专利名称：相变存储器中相变电阻的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及相变存储器中相变电阻的形成方法。
背景技术：
随着信息技术的发展，存储器件的需要越来越大，因此促进了存储器件朝着高性能、低压、低功耗、高速及高密度方向发展。相变存储器(PCRAM，phase change RandomAccess Memory)是在CMOS集成电路基础上发展起来的新一代非易失性存储器,其使用元素周期表中V族或VI族的一种或一种以上元素的合金作为相变电阻，用相变电阻作为存储单元，相变电阻在以电脉冲的形式集中加热的情况下，能够从有序的晶态(电阻低)快速转变为无序的非晶态(电阻高得多)。典型的相变存储器使用硫族化物合金(比如GST，GeSbTe)作为相变电阻，存储单元是一种极小的硫族合金颗粒，相变电阻的非晶(a_GST，a-GeSbTe)和结晶(c_GST，C-GeSbTe)状态具有不同的电阻率，结晶状态具有大约为千欧姆(kQ)的典型电阻，而非晶状态具有大约为兆欧姆(ΜΩ)的典型电阻，因此通常利用硫族化物合金材料(比如GST，GeSbTe)制作相变电阻。通过测量PCRAM存储单元的电阻值(即相变电阻的电阻值)来读取PCRAM单元。现有技术中，形成相变电阻的方法为:直接在具有底部电极的氧化硅层或氮化硅层上沉积一层相变材料，然后在相变材料层上形成图形化的光刻胶层，以图形化的光刻胶层为掩膜对相变材料进行刻蚀形成相变电阻，之后去除图形化的光刻胶层。随着半导体技术的发展，为了降低存储器件的功耗以及增大存储能力，存储器件的存储单元的特征尺寸(CD)越来越小。在存储单元的特征尺寸(CD)小于40nm时，现有的光刻工艺不能满足特征尺寸减小时形成特征尺寸小的相变电阻。现有技术中有许多关于相变存储器的专利文献，例如2011年6月23日公开的公开号为 2011//0149645A1 公开的“mult1-level programmable PCRAM memory (多级别可编程相变存储器)”，然而均没有解决上述问题。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术不能形成特征尺寸小于40nm的相变电阻。为解决上述问题，本发明提供一种相变存储器中相变电阻的形成方法，包括:提供衬底，所述衬底中形成有底部电极，所述底部电极的上表面与所述衬底的上表面相平；在所述衬底上形成多条平行的第一相变电阻，所述第一相变电阻沿位线方向延伸，所述第一相变电阻位于对应的底部电极上；在相邻两条第一相变电阻之间形成具有沟槽的介质层，所述沟槽底部暴露出对应的底部电极；在所述沟槽中填充相变材料，形成第二相变电阻，所述第二相变电阻沿位线方向延伸，所述第二相变电阻位于对应的底部电极上。
可选地，在所述衬底上形成多条平行的第一相变电阻包括:在所述衬底上形成相变材料层；对所述相变材料层进行图形化，形成多条平行的第一相变电阻。可选地，对所述相变材料层进行图形化，形成多条平行的第一相变电阻包括:在所述相变材料层上形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光、显影形成图形化的光刻胶层，定义出第一相变电阻的位置；以所述图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述相变材料层形成多条平行的第一相变电阻；去除所述图形化的光刻胶层。可选地，在所述相变材料层上形成光刻胶层之前，还包括:在所述相变材料层上形成第一介质层；在所述第一介质层上形成抗反射层；在所述抗反射层上形成第二介质层；所述光刻胶层位于所述第二介质层上，以所述图形化的光刻胶层为掩膜依次刻蚀所述第一介质层、抗反射层和第二介质层后刻蚀所述相变材料层。可选地，所述第一介质层为常温氧化硅层或低温氧化硅层或者氮化硅层。可选地，所述第二介质层为低温氧化硅层。