相變存儲器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出相變存儲器的兩種制作方法以改善其相變材料剝落現(xiàn)象。第一種方案：在相變材料與包埋下電極的介電層之間設置TiON粘合層，利用該TiON粘合層增強介電層與相變材料之間的結合程度，因而實現(xiàn)了防止相變材料脫落，提高了相變存儲器的可靠性。第二種方案：形成側墻狀的粘合層以增強相變材料與側壁的擴散阻擋層、介電層的粘合性能，同時利用了該側墻底部的尺寸大于頂部的尺寸，使得供相變材料沉積的空間的底部尺寸小于頂部尺寸，減小了相變材料與下電極的接觸面積，換言之，該側墻狀的粘合層不但增加了相變材料與側壁的擴散阻擋層、介電層的粘合性能，同時，降低了相變材料與下電極的接觸面積，降低了操作電流。
【專利說明】相變存儲器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體制造領域，尤其涉及能防止相變材料剝落的相變存儲器的制造方法。
【背景技術】
[0002]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(shù)、數(shù)據(jù)保持時間、單元面積、多值實現(xiàn)等諸多方面較快閃存儲器FLASH都具有較大的優(yōu)越性，成為目前不揮發(fā)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不揮發(fā)存儲技術市場的主流產品。
[0003]在相變存儲器(PCRAM)中，可以通過對記錄了數(shù)據(jù)的相變層進行熱處理，而改變存儲器的值。構成相變層的相變材料會由于所施加電流的加熱效果而進入結晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)。當相變層處于結晶狀態(tài)時，PCRAM的電阻較低，此時存儲器賦值為“O”。當相變層處于非晶狀態(tài)時，PCRAM的電阻較高，此時存儲器賦值為“I”。因此，PCRAM是利用當相變層處于結晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)時的電阻差異來寫入/讀取數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。
[0004]圖1所示為現(xiàn)有的相變存儲器的結構，包括底部電極11 (也稱下電極)、頂部電極12(也稱上電極)，以及底部電極11與頂部電極12之間的相變層13。其中，相變層13的晶態(tài)轉變過程需要加熱，該加熱一般是使用底部電極11對相變層13進行加熱。為了獲得良好的加熱效果，相變存儲器一方面采用較大的驅動電流，例如，寫操作的電流要達到ImA左右，該較大的讀寫電流以及多次頻繁擦寫后，相變層13部分剝落，導致其與底部電極11之間的接觸性能變差，這會造成相變存儲器的性能變差。針對上述問題，現(xiàn)有技術也有一些改進，例如專利號為“US2004/0113136A1”的美國專利中提到的在相變層與包埋底部電極的介電層之間設置粘合層。然而，上述方式設置的粘合層對相變層與底部電極之間的接觸性能改善效果有限。
[0005]基于此，本發(fā)明提供一種新的相變存儲器的制造方法，以改善上述問題。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明解決的問題是提出一種新的相變存儲器的制造方法，以改善現(xiàn)有的相變存儲器的相變層與底部電極之間的接觸性能較差問題。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提供兩種相變存儲器的制造方法，第一種包括:
[0008]提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少具有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極；
[0009]在所述下電極及第一介電層上至少形成第二介電層；
[0010]利用光刻、刻蝕在所述第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽；
[0011]在第二介電層上及所述溝槽內形成TiON粘合層；
[0012]對所述TiON粘合層進行刻蝕以暴露所述溝槽底部的下電極；
[0013]在所述溝槽內填充相變材料且對所述溝槽外的相變材料進行平坦化去除。[0014]可選地，所述形成TiON粘合層的步驟包括:
