专利名称：双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制造方法
技术领域：
本发明涉及双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制造方法，属于相变存 储器的制造领域。
背景技术：
相变存储器(PCRAM)被公认为是近四十年以来半导体存储器技术最大 的突破，它不仅有着各方面的优越的性能，并且是一种通用的存储器，具有 广阔的市场前景。在其实现产业化之后，有望部分或者全面替代包括目前的 包括flash(闪存)、DRAM(动态随机存储器)、硬盘在内的多种存储器件，从 而在半导体存储器市场中占据重要的地位。
PCRAM的存储单元部分是可通过电信号进行编程调节的电阻，在实际应 用过程中，需要逻辑器件对存储单元进行选通和操作。目前，PCRAM的密 度主要取决于驱动的晶体管的尺寸，所以，在高密度的PCRAM存储阵列中， 双极型晶体管因为其相对较小的单元面积而成为目前各大半导体公司发展的 主流方向，目前应用此技术制造的芯片存储容量已经达到512Mb。在双极型 晶体管选通的PCRAM制造中，如何制造双极型晶体管是技术的关键，也是 各大公司的角力所在。目前，三星公司采用选择性外延法在重掺杂的位线上 方制造双极型晶体管，但是该方法对制造流程有很高的要求，制造成本很高。
发明内容
本发明的目的在于提供双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制造方法， 以及基于上述结构的相变存储器的制造方法。
为此，本发明提供两种双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制造方法。
方法A的制造步骤是(1) 在第一导电类型(p型或者n型)的衬底上，制造出互相独立的位 线，位线之间通过较深的浅沟道隔离(STI)分隔开(较深的STI是相对于后续 工艺中出现的较浅的STI，它的特征是具有相对较深的沟槽深度，STI深度在 50纳米到10微米之间，深度因所采用的半导体技术节点的差异而异，比如 90nm工艺或者45nm半导体工艺技术)；
(2) 在此较深STI的侧壁和底部沉积含有第二导电类型(n型或p型) 原子的材料；
(3) 在上述基底上旋涂一层光刻胶，通过氧离子轰击将覆盖在位线上 方和STI槽口的光刻胶去除，再通过回刻工艺将位线上方和STI槽口的含有 第二导电类型(n型或p型)原子的材料去除，减少第二导电类型的原子在 退火时扩散到位线顶部的几率；
(4) 退火处理，经高温长时间退火，使含有第二导电类型原子的材料 中的第二导电类型的原子扩散到位线中，使位线被此由第二导电类型的原子 掺杂；退火处理的条件因扩散的第二导电类型的原子类型、掺杂浓度和位线 宽度的不同而异，温度在300'C到150(TC之间，而退火时间则在1分钟到48 小时之间，采用的退火气氛或为惰性气体、氮气或为真空；
(5) 采用刻蚀法，将因为上述第二导电类型原子扩散而相互导通的位 线分隔开，目的是使位线之间在电学上绝缘，避免在器件操作过程在位线之 间可能存在的信号串扰；
(6) 通过光刻和离子注入法在上述位线上方形成两层不同导电类型的 薄层，与第二导电类型掺杂的位线形成双极型晶体管，同一根位线上的各个 双极型晶体管之间通过较浅的STI分隔开，较浅的STI的深度在10纳米和2 微米之间；
(7) 通过介质材料的填充、硅化和平坦化工艺，形成双极型晶体管阵列。 方法B的制造步骤是
(1) 在第一导电类型的衬底上，制造出互相独立的位线，位线之间通 过较深的STI分隔开，STI深度在50纳米和10微米之间，该深度因所采用 的半导体技术节点的差异而异；
(2) 继续在此较深STI的侧壁和底部沉积含有第二导电类型原子的材
料；
(3) 在此较深STI的侧壁和底部沉积含有第二导电类型原子的材料， 确保STI底部沉积有第二导电类型原子的材料，通过回刻工艺去除STI顶部 和侧壁的第二导电类型原子的材料，保留底部浅道部分的第二导电类型原子 的材料作为扩散阻挡层；
(4) 在上述基底上旋涂一层光刻胶，通过氧离子轰击将覆盖在位线上 方和STI槽口的光刻胶去除，通过回刻工艺将覆盖在位线上方和STI槽口的 含有第二导电类型原子的材料去除，避免第二导电类型的原子过多扩散到位 线的顶部；
