相变存储器的形成方法
【专利摘要】一种相变存储器的形成方法，包括：提供基底，在基底上形成具有多个通孔的介质层；在所述通孔中形成垫衬层和电极层，所述垫衬层位于通孔和介质层之间，覆盖通孔底部和侧壁，所述电极层、垫衬层上表面与介质层上表面持平；去除所述电极层表面的垫衬材料，所述垫衬材料是在形成垫衬层时的残留物；去除电极层表面的垫衬材料后，刻蚀部分厚度的电极层和垫衬层，剩余电极层作为底电极。去除残留在电极层表面的垫衬材料，使得各个通孔中的电极层厚度相等。这样，各个底电极的厚度均一，底电极的电阻相等。在同一电流流经底电极时，则底电极的发热量也相等，确保每个相变存储单元均能正常读/写，提升了相变存储器的性能。
【专利说明】 相变存储器的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及一种相变存储器的形成方法。
【背景技术】
[0002]相变存储器(PhaseChange Random Access Memory, PCRAM)作为一种新兴的非挥发性存储技术，相变存储器在读写速度、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都具有较大的优越性，已成为目前不挥发存储技术研究的焦点。
[0003]在相变存储器(PCRAM)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PCRAM的一个存储单元的相变层处于结晶状态时，该存储单元的电阻较低，此时该存储单元赋值为“O”。当相变层处于非晶状态时，该存储单元的电阻较高，此时该存储单元赋值为“I”。因此，PCRAM是利用相变层处于结晶状态或非晶状态时的电阻差异来写入/读取数据的非挥发性存储器。
[0004]一个相变存储器的基本单元包括底电极、与底电极电连接的相变层、与相变层电连接的顶电极，电流经底电极对相变层加热。在现有的相变存储器制造工艺中，为获得良好的加热效果，可以缩小底电极与相变层的接触面积，提高接触电阻，从而获得更大的发热量。
[0005]现有技术的相变存储器中的底电极形成方法包括:
[0006]参照图1，在基底10上形成介质层11，在介质层11中形成有多个通孔12，图1中只显示了一个通孔12，仅起到示例作用，在基底10上形成有晶体管(未示出)，通孔12的底部为基底10上形成的晶体管源极或漏极；
[0007]参照图2，在介质层11上沉积氮化钛层13，氮化钛层13覆盖介质层11、通孔12的底部和侧壁，在氮化钛层13上形成钨层14，钨层14填充满通孔12 ；
[0008]参照图3，化学机械研磨钨层14、氮化钛层13，至介质层11上表面停止，氮化钛层13作为垫衬层；
[0009]参照图4，先回刻蚀部分厚度的钨层14，接着回刻蚀氮化钛层13，暴露部分深度的通孔12，通孔12中的钨层14作为底电极。之后，刻蚀暴露的通孔侧壁形成较大孔径的通孔，在该较大孔径通孔中形成相变层。
[0010]但是，包括现有技术形成的底电极的相变存储器性能不佳。
【发明内容】
[0011]本发明解决的问题是，具有现有技术形成的底电极的相变存储器性能不佳。
[0012]为解决上述问题，本发明提供一种相变存储器的形成方法，该相变存储器的形成方法包括:
[0013]提供基底，在基底上形成具有多个通孔的介质层；
[0014]在所述通孔中形成垫衬层和电极层，所述垫衬层位于通孔和介质层之间，覆盖通孔底部和侧壁，所述电极层、垫衬层上表面与介质层上表面持平；
[0015]去除所述电极层表面的垫衬材料，所述垫衬材料是在形成垫衬层时的残留物；
[0016]去除电极层表面的垫衬材料后，刻蚀部分厚度的电极层和垫衬层，剩余电极层作为底电极。
[0017]可选地，所述垫衬层的材料为氮化钛。
[0018]可选地，去除所述电极层表面的垫衬材料的方法为:使用氯等离子体对电极层表面进行处理。
[0019]可选地，对氯气进行等离子体化形成氯等离子体；