[0015]在所述第二介電層上及溝槽內形成TiN擴散阻擋層；
[0016]對所述擴散阻擋層進行氧化處理形成TiON粘合層。
[0017]可選地，所述氧化處理采用UV光或微波加熱。
[0018]可選地，所述氧化處理采用的氧氣源為:02、03、N0、N20中的至少一種。
[0019]可選地,所述氧化處理的氧氣源的壓強為0.5torr-780torr。
[0020]可選地，所述氧化處理的氧氣源的流量為5SCCm-5Slm。
[0021]可選地，還包括對相變存儲器進行退火處理，所述退火的溫度為室溫至300°C。
[0022]可選地，所述形成粘合層的步驟包括:
[0023]采用N2、Ar與O2的混合氣體與Ti靶材進行物理氣相沉積生成。
[0024]可選地，對所述TiON粘合層進行刻蝕以暴露所述溝槽底部的下電極步驟中的刻蝕為回蝕或光刻、干法刻蝕。
[0025]可選地，所述第二介電層與所述第一介電層的材質相同。
[0026]另外一種相變存儲器的制造方法包括:
[0027]提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少具有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極；
[0028]在所述下電極及第一介電層上至少形成第二介電層；
[0029]利用光刻、刻蝕在所述第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽；
[0030]在第二介電層上及所述溝槽內依次淀積擴散阻擋層、粘合層；
[0031]對所述擴散阻擋層、粘合層進行回蝕以暴露所述溝槽底部的下電極；
[0032]在所述溝槽內填充相變材料且對所述溝槽外的相變材料進行平坦化去除。
[0033]可選地，所述擴散阻擋層的材質為TiN。
[0034]可選地，所述粘合層的材質為TaN或硅。
[0035]可選地，所述第二介電層與所述第一介電層的材質相同。
[0036]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:1)對于第一種制作方法，由于在相變材料與包埋下電極的介電層之間設置TiON粘合層，該TiON粘合層增強了介電層與相變材料之間的結合程度，因而可以防止相變材料脫落，提高了相變存儲器的可靠性。
[0037]2 )可選方案中，相變材料側壁的介電層(第二介電層)與包埋下電極的介電層(第一介電層)的材質相同，使得上述TiON粘合層在實現(xiàn)粘合相變材料與包埋下電極的介電層的同時，粘合了相變材料與相變材料側壁的介電層，更進一步地防止相變材料脫落，提高相變存儲器的可靠性。
[0038]3)可選方案中，TiON粘合層的形成工藝為:先淀積TiN層，后進行氧化，該淀積TiN層的工藝為現(xiàn)有制作擴散阻擋層的工藝，因而TiON粘合層的形成工藝與現(xiàn)有的工藝兼容性強。
[0039]4)可選方案中，在TiON粘合層上制作暴露下電極的窗口采用的刻蝕工藝具有兩種:a)回蝕；b)光刻后以圖形化光刻膠為掩膜進行干法刻蝕。一般地，基于降低相變存儲器操作電流的目的，相變存儲器的下電極制作得較窄(一個維度)，因而相對于光刻具有曝光精度限制的要求，該回蝕工藝可以形成更小尺寸的窗口。
[0040]5 )對于第二種制作方法,通過對粘合層進行回蝕以形成側墻(spacer ),該側墻底部的尺寸大于頂部的尺寸，相應地，供相變材料沉積的空間即為底部尺寸小于頂部尺寸，該底部尺寸對應相變材料與下電極的接觸面積，換言之，該側墻狀的粘合層不但增加了相變材料與側壁的介電層(第二介電層)的粘合性能，同時，降低了相變材料與底部電極的接觸面積，降低了操作電流。
[0041]6)第二種制作方法的可選方案中，粘合層的材質為TaN或硅，為粘合層的材質提供了具體的方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是現(xiàn)有技術的相變存儲器結構示意圖；
[0043]圖2至圖7是本發(fā)明實施例一提供的相變存儲器的制造方法的結構示意圖；
[0044]圖8至圖10是本發(fā)明實施例二提供的相變存儲器的制造方法的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0045]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。由于本發(fā)明重在解釋原理，因此，未按比例制圖。
