相变存储器单元及其形成方法
【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单元及其形成方法。
【背景技术】
[0002] 相变存储器（PhaseChangeRandomAccessMemory，PCRAM)技术是基于相变薄膜 可以应用于相变存储介质的构想建立起来的。作为一种新兴的非易失性存储技术，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，已成为目前非易失性存储器技术研究的焦点。
[0003] 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，来改变存储器的 存储数值。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"1"。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"0"。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。
[0004] 请参考图1，为现有相变存储器单元的结构示意图。
[0005] 所述相变存储器单元包括：衬底10,所述衬底10内形成有金属互连结构；位于所 述衬底10上的介质层20,所述介质层20具有底部接触电极21，所述底部接触电极21与衬 底10内的金属互连结构连接；位于所述介质层20和底部接触电极21表面的相变层22。
[0006] 所述底部接触电极21通电后会产生热量，对相变层22加热，改变相变层22的结 晶状态，从而改变所述相变层22所存储的逻辑值。
[0007] 现有相变存储器单元的性能还有待进一步提高。
【发明内容】
[0008] 本发明解决的问题是提供一种相变存储器单元及其形成方法，提高相变存储器单 元的性能。
[0009] 为解决上述问题，本发明提供一种相变存储器单元的形成方法，包括：提供衬底； 在所述衬底表面形成介质层；形成穿透介质层的通孔；在所述通孔内壁表面形成粘合层； 在所述粘合层表面形成填充满所述通孔的金属层，所述金属层内掺杂有非金属掺杂离子； 在所述介质层、粘合层以及金属层表面形成相变层。
[0010] 可选的，所述金属层的材料为W。
[0011] 可选的，所述非金属掺杂离子为C、N、Ge或Si。
[0012] 可选的，所述非金属掺杂离子的摩尔浓度大于0,小于66%。
[0013] 可选的，形成所述金属层的方法包括：在所述粘合层表面形成具有非金属掺杂离 子的掺杂金属层，所述掺杂金属层填充满所述通孔并覆盖介质层表面；然后对所述掺杂金 属层和粘合层进行平坦化，使掺杂金属层和粘合层表面与介质层表面齐平。
[0014] 可选的，采用化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺形成所述具有非金属掺杂离子 的掺杂金属层。
[0015] 可选的，形成所述具有非金属掺杂离子的掺杂金属层的化学气相沉积工艺采用的 反应气体为含钨气体WF6以及掺杂气体，所述掺杂气体包括SiH4、CH4、GeH4或NH3。
[0016] 可选的，形成所述具有非金属掺杂离子的掺杂金属层的化学气相沉积工艺所采用 的反应气体为WF6和掺杂气体，所述掺杂气体包括SiH4、CH4、GeH4或NH3中的一种或几种气 体，其中，WF6的流量为20sccm-500sccm，掺杂气体的流量为20sccm-500sccm，反应温度为 300°C~500°C，压强为0. 5Torr-50Torr，其中WF6和掺杂气体可以分别通入反应腔内或者 一起通入反应腔内，当一起通入反应腔内时，所述WF6和掺杂气体的摩尔比例小于2/3。
[0017] 可选的，所述粘合层包括Ti层和位于Ti层表面的TiN层，或者包括Ta层和位于 Ta层表面的TaN层。
[0018] 可选的，所述粘合层的厚度为5()A~500A。
[0019] 可选的，所述相变层的材料为Si-Sb-Te、Ge-Sb-Te、Ag-In_Te或Ge-Bi-Te化合物。
