专利名称：用于完全非晶相变存储器孔隙单元的化学机械抛光停止层的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种相变存储器单元，并且更具体而言，涉及一种用于完全非晶相变存储器孔隙单元的化学机械抛光(CMP)停止层。完全非晶相变存储器孔隙单元意指位于孔隙内的相变材料在重置操作(该重置操作是将存储器单元的状态转化为高阻态的操作)期间完全转化为非晶相，而不会在孔隙空间内遗留部分的结晶相变材料。
背景技术：
高温数据保存是相变存储器的一种理想特性。保存受限于非晶化相变材料的不期望的再结晶。结晶可以发生在非晶-结晶边界处。相变材料内缺乏非晶-结晶边界消除了导致数据丢失的原因。因此，在重置操作期间将所有的相变材料转化为非晶态的相变存储器单元将拥有较好的数据保存特性。在相变存储器中，通过使用电流使相变材料在非晶态与结晶态之间转换来保存数据。电流加热材料，从而使得其在两个状态之间转换。与从结晶态向非晶态的转变相比，从非晶态向结晶态的转变是一种低电流操作(称为重置电流)。 期望能够使重置电流最小化。图IA至图II示出了一种用于制造常规相变存储器孔隙单元1的方法。具体而言， 图IA至图II示出了典型的锁孔转移方法(keyhole transfer method)。在图IA中，提供了底部电极层10及位于该底部电极层10的顶部上的存储器单元层12。底部电极层10包括介电填充层13和位于介电填充层13内的底部电极14，该底部电极14通常是由钨或氮化钛制成。第一介电层15形成于底部电极层10上，并且隔离层16形成于第一介电层15上， 并且第二介电层17形成于隔离层16上。光致抗蚀剂层18形成于第二介电层17上方。形成延伸至第一介电层15的过孔20。在图IB中，移除光致抗蚀剂层18并且使隔离层16凹陷，从而产生出第二介电层17的悬突部分17a和17b。在图IC中，在过孔20中沉积保形膜 22，并且使该保形膜22内缩，从而在过孔20下部区域中形成空隙(S卩，锁孔结构。在图 ID中，使保形膜22凹陷，并且锁孔结构M向下转移至第一介电层15中以形成孔隙26。在图IE中，移除隔离层16、第二介电层17和保形膜22，借此暴露出形成于第一介电层15内的孔隙26。在图IF中，在第一介电层15上方沉积相变材料观，并且在孔隙沈内填充该相变材料观。接着，在图IG中，执行平坦化工艺以移除形成于孔隙沈外部的相变材料观。接着，在图IH中，继而在第一介电层15上方形成顶部电极层30。在图II中，顶部电极层30 继而被蚀刻以形成顶部电极31，该顶部电极31与孔隙沈以及底部电极14电连通。图IA至图II所示的制造方法有若干问题。例如，在蚀刻孔隙沈，并且移除隔离层 16、第二介电层17和保形膜22之后，为了确保相变材料观和底部电极14之间充分导电， 在沉积相变材料观之前使用溅射工艺。如图IF所示，溅射工艺增加锥角26a和^b，并且使得孔隙26的顶角26c变圆。孔隙沈越圆，使相变存储器孔隙单元1变为完全非晶所需的重置电流就越高。如果孔隙沈过圆，则单元1可能无法变为完全非晶
发明内容
本发明提供一种相变存储器孔隙单元及其制造方法，其中牺牲层作用为吸收由在执行相变材料沉积前执行的溅射工艺所造成的孔隙角圆化效应的层，并且用作可控CMP停止层。因此，本发明提供一种改进的相变存储器孔隙结构。根据本发明的一个实施例，提供一种制造相变存储器孔隙单元的方法。该方法包括形成底部电极；在底部电极上形成第一介电层；在第一介电层上形成牺牲层；在牺牲层上形成隔离层；以及在隔离层上形成第二介电层。该方法还包括形成位于底部电极上方的过孔，该过孔延伸至牺牲层；蚀刻穿过该牺牲层至第一介电层，从而形成限定为延伸通过牺牲层和第一介电层的孔隙；在牺牲层上及孔隙内沉积相变材料，并且移除形成于孔隙外部的相变材料；移除牺牲层以暴露出孔隙，该孔隙是垂直对准的；以及在孔隙上方形成顶部电极。根据本发明的另一实施例，提供一种相变存储器孔隙单元。