專利名稱：制作相變存儲器元件的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及半導體制造工藝，特別涉及一種制作相變存儲器元件的方法。
背景技術(shù)：
相變材料(例如Ge-Sb-Te相變材料)通過電脈沖引起的局部發(fā)熱而將其相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)和非晶態(tài)，相變存儲器就是利用這一特性存儲二進制信息的半導體器件。相變存儲器是基于電阻的存儲器，通過相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)間的轉(zhuǎn)換而相應呈現(xiàn)低阻和高阻的電阻特性來達到存儲二進制信息的目的。在相變存儲器中，存儲二進制信息的存儲單元包括相變層和電極。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的相變存儲器元件的截面圖。如圖1所示，相變存儲器元件100 包括底部電極101、相變層102和頂部電極103。不同強度的電流流經(jīng)相變層102，通過電流流過相變層102所產(chǎn)生的熱效應將相變材料由晶態(tài)(SET態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)(RESET態(tài))，即可以對相變材料進行復位(RESET)操作。而將相變材料由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的操作相應稱為置位(SET)。當進行SET操作時，需要施加一個長且強度中等的電壓或電流脈沖，使相變材料的溫度升高到結(jié)晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時間(一般大于50ns)，使相變材料由非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，由高阻變?yōu)榈妥?。當進行RESET操作時，需要施加一個短而強的電流脈沖，將電能轉(zhuǎn)變成熱能，使相變材料的溫度升高到熔化溫度以上，經(jīng)快速冷卻就可以實現(xiàn)相變材料的由晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，即由低阻變?yōu)楦咦瑁瑥亩鴮崿F(xiàn)基于電阻的存儲器功能。在相變存儲器元件中，相變層從晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變過程需要較高的溫度。一般情況下，通過底部電極對相變層進行加熱，頂部電極僅僅起到互連的作用，因此，底部電極對相變層的加熱效果的好壞直接影響到相變存儲器元件的讀寫速率。為了獲得良好的加熱效果，相變存儲器元件一般采用較大的驅(qū)動電流，其寫操作電流要達到ImA左右，但是驅(qū)動電流不能無限制地上升，大驅(qū)動電流會造成外圍驅(qū)動電路以及邏輯器件的小尺寸化困難。 還有一種提高加熱效果的方法是，縮小底部電極與相變層的接觸面積，提高接觸電阻。然而現(xiàn)有工藝中，底部電極的形成過程主要是先在層間介電層中形成孔，然后填充金屬。通常刻蝕形成孔的頂部寬度都大于底部寬度，導致所形成的底部電極呈倒喇叭狀，因此難以進一步縮小底部電極與相變層之間的接觸面積。另外，由于光刻機曝光極限的限制，僅由光刻無法定義出滿足工藝要求的底部電極。因此，需要一種方法，通過減小底部電極與相變層之間的接觸面積，來提高底部電極對相變層的加熱效率，從而提高相變存儲器元件的讀寫速度。

發(fā)明內(nèi)容
在發(fā)明內(nèi)容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式
部分中進一步詳細說明。本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術(shù)方案的保護范圍。
本發(fā)明提供了一種制作相變存儲器元件的方法，包括a)提供前端器件結(jié)構(gòu)，所述前端器件結(jié)構(gòu)包括底部電極，所述底部電極暴露在所述前端器件結(jié)構(gòu)的表面；b)在所述前端器件結(jié)構(gòu)上依次形成有機抗反射層、光刻膠圖案，其中，所述光刻膠圖案位于所述底部電極的正上方；C)對所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層進行刻蝕，以縮小所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層的線寬；d)在所述前端器件結(jié)構(gòu)的表面上未被剩余的所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層覆蓋的區(qū)域形成絕緣層；e)去除剩余的所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層，以形成開口 ；f)在所述絕緣層上形成第二介電層和相變層，其中，所述第二介電層包圍所述相變層的四周，所述相變層位于所述底部電極的正上方，并填充所述開口 ； 以及g)在所述第二介電層和所述相變層上形成第三介電層和頂部電極，其中，所述第三介電層包圍所述頂部電極的四周，所述頂部電極位于所述相變層上對準所述底部電極的位置。