专利名称：双层相变电阻及其形成方法、相变存储器及其形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种形成相变存储器中双层相变电阻的方法、双层相变电阻，形成相变存储器的方法、相变存储器。
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 Random Access 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。关于相变存储器的详细描述可以参考公开号为CN101523505A 的中国专利文献公开的“具有双层底部电极的相变存储器”。现有技术中，具有双层相变电阻的相变存储器，在PCRAM存储单元传统结构的加热层和底部电极之间插入一层存储介质GST，设计出含双层GST相变电阻的PCRAM存储单元结构。含双层GST相变电阻的新型结构一方面实现了存储单元与CMOS晶体管的热兼容，增强了器件的稳定性；另一方面，将复位(reset)电流减小到0. 5mA，降低了器件功耗。现有技术中形成双层GST相变电阻的方法为提供基底，所述基底上形成有第一层相变电阻，所述第一层相变电阻上形成介质层。图形化所述介质层，用干法刻蚀在所述介质层形成开口，该开口暴露出所述介质层。用GST相变材料沉积在所述介质层上，并填充所述开口。之后利用刻蚀工艺刻蚀沉积的相变材料形成第二层相变电阻。第二层相变电阻与第一层相变电阻的连接部(即填充在开口内的相变材料)的关键尺寸(CD)影响相变存储器的复位性能。连接部的关键尺寸取决于开口的关键尺寸(CD)，而获得关键尺寸小的开口的工艺困难，这将阻碍相变存储器的进一步发展。
发明内容
本发明解决的问题是形成双层相变电阻时，获得关键尺寸小的开口工艺困难。为解决上述问题，本发明提供一种双层相变电阻的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有第一层相变电阻；在所述第一层相变电阻上形成具有第一开口的第一介质层，所述第一开口暴露出所述第一层相变电阻；形成第二介质层，覆盖所述第一开口的侧壁，且所述第二介质层围成第二开口 ；
在所述第二开口内形成第三介质层，且所述第三介质层与所述第二介质层之间形成有环形开口；形成第二层相变电阻，所述第二层相变电阻覆盖所述第一介质层、第二介质层、第三介质层且填充所述环形开口。可选的，所述在所述第一层相变电阻上形成具有第一开口的第一介质层包括在所述第一层相变电阻上形成第一介质层；光刻、刻蚀所述第一介质层形成第一开口。可选的，所述第二介质层的材料为氮化硅。可选的，所述形成第二介质层的方法为化学气相沉积。可选的，所述在所述第二开口内形成第三介质层，且所述第三介质层与所述第二介质层之间形成有环形开口包括在所述第二开口的侧壁形成侧墙；形成第三介质层，覆盖所述第一介质层、第二介质层、所述侧墙并填满所述第二开 Π ；平坦化所述第三介质层至暴露出所述第二介质层；去除所述侧墙，在所述第三介质层与所述第二介质层之间形成环形开口。可选的，所述侧墙的材料为非晶碳。可选的，所述在所述第二开口的侧壁形成侧墙的方法为化学气相沉积方法。可选的，所述第一层相变电阻和第二层相变电阻的材料为锗-锑-碲。本发明还提供一种相变存储器的形成方法，包括形成双层相变电阻，所述形成双层相变电阻的方法为以上所述的方法。本发明还提供一种双层相变电阻，包括第一层相变电阻和第二层相变电阻，所述第二层相变电阻包括连接部，与所述第一层相变电阻连接，所述连接部为环状。本发明还提供一种相变存储器，包括双层相变电阻，所述双层相变电阻包括第一层相变电阻和第二层相变电阻，所述第二层相变电阻包括连接部，与所述第一层相变电阻连接，所述连接部为环状。本发明还提供一种相变存储器，包括用以上所述的方法形成的双层相变电阻。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明通过在第一层相变电阻上形成具有第一开口的第一介质层，该在第一开口侧壁形成第二介质层，第二介质层围成第二开口 ；在第二开口内形成第三介质层，且所述第三介质层与所述第二介质层之间形成有环形开口 ；形成第二层相变电阻，覆盖所述第一介质层、第二介质层、第三介质层且填充所述环形开口。