(5) 退火处理，经高温长时间退火，使含有第二导电类型原子的材料 中的第二导电类型的原子扩散到位线中，使位线被此第二导电类型的原子掺 杂；退火处理的条件因扩散的第二导电类型的原子类型、掺杂浓度和位线宽 度的不同而异，温度在30(TC到150(TC之间，而退火时间则在1分钟到48 小时之间；
(6) 采用刻蚀法，将较深的STI底部含有第二导电类型原子的材料去
除；
(7) 通过光刻和离子注入法在上述位线上方形成双极型晶体管，同一 根位线上的各个双极型晶体管之间通过较浅的STI分隔开，STI深度在10纳 米和2微米之间；
(8) 通过介质材料的填充、硅化和平坦化工艺，形成双极型晶体管阵列。 在上述的两种制造方法中-
① 所述的含有第二导电类型原子的材料，其特征是该第二导电类型的原 子在高温退火的条件下可扩散到第一导电类型的材料中，形成对第一导电类 型材料的第二导电类型的惨杂。
② 所述的第二导电类型的掺杂原子为砷、磷、锑、铋、硫、硒、碲、碘、 硼、铝、钾、铟、铊、锂、钾、钠、铍、镁、钙或银。
③ 所述的沉积含有第二导电类型原子的材料的方法包括化学气相沉积 法、溅射法、原子层沉积法或溶胶—凝胶法。
④ 所述的介质材料的电阻率高于1欧姆，米；所述的双浅沟道隔离的双极 型晶体管阵列用作相变存储器单元选通。
本发明还提供了基于上述两种方法中任一种制造的双浅沟道隔离的双极 型晶体管选通相变存储器的制造方法，包括如下步骤
在所制作的双晶体管阵列上沉积电极材料、相变材料，通过光刻法制造 出存储单元；
通过介质材料的沉积、平坦化，进而光刻法在介质材料上刻出孔洞，从 而将相变存储单元的上电极以及位线公共电极引出，并制造出驱动电路，经 封装后最终形成基本的相变存储阵列。
本发明制作的以双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列选通的相变存储器的 特征在于
① 利用相变材料的可逆相变前后的电阻的差异来实现数据的存储；
② 相变材料具有两个以上可在电信号作用下可逆转换的状态，各个状态
之间具有不同的电阻率；可选择的材料包括Ge-Sb-Te合金、Si-Sb-Te合金、 Ge-Sb、 Si-Sb、 Ag-In-Sb-Te、 Ge-Te、纯Sb以及掺杂Sb等材料、上述各种材 料的混合物以及在上述材料上进行掺杂后获得的材料。
本发明的特点在于不仅避免了昂贵的选择性外延法制造双极型晶体管， 并且也解决了深度离子注入无法注入大浓度的问题。利用了在STI侧壁的原 子扩散对位线进行掺杂，并且通过后续的刻蚀将各个位线有效分隔开。并且 将此发明应用到相变存储器中。
图1A—1P实施例1所示的双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制备步骤。 图2A基于双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的PCRAM存储阵列示意图， 图2B为前图中沿5-5方向的投影。
图3A—3J实施例3的双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制备步骤。
具体实施方式
实施例1
1.在洁净的p型导电衬底11上，利用曝光和刻蚀工艺制造出深度为500纳 米的STI槽14，光刻胶12阻挡住的部分没有被刻蚀，刻蚀之后在硅片上
形成相互分开的突起的线条15;上述加工之后形成线条的截面图如图1A
所示，俯视图如图1B所示。
2. 去胶之后采用化学气相沉积法，在线条15顶部、STI槽14的侧壁和底部 均匀沉积的As玻璃薄膜16;利用化学机械抛光去除线条15上的含As玻 璃层16。得到图形的截面和俯视图如图1C和图1D所示。
3. 用甩胶机在上述基底上旋转涂上光刻胶，光刻胶层18将部分渗入STI槽 14，如图1E所示。
4. 在刻蚀机中利用氧离子轰击基底，将基底表面的光刻胶去除，靠近槽口部 分的胶也被去除，并残留一部分光刻胶19在STI槽中，如图1F所示。
5. 采用刻蚀工艺，把STI槽14槽口的含As玻璃去除，槽下部的含As玻璃 因为光刻胶的保护没有被刻蚀，去除残留光刻胶之后，形成了如图1G所 示的结构。
6. 在真空中进行退火处理，退火温度为1000 °C 6小时，使含As玻璃薄膜 16中的As原子扩散到线条15中，退火扩散完成后，线条15就被As重 掺杂，成为重掺杂的n型半导体，即形成了位线19，并具有较低的电阻 率；如图1G所示，因为STI 14的底部也沉积有含As玻璃，所以在STI 底部也扩散进了众多As原子，使靠近含As玻璃的硅材料具有较低电阻 率，从而使周围相邻的位线全部导通。
