相变存储器、底部电极及其制作方法

文档序号:6948236阅读:178来源:国知局
专利名称:相变存储器、底部电极及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体存储器,特别涉及相变存储器(PCRAM,Phase changeRAM)、底部电极及其制造方法。
背景技术
相变存储器作为一种新兴的非易失性存储技术,在读写速度、读写次数、数据保持时间、单元面积、多值实现等诸多方面对快闪存储器FLASH都具有较大的优越性,成为目前不挥发存储技术研究的焦点。相变存储技术的不断进步使之成为未来不挥发存储技术市场主流产品最有力的竞争者之一。在相变存储器中,可以通过对记录了数据的相变层进行热处理,而改变存储器的值。构成相变层的相变材料会由于所施加电流的加热效果而进入结晶状态或非晶状态。当相变层处于结晶状态时,PCRAM的电阻较低,此时存储器赋值为“0”。当相变层处于非晶状态时,PCRAM的电阻较高,此时存储器赋值为“1”。因此,PCRAM是利用当相变层处于结晶状态或非晶状态时的电阻差异来写入/读取数据的非易失性存储器。图1提供了现有一种相变存储器结构,包括底部电极10、顶部电极20、以及底部电极10与顶部电极20之间的相变层30。其中相变层30的晶态转变过程需要较高的温度,一般使用底部电极10对相变层30进行加热,而顶部电极20仅起到互连作用。底部电极10 对相变层30的加热效果好坏将直接影响相变存储器的读写速率。为了获得良好的加热效果,相变存储器一般采用大驱动电流,因此其写操作电流要达到ImA左右,然而驱动电流并不能无限制地上升,大驱动电流会造成外围驱动电路以及逻辑器件的小尺寸化困难。还有一种提高加热效果的方法是,缩小底部电极10与相变层30构成欧姆接触的接触面积,提高接触电阻。美国专利US7323357提供了现有的一种相变存储器底部电极的制作方法,如图2至图6所示,其基本步骤如下如图2所示,首先在半导体衬底100的表面依次形成底部电极层101、硬掩模层 102 ;然后刻蚀所述硬掩模层102直至露出底部电极层101,形成凹槽。如图3所示,采用常规的侧壁形成工艺,在柱形凹槽的槽壁上形成一环形硬掩模侧壁103。如图4所示,刻蚀去除硬掩模层102,然后以所述硬掩模侧壁103为掩模刻蚀底部电极层101直至露出半导体衬底,形成如图5所示的结构。如图6所示,去除硬掩模侧壁103形成所需的底部电极10。图7为所述底部电极 10的立体结构示意图。在上述工艺中,形成的底部电极10为环柱型结构,柱壁的厚度即所述硬掩模侧壁 103的厚度,因此可以通过调整硬掩模侧壁103的形成工艺,对底部电极10的柱壁厚度进行调整。以上述底部电极10为基础制作的相变存储器,底部电极10与相变层的接触面为环形截面,因此能够大幅降低所述接触面积。然而现有工艺存在如下问题现有的环柱型底部电极10中,其底部与半导体衬底的接触面同样为环形截面,接触面积也较小。而底部电极10的材质通常为金属或金属化合物,半导体衬底的材质则为硅或硅化合物,两者的粘附性较差。如果底部电极10与半导体衬底之间接触面积过小,将导致在制作相变存储器的过程中,底部电极10从半导体衬底的表面脱落,而影响后续工艺。

发明内容
本发明解决的问题是提供一种相变存储器结构、底部电极及其制作方法,所述底部电极与相变层具有较小的接触面积,且能够避免从半导体衬底脱落。本发明提供的一种底部电极的制作方法,包括提供半导体衬底,在所述半导体衬底表面形成具有柱形图形的铸模层;在所述铸模层的垂直外表面形成环柱状的侧壁电极; 在所述侧壁电极的外表面形成绝缘的支撑侧壁。可选的,形成所述绝缘支撑侧壁后,还包括去除铸模层的步骤。所述铸模层的材质包括二氧化硅、无定形碳以及氮化硅。