通过这样的方法容易形成关键尺寸小的环形开口，从而可以确保第二层相变电阻和第一层相变电阻的连接部的关键尺寸小，提高PCRAM的性能，可以降低复位(reset)电流，提高设置速度(set speed)。在本发明的具体实施例中，在第二开口内形成第三介质层，且第三介质层与第二介质层之间形成有环形开口包括在所述第二开口的侧壁形成侧墙；沉积介电材料形成第三介质层，覆盖所述第二介质层、所述侧墙并填满所述第一开口 ；平坦化所述第三介质层至暴露出所述第二介质层；去除所述侧墙，在所述第三介质层与所述第二介质层之间形成环形开口。该具体实施例中的工艺简单易行，而且环形开口的关键尺寸通过侧墙的厚度控制，容易实现。
图1为本发明具体实施方式
的双层相变电阻的形成方法的流程图；图加 图池为本发明具体实施例的双层相变电阻的形成方法的剖面结构示意图。
具体实施例方式本发明具体实施方式
的双层相变电阻的形成方法，通过在第一层相变电阻上形成具有第一开口的第一介质层，在第一开口的侧壁形成第二介质层，第二介质层围成第二开口 ；在第二开口内形成第三介质层，且所述第三介质层与所述第二介质层之间形成有环形开口 ；形成第二层相变电阻，覆盖所述第一介质层、第二介质层第三介质层且填充所述环形开口。开口内填充的相变电阻为第二层相变电阻与第一层相变电阻的连接部，通过这样的方法容易形成关键尺寸小环形开口，从而可以确保第二层相变电阻和第一层相变电阻的连接部的关键尺寸小，提高PCRAM的性能。图1为本发明具体实施方式
的双层相变电阻的形成方法的流程图，参考图1，本发明具体实施方式
的双层相变电阻的形成方法包括步骤Si，提供基底，所述基底上形成有第一层相变电阻；步骤S2，在所述第一层相变电阻上形成具有第一开口的第一介质层，所述第一开口暴露出所述第一层相变电阻；步骤S3，形成第二介质层，覆盖所述第一开口的侧壁，且所述第二介质层围成第二开口 ；步骤S4，在所述第二开口内形成第三介质层，且所述第三介质层与所述第二介质层之间形成有环形开口；步骤S5，形成第二层相变电阻，所述第二层相变电阻覆盖所述第一介质层、第二介质层、第三介质层且填充所述环形开口。图加 图池为本发明具体实施例的双层相变电阻的形成方法的剖面结构示意图，结合参考图1与图加 图池详细说明本发明具体实施例的双层相变电阻的形成方法。结合参考图1与图2a，执行步骤Si，提供基底30，所述基底30上形成有第一层相变电阻31。基底30包括衬底(图中未标)，衬底的材料可以为单晶硅(Si)、单晶锗(Ge)、 或硅锗(GeSi)、碳化硅(SiC)；也可以是绝缘体上硅(SOI)，绝缘体上锗(GOI)；或者还可以为其它的材料，例如砷化镓等III-V族化合物。在衬底和第一层相变电阻31之间形成有晶体管(图中未示)，该晶体管用来给第一层相变电阻以及之后形成的第二层相变电阻提供电流。在本发明具体实施例中，第一层相变电阻31的材料为锗-锑-碲(GST)，在其他实施例中也可以使用周期表中V族或VI族的一种或一种以上元素的合金作为第一层相变电阻 31。结合参考图1与图2b，执行步骤S2，在所述第一层相变电阻31上形成具有第一开口 321的第一介质层32，所述第一开口 321暴露出所述第一层相变电阻31。在本发明具体实施例中，在所述第一层相变电阻31上形成具有第一开口 321的第一介质层32包括在所述第一层相变电阻上形成第一介质层；光刻、刻蚀所述第一介质层形成第一开口 321。在本发明的该具体实施例中，第一介质层的材料为氧化硅，在其他实施例中，第一介质层的材料也可以为本领域技术人员公知的其他绝缘层材料。第一开口 321在本发明具体实施例中为圆孔形开口，其直径范围为80nm 200nm。结合参考图1与图2c，执行步骤S3，形成第二介质层33，覆盖所述第一开口 321的侧壁，所述第二介质层33围成第二开口 322。在本发明的该具体实施例中，所述第二介质层 33的材料为氮化硅，在所述第一开口 321的侧壁形成氮化硅材料的第二介质层的方法为化学气相沉积，具体方法为利用化学气相沉积方法在第一开口 321的侧壁以及第一介质层 32的表面形成氮化硅层，氮化硅层的厚度范围20nm 150nm，然后利用刻蚀去除第一介质层32表面的氮化硅，剩余第一开口 321侧壁的氮化硅，从而形成环形的第二介质层33。