xué)不導(dǎo)通；通過(guò)離子注入和光刻在上述獨(dú)立位線上方形成獨(dú)立的雙極型晶體管，同一位線上的晶體管并用較淺的STI分隔開(kāi)。本發(fā)明還包含基于上述雙淺溝道隔離雙極型晶體管選通的相變存儲(chǔ)器的制造方法。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101339921SQ20081004151
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
發(fā)明者萬(wàn)旭東, 波 劉, 宋志棠, 封松林, 挺 張, 陳邦明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所