该相变存储器孔隙单元包括底部电极层，其包括底部电极；以及存储器单元层，其形成于底部电极层的顶部上。该存储器单元层包括介电层，其形成于底部电极层上方；以及顶部电极，其形成于介电层上，该顶部电极与底部电极隔开。介电层包括孔隙，该孔隙垂直对准并且由顶部电极和底部电极界定，该孔隙与顶部电极和底部电极电连通并且包括可在电特性状态之间转换的相变材料。根据本发明的另一实施例，提供一种相变存储器器件。该相变存储器器件包括 一个或多个相变存储器元件；底部电极，其与一个或多个相变存储器元件中的每一个接触； 以及顶部电极，其与一个或多个相变存储器元件中的每一个接触并且与底部电极隔开。每个相变存储器元件均包括介电层，该介电层形成于底部电极上方，该介电层包括孔隙，该孔隙垂直对准并且由顶部电极与底部电极界定，该孔隙与顶部电极和底部电极电连通；并且包括可在电特性状态之间转换的相变材料。通过本发明的技术，实现了附加的一些特征和优势。在此详细描述了本发明的其它一些实施例和方面，它们被视为本发明的权利要求书的一部分。为了更好地理解本发明及其优势和特征，参见说明以及附图。
被视为本发明的主题在本说明书结尾之后的权利要求书中具体指出以及清楚界定。本发明的前述和其它一些特征以及优势通过下面结合所附附图的详细描述而变得显而易见，其中图IA至图II是示出了用于制造常规相变存储器孔隙单元的制造方法的图。图2A至图2 J是示出了可以在本发明的一些实施例中实施的用于制造相变存储器孔隙单元的制造方法的图。
具体实施例方式现在参见图2A至图2J，本发明提供一种用于根据本发明一个实施例制造相变存储器孔隙单元100的制造方法。在图2A中，存储器孔隙单元100包括底部电极层101以及在底部电极层101的顶部上的存储器单元层102。底部电极层101包括介电填充层103(通常由二氧化硅制成)以及位于介电填充层103内的底部电极104(通常由钨(W)或氮化钛(TiN)制成)。存储器单元层102包括在底部电极层101的上表面上的第一介电层105(即， 分离层)。第一介电层105可以由氮化硅制成，并且是使用常规薄膜沉积技术所形成。本发明并不限于使用氮化硅，而是可以使用其它介电材料，诸如二氧化硅。在第一介电层105上形成牺牲层106。根据本发明的一个实施例，牺牲层106可以由介电材料形成，诸如在200 V 的工艺温度下形成的氮化硅。牺牲层106具有预定厚度，其范围从约10纳米至约50纳米。 本发明并不限于氮化硅，而是可以使用其它介电材料，诸如硅或二氧化硅。在牺牲层106上形成包括二氧化硅的隔离层107，并且在隔离层107上形成第二介电层110。第二介电层110例如由氮化硅制成。在第二介电层110上方形成光致抗蚀剂层 112。接着，通过光刻工艺形成穿透光致抗蚀剂层112、第二介电层110、隔离层107至牺牲层106的过孔114，从而使得过孔114在底部电极103上方延伸。牺牲层106作用为该操作期间的蚀刻停止层。底部电极103延伸穿过介电填充层102至诸如晶体管或二极管型隔离器件(未示出)之类的隔离器件。如当前实施例所示，第一介电层105是单一分离层，然而根据本发明的备选实施例，第一介电层105可以包括两层。图2B示出制造工艺的下一个阶段。具体而言，图2B是示出了可以在本发明实施例中实施的相变存储器孔隙单元的隔离层107的凹陷操作的图。在图2B中，移除光致抗蚀剂层112并且使得隔离层107凹陷(即，利用选择性蚀刻工艺(例如应用稀释BOE(缓冲氧化蚀刻剂)或氢氟酸)相对于第二介电层110回蚀从而移除二氧化硅)，借此产生第二介电层110的悬突部分IlOa和110b。使用典型的剥离技术来移除光致抗蚀剂层112。图2C示出了制造工艺的下一个阶段。具体而言，图2C是示出了可以在本发明实施例中实施的、在相变存储器孔隙单元内沉积保形膜的图。如图2C所示，使用化学气相沉积(CVD)在过孔114内形成包括非晶硅的保形膜116，并且使保形膜116内缩以在过孔114 下部区域中形成空隙(即，锁孔结构118)。锁孔结构118的尺寸取决于隔离层107相对于第二介电层110的凹陷量。