可选地，所述在相邻两条第一相变电阻之间形成具有沟槽的介质层包括:形成介质层，覆盖所述第一相变电阻和所述衬底；对所述介质层进行图形化，在相邻两条第一相变电阻之间形成沟槽。可选地，对所述介质层进行图形化包括:在所述介质层上形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光、显影形成图形化的光刻胶层，定义出沟槽的位置；以所述图形化的光刻胶层为掩膜对所述介质层进行刻蚀；去除所述图形化的光刻胶层。可选地，所述介质层为常温氧化硅层或低温氧化硅层或者氮化硅层。可选地，在所述沟槽中填充相变材料，形成第二相变电阻包括:形成相变材料，覆盖所述介质层和第一相变电阻并填满所述沟槽；利用平坦化工艺去除第一相变电阻上的介质层、相变材料以及高出所述沟槽的相变材料，形成第二相变电阻。可选地，所述平坦化工艺为化学机械平坦化。可选地，所述底部电极的材料为钨铝，钛，氮化钛，氮化钽。可选地，所述第一相变电阻的材料为硫族化合物合金。可选地，所述第二相变电阻的材料为硫族化合物合金。与现有技术相比，本发明具有以下优点:本发明技术方案的形成相变存储器中相变电阻的形成方法，将相变存储器中相变电阻分为第一相变电阻和第二相变电阻，第一相变电阻和第二相变电阻间隔设置，因此，第一相变电阻之间的特征尺寸为第一相变电阻和第二相变电阻之间的特征尺寸的两倍，在形成第一相变电阻时利用光刻、刻蚀工艺形成，形成相邻两第一相变电阻之间的第二相变电阻时，第二相变电阻利用沉积工艺形成，而非利用光刻、刻蚀工艺形成，第一相变电阻和第二相变电阻构成了相变存储器中的存储电阻，因此本发明技术方案将自对准工艺和光刻、刻蚀工艺结合，从而可以形成特征尺寸小于40nm的相变电阻，即第一相变电阻和第二相变电阻之间的特征尺寸小于40nm的相变电阻。
图1为本发明实施例的相变存储器中相变电阻的形成方法的流程图；图2 图8为本发明实施例的相变存储器中相变电阻的形成方法沿字线方向的剖面结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式
的限制。图1为本发明实施例的相变存储器中相变电阻的形成方法的流程图，参考图1，本发明实施例的相变存储器中相变电阻的形成方法包括:步骤S11，提供衬底，所述衬底中形成有底部电极，所述底部电极的上表面与所述衬底的上表面相平；步骤S12，在所述衬底上形成多条平行的第一相变电阻，所述第一相变电阻沿位线方向延伸，所述第一相变电阻位于对应的底部电极上；步骤S13，在相邻两条第一相变电阻之间形成具有沟槽的介质层，所述沟槽底部暴露出对应的底部电极；步骤S14，在所述沟槽中填充相变材料，形成第二相变电阻，所述第二相变电阻沿位线方向延伸，所述第二相变电阻位于对应的底部电极上。图2 图8为本发明实施例的相变存储器中相变电阻的形成方法沿字线方向的剖面结构示意图，结合参考图1和图2 图8详细说明本发明实施例的相变存储器中相变电阻的形成方法。结合参考图1和图2,执行步骤Sll,提供衬底10,所述衬底10中形成有底部电极11，所述底部电极11的上表面与所述衬底10的上表面相平。需要说明的是，本发明中，底部电极11的上表面与衬底10的上表面相平并不意味着底部电极11的上表面与衬底10的上表面完全相平，在一定的工艺条件内允许两者之间存在一定的误差不完全相平。本发明具体实施例中，衬底10的材料可以为单晶硅(Si)、单晶锗(Ge)、或硅锗(GeSi)、碳化硅(SiC);也可以是绝缘体上娃(SOI),绝缘体上锗(GOI);或者还可以为其它的材料,例如砷化镓等II1-V族化合物。在衬底10内形成有其他器件结构，例如晶体管，与底部电极11电连接，向底部电极11提供电压。结合参考图1和图4，执行步骤S12，在所述衬底10上形成多条平行的第一相变电阻121，所述第一相变电阻121沿位线方向，所述第一相变电阻121位于对应的底部电极11上。