[0046]本發(fā)明提出兩種可以改善相變存儲器的相變材料剝落的方案。I)在相變材料與包埋下電極的介電層之間設置TiON粘合層，利用該TiON粘合層增強介電層與相變材料之間的結合程度，因而可以實現(xiàn)防止相變材料脫落，提高了相變存儲器的可靠性。2)形成側墻(spacer)狀的粘合層，該側墻底部的尺寸大于頂部的尺寸，相應地，供相變材料沉積的空間即為底部尺寸小于頂部尺寸，該底部尺寸對應相變材料與下電極的接觸面積，換言之，該側墻狀的粘合層不但增加了相變材料與側壁的介電層(第二介電層)的粘合性能，同時，降低了相變材料與底部電極的接觸面積，降低了操作電流。以下分別采用兩個實施例對兩種制作方法進行介紹。
[0047]實施例一
[0048]圖2-圖7所示為本實施例一提供的相變存儲器的制造方法的結構示意圖。以下結合圖2-圖7進行具體介紹。
[0049]首先，執(zhí)行步驟Sll:如圖2所示的俯視圖，提供半導體襯底20，所述半導體襯底20上至少形成有包埋在第一介電層21中的相變存儲器的下電極22。下電極22也稱底部電極、底部接觸結構，基于降低相變存儲器操作電流的目的，其一般呈現(xiàn)長窄條狀，寬度較窄，例如小于10nm。為后續(xù)步驟示意方便，本實施例給出沿圖2中A-A直線的剖面結構如圖3所示。
[0050]半導體襯底20可以為現(xiàn)有的半導體材料，例如硅襯底、鍺襯底等，第一介電層21、下電極22的材質可以為現(xiàn)有的第一介電層、下電極的材質,本實施例中,第一介電層21的材質為二氧化硅、下電極22的材質為銅或鎢。
[0051]執(zhí)行步驟S12:如圖4所示，在下電極22及第一介電層21上形成第二介電層23，利用光刻、刻蝕在第二介電層23內形成暴露所述下電極22的溝槽24。
[0052]第二介電層23中的溝槽24用于后續(xù)相變材料的填充，該第二介電層23的材質可以與第一介電層21的材質不同，本實施例中，兩者優(yōu)選相同，都為二氧化硅。
[0053]在第二介電層23上形成溝槽24的光刻、刻蝕工藝具體地:在第二介電層23上旋涂光刻膠，利用圖案化掩膜板曝光后，形成圖案化光刻膠，之后以該圖案化光刻膠為掩膜進行干法刻蝕至下電極22的頂部暴露停止。
[0054]執(zhí)行步驟S13:如圖5所示，在第二介電層22上及溝槽24內形成TiON粘合層25。
[0055]本實施例提供兩種形成TiON粘合層25的方案。
[0056]具體地，I)首先在第二介電層23上及溝槽24內形成TiN擴散阻擋層；接著對TiN擴散阻擋層進行氧化處理形成TiON粘合層25。
[0057]形成TiN擴散阻擋層的方法為現(xiàn)有工藝，例如采用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)。本實施例采用采用N2與Ar的混合氣體與Ti靶材進行物理氣相沉積生成。
[0058]對TiN擴散阻擋層進行氧化具有多種方法，例如采用UV光或微波加熱，其氧氣源為:o2、o3、no、n2o中的一種或幾種的混合。優(yōu)選地，上述氧氣源為o3、no，控制該o3、no的流量范圍為5sccm-5slm,反應腔室的壓強為0.5torr_780torr,能實現(xiàn)較好的TiN氧化效果，生成的TiON粘合層25對相變材料(GxSyTz，GST)與第一介電層21 二氧化硅的粘合性能較佳。
[0059]2)采用N2、Ar與O2的混合氣體與Ti靶材進行物理氣相沉積生成。換言之，邊生成TiN擴散阻擋層邊進行氧化。
[0060]不論采用何種氧化工藝，生成的TiON材質均能起到粘合相變材料與第一介電層21的作用，相對于未設置該粘合層25的方案，相變材料脫落的幾率降低，相變存儲器的壽命得以延長，可靠性得以提高。
[0061]執(zhí)行步驟S14:如圖6所示，對所述TiON粘合層25進行刻蝕以暴露溝槽24底部的下電極22。
[0062]本步驟的刻蝕工藝具有兩種。具體地，I)光刻、干法刻蝕。即:在TiON粘合層25上旋涂光刻膠，后采用掩膜板曝光形成圖形化的光刻膠，后以該圖形化光刻膠為掩膜進行刻蝕至下電極22暴露停止。
[0063]2)回蝕(etch back)。即:采用無掩膜刻蝕，隨著器件小型化，溝槽24的寬度不斷較小，因而，即使淀積的TiON粘合層25厚度均等，在回蝕過程中，由于溝槽24側壁的阻擋，該位置處會形成底部尺寸大,頂部尺寸小的側墻(spacer)，如此，將覆蓋在溝槽24底部的下電極22上的TiON粘合層25去除。
[0064]執(zhí)行步驟S15:如圖7所示，在溝槽24內填充相變材料26且對溝槽24外的相變材料26進行平坦化去除。
[0065]本步驟中的相變材料26可以為現(xiàn)有的相變材料，例如鍺-銻-碲材料(GxSyTz,GST)，其填充及平坦化工藝為現(xiàn)有工藝，在此不再贅述。