優(yōu)選地，c)步驟中，所述刻蝕包括各向異性刻蝕和各向同性刻蝕。優(yōu)選地，所述各向異性刻蝕過程中通入Cl2、HBr、CF4、O2中的至少兩種氣體，或者N2 和吐的混合氣體，并且偏壓功率為100-500W。優(yōu)選地，所述各向同性刻蝕過程中通入A或Cl2,并且偏壓功率為0-50W。優(yōu)選地，所述各向同性刻蝕過程中還通入HBr和CH2F2。優(yōu)選地，剩余的所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層的線寬為5-40nm。優(yōu)選地，所述絕緣層是通過選擇性沉積法形成的。優(yōu)選地，所述選擇性沉積法為化學液相沉積。優(yōu)選地，所述絕緣層的材料是氧化硅。優(yōu)選地，所述有機抗反射層的厚度為30-100nm。優(yōu)選地，所述絕緣層的厚度小于或等于所述有機抗反射層的厚度。優(yōu)選地，在e)步驟與f)步驟之間，還包括對形成有所述絕緣層的前端器件結(jié)構(gòu)進行清洗的步驟。優(yōu)選地，剩余的所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層采用灰化的方式去除。根據(jù)發(fā)明的方法，能夠有效減小底部電極與相變層之間的接觸面積，提高底部電極對相變層的加熱效率，從而提高相變存儲器元件的讀寫速度。


本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，圖1是現(xiàn)有技術(shù)的相變存儲器元件的截面圖；圖2A-2F是根據(jù)本發(fā)明一個實施例制作相變存儲器元件的方法流程中各步驟的截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例制作相變存儲器元件的工藝流程圖。
具體實施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對于本領域技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細節(jié)而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領域公知的一些技術(shù)特征未進行描述。為了徹底了解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細的步驟，以便說明本發(fā)明是如何來制作相變存儲器元件的。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于半導體領域的技術(shù)人員所熟習的特殊細節(jié)。本發(fā)明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發(fā)明還可以具有其他實施方式。圖2A-2F是根據(jù)本發(fā)明一個實施例制作相變存儲器元件的方法流程中各步驟的截面圖。如圖2A所示，提供前端器件結(jié)構(gòu)200。首先，提供形成有柵極、源極、漏極以及層間介質(zhì)層等結(jié)構(gòu)的基底201，為簡化起見，所述結(jié)構(gòu)在圖中均未示出。其中，層間介質(zhì)層的材料可以選擇為低k(介電常數(shù))材料。層間介質(zhì)層中具有至少一個露出上表面的由導電材料做成的導電插銷，例如鎢插銷。然后，在基底201的表面上形成第一介電層202和底部電極20 ,其中底部電極20 暴露在前端器件結(jié)構(gòu)200的表面，且位于導電插銷的正上方。 第一介電層202的材料可以是氧化物，例如氧化硅，形成方式可以是化學氣相沉積法(CVD) 等。底部電極20 的材料可以是摻雜多晶硅、W、TiN或TiAIN，還可以是其它硅化物材料， 該硅化物材料可以是包含 Ag、Au、Al、Cu、Cr、Co、Ni、Ti、Sb、V、Mo、Ta、Nb、Ru、W、Pt、Pd、Zn 和Mg中的至少一種的硅化物，優(yōu)選為WSi。形成底部電極20 的方法可以為先在第一介電層202中定義出底部電極圖案的開口，然后將底部電極材料填充到所述開口中?；?01、 底部電極20 和第一介電層202共同構(gòu)成前端器件結(jié)構(gòu)200。如圖2B所示，在前端器件結(jié)構(gòu)200上形成厚度為30-100nm的有機抗反射層203。 在有機抗反射層203上形成光刻膠層，然后經(jīng)曝光、顯影等工藝形成光刻膠圖案204。其中， 光刻膠圖案204位于底部電極20 的正上方。經(jīng)曝光、顯影等工藝定義的光刻膠圖案204 的線寬(D)通常為50-100nm。如圖2C所示，對光刻膠圖案204和有機抗反射層203進行刻蝕，以縮小光刻膠圖案204和有機抗反射層203的線寬。所述刻蝕包括各向異性刻蝕和各向同性刻蝕，具體地， 所述刻蝕包括對有機抗反射層203的各向異性刻蝕和各向同性刻蝕，以及對光刻膠圖案 204的各向同性刻蝕。下面將具體描述所述刻蝕的步驟。根據(jù)本發(fā)明一個實施方式，所述刻蝕過程包括以光刻膠圖案204為掩膜，對有機抗反射層203進行各向異性刻蝕，以將光刻膠圖案204轉(zhuǎn)移至有機抗反射層203 ；對光刻膠圖案204和有機抗反射層203進行各向同性刻蝕，以縮小光刻膠圖案204和有機抗反射層 203的線寬至d。