专利名称：双层相变电阻以及相变存储器的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种形成相变存储器中双层相变电阻的方法，形成相变存储器的方法。
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 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。图Ia 图Ic为现有技术的形成双层相变电阻的方法的剖面结构示意图，现有技术中形成双层GST相变电阻的方法为参考图la，提供基底10，所述基底10上形成有第一层相变电阻11，所述第一层相变电阻11上形成有介质层12。参考图lb，图形化所述介质层12，用干法刻蚀在所述介质层12形成开口 13，该开口 13暴露出所述第一层相变电阻11。 参考图lc，用GST相变材料沉积在所述介质层12上，并填充所述开口 13形成第二层相变电阻14。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14。第二层相变电阻 14与第一层相变电阻11的连接部(即填充在开口 13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13关键尺寸(CD)，而获得关键尺寸小的开口 13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，导致连接部的关键尺寸很难缩小。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；在所述第一开口的侧壁形成相变电阻，且所述相变电阻围成第二开口 ；在所述第二开口内填充第二介质层；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、所述相变电阻以及第二介质层。可选的，所述第一开口的特征尺寸为40nm 50nm。可选的，所述第一开口侧壁的相变电阻的厚度小于150埃。可选的，在所述第一开口的侧壁形成相变电阻包括利用磁控溅射方法形成相变电阻，覆盖所述第一介质层的表面以及第一开口的侧壁；去除所述第一介质层表面的相变电阻。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，所述在所述第一开口的侧壁形成相变电阻包括形成相变电阻，覆盖所述第一介质层的表面以及第一开口的侧壁；去除所述第一介质层表面的相变电阻。可选的，在所述第二开口内形成第二介质层包括形成第二介质层，覆盖所述第一介质层、相变电阻的表面且填充所述第二开口 ；去除所述第一介质层、相变电阻表面的第二介质层。可选的，所述形成第二层相变电阻的方法为磁控溅射。可选的，所述第一层相变电阻、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，其特征在于， 所述双层相变电阻的形成方法为以上所述的方法。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，在第一开口侧壁形成相变电阻，且所述相变电阻围成第二开口 ；在第二开口内形成第二介质层；形成第二层相变电阻，覆盖所述第一介质层、所述相变电阻以及第二介质层。由于在第一开口的侧壁形成相变电阻的厚度容易控制，因此可以形成关键尺寸小的第一开口侧壁的相变电阻， 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，在所述第一开口的侧壁形成相变电阻的方法为利用磁控溅射方法形成相变电阻，覆盖所述第一介质层的表面以及第一开口的侧壁；去除所述第一介质层表面的相变电阻。可以通过控制气相沉积的时间控制第一开口侧壁的相变电阻的厚度。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Ia 图Ic为现有技术的形成双层相变电阻的方法的剖面结构示意图；图2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3a 图3g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相变电阻，且该相变电阻围成第二开口，该相变电阻作为第一层相变电阻和第二层相变电阻的连接部；在第二开口内形成第二介质层；形成第二层相变电阻，覆盖所述第一介质层、相变电阻以及第二介质层。由于在第一开口的侧壁形成相变电阻的厚度容易控制，因此可以形成关键尺寸小的第一开口侧壁的相变电阻，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2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2，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，在所述第一开口的侧壁形成相变电阻，且所述相变电阻围成第二开口 ；步骤S4，在所述第二开口内形成第二介质层；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、所述相变电阻以及第二介质层。图3a 图3g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2与图3a 图3g详细说明本发明具体实施方式
的双层相变电阻的形成方法。结合参考图2与图3a，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，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。 在本发明具体实施例中，利用磁控溅射方法溅射锗-锑-碲合金，也可以为本领域技术人员公知的其他技术。结合参考图2与图北，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，其特征尺寸，即直径范围为40nm 50nm。结合参考图2与图3c、图3d，执行步骤S3，在所述第一开口的侧壁形成相变电阻 331，且所述相变电阻围成第二开口 322。具体形成方法包括利用气相沉积方法形成相变电阻，覆盖所述第一介质层32的表面以及第一开口的侧壁；去除所述第一介质层32表面的相变电阻。参考图3c，在本发明具体实施例中，利用磁控溅射方法，沉积相变电阻33，覆盖所述第一介质层32的表面以及第一开口的侧壁、底部(图示中没有示出底部的相变电阻)， 侧壁的相变电阻331作为第一层相变电阻31和之后形成的第二层相变电阻的连接部，对应的第一开口 321(结合参考图3b)转变为第二开口 322，该第二开口 322为侧壁的相变电阻 331围成的开口。在本发明具体实施例中，利用气相沉积中的磁控溅射方法溅射锗-锑-碲形成相变电阻33，在其他实施例中，也可以为本领域公知的其他沉积方法。参考图3d，去除第一介质层32表面的相变电阻，在本发明的具体实施例中，可以使用化学机械研磨去除第一介质层32表面的相变电阻，侧壁的相变电阻331围成了第二开口 322。可以将底部的相变电阻去除，也可以不去除，对形成的双层相变电阻的性能影响较小。第一开口侧壁的相变电阻331的厚度小于150埃。