[0066]之后，根據(jù)需要進行上電極的制作。至此，本實施例一提供的相變存儲器已制作完畢。
[0067]上述步驟完成后，優(yōu)選地，還對該相變存儲器進行退火處理，以釋放制作過程中各層的應力，進一步防止相變材料26剝落，本發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn):上述退火的溫度為室溫至300°C，各層應力釋放較佳，能降低相變材料26剝落的幾率，提高了相變存儲器的可靠性。
[0068]可以看出，本方案由于在相變材料26與包埋下電極22的第一介電層21之間設置TiON粘合層25，該TiON粘合層25增強了第一介電層21與相變材料26之間的結合程度，因而可以防止相變材料26脫落，提高了相變存儲器的可靠性。
[0069]優(yōu)選地，相變材料26側壁的介電層(第二介電層23 )與包埋下電極22的介電層(第一介電層21)的材質相同，使得上述TiON粘合層25在實現(xiàn)粘合相變材料26與包埋下電極22的介電層21的同時，粘合了相變材料26與相變材料26側壁的介電層23，更進一步地防止相變材料26脫落，提高相變存儲器的可靠性。
[0070]實施例二
[0071]圖8-圖10所示為發(fā)明提供的另一種相變存儲器的制造方法的結構示意圖。以下結合圖8-圖10進行具體介紹。
[0072]首先，執(zhí)行步驟S21:提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少形成有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極。本步驟與實施例一的步驟Sll相同，半導體襯底20，其上的第一介電層21及包埋在該介電層21中的下電極22的結構仍參照圖2與圖3所示。
[0073]執(zhí)行步驟S22:在下電極及第一介電層上形成第二介電層，利用光刻、刻蝕在第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽。本步驟與實施例一的步驟S12相同，第二介電層23及該介電層中的溝槽24的結構仍參照圖4所示。
[0074]執(zhí)行步驟S23:如圖8所示，在第二介電層23上及溝槽24內依次淀積擴散阻擋層31、粘合層32。
[0075]上述擴散阻擋層31可以為現(xiàn)有的擴散阻擋層，例如材質為TiN。粘合層32的材質需滿足能粘合相變材料與第二介電層23的材質，或能起到粘合相變材料與擴散阻擋層31的材質，換言之，設置粘合層32后，相對于無粘合層32設置的方案，能降低相變材料剝落的幾率。本發(fā)明人經(jīng)過大量研究表明，對于常用擴散阻擋層31材質TiN，常用的第二介電層23材質二氧化硅，粘合層32材質為TaN，Si時，能起到降低相變材料剝落的幾率。
[0076]執(zhí)行步驟S24:如圖9所示，對擴散阻擋層31、粘合層32進行回蝕以暴露溝槽24底部的下電極22。
[0077]上述回蝕與實施例一中的回蝕類似，也為無掩膜板刻蝕，形成的粘合層32也為側墻結構，底部尺寸大，頂部尺寸小，利于降低相變材料與下電極22的接觸面積。
[0078]執(zhí)行步驟S25:如圖10所示，在溝槽24內填充相變材料26且對溝槽24外的相變材料26進行平坦化去除。本步驟與實施例一的步驟S15大致相同。
[0079]之后，根據(jù)需要進行上電極的制作。至此，本實施例二提供的相變存儲器已制作完畢。
[0080]與實施例一類似地，在上述步驟完成后，優(yōu)選地，還對該相變存儲器進行退火處理，以釋放制作過程中各層的應力，以起到進一步防止相變材料26剝落的作用。上述退火的溫度優(yōu)選室溫至300°C，該退火溫度下，各層應力釋放較佳，能降低相變材料26剝落的幾率，提高相變存儲器的可靠性。
[0081]本實施二通過側墻(spacer)狀粘合層32提高相變材料26與第二介電層23的粘合性能，使得相變材料26不易剝落，提高了相變材料26與下電極22之間的電接觸性能，提高了相變材料的可靠性。此外，還利用了該側墻狀粘合層32底部的尺寸大于頂部的尺寸，從而使得供相變材料26沉積的空間即為底部尺寸小于頂部尺寸，從而減小相變材料26與下電極22的接觸面積，降低了操作電流。換言之，該側墻狀的粘合層32不但增加了相變材料26與側壁的擴散阻擋層31、介電層(第二介電層23)的粘合性能，同時，降低了相變材料26與下電極22的接觸面積。