根據(jù)本發(fā)明另一個實施方式，所述刻蝕過程包括對光刻膠圖案204進行各向同性刻蝕，以縮小光刻膠圖案204的線寬至d ；以線寬為d的光刻膠圖案204為掩膜，對有機抗反射層203進行各向異性刻蝕，以將線寬為d的光刻膠圖案204轉(zhuǎn)移至有機抗反射層203。上述刻蝕均可以采用干法刻蝕。對于有機抗反射層203的各向異性刻蝕，可以通入Cl2、HBr、CF4、&中的至少兩種氣體，或者隊和H2的混合氣體，偏壓功率為100-500W。根據(jù)本發(fā)明一個實施方式，各向異性刻蝕的氣體包含HBr和CF4, HBr的流速為50-100sccm，CF4的流速為20_80sccm。其中， sccm是標準狀態(tài)下，也就是1個大氣壓、25攝氏度下每分鐘1立方厘米(Icm3Aiin)的流量。
對于光刻膠圖案204和/或有機抗反射層203的各向同性刻蝕，可以采用仏或 Cl20此外，各向同性刻蝕的氣體還可以包含HBr和CH2F2。偏壓功率為0-50W，優(yōu)選為0W。 根據(jù)本發(fā)明一個實施方式，各向同性刻蝕的氣體包含02、CH2F2和HBr。其中，O2的流速為 IO-IOOsccm, HBr 的流速為 0_80sccm，CH2F2 的流速為 10_20sccm。另外，各向同性刻蝕和各向異性刻蝕的氣體中還可以包含惰性氣體，以起到保持腔內(nèi)壓力和稀釋等作用。經(jīng)過上述工藝處理后，剩余的光刻膠圖案204和有機抗反射層203 的線寬(d)為5-40歷。如圖2D所示，在前端器件結(jié)構(gòu)200的表面上未被剩余的光刻膠圖案204和有機抗反射層203覆蓋的區(qū)域形成絕緣層205。形成絕緣層205的方法為選擇性沉積法，即對于前端器件結(jié)構(gòu)200來說，僅在未被剩余的光刻膠圖案204和有機抗反射層203覆蓋的區(qū)域形成絕緣層205，而不在剩余的光刻膠圖案204上形成絕緣層。所述選擇性沉積法例如是化學液相沉積等。絕緣層205的材料可以是氧化硅。絕緣層205的厚度需小于或等于有機抗反射層203的厚度。如圖2E所示，去除剩余的光刻膠圖案204和有機抗反射層203，以形成開口 210。 剩余的光刻膠圖案204和有機抗反射層203可以采用灰化等方式去除。然后，可選地，對形成有絕緣層205的前端器件結(jié)構(gòu)200進行清洗，以去除開口 210內(nèi)及絕緣層205表面上的殘留物。如圖2F所示，在絕緣層205的表面上形成第二介電層206和相變層206a。第二介電層206包圍相變層206a的四周。相變層206a位于底部電極20 的正上方，并且相變層 206a填充開口 210。接著，在第二介電層206和相變層206a上形成第三介電層207和頂部電極207a。第三介電層207包圍頂部電極207a的四周。頂部電極207a位于相變層206a 上對準底部電極20 的位置，從而完成相變存儲器元件的制作。根據(jù)本發(fā)明的實施方式制作的相變存儲器元件，通過在相變層和底部電極之間形成具有開口的絕緣層，來縮小了相變層和底部電極的接觸面積，從而提高了兩者的接觸電阻。當通過底部電極對相變層進行加熱時，獲得良好的加熱效果，因此，提高了相變存儲器的讀寫速度，而且兩者的接觸面積可以通過工藝進行調(diào)整，簡單方便，易于生產(chǎn)制造。如圖3所示，為根據(jù)本發(fā)明實施例的制作相變存儲器元件的工藝流程圖。在步驟 301中，提供前端器件結(jié)構(gòu)，所述前端器件結(jié)構(gòu)包括第一介電層和底部電極，底部電極暴露在前端器件結(jié)構(gòu)的表面。在步驟302中，在前端器件結(jié)構(gòu)上依次形成有機抗反射層和光刻膠圖案，其中，光刻膠圖案位于底部電極的正上方。在步驟303中，對光刻膠圖案和有機抗反射層進行刻蝕，以縮小光刻膠圖案和有機抗反射層的線寬。所述刻蝕包括對有機抗反射層的各向異性刻蝕和各向同性刻蝕。在步驟304中，在前端器件結(jié)構(gòu)表面上未被剩余的光刻膠圖案和有機抗反射層覆蓋的區(qū)域形成絕緣層。在步驟305中，去除剩余的光刻膠圖案和有機抗反射層，以形成開口。在步驟306中，在絕緣層上形成第二介電層和相變層。第二介電層包圍相變層的四周，相變層位于底部電極的正上方，并且相變層填充開口。在第二介電層和相變層上形成第三介電層和頂部電極。第三介電層包圍頂部電極的四周，頂部電極位于相變層上對準底部電極的位置。完成相變存儲器元件的制作。根據(jù)如上所述的實施例制造的相變存儲器元件可應用于多種集成電路(IC)中。 根據(jù)本發(fā)明的IC例如是存儲器電路，如隨機存取存儲器(RAM)、動態(tài)RAM(DRAM)、同步DRAM (SDRAM)、靜態(tài)RAM(SRAM)、或只讀存儲器(ROM)等等。根據(jù)本發(fā)明的IC還可以是邏輯器件，如可編程邏輯陣列(PLA)、專用集成電路(ASIC)、合并式DRAM邏輯集成電路(掩埋式動態(tài)隨機存取存儲器)、射頻器件或任意其他電路器件。根據(jù)本發(fā)明的IC芯片可用于例如用戶電子產(chǎn)品，如個人計算機、便攜式計算機、游戲機、蜂窩式電話、個人數(shù)字助理、攝像機、 數(shù)碼相機、手機等各種電子產(chǎn)品中，尤其是射頻產(chǎn)品中。 