在具体实施例中，氮化硅层的厚度根据第一开口的直径做相应的调整，做到刻蚀的氮化硅工艺完成后，第二开口 322的直径在40nm lOOnm。结合参考图1与图2d、图2e、图2f、图2g，执行步骤S4，在所述第二开口 322内形成第三介质层35，且所述第三介质层35与所述第二介质层33之间形成有环形开口 36。在本发明具体实施例中，在所述第二开口 322内形成第三介质层35，且所述第三介质层35与所述第二介质层33之间形成有环形开口 36具体为参考图2d，在所述第二介质层33的侧壁或者说第二开口 322的侧壁(可参考图2c)形成侧墙34;参考图加，形成第三介质层35，覆盖所述第一介质层、第二介质层、所述侧墙并填满所述第二开口 322(可结合参考图2c)；参考图2f，平坦化所述第三介质层35至暴露出所述第二介质层33 ；参考图 2g，去除所述侧墙34，在所述第三介质层35与所述第二介质层33之间形成环形开口 36。下面对形成环形开口 36做详细说明。参考图2d，在所述第二介质层33的侧壁形成侧墙34，在该具体实施例中，侧墙34 的材料为非晶碳(amorphous carbon无定型碳)。形成非晶碳侧墙的方法为用化学气相沉积方法在所述第一介质层32的表面、第二介质层33的表面以及侧壁形成非晶碳层，厚度 5nm 30nm，干法刻蚀去除第一介质层32的表面以及第二介质层33的表面的非晶碳，剩余第二介质层33侧壁的非晶碳，从而在第二介质层的侧壁形成侧墙34。参考图加，形成第三介质层35，覆盖所述第一介质层32、第二介质层33、所述侧墙 34并填满所述第二开口 322(结合参考图2c)。在该具体实施例中，第三介质层的材料氧化硅层，利用化学气相沉积形成第三介质层，在本发明的其他实施例中，第三介质层的材料也可以为本领域技术人员公知的其他绝缘材料。参考图2f，平坦化所述第三介质层35至暴露出所述第二介质层33。在该具体实施例中，第一介质层32和第二介质层33等高，平坦化所述第三介质层35至暴露出所述第二介质层33时，也暴露出第一介质层32。参考图2g，去除所述侧墙34，在所述第三介质层35与所述第二介质层33之间形成环形开口 36。在该具体实施例中，侧墙34的材料为非晶碳，利用氧气与非晶碳反应生成二氧化碳气体，即0+C — CO2，去除侧墙34，从而在第三介质层35与所述第二介质层33之间形成环形开口 36，环形开口 36的外径与内径之差由侧墙34的厚度决定，因此可以通过控制形成的侧墙34的厚度来控制环形开口 36的内外径之差，而侧墙34的厚度可以很薄，因此控制环形开口 36的内外径之差可以很小，即环形开口的关键尺寸可以很小。该具体实施例中形成环形开口的工艺简单易行，而且环形开口的关键尺寸通过侧墙的厚度控制，容易实现。结合参考图1与图池，执行步骤S5，形成第二层相变电阻37，所述第二层相变电阻 37覆盖所述第一介质层32、第二介质层33、第三介质层35且填充所述环形开口 36。在该具体实施例中，第二层相变电阻的材料为锗-锑-碲(GST，Ge2Sb2Te5)，形成第二层相变电阻的方法为利用磁控溅射方法溅射锗-锑-碲合金，在所述第一介质层32、第二介质层33、 第三介质层35上以及所述环形开口 36内沉积锗-锑-碲合金，作为第二层相变电阻37。 之后平坦化所述第二层相变电阻，再对其进行刻蚀，可以与第一层相变电阻作为存储单元。填充在环形开口 36内的第二层相变电阻为该第二层相变电阻与第一层相变电阻的连接部371，该连接部371的关键尺寸由环形开口 36的内外径之差决定，由于环形开口的内外径由侧墙的厚度决定，侧墙的厚度可以做的很小，因此环形开口的内外径之差可以做的很小，相应的第二层相变电阻与第一层相变电阻的连接部的关键尺寸可以做的很小，因此可以提高提高PCRAM的性能，可以降低复位(reset)电流，提高设置速度(set speed)。在形成第二层相变电阻后，就形成了双层相变电阻，之后可以在第二层相变电阻上形成金属互连层，形成互连结构。基于本发明的形成双层相变电阻的方法，本发明还提供一种形成相变存储器的方法，包括形成双层相变电阻，所述形成双层相变电阻的方法为以上所述的形成双层相变电阻的方法。