所述柱形铸模层的高度为800 1200 A,直径为40 IOOnm0所述形成环柱状的侧壁电极具体步骤包括在所述铸模层的外表面以及半导体衬底的表面形成电极层;采用等离子刻蚀工艺刻蚀所述电极层,保留所述电极层位于铸模层垂直外表面的部分,作为侧壁电极。可选的,所述电极层的材质为Co,Ni, W, AL, Cu, Ti, Ta中的一种或其组合以及上述各金属的化合物。优选的,所述电极层的材质为TiN或TaN,采用化学气相沉积、物理气相沉积或原子沉积中的一种形成,沉积厚度为20 40入。所述等离子刻蚀工艺的参数包括气体压强2 IOmTorr,射频功率500W 1200W,偏置功率100W 200W,刻蚀气体为Cl2以及 BCl3,流量比为1 1 2 1。所述形成绝缘的支撑侧壁具体步骤包括在所述侧壁电极的外表面、铸模层的顶部表面以及半导体衬底的表面形成绝缘介质层;采用等离子刻蚀工艺刻蚀所述绝缘介质层,保留所述绝缘介质层位于侧壁电极外表面的部分,作为支撑侧壁。可选的,所述绝缘介质层的材质为二氧化硅、氮化硅或其组合。所述绝缘介质层采用化学气相沉积形成,沉积厚度为100 200 A。所述等离子刻蚀工艺的参数可以为气体压强2 15mTorr,射频功率200 600w,采用刻蚀气体为CF4以及He混合气体,流量比为 1 1 1 3。基于上述制作方法,本发明提供的一种底部电极,形成于半导体衬底表面,包括 位于半导体衬底表面的环柱状电极;位于所述电极外表面的绝缘的支撑侧壁。可选的,所述电极的材质为Co,Ni,W,AL,Cu,Ti,Ta中的一种或其组合以及上述各金属的化合物。优选的,所述电极的材质为TiN或TaN。所述环柱状电极的高度为800 1200 A,内径为40 lOOnm,厚度为20 40入。可选的,所述支撑侧壁的材质为二氧化硅、 氮化硅或其组合。所述支撑侧壁的厚度为100 200入。本发明所述的相变存储器,包括相变存储单元,所述相变存储单元包括顶部电极、前述方法所制作的底部电极以及位于底部电极与顶部电极之间的相变层。本发明所提供的相变存储器的底部电极,包括环状的侧壁电极以及位于其垂直外表面绝缘的支撑侧壁,其中可以通过调节侧壁电极的厚度降低底部电极与相变层构成欧姆接触的接触面积,而支撑侧壁则能够提高底部电极与半导体衬底的粘附性,从而起到支撑侧壁电极并防止整个底部电极从半导体衬底脱落的作用。


通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明,本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中与现有技术相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制,重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见,放大了层和区域的尺寸。图1是现有的相变存储器的剖面结构图;图2至图6是现有的一种底部电极制作方法的剖面示意图;图7是图6所述底部电极的立体结构示意图;图8为本发明所述底部电极制造方法流程图;图9至图14为本发明实施例底部电极制造方法的剖面示意图;图15为图14所示底部电极的立体示意图。
具体实施例方式在现有的制造方法所形成的相变存储器中,为降低底部电极与相变层的接触面积,所述底部电极制作成环柱状结构,并尽可能的降低柱壁的厚度达到减小上述接触面积的目的。然而所述环柱状的结构中,其截面至上而下保持一致,虽然能够减小相变存储器底部电极与相变层的接触面积,但也减小了底部电极与半导体衬底的接触面积,而由于两者的材质差异所造成的粘附性较差的问题,将导致底部电极从半导体衬底脱落,影响相变存储器的制造工艺。本发明通过在环柱状电极的垂直外表面设置支撑侧壁,解决上述问题。具体的,本发明提供了一种底部电极的制作方法。