本發(fā)明已經(jīng)通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實施例范圍內(nèi)。此外本領域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據(jù)本發(fā)明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種制作相變存儲器元件的方法，包括a)提供前端器件結(jié)構(gòu)，所述前端器件結(jié)構(gòu)包括底部電極，所述底部電極暴露在所述前端器件結(jié)構(gòu)的表面；b)在所述前端器件結(jié)構(gòu)上依次形成有機抗反射層、光刻膠圖案，其中，所述光刻膠圖案位于所述底部電極的正上方；c)對所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層進行刻蝕，以縮小所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層的線寬；d)在所述前端器件結(jié)構(gòu)的表面上未被剩余的所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層覆蓋的區(qū)域形成絕緣層；e)去除剩余的所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層，以形成開口；f)在所述絕緣層上形成第二介電層和相變層，其中，所述第二介電層包圍所述相變層的四周，所述相變層位于所述底部電極的正上方，并填充所述開口 ；以及g)在所述第二介電層和所述相變層上形成第三介電層和頂部電極，其中，所述第三介電層包圍所述頂部電極的四周，所述頂部電極位于所述相變層上對準所述底部電極的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，c)步驟中，所述刻蝕包括各向異性刻蝕和各向同性刻蝕。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述各向異性刻蝕過程中通入Cl2、HBr、CF4、 O2中的至少兩種氣體，或者隊和吐的混合氣體，并且偏壓功率為100-500W。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述各向同性刻蝕過程中通入O2或Cl2，并且偏壓功率為0-50W。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述各向同性刻蝕過程中還通入HBr和 CH2F2 ο
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，剩余的所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層的線寬為5-40nm。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣層是通過選擇性沉積法形成的。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述選擇性沉積法為化學液相沉積。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣層的材料是氧化硅。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述有機抗反射層的厚度為30-100nm。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣層的厚度小于或等于所述有機抗反射層的厚度。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在e)步驟與f)步驟之間，還包括對形成有所述絕緣層的前端器件結(jié)構(gòu)進行清洗的步驟。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，剩余的所述光刻膠圖案和所述有機抗反射層采用灰化的方式去除。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制作相變存儲器元件的方法，包括提供前端器件結(jié)構(gòu)，前端器件結(jié)構(gòu)包括底部電極，底部電極暴露在前端器件結(jié)構(gòu)的表面；在前端器件結(jié)構(gòu)上依次形成有機抗反射層、光刻膠圖案，其中，光刻膠圖案位于底部電極的正上方；對光刻膠圖案和有機抗反射層進行刻蝕，以縮小光刻膠圖案和有機抗反射層的線寬；在前端器件結(jié)構(gòu)的表面上未被剩余的光刻膠圖案和有機抗反射層覆蓋的區(qū)域形成絕緣層；去除剩余的光刻膠圖案和有機抗反射層，以形成開口；在絕緣層上形成第二介電層和相變層，相變層位于底部電極的正上方，并填充開口；以及在第二介電層和相變層上形成第三介電層和頂部電極，頂部電極位于相變層上對準底部電極的位置。
文檔編號H01L45/00GK102403455SQ20101028809
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者洪中山 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司