7. 采用离子注入法，在位线19的上方注入形成n型轻掺杂的区域20和p型 重掺杂的区域21， 21、 20和19之间就形成了 ？+/11-/11+结构，如图II所示； 经过此步工艺后，图ll中沿l-l方向的投影如图1J所示。
8. 再一次采用光刻法，将原本因As原子扩散而相互电导通的位线19分隔开， 形成如图1K所示的结构。这样位线19之间就完全分开，此时的俯视图 如图1L所示，图1L中沿2-2方向的投影如图1J所示。
9. 通过光刻法在上述位线19的上方制造出各个相互分离的双极型晶体管
(19+20+21)，形成结构的俯视图如图1M所示，图lM中沿3-3方向的 投影如图1N所示，晶体管之间通过较浅的STI22分隔开，此STI的深度 为150nm，故与前面500纳米的STI相比较浅。
10. 介质材料的填充和平坦化工艺，采用填充的介质材料为非晶硅，平坦化方 法为化学机械抛光。
11.进而形成硅化物SixCo层23;用电极引出位线，形成截面如图10所示的 双极型晶体管阵列，在图10中沿4-4方向的投影的俯视图如图1P所示。
基于上述方法制造的双极型晶体管选通的PCRAM器件的制造方法。
1. 制造双极型晶体管阵列的制造方法如实施例1。
2. 在上述得到的双极型晶体管阵列上方依次沉积电极材料24 (TiN30nm)、 相变材料25 (SiSb材料100 nm)和电极材料24 (TiN 30nm)，通过光刻 法制造出存储单元图形。
3. 通过介质材料29的沉积、化学机械抛光平坦化，进而在介质材料上进行 光刻，在介质材料中刻出孔洞，从而将相变存储单元上电极24以及位线 19用金属栓27和26引出，制造出电极28，形成存储阵列，如图2A所 示。图2A中，沿5-5方向的投影如图2B所示。
实施例3
1. 在p型导电的硅衬底30上，用光刻工艺刻蚀出深度为700nm的STI槽32， 并形成了相互分开的线条31，其截面如图3A所示。
2. 用气相沉积法沉积氧化硅33，如图3B所示。
3. 采用回刻工艺，使除了STI槽底部氧化硅的其余部分全被刻蚀去除，如图 3C所示。
4. 化学气相沉积法沉积含磷玻璃34，采用类似与实施例1中3到5条步骤 的方法，去除STI顶部和槽口的含磷玻璃，形成如图3D所示的截面图。
5. 在氩气保护中进行退火处理，退火温度为1100 °C 5小时，使材料中的磷 原子充分扩散到线条31中，形成了重掺杂的位线35，如图3E所示。
6. 回亥U，去除STI槽中的磷玻璃34，如图3F所示。
7. 离子注入，依次形成含磷杂质的36层和含硼杂质的37层，如图3G所示， 磷的注入深度为150纳米；沿6-6方向的投影如图3H所示。
8. 光刻法，在位线上方形成独立的单元，用深度180纳米的STI40将各单元 分隔开，图3H经过加工后就形成了如图3I所示的结构。
9. 通过后续的半导体加工工艺形成相变存储器结构，如图3J所示。图中， 41和42为硅化物SixCo， 43为电极TiN， 44为相变材料GeSbTe， 46和47为W金属栓，48为A1金属导线。 综上所述，本发明提供了一种双浅沟道隔离的双极型晶体管和基于该种 晶体管PCRAM存储器件的制造方法。尽管仅详细描述了某些优选实施例， 但是对于本领域的技术人员显见，在不偏离由所附权利要求界定的本发明的 范围的情形下，可以进行某些改良和变化。
权利要求
1、一种双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制造方法，其特征在于采用下述两种方法中的任一种方法Aa)在第一导电类型的衬底上，制造出互相独立的位线，位线之间通过较深的浅沟道隔离分隔开；b)在步骤a形成的浅沟道隔离的侧壁和底部沉积含有第二导电类型原子的材料；c)覆盖在位线上方和浅沟道隔离的槽口附近的含有第二导电类型原子的材料去除；d)退火处理，使含有第二导电类型原子的材料中的第二导电类型原子扩散到位线中，对位线形成第二导电类型的掺杂；e)采用刻蚀法，将步骤d形成的扩散掺杂而相互导通的位线分隔开，使位线之间电学不导通；f)通过光刻和离子注入法在步骤e形成的电学上不导通的位线上形成双极型晶体管，同一根位线上方的各个双极型晶体管之间通