本发明具体实施例中，在所述衬底10上形成多条平行的第一相变电阻121包括:参考图3，在所述衬底10上形成相变材料层12 ;在所述相变材料层12上形成第一介质层13 ;在所述第一介质层13上形成抗反射层14 ;在所述抗反射层14上形成第二介质层15 ;在所述第二介质层15上形成图形化的光刻胶层16 ;结合参考图3和图4，以所述图形化的光刻胶层16为掩膜依次刻蚀所述第二介质层15、抗反射层14、第一介质层13后，接着刻蚀相变材料层12形成多条平行的第一相变电阻121，之后去除图形化的光刻胶层、刻蚀之后的第二介质层、刻蚀之后的抗反射层、刻蚀之后的第一介质层。刻蚀的方法为干法刻蚀。需要说明的是，在本发明中，也可以不用形成第二介质层15、抗反射层14、第一介质层13，而是直接在相变材料层12上形成图形化的光刻胶层，之后，以图形化的光刻胶层为掩膜，干法刻蚀相变材料层12形成第一相变电阻121。具体为:在所述相变材料层上形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光、显影形成图形化的光刻胶层，定义出第一相变电阻的位置；以所述图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述相变材料层形成多条平行的第一相变电阻；之后去除图形化的光刻胶层。本发明具体实施例中，由于对光刻胶层进行曝光过程中光学效应的影响，造成光刻胶层的曝光分辨率降低，使用抗反射层的目的是抵消光学效应的影响，提高光刻胶层的曝光精度；另外，在光刻胶层的厚度不够，被干法刻蚀中的离子消耗完后，第二介质层15可以作为硬掩膜使用。本发明具体实施例中，由于抗反射层14为有机物，在高温下易被损伤，因此在本发明具体实施例中，采用低温氧化硅层作为第二介质层15，但不限于低温氧化硅层，也可以为本领域技术人员公知的其他可以形成在抗反射层上的介质材料。第一介质层13为常温氧化娃层，也可以为低温氧化娃层(low temperature oxide)或氮化娃层,但不限于常温氧化硅层、低温氧化硅层或氮化硅层，也可以为本领域技术人员公知的其他可以保护相变材料但不影响工艺和电性的覆盖层。本发明具体实施例中，第一相变电阻的材料为硫族化合物合金，可以为GexSbyTez (O < x、y、z < I, x+y+z = I)、Ag-1n-Sb-Te、Ge-B1-Te 或者其他相变材料。结合参考图1和图6，执行步骤S13，在相邻两条第一相变电阻121之间形成具有沟槽23的介质层21，所述沟槽23底部暴露出对应的底部电极11。本发明具体实施例中，在相邻两条第一相变电阻121之间形成具有沟槽23的介质层21包括:参考图5，形成介质层21，覆盖所述第一相变电阻121和所述衬底10 ;参考图6，对所述介质层21进行图形化，在相邻两条第一相变电阻121之间形成沟槽23。具体的，对介质层21进行图形化形成沟槽23的方法包括:在介质层21上形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光、显影形成图形化的光刻胶层，定义出沟槽的位置；然后，以所述图形化的光刻胶层为掩膜对所述介质层进行刻蚀形成暴露出对应底部电极11的沟槽23，刻蚀的方法为干法刻蚀；接着，利用灰化的方法去除所述图形化的光刻胶和抗反射层，如果在灰化去除图形化的光刻胶和抗反射层后，仍有残留物，可以进行清洗的步骤，去除光刻过程中的残留物。本发明具体实施例中，介质层21为氧化硅层，但本发明中，介质层21不限于氧化硅层，也可以为本领域技术人员公知的其他介质材料。在该实施例中，介质层21位于第一相变电阻之间，而且也形成在第一相变电阻21上。在其他实施例中，也可以仅在第一相变电阻之间形成介质层，第一相变电阻21上不形成介质层，具体的，可以为利用平坦化工艺将形成在第一相变电阻21上的介质层去除。结合参考图1和图8，执行步骤S14，在所述沟槽中填充相变材料，形成第二相变电阻221，所述第二相变电阻221沿位线方向，所述第二相变电阻221位于对应的底部电极11上。第一相变电阻121和第二相变电阻221相互平行且均为条形，沿位线方向延伸。第一相变电阻121和第二相变电阻221共同构成了相变存储器中的相变电阻。