[0020]使用氯等离子体对电极层表面进行处理的过程中，对氯气进行等离子体化的射频发生器的射频功率范围为200?1000W，射频发生器的偏压范围为O?500V，氯气的流量范围为20?200sccm，处理时间范围为5?30s。
[0021]可选地，形成所述垫衬层和电极层的方法包括:
[0022]在所述介质层上形成垫衬材料层，所述垫衬材料层覆盖介质层、通孔的底部和侧壁；
[0023]在垫衬材料层上形成导电材料层，所述导电材料层填充满通孔；
[0024]化学机械研磨导电材料层和垫衬材料层，至所述介质层上表面停止，分别形成电极层和垫衬层。
[0025]可选地，在垫衬材料层上形成导电材料层的方法为化学气相沉积或溅射工艺。
[0026]可选地，刻蚀部分厚度的电极层和垫衬层的方法包括:
[0027]以所述介质层为掩模，刻蚀部分厚度电极层；
[0028]以所述介质层为掩模，刻蚀部分厚度垫衬层，剩余电极层与垫衬层上表面齐平。
[0029]可选地，刻蚀部分厚度的电极层的方法为干法刻蚀，在干法刻蚀过程中使用的刻蚀气体为sf6、nf3中的一种或多种。
[0030]可选地，在去除所述电极层表面的垫衬材料前，使用氧等离子体对电极层表面、垫衬层表面和介质层表面进行处理，去除抛光剂，所述抛光剂是在化学机械研磨导电材料层和垫衬材料层后的残留抛光剂。
[0031]可选地，所述电极层的材料为钨、铝或铜。
[0032]可选地，在所述基底表面形成有场效应晶体管，所述电极层的底部为场效应晶体管的漏极；或者，在所述基底表面形成有二极管，所述电极层的底部为二极管的阳极。
[0033]可选地，在刻蚀部分厚度的电极层和垫衬层后，还包括:
[0034]刻蚀所述电极层上的通孔侧壁的介质层，形成开口 ；
[0035]在所述开口中形成相变层；
[0036]在所述相变层上形成电连接相变层的顶电极。
[0037]可选地，在所述开口中形成相变层的方法包括:
[0038]在所述介质层上形成相变材料层，相变材料层覆盖介质层、填充满开口 ；
[0039]去除高出所述介质层上表面的相变材料层，剩余相变材料层作为相变层。
[0040]可选地，去除高出所述介质层上表面的相变材料层的方法为化学机械研磨或回刻蚀。
[0041]可选地，所述相变层材料为锗-锑-碲合金。
[0042]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0043]在形成电极层和垫衬层后，去除可能残留在电极层表面的垫衬材料，使得各个通孔中的电极层厚度相等。在刻蚀电极层形成底电极时，各个底电极的厚度均一，底电极的电阻相等。一个底电极对应一个相变存储单兀的位置，由于多个底电极的电阻相等，在同一电流流经底电极时，底电极的发热量也相等，各个相变存储单元的存储状态的转化条件相同，确保每个相变存储单元均能正常读/写，提升了相变存储器的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]图1?图4是现有技术的相变存储器在形成过程中的剖面结构示意图；
[0045]图5?图14是本发明具体实施例的相变存储器在形成过程中的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0046]经研究分析，发现:参照图3，在化学机械研磨过程，首先研磨掉钨层14，接着才能研磨氮化钛层13，在研磨氮化钛层13后，可能会有部分氮化钛在通孔中的钨层表面残留。除了氮化钛残留外，在介质层11和钨层14表面还可能残留抛光剂。这样，在介质层11中的多个通孔，其中某些通孔中钨层表面存在氮化钛残留，某些通孔中钨层表面不存在氮化钛残留。那些具有氮化钛残留的钨层，残留的氮化钛的厚度又可能不尽相同。参考图4，当进行回刻蚀钨层、氮化钛层时，由于某些通孔中钨层表面具有氮化钛残留，在介质层11中形成的多个通孔中，钨层的厚度不均一，则厚度不均一的钨层的电阻不相同。正如【背景技术】介绍，每个底电极的位置可对应一个相变存储单元，一个相变存储器包括多个相变存储单元。由于多个底电极的电阻不相同，则多个底电极的发热量存在差异，在同一加热电流流经底电极时，某些底电极对应的相变层会发生结晶状态转化，而某些底电极对应的相变层却不会发生结晶状态转化。这就可能造成某些数据无法读/写，造成相变存储器的性能不佳。