图8为所述底部电极制造方法流程图,基本步骤包括S101、提供半导体衬底,在所述半导体衬底表面形成具有柱形图形的铸模层;其中,所述铸模层用于在制作底部电极时起到模具的作用,因此其高度以及直径等尺寸,决定了后续底部电极的高度、内径以及截面形状。可选的,所述铸模层可以为圆柱形,也可以为多边体柱形等,并不仅局限于上述结构。所述铸模层的材质则可以选用常规的绝缘介质或者牺牲介质,例如二氧化硅、氮化硅、无定形碳等。S102、在所述铸模层的垂直外表面形成侧壁电极;其中,所述侧壁电极的形成工艺可以采用等离子刻蚀形成侧壁的方法,例如在铸模层外表面以及半导体衬底表面沉积一层电极层,然后通过等离子刻蚀,去除铸模层顶部表面以及半导体衬底表面的部分,最终残留于铸模层垂直外表面的部分电极层便形成环柱状的侧壁电极。所述侧壁电极的厚度决定了后续相变存储器中底部电极与相变层形成欧姆接触的接触面积,应当根据需要进行选择。S103、在所述侧壁电极的垂直外表面形成绝缘的支撑侧壁。其中,所述支撑侧壁的形成工艺与前述侧壁电极类似,采用等离子刻蚀形成侧壁的方法,在侧壁电极外表面、铸模层顶部表面以及半导体衬底表面沉积一层绝缘介质层,通过等离子刻蚀去除位于铸模层顶部表面以及半导体衬底表面的部分,而残留于侧壁电极外表面的部分绝缘介质层则形成支撑侧壁。所述支撑侧壁的厚度决定了后续相变存储器中底部电极与半导体衬底的接触面积,应当根据需要进行选择。所述支撑侧壁的材质可以选用与半导体衬底粘附性较好的半导体绝缘介质,例如二氧化硅、氮化硅等。进一步的,所述支撑侧壁的厚度越大,所形成的底部电极与半导体衬底的粘附性也越好。此外,在形成支撑侧壁后,铸模层可以保留或者去除,取决于铸模层的存在是否影响后续的相变存储器的制造工艺。本领域技术人员可以视具体情况选择。下面结合具体的实施例,对本发明所述底部电极的制作方法,做进一步介绍。图9 至图为本发明实施例底部电极的制作方法剖面示意图。首先如图9所示,提供半导体衬底200,在半导体衬底200上形成铸模层201,并图形化所述铸模层201。具体的,所述半导体衬底200并不局限于单质硅衬底,还可以包括已形成的其他半导体器件、结构等,例如在相变存储器中,所述底部电极形成于选通管或其他有源区表面。所述铸模层201的材质为二氧化硅、氮化硅或无定形碳,可以通过化学气相沉积形成, 且沉积厚度即图形化后形成的柱形铸模层201的高度。为简化工艺,本实施例中,所述铸模层201的材质选用无定形碳,沉积厚度为800 1200 A,所述图形化后的铸模层201为圆柱体,且截面直径为40 lOOnm。如图10所示,在所述铸模层201的外表面以及半导体衬底200的表面形成电极层 202。具体的,所述电极层202的材质可以为常规的电极材料,例如Co,Ni,W,AL,Cu,Ti, Ta中的一种或其组合以及上述各金属的化合物,可以通过化学气相沉积、物理气相沉积、原子沉积等工艺形成,且沉积厚度决定了后续工艺形成的侧壁电极的厚度。为简化工艺,本实施例中,所述电极层202的材质选用TiN或TaN,采用化学气相沉积工艺形成,厚度为20 40 A。如图11所示,采用等离子刻蚀工艺,刻蚀所述电极层202,在铸模层201的垂直外表面形成环柱状的侧壁电极203。具体的,所述等离子刻蚀工艺中,使用的刻蚀气体应当对电极层202具有较大的选择刻蚀比,而不影响半导体衬底200以及铸模层201。并且需要避免过度减薄电极层202 位于铸模层201垂直外表面的部分,同时去除位于铸模层201顶部表面以及半导体衬底200 表面的部分,具体的可以通过调整刻蚀气体的组分以降低侧向的刻蚀速率实现。本实施例中,所述等离子刻蚀工艺的参数为气体压强2 IOmTorr,射频功率500W 1200W,偏置功率100W 200W,刻蚀气体为Cl2以及BCl3,流量比为1 1 2 1。采用上述工艺参数进行等离子刻蚀后,所形成的侧壁电极203的厚度与原电极层202基本一致。