可以通过沉积的时间控制相变电阻331的厚度，因此控制相变电阻331的工艺容易控制，从而可以控制沉积时间使相变电阻 331的厚度，也就是控制第一层相变电阻和之后形成的第二层相变电阻的连接部的关键尺寸。工艺简单，容易实现。在相变电阻331的厚度控制在小于150埃的范围内时，可以提高 PCRAM器件的性能。并且可以降低复位(reset)电流，提高设置速度(set speed)。在本发明的具体实施例中，所述相变电阻331的材料为锗-锑-碲，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相变电阻331。结合参考图2与图3e、图3f，执行步骤S4,在所述第二开口内形成第二介质层 341。具体的，在所述第二开口内形成第二介质层341的方法包括形成第二介质层，覆盖所述第一介质层、相变电阻的表面且填充所述第二开口 ；去除所述第一介质层、相变电阻表面的第二介质层。参考图!Be，形成第二介质层34，覆盖所述第一介质层32、相变电阻331的表面且填充所述第二开口 322。具体方法为，利用气相沉积方法，例如化学气相沉积，沉积形成第二介质层34。在本发明具体实施例中，第二介质层34的材料为氧化硅，其形成方法为化学气相沉积。第二介质层34的材料也可以为本领域技术人员公知的其他材料，例如氟硅玻璃。参考图3f，去除所述第一介质层32、相变电阻331表面的第二介质层，保留第二开口内的第二介质层341。在本发明具体实施例中，用化学机械研磨去除所述第一介质层32、 相变电阻331表面的第二介质层。结合参考图2与图3g，执行步骤S5，形成第二层相变电阻35，所述第二层相变电阻 35覆盖所述第一介质层32、所述相变电阻331以及第二开口内的第二介质层341。在该具体实施例中，第二层相变电阻35的材料为锗-锑-碲(GST，Ge2Sb2Te5),形成第二层相变电阻35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、所述相变电阻331以及第二开口内的第二介质层341表面上形成第二层相变电阻，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。在本发明具体实施例中，第二层相变电阻35的材料为锗-锑-碲(GST，GeSbTe)，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相变电阻331。而且，在其他实施例中，形成第二层相变电阻35的方法也可以为本领域人员公知的其他方法。完成以上步骤后，即形成了双层相变电阻，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35，以及连接第一层相变电阻31和第二层相变电阻35的相变电阻 331。相变电阻331也就是第一层相变电阻31和第二层相变电阻的连接部为环状。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。综上所述，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，在第一开口侧壁形成相变电阻，且所述相变电阻围成第二开口 ；在第二开口内形成第二介质层；形成第二层相变电阻，覆盖所述第一介质层、所述相变电阻以及第二介质层。由于在第一开口的侧壁形成相变电阻的厚度容易控制，因此可以形成关键尺寸小的第一开口侧壁的相变电阻，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，可以降低复位电流，提高设置速度。在本发明的具体实施例中，在所述第一开口的侧壁形成相变电阻的方法为利用气相沉积方法中的磁控溅射方法形成相变电阻，覆盖所述第一介质层的表面以及第一开口的侧壁；去除所述第一介质层表面的相变电阻。可以通过控制磁控溅射的时间控制第一开口侧壁的相变电阻的厚度。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。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；在所述第一开口的侧壁形成相变电阻，且所述相变电阻围成第二开口 ； 在所述第二开口内填充第二介质层；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、所述相变电阻以及第二介质层。
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，所述第一开口的特征尺寸为40nm 50nmo
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，所述第一开口侧壁的相变电阻的厚度小于150埃。
4.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，在所述第一开口的侧壁形成相变电阻包括利用磁控溅射方法形成相变电阻，覆盖所述第一介质层的表面以及第一开口的侧壁； 去除所述第一介质层表面的相变电阻。
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。
6.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，所述在所述第一开口的侧壁形成相变电阻包括形成相变电阻，覆盖所述第一介质层的表面以及第一开口的侧壁； 去除所述第一介质层表面的相变电阻。
7.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，在所述第二开口内形成第二介质层包括形成第二介质层，覆盖所述第一介质层、相变电阻的表面且填充所述第二开口 ； 去除所述第一介质层、相变电阻表面的第二介质层。
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，所述形成第二层相变电阻的方法为磁控溅射。
9.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、 相变电阻和第二层相变电阻的材料为锗-锑-碲。
10.一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 9任一项所述的方法。
全文摘要
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；在所述第一开口的侧壁形成相变电阻，且所述相变电阻围成第二开口；在所述第二开口内形成第二介质层；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、所述相变电阻以及第二介质层。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H01L45/00GK102479922SQ201010560429
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者李凡, 洪中山 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司