参考图池，本发明还提供一种双层相变电阻以及包括该双层相变电阻的相变存储器，所述双层相变电阻包括第一层相变电阻31和第二层相变电阻37，所述第二层相变电阻 37包括连接部371，与所述第一层相变电阻31连接，所述连接部为环状。另外，本发明还提供一种包括用以上所述方法形成的双层相变电阻的相变存储器。以上所述仅为本发明的具体实施例，为了使本领域技术人员更好的理解本发明的精神，然而本发明的保护范围并不以该具体实施例的具体描述为限定范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明精神的范围内，可以对本发明的具体实施例做修改，而不脱离本发明的保护范围。
权利要求
1.一种双层相变电阻的形成方法，其特征在于，包括提供基底，所述基底上形成有第一层相变电阻；在所述第一层相变电阻上形成具有第一开口的第一介质层，所述第一开口暴露出所述第一层相变电阻；形成第二介质层，覆盖所述第一开口的侧壁，且所述第二介质层围成第二开口 ；在所述第二开口内形成第三介质层，且所述第三介质层与所述第二介质层之间形成有环形开口 ；形成第二层相变电阻，所述第二层相变电阻覆盖所述第一介质层、第二介质层、第三介质层且填充所述环形开口。
2.如权利要求1所述的双层相变电阻的形成方法，其特征在于，所述在所述第一层相变电阻上形成具有第一开口的第一介质层包括在所述第一层相变电阻上形成第一介质层；光刻、刻蚀所述第一介质层形成第一开口。
3.如权利要求1所述的双层相变电阻的形成方法，其特征在于，所述第二介质层的材料为氮化硅。
4.如权利要求3所述的双层相变电阻的形成方法，其特征在于，所述形成第二介质层的方法为化学气相沉积。
5.如权利要求1所述的双层相变电阻的形成方法，其特征在于，所述在所述第二开口内形成第三介质层，且所述第三介质层与所述第二介质层之间形成有环形开口包括在所述第二开口的侧壁形成侧墙；形成第三介质层，覆盖所述第一介质层、第二介质层、所述侧墙并填满所述第二开口 ； 平坦化所述第三介质层至暴露出所述第二介质层；去除所述侧墙，在所述第三介质层与所述第二介质层之间形成环形开口。
6.如权利要求5所述的双层相变电阻的形成方法，其特征在于，所述侧墙的材料为非晶碳。
7.如权利要求6所述的双层相变电阻的形成方法，其特征在于，所述在所述第二开口的侧壁形成侧墙的方法为化学气相沉积方法。
8.如权利要求1所述的双层相变电阻的形成方法，其特征在于，所述第一层相变电阻和第二层相变电阻的材料为锗-锑-碲。
9.一种相变存储器的形成方法，包括形成双层相变电阻，其特征在于，所述双层相变电阻的形成方法为权利要求1 8任一项所述的方法。
10.一种双层相变电阻，其特征在于，包括第一层相变电阻和第二层相变电阻，所述第二层相变电阻包括连接部，与所述第一层相变电阻连接，所述连接部为环状。
11.一种相变存储器，包括双层相变电阻，其特征在于，所述双层相变电阻包括第一层相变电阻和第二层相变电阻，所述第二层相变电阻包括连接部，与所述第一层相变电阻连接，所述连接部为环状。
12.一种相变存储器，其特征在于，包括用权利要求1 8任一项所述的方法形成的双层相变电阻。
全文摘要
一种双层相变电阻及其形成方法、相变存储器及其形成方法，其中双层相变电阻的形成方法，包括提供基底，基底上形成有第一层相变电阻；在第一层相变电阻上形成具有第一开口的第一介质层，第一开口暴露出第一层相变电阻；形成第二介质层，覆盖第一开口的侧壁，所述第二介质层围成第二开口；在第二开口内形成第三介质层，且第三介质层与第二介质层之间形成有环形开口；形成第二层相变电阻，第二层相变电阻覆盖第一介质层、第二介质层、第三介质层且填充环形开口。本发明可以确保第二层相变电阻和第一层相变电阻的连接部的关键尺寸小，提高PCRAM的性能，可以降低复位电流，提高设置速度。
文档编号H01L45/00GK102447059SQ201010509349
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者张海洋, 李凡 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司