[0047]针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种去除残留在底电极表面的垫衬材料的方法。
[0048]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例做详细的说明。
[0049]参照图5，提供基底100。
[0050]在具体实施例中，所述基底100为娃衬底、错衬底、或者氣化娃衬底等；或者还可以包括其它的材料，例如砷化镓等II1-V族化合物。本领域的技术人员可以根据基底100上形成的半导体器件选择所述基底100的类型，因此所述基底的类型不应限制本发明的保护范围。
[0051]在具体实施例中，在基底100表面形成有相互隔离的多条字线、与字线电连接的选通管(未示出)。通常相变存储器的选通管可以为二极管或场效应晶体管。当选通管为场效应晶体管时，字线电连接场效应晶体管的栅极，在一条字线上电连接有多个场效应晶体管的栅极，相应地，该场效应晶体管的漏极与其上的底电极电连接，而源极接地。字线与电源线电连接，一条字线控制与其电连接的场效应晶体管导通。当选通管为二极管时，二极管的两极分别电连接字线与底电极，字线控制与其电连接的二极管导通。
[0052]参照图6，在基底100上形成介质层101。在具体实施例中，介质层101的材料为氧化硅。形成介质层101的方法为化学气相沉积，形成的介质层101覆盖基底100，也覆盖基底100上的其他结构，而且基底100上的介质层高于基底100上的其他结构。
[0053]参照图7，图形化介质层101，在介质层101中形成多个通孔102。通孔102的深度等于介质层101的厚度，通孔102的底部为选通管。当选通管为场效应晶体管时，通孔102的底部为漏极；当选通管为二极管时，通孔102的底部为二极管的阴极。
[0054]需要说明的是，在基底100中形成有多个相互隔开的通孔102，一个通孔102对应一个相变存储单元的位置，图7中仅显示一个通孔102，仅起到示例作用，并不构成对本发明保护范围的限制。
[0055]在具体实施例中，形成通孔102的方法包括:在介质层101上形成图形化的光刻胶层，图形化的光刻胶层定义通孔102的位置；以图形化的光刻胶层为掩模刻蚀介质层101，形成通孔102，刻蚀介质层101过程使用的刻蚀剂为缓冲氧化物刻蚀液(Buffer OxideEtchant，B0E);去除图形化的光刻胶层。在去除图形化的光刻胶层后，还包括:使用灰化工艺处理通孔102，去除通孔侧壁和底部的聚合物，该聚合物是在去除图形化的光刻胶层过程中产生的。
[0056]在所述通孔中形成垫衬层和电极层，垫衬层位于通孔和介质层之间，覆盖通孔底部和侧壁，所述电极层、氮化钛层上表面与介质层上表面基本持平。
[0057]具体地，在通孔中形成垫衬层和电极层的方法包括:
[0058]参照图8，在介质层101上形成垫衬材料层103，垫衬材料层103覆盖介质层101、通孔的底部和侧壁，垫衬层113的材料为氮化钛，形成氮化钛的方法为化学气相沉积或物理气相沉积，垫衬材料层103在后续工艺用于形成垫衬层，在垫衬材料层103上形成导电材料层104，导电材料层104填充满通孔，导电材料层104的材料为钨，在垫衬材料层103上形成导电材料层104的方法为化学气相沉积或溅射工艺，导电材料层104用于后续工艺形成电极层；
[0059]参照图9，化学机械研磨导电材料层和垫衬材料层，至介质层101上表面停止，分别对应形成电极层114和垫衬层113,电极层114和垫衬层113的上表面与介质层101上表面基本持平。
[0060]在其他实施例中，电极层的材料还可为钨、铝或铜。在本实施例中，导电材料层的材料选择钨，这是因为:钨的电阻率大于铝、铜的电阻率，在作为电极层时，钨的电阻要大于铜、铝的电阻，在电极层中通入相同电流，钨能够提供更多热量。