本发明具体实施例中，在所述沟槽中填充相变材料，形成第二相变电阻221包括:参考图7，形成相变材料层22，覆盖所述介质层21和第一相变电阻121并填满所述沟槽23 ；之后，利用平坦化工艺去除第一相变电阻121上的介质层21、相变材料层22以及高出所述沟槽的相变材料，形成第二相变电阻221，第二相变电阻的上表面与第一相变电阻的上表面相平。本发明具体实施例中，使用的平坦化工艺为化学机械抛光平坦化，但本发明中，平坦化工艺不限于化学机械抛光平坦化，也可以为本领域技术人员公知的其他平坦化工艺。需要说明的是，本发明中第二相变电阻的上表面与第一相变电阻的上表面相平并不意味着两者严格相平，允许它们之间在一定工艺条件下存在一定的误差。本发明具体实施例中，第二相变电阻的材料为硫族化合物合金，可以为GexSbyTez (O < x、y、z < I, x+y+z = I)、Ag-1n-Sb-Te, Ge-B1-Te 或者其他相变材料。之后，可以在第一相变电阻、第二相变电阻上形成位线，在位线和第一相变电阻、第二相变电阻之间形成刻蚀阻挡层。形成位线以及刻蚀阻挡层的方法为本领域技术人员公知技术，在此不做赘述。在以上描述的具体实施例中，第一相变电阻121和第二相变电阻221间隔设置，相邻的两个第一相变电阻之间形成一个第二相变电阻；但本发明中，相邻的两个第一相变电阻之间不限于形成一个第二相变电阻，也可以形成两个以及两个以上的第二相变电阻，相应的相邻两个第一相变电阻之间介质层中沟槽的数量做调整。本发明技术方案的形成相变存储器中相变电阻的形成方法，包括:提供衬底，衬底中形成有底部电极，底部电极的上表面与衬底的上表面相平；在衬底上形成多条平行的第一相变电阻，第一相变电阻沿位线方向；在相邻两条第一相变电阻之间形成具有沟槽的介质层，沟槽底部暴露出所述衬底；在沟槽中填充相变材料，形成第二相变电阻，第二相变电阻沿位线方向。也就是说，将相变存储器中相变电阻分为第一相变电阻和第二相变电阻，第一相变电阻和第二相变电阻间隔设置，因此，第一相变电阻之间的特征尺寸为第一相变电阻和第二相变电阻之间的特征尺寸的两倍，在形成第一相变电阻时利用光刻、刻蚀工艺形成，形成相邻两第一相变电阻之间的第二相变电阻时，第二相变电阻利用沉积工艺形成，而非利用光刻、刻蚀工艺形成，第一相变电阻和第二相变电阻构成了相变存储器中的存储电阻，因此本发明技术方案将自对准工艺和光刻、刻蚀工艺结合，从而可以形成特征尺寸小于40nm的相变电阻，即第一相变电阻和第二相变电阻之间的特征尺寸小于40nm的相变电阻。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，包括: 提供衬底，所述衬底中形成有底部电极，所述底部电极的上表面与所述衬底的上表面相平； 在所述衬底上形成多条平行的第一相变电阻，所述第一相变电阻沿位线方向延伸，所述第一相变电阻位于对应的底部电极上； 在相邻两条第一相变电阻之间形成具有沟槽的介质层，所述沟槽底部暴露出对应的底部电极； 在所述沟槽中填充相变材料，形成第二相变电阻，所述第二相变电阻沿位线方向延伸，所述第二相变电阻位于对应的底部电极上。
2.如权利要求1所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，在所述衬底上形成多条平行的第一相变电阻包括: 在所述衬底上形成相变材料层； 对所述相变材料层进行图形化，形成多条平行的第一相变电阻。
3.如权利要求2所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，对所述相变材料层进行图形化，形成多条平行的第一相变电阻包括: 在所述相变材料层上形成光刻胶层； 对所述光刻胶层进行曝光、显影形成图形化的光刻胶层，定义出第一相变电阻的位置； 以所述图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述相变材料层形成多条平行的第一相变电阻； 去除所述图形化的光刻胶层。