[0020] 为解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种采用上述方法形成的相变存储器 单元，包括：衬底；位于衬底表面的介质层；位于介质层内穿透所述介质层的通孔；位于所 述通孔内壁表面的粘合层；位于所述粘合层表面填充满所述通孔的金属层，所述金属层内 掺杂有非金属掺杂离子；位于所述介质层、粘合层以及金属层表面的相变层。
[0021] 可选的，所述金属层的材料为W。
[0022] 可选的，所述非金属掺杂离子为C、N、Ge或Si。
[0023] 可选的，所述非金属掺杂离子的摩尔浓度大于0,小于66%。
[0024] 可选的，所述粘合层包括Ti层和位于Ti层表面的TiN层，或者包括Ta层和位于 Ta层表面的TaN层。
[0025] 可选的，所述粘合层的厚度为50A~500A。
[0026] 可选的，所述相变层的材料为Si-Sb-Te、Ge-Sb-Te、Ag-In-Te或Ge-Bi-Te化合物。
[0027] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0028]本发明的技术方案中，在衬底表面的介质层内形成通孔之后，在所述通孔内壁表 面形成粘合层，再在所述粘合层表面形成填充满通孔的金属层，且所述金属层内掺杂有非 金属掺杂离子。所述粘合层可以提高金属层与通孔内壁之间的粘附力，有利于提高在通孔 内形成金属层的质量。所述掺杂离子均为非金属掺杂离子，所述掺杂离子的导电性能较低， 可以适当提高金属层的电阻，使得金属层的加热效率提高。同时，所述非金属掺杂离子的导 热性能较低，掺杂有非金属掺杂离子的金属层的热导率与未掺杂的金属相比，热导率下降， 能够降低所述金属层的热量耗散速率，从而降低相变存储器单元的功耗。
[0029] 进一步的，形成所述金属层的方法包括：在所述粘合层表面形成具有非金属掺杂 离子的掺杂金属层，所述掺杂金属层填充满所述通孔且覆盖介质层的表面；然后对所述掺 杂金属层和粘合层进行平坦化，使掺杂金属层和粘合层表面与介质层表面齐平。所述非金 属掺杂离子可以提高形成的掺杂金属层的材料硬度，在掺杂金属层内形成W与非金属离子 之间的化学键，上述化学键之间的结合力较强，大于W-0的化学键强度，在对所述掺杂金属 层进行化学机械研磨的过程中，不易被氧化，从而可以降低所述掺杂金属层的研磨速率，从 而改善过研磨问题，避免在掺杂金属层的顶部在研磨过程中发生凹陷，从而可以提高掺杂 金属层与相变层之间的界面质量，提高相变存储器单元的性能。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明的现有技术的相变存储器单元的结构示意图；
[0031] 图2至图8是本发明的实施例的相变存储器单元的形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0032] 如【背景技术】中所述，现有技术的相变存储器单元的性能还有待进一步的提高。
[0033] 发明人研究发现，现有相变存储器单元的底部接触电极材料一般采用W或TiN，但 是TiN的填充能力较差，而W的填充能力较高，但是采用W形成的底部接触电极与相变层之 间的接触质量较差，影响相变存储器单元的性能。
[0034] 发明人进一步研究发现，影响底部接触电极与相变层之间的接触质量的原因在 于，在形成底部接触电极的平坦化的过程中，采用的研磨液一般包括氨水与双氧水的混合 溶液，在碱性氛围下，W容易被氧化形成氧化钨，而氧化钨的研磨速率较高，从而采用化学机 械研磨工艺进行平坦化处理的过程中，极容易对底部接触电极造成过研磨，使底部接触电 极的顶部表面凹陷，导致底部接触电极与相变层之间的接触质量变差，影响相变存储器单 元的性能，导致相变存储器的良率下降。
[0035] 提高底部接触电极的顶部面积可以改善顶部的凹陷问题，但是提高所述底部接触 电极的顶部面积，会导致底部接触电极与相变层之间的接触面增大，对相变层的加热面积 增大，从而提高相变存储器单元的功耗。同时，由于W的电阻较低，热导率较高，采用W作为 底部接触电极的材料，对相变层的加热效率较低。
[0036] 本发明的实施例在上述发现的基础上，采用具有非金属掺杂离子的金属层作为底 部电极材料，既能够改善底部电极的过研磨问题，又能够提高底部接触电极对于相变层的 加热效率，从而提高相变存储器单元的性能。
[0037] 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