如图12所示,在所述侧壁电极203的外表面、铸模层201的顶部表面以及半导体衬底的表面形成绝缘介质层204。具体的,所述绝缘介质层204用于后续工艺中形成支撑侧壁,应当具有与半导体衬底良好的粘附性以及坚固性,因此材质可以选用半导体绝缘介质,例如二氧化硅、氮化硅或其组合,可以通过化学气相沉积形成,沉积厚度决定了后续工艺形成的支撑侧壁的厚度。 根据前述提及的原理,所述支撑侧壁的厚度越大,所形成的底部电极与半导体衬底的粘附性也越好,但过大的厚度尺寸也将占用器件面积,因此应当根据实际需要选择。本实施例中,所述绝缘介质层204为二氧化硅,厚度为100 200 A。如图13所示,采用等离子刻蚀工艺,刻蚀所述绝缘介质层204,在侧壁电极203的垂直外表面形成环柱状的支撑侧壁205。具体的,本步骤中可以采用常规的绝缘侧壁形成工艺,去除绝缘介质层204位于铸模层201顶部表面以及半导体表面的部分,而保留位于侧壁电极203的垂直外表面的部分。所述的等离子刻蚀工艺参数可以为气体压强2 15mTorr,射频功率200 600w,采用刻蚀气体为CF4以及He混合气体,流量比为1 1 1 3。所形成的支撑侧壁205的厚度与原绝缘介质层204的厚度基本一致。可选的,如图14所示,去除铸模层201。由于在制作相变存储器时,完成底部电极的制作后,需要在底部电极表面覆盖沉积层间介质层,并在层间介质层表面形成相变层,且使得相变层与底部电极构成欧姆接触。 在上述过程中,即使去除了铸模层201,所述环柱状侧壁电极203内依然会填充层间介质; 因此在上述情况下,如果铸模层201与层间介质层选用同种材质或选用与相变层粘附性较好的材质,并不需要去除;如果铸模层201与层间介质层选用不同材质且与相变层之间粘附性不佳,将会导致后续形成的相变层与底部电极之间存在接触不良的问题,则需要去除所述铸模层201。此外,假设本发明所述底部电极并不仅局限于相变存储器,而应用于制作其他需要小接触面积的电极,铸模层201也可以视具体情况保留或者去除。具体的,如有必要去除铸模201,可以根据铸模层201的材质,采用选择性湿法刻蚀或其他工艺进行去除。例如本实施例中,所述铸模层201的材质为无定形碳,则可以通过通入氧气进行高温氧化,使得无定形碳氧化成气态氧化物,从而去除所述铸模层201。一方面,氧化无定形碳所需的温度较低约为300 500°C ;另一方面,形成的氧化物(一般为二氧化碳)为气体,挥发后不会留下残留物。图15为图14所示底部电极的立体示意图。如图15所示,经过上述工艺,本发明所形成的底部电极包括位于半导体衬底表面的环柱状侧壁电极203 ;位于所述侧壁电极203 外表面的绝缘的支撑侧壁205。将上述底部电极,应用至相变存储器中,所述相变存储器包括相变存储单元,所述相变存储单元包括顶部电极、上述工艺制作的底部电极、以及位于底部电极与顶部电极之间的相变层。本发明所述的底部电极与相变层的接触面中,仅有环柱状侧壁电极与相变层的接触面为能够有效构成欧姆接触的部分。因此可以通过调节侧壁电极的厚度,降低底部电极与相变层的接触面积。而支撑侧壁起到支撑侧壁电极,同时防止在相变存储器的制造过程中,底部电极从半导体衬底(已形成有字线、选通管等半导体结构)中脱落。需要指出的是,本发明虽以相变存储器为例,但所述底部电极的制作方法,同样适用于其他需要小接触面积的电极制作工艺中。本发明领域技术人员,应当容易基于本发明所公开的技术方案进行推广应用。虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种底部电极的制作方法,其特征在于,包括提供半导体衬底,在所述半导体衬底表面形成具有柱形图形的铸模层; 在所述铸模层的垂直外表面形成环柱状的侧壁电极; 在所述侧壁电极的外表面形成绝缘的支撑侧壁。