4.如权利要求3所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，在所述相变材料层上形成光刻胶层之前，还包括: 在所述相变材料层上形成第一介质层； 在所述第一介质层上形成抗反射层； 在所述抗反射层上形成第二介质层； 所述光刻胶层位于所述第二介质层上，以所述图形化的光刻胶层为掩膜依次刻蚀所述第一介质层、抗反射层和第二介质层后刻蚀所述相变材料层。
5.如权利要求4所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，所述第一介质层为常温氧化硅层或低温氧化硅层或氮化硅层。
6.如权利要求4所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，所述第二介质层为低温氧化硅层。
7.如权利要求1所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，所述在相邻两条第一相变电阻之间形成具有沟槽的介质层包括: 形成介质层，覆盖所述第一相变电阻和所述衬底； 对所述介质层进行图形化，在相邻两条第一相变电阻之间形成沟槽。
8.如权利要求7所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，对所述介质层进行图形化包括: 在所述介质层上形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光、显影形成图形化的光刻胶层，定义出沟槽的位置； 以所述图形化的光刻胶层为掩膜对所述介质层进行刻蚀； 去除所述图形化的光刻胶层。
9.如权利要求1所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，所述介质层为常温氧化硅层或低温氧化硅层或者氮化硅层。
10.如权利要求1所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，在所述沟槽中填充相变材料，形成第二相变电阻包括: 形成相变材料，覆盖所述介质层和第一相变电阻并填满所述沟槽； 利用平坦化工艺去除第一相变电阻上的介质层、相变材料以及高出所述沟槽的相变材料，形成第二相变电阻。
11.如权利要求10所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，所述平坦化工艺为化学机械平坦化。
12.如权利要求1所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，所述底部电极的材料为鹤，招，钦，氣化钦，氣化组。
13.如权利要求1所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，所述第一相变电阻的材料为硫族化合物合金。
14.如权利要求1所述的相变存储器中相变电阻的形成方法，其特征在于，所述第二相变电阻的材料为硫族化合物合金。
全文摘要
一种相变存储器中相变电阻的形成方法，包括提供衬底，衬底中形成有底部电极，底部电极的上表面与衬底的上表面相平；在衬底上形成多条平行的第一相变电阻，第一相变电阻沿位线方向延伸，第一相变电阻位于对应的底部电极上；在相邻两条第一相变电阻之间形成具有沟槽的介质层，沟槽底部暴露出对应的底部电极；在沟槽中填充相变材料，形成第二相变电阻，第二相变电阻沿位线方向延伸，第二相变电阻位于对应的底部电极上。本发明技术方案将自对准工艺和光刻、刻蚀工艺结合，从而可以形成特征尺寸小于40nm的相变电阻。
文档编号H01L45/00GK103187524SQ20111045930
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者朱南飞, 吴关平 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司