[0061]在具体实施例中，在化学机械研磨导电材料层和垫衬材料层后，在电极层114表面、垫衬层113表面和介质层101表面可能会有抛光剂残留。因此，使用氧气等离子体化后的氧等离子体对电极层114表面、垫衬层113表面和介质层101表面进行处理，去除残留的抛光剂。在氧等离子体处理过程中，抛光剂与氧等离子体反应生成挥发性物质被排出，从而达到去除残留抛光剂的目的。
[0062]在具体实施例中，由于导电材料层位于垫衬材料层上，在化学机械研磨导电材料层和垫衬材料层时，先要研磨导电材料层，至暴露垫衬材料层时才开始研磨垫衬材料层。在该过程中，参照图9，对应某些通孔的电极层114表面会产生垫衬材料残留，不可避免地，垫衬层113表面也会存在部分垫衬材料。
[0063]所以，参照图10，使用氯气(Cl2)等离子体化后的氯等离子体对电极层114表面进行处理，去除电极层114表面的垫衬材料。如前段所述，垫衬层113表面也会存在部分垫衬材料，在该过程，氯等离子体也会去除垫衬层113表面的垫衬材料。
[0064]在具体实施例中，使用氯等离子体对电极层表面进行处理过程，产生氯等离子体时使用的射频发生器(RF)的射频功率范围为200?1000W (包括端点)，射频发生器的偏压范围为O?500V (包括端点),氯气的流量范围为20?200sccm (包括端点),处理时间范围为5?30s (包括端点)。
[0065]需要说明的是，参照图10，在使用氯等离子体处理电极层表面时，为全部清除氮化钛残留物，会对电极层和氮化钛层产生过处理，该过处理去除了通孔顶部的部分电极层和氮化钛层，形成一个小开口，这不会对后续工艺产生影响，也不会限制本发明的保护范围。
[0066]参照图11，刻蚀部分厚度的电极层，通孔102中剩余电极层作为底电极124，一个底电极124对应一个相变存储单元的位置；参照图12，在刻蚀部分厚度电极层后，刻蚀同等厚度的垫衬层113，垫衬层113上表面与底电极124上表面基本持平。
[0067]在具体实施例中，刻蚀部分厚度的电极层的方法为干法刻蚀，在干法刻蚀过程中使用的刻蚀气体为sf6、nf3中的一种或多种。在刻蚀过程中，刻蚀气体的等离子体轰击电极层，并与电极层材料反应生成氟基挥发性气体，氟基挥发性气体被排出腔室。
[0068]参照图13，刻蚀底电极124上的通孔侧壁的介质层，形成开口 112，所述开口 112的底部暴露底电极124上表面。
[0069]参照图14，在所述开口中形成相变层103。
[0070]在具体实施例中，形成相变层103的方法包括:在介质层101上形成相变材料层，相变材料层覆盖介质层101、填充满开口 ；去除高出介质层101上表面的相变材料层，剩余的相变材料层作为相变层103。去除高出介质层101上表面的相变材料层的方法为化学机械研磨或回刻蚀。
[0071]在具体实施例中，相变层103的材料为锗-锑-碲合金(GeSbTe，简写为GST)，由于GST在非晶和结晶状态的电阻率相差较大，约相差三个数量级，使得较容易识别和确定当前存储器的状态。
[0072]接着，在相变层上形成电连接相变层的顶电极，顶电极的另一端与相变存储器的位线电连接。
[0073]使用本实施例的技术方案形成相变存储器的方法，在形成电极层和垫衬层后，去除可能残留在电极层表面的垫衬材料，使得各个通孔中的电极层厚度相等。在刻蚀电极层形成底电极时，各个底电极的厚度均一，底电极的电阻相等。一个底电极对应一个相变存储单元的位置，由于多个底电极的电阻相等，在同一电流流经底电极时，底电极的发热量也相等，各个相变存储单元的存储状态的转化条件相同，确保每个相变存储单元均能正常读/写，提升了相变存储器的性能。
[0074]虽然本发明披露如上，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】