2.如权利要求1所述的制作方法,其特征在于,形成所述绝缘支撑侧壁后,还包括去除铸模层的步骤。
3.如权利要求1所述的制作方法,其特征在于,所述铸模层的材质包括二氧化硅、无定形碳以及氮化硅。
4.如权利要求3所述的制作方法,其特征在于,所述柱形铸模层的高度为800 1200人,直径为40 IOOnm0
5.如权利要求1所述的制作方法,其特征在于,所述形成环柱状的侧壁电极具体步骤包括在所述铸模层的外表面以及半导体衬底的表面形成电极层;采用等离子刻蚀工艺刻蚀所述电极层,保留所述电极层位于铸模层垂直外表面的部分,作为侧壁电极。
6.如权利要求5所述的制作方法,其特征在于,所述电极层的材质为Co,Ni,W,AL,Cu, Ti,Ta中的一种或其组合以及上述各金属的化合物。
7.如权利要求6所述的制作方法,其特征在于,所述电极层的材质为TiN或TaN,采用化学气相沉积、物理气相沉积或原子沉积中的一种形成,沉积厚度为20 40 A。
8.如权利要求7所述的制作方法,其特征在于,所述等离子刻蚀工艺的参数包括气体压强2 IOmTorr,射频功率500W 1200W,偏置功率100W 200W,刻蚀气体为Cl2以及 BCl3,流量比为1 1 2 1。
9.如权利要求1所述的制作方法,其特征在于,所述形成绝缘的支撑侧壁具体步骤包括在所述侧壁电极的外表面、铸模层的顶部表面以及半导体衬底的表面形成绝缘介质层;采用等离子刻蚀工艺刻蚀所述绝缘介质层,保留所述绝缘介质层位于侧壁电极外表面的部分,作为支撑侧壁。
10.如权利要求9所述的制作方法,其特征在于,所述绝缘介质层的材质为二氧化硅、 氮化硅或其组合。
11.如权利要求9所述的制作方法,其特征在于,所述绝缘介质层采用化学气相沉积形成,沉积厚度为100 200入。
12.如权利要求11所述的制作方法,其特征在于,所述等离子刻蚀工艺的参数可以为 气体压强2 15mTorr,射频功率200 600w,采用刻蚀气体为CF4以及He混合气体,流量比为1 1 1 3。
13.一种底部电极,形成于半导体衬底表面,其特征在于,包括 位于半导体衬底表面的环柱状电极;位于所述电极外表面的绝缘的支撑侧壁。
14.如权利要求13所述的底部电极,其特征在于,所述电极的材质为Co,Ni,W,AL,Cu,Ti,Ta中的一种或其组合以及上述各金属的化合物。
15.如权利要求14所述的底部电极,其特征在于,所述电极的材质为TiN或TaN。
16.如权利要求15所述的底部电极,其特征在于,所述环柱状电极的高度为800 1200 A,内径为40 lOOnm,厚度为20 40 A。
17.如权利要求13所述的底部电极,其特征在于,所述支撑侧壁的材质为二氧化硅、氮化硅或其组合。
18.如权利要求17所述的底部电极,其特征在于,所述支撑侧壁的厚度为100 200A。
19.一种相变存储器,包括相变存储单元,所述相变存储单元包括顶部电极、如权利要求12所述的底部电极以及位于底部电极与顶部电极之间的相变层。
全文摘要
一种相变存储器、底部电极及其制作方法,其中底部电极的制作方法包括提供半导体衬底,在所述半导体衬底表面形成具有柱形图形的铸模层;在所述铸模层的垂直外表面形成环柱状的侧壁电极;在所述侧壁电极的外表面形成绝缘的支撑侧壁。本发明所形成的底部电极与相变层具有较小的接触面积,同时能够避免在相变存储器的制作过程中,从半导体衬底脱落。
文档编号H01L45/00GK102315384SQ20101022348
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者何其旸 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司
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