[0082]本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發(fā)明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)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，均屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。
【權利要求】
1.一種相變存儲器的制造方法，其特征在于，包括: 提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少具有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極； 在所述下電極及第一介電層上至少形成第二介電層； 利用光刻、刻蝕在所述第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽； 在第二介電層上及所述溝槽內形成TiON粘合層； 對所述TiON粘合層進行刻蝕以暴露所述溝槽底部的下電極； 在所述溝槽內填充相變材料且對所述溝槽外的相變材料進行平坦化去除。
2.根據(jù)權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述形成TiON粘合層的步驟包括: 在所述第二介電層上及溝槽內形成TiN擴散阻擋層； 對所述TiN擴散阻擋層進行氧化處理形成TiON粘合層。
3.根據(jù)權利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述氧化處理采用UV光或微波加熱。
4.根據(jù)權利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述氧化處理采用的氧氣源為:02、O3> NO、N2O中的至少一種。
5.根據(jù)權利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述氧化處理的氧氣源的壓強為0.5torr_780torro
6.根據(jù)權利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述氧化處理的氧氣源的流量為5sccm_5slm0
7.根據(jù)權利要求1所述的制作方法，其特征在于，還包括對相變存儲器進行退火處理，所述退火的溫度為室溫至300°C。
8.根據(jù)權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述形成TiON粘合層的步驟包括: 采用N2、Ar與O2的混合氣體與Ti靶材進行物理氣相沉積生成。
9.根據(jù)權利要求1所述的制作方法，其特征在于，對所述TiON粘合層進行刻蝕以暴露所述溝槽底部的下電極步驟中的刻蝕為回蝕或光刻、干法刻蝕。
10.根據(jù)權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第二介電層與所述第一介電層的材質相同。
11.一種相變存儲器的制造方法，其特征在于，包括: 提供半導體襯底，所述半導體襯底上至少具有包埋在第一介電層中的相變存儲器的下電極； 在所述下電極及第一介電層上至少形成第二介電層； 利用光刻、刻蝕在所述第二介電層內形成暴露所述下電極的溝槽； 在第二介電層上及所述溝槽內依次淀積擴散阻擋層、粘合層； 對所述擴散阻擋層、粘合層進行回蝕以暴露所述溝槽底部的下電極； 在所述溝槽內填充相變材料且對所述溝槽外的相變材料進行平坦化去除。
12.根據(jù)權利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述擴散阻擋層的材質為TiN。
13.根據(jù)權利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述粘合層的材質為TaN或硅。
14.根據(jù)權利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述第二介電層與所述第一介電層的材質相同。
【文檔編號】H01L45/00GK103840077SQ201210492209
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月27日 優(yōu)先權日:2012年11月27日
【發(fā)明者】林靜, 洪中山 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司