1.一种相变存储器的形成方法，其特征在于，包括: 提供基底，在基底上形成具有多个通孔的介质层； 在所述通孔中形成垫衬层和电极层，所述垫衬层位于通孔和介质层之间，覆盖通孔底部和侧壁，所述电极层、垫衬层上表面与介质层上表面持平； 去除所述电极层表面的垫衬材料，所述垫衬材料是在形成垫衬层时的残留物； 去除电极层表面的垫衬材料后，刻蚀部分厚度的电极层和垫衬层，剩余电极层作为底电极。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述垫衬层的材料为氮化钛。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，去除所述电极层表面的垫衬材料的方法为:使用氯等离子体对电极层表面进行处理。
4.如权利要求3所述的形成方法，其特征在于，对氯气进行等离子体化形成氯等离子体； 使用氯等离子体对电极层表面进行处理的过程中，对氯气进行等离子体化的射频发生器的射频功率范围为200?1000W，射频发生器的偏压范围为O?500V，氯气的流量范围为20?200sccm，处理时间范围为5?30s。
5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成垫衬层和电极层的方法包括: 在所述介质层上形成垫衬材料层，所述垫衬材料层覆盖介质层、通孔的底部和侧壁； 在垫衬材料层上形成导电材料层，所述导电材料层填充满通孔； 化学机械研磨导电材料层和垫衬材料层，至所述介质层上表面停止，分别形成电极层和垫衬层。
6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，在垫衬材料层上形成导电材料层的方法为化学气相沉积或溅射工艺。
7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，刻蚀部分厚度的电极层和垫衬层的方法包括: 以所述介质层为掩模，刻蚀部分厚度电极层； 以所述介质层为掩模，刻蚀部分厚度垫衬层，剩余电极层与垫衬层上表面齐平。
8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，刻蚀部分厚度的电极层的方法为干法刻蚀，在干法刻蚀过程中使用的刻蚀气体为SF6、NF3中的一种或多种。
9.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，在去除所述电极层表面的垫衬材料前，使用氧等离子体对电极层表面、垫衬层表面和介质层表面进行处理，去除抛光剂，所述抛光剂是在化学机械研磨导电材料层和垫衬材料层后的残留抛光剂。
10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述电极层的材料为钨、铝或铜。
11.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述基底表面形成有场效应晶体管，所述电极层的底部为场效应晶体管的漏极；或者，在所述基底表面形成有二极管，所述电极层的底部为二极管的阳极。
12.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在刻蚀部分厚度的电极层和垫衬层后,还包括: 刻蚀所述电极层上的通孔侧壁的介质层，形成开口 ； 在所述开口中形成相变层； 在所述相变层上形成电连接相变层的顶电极。
13.如权利要求12所述的形成方法，其特征在于，在所述开口中形成相变层的方法包括: 在所述介质层上形成相变材料层，相变材料层覆盖介质层、填充满开口 ； 去除高出所述介质层上表面的相变材料层，剩余相变材料层作为相变层。
14.如权利要求13所述的形成方法，其特征在于，去除高出所述介质层上表面的相变材料层的方法为化学机械研磨或回刻蚀。
15.如权利要求12所述的形成方法，其特征在于，所述相变层材料为锗-锑-碲合金。
【文档编号】H01L45/00GK104425709SQ201310365803
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】王冬江, 张海洋 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司