过较浅的浅沟道隔离分隔开；g)最后，通过介质材料的填充和平坦化工艺，形成双极型晶体管阵列；方法Ba)在第一导电类型的衬底上，制造出互相独立的位线，位线之间通过较深的浅沟道隔离分隔开；b)在此步骤a形成的较深的浅沟道隔离的侧壁和底部沉积第二导电类型原子的材料；c)通过回刻工艺，把覆盖在位线上方和较深浅沟道隔离的侧壁的第二导电类型原子的材料去除，在浅沟道隔离的槽底部残留部分第二导电类型原子的材料；d)沉积含有第二导电类型原子的材料，并把覆盖在位线上方和浅沟道隔离的槽口附近的含有第二导电类型原子的材料去除，避免第二导电类型的原子在退火处理过程中过多扩散到位线的顶部；e)退火处理，使含有第二导电类型原子的材料中的第二导电类型原子扩散到位线中，使位线被此由第二导电类型的原子掺杂；f)采用刻蚀法，将较深的浅沟道隔离中含有第二导电类型原子的材料去除；g)通过离子注入和光刻法在上述位线上方形成两层不同导电类型的薄层，与第二导电类型掺杂的位线形成双极型晶体管，同一根位线上方的各个双极型晶体管之间通过较浅的STI分隔开；h)通过介质材料的填充和平坦化，形成双极型晶体管阵列；所述的较深的STI的深度在50纳米到10微米之间；所述的较浅的STI的深度在10纳米到2微米之间；所述的第一导电类型为p型或n型，第二导电类型为n型或p型。
2、 如权利要求1中所述的双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制造方 法，其特征在于所述的第二导电类型的原子为砷、磷、锑、铋、硫、硒、碲、 碘、硼、铝、钾、铟、铊、锂、钾、钠、铍、镁、f!或银。
3、 如权利要求1中所述的双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制造方 法，其特征在于退火处理条件是温度在30(TC到150(TC之间，退火时间在1 分钟到48小时之间，气氛为惰性气氛、氮气或真空。
4、 如权利要求1中所述的双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制造方 法，其特征在于沉积含有第二导电类型原子的材料的方法为化学气相沉积法、 溅射法、原子层沉积法或溶胶一凝胶法。
5、 如权利要求1中所述的双浅沟道隔离的双极型晶体管阵列的制造方 法，其特征在于介质材料的电阻率大于l欧姆，米。
6、 一种由权利要求1至5中任一项所制造的双浅沟道隔离的双极型晶体 管阵列选通的相变存储器的制造方法，其特征在于① 在方法A或方法B制作的双极型晶体管的阵列上沉积电极材料、相 变材料，通过光刻法制造出存储单元；② 通过介质材料的沉积、平坦化，进而用光刻法在介质材料上刻出孔洞， 从而将相变存储单元的上电极以及位线公共电极引出，制造出驱动电路，形 成基本的相变存储器阵列。
7、如权利要求6所述相变材料存储器的制作方法，其特征是相变材料具 有两个以上可在电信号作用下可逆转换的状态，各个状态之间具有不同的电 阻率；所述的相变材料包括Ge-Sb-Te合金、Si-Sb-Te合金、Ge-Sb、 Si-Sb、 Ag-In-Sb-Te、 Ge-Te、纯Sb或掺杂Sb材料以及上述材料上混合或进行惨杂 后获得的材料。
全文摘要
本发明涉及双浅沟道隔离(dual-STI)的双极型晶体管阵列的制造方法，其特征在于制造方法中，避免了选择性外延法，在第一导电类型的衬底上制造形成较深的STI，在STI的侧壁和底部均匀沉积含有易扩散的第二导电类型原子材料；去除沉积在STI槽口附近的含有易扩散的第二导电类型原子材料；退火使上述材料中的第二导电类型原子扩散到位线中，形成对位线的第二导电类型重掺杂；随后通过刻蚀将因第二导电类型原子扩散而相互连接的位线分隔开，使位线之间电学不导通；通过离子注入和光刻在上述独立位线上方形成独立的双极型晶体管，同一位线上的晶体管并用较浅的STI分隔开。本发明还包含基于上述双浅沟道隔离双极型晶体管选通的相变存储器的制造方法。
文档编号H01L21/768GK101339921SQ20081004151
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年8月8日
发明者万旭东, 波 刘, 宋志棠, 封松林, 挺 张, 陈邦明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所