可以使用其它一些过程来沉积保形膜116，这些技术诸如原子层沉积、物理层沉积、低压化学气相沉积(LPCVD)或高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)寸。在图2D中，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺使保形膜116凹陷，并且使锁孔结构118 向下转移至第一介电层105内以形成孔隙120。S卩，保形膜116具有由锁孔结构118的宽度决定的开口。如图所示，使用保形膜116蚀刻第一介电层105，借此暴露出底部电极103的
上表面。在图2E中，经由湿法蚀刻工艺来移除隔离层107和保形层116。因此，暴露出形成于牺牲层106和第一介电层105内的孔隙120。如图2E所示，在移除隔离层107、第二介电层110和保形层116之后，孔隙120的高度相当于牺牲层106的高度与第一介电层105的高度的总和。图2F是示出了可以在本发明实施例中实施的、在相变存储器孔隙单元中沉积相变材料的操作的图。在电沉积相变材料122之前，执行溅射工艺以确保相变材料122和底部电极103之间充分导电。根据本发明的一个实施例，由于该溅射工艺所致，顶角的圆化及锥角发生在牺牲层106中而非在第一介电层105中。因此，根据本发明的一个实施例，牺牲层106作用为吸收可能由溅射工艺造成的孔隙角圆化效应的层。如图2F所示，在牺牲层 106上方沉积相变材料122，并且使相变材料122填充该孔隙120。相变材料122是通过施加能量而可在电特性状态之间转换的材料。根据本发明的一个实施例，相变材料122可以由锗-锑-碲化物(GeSbTe)或以下合金之一构成镓(Ga)/Sb、铟(In)/Sb、In/硒(Se)、 Sb/Te、Ge/Te、In/Sb/Te、Ga/Se/Te、Sn/Sb/Te、In/Sb/Ge、银(Ag)/In/Sb/Te、Ge/Sb/Se/Te、 Te/Ge/Sb/硫(S)。可以使用各种各样的合金组成。根据本发明的一个实施例，与上掩模层(即，隔离层107和第二介电层110)相比， 牺牲层106具有选择性的湿法蚀刻速率。根据本发明的一个实施例，在工艺温度约200°C下由氮化硅(SiN)形成牺牲层106，而在工艺温度约400°C下由氮化硅形成第一介电层105。 然而，本发明并不限制于此，而是可以相应改变。图2G是示出了可以在本发明实施例中实施的、在相变存储器孔隙单元制造期间执行的平坦化操作的图。在图2G中，执行诸如化学机械抛光(CMP)操作之类的平坦化操作 (即，第一 CMP停止工艺)以移除孔隙120外部的相变材料122，从而留下填充有相变材料 122的孔隙120。牺牲层106在操作期间作用为CMP停止层。牺牲层106由具有比所选相变材料122更慢的CMP速率并且具有比含有孔隙120的第一介电层105更高的CMP速率的材料制成。当第一介电层105与牺牲层106两者均含氮化硅时，这产生更耐用的CMP停止层。在图2H中，执行第二 CMP停止工艺以移除牺牲层106。第二 CMP停止工艺温和地抛光除去牺牲层106，并且留下第一介电层105。如图2H所示，孔隙120是垂直对准，这降低了将相变存储器孔隙单元100转变为完全非晶态所需的重置电流量。根据本发明的一个实施例，孔隙120具有均勻宽度。孔隙120的均勻宽度介于约1纳米至约40纳米之间。根据本发明的一个实施例，孔隙120包括实质上垂直的侧壁120a和120b。根据一个实施例， 侧壁120a和120b中的每个的角度范围是从约75度至约90度。如进一步示出的那样，由于第二 CMP停止工艺所致，孔隙120的高度与第一介电层105的高度相同。本发明的孔隙 120具有改进的轮廓，即，相比常规技术的轮廓具有较少的角圆化以及更为垂直的对准。图21示出了制造工艺的下一个阶段。具体而言，在图21中，在存储器孔隙单元 100上方形成顶部电极层124。根据本发明的一个实施例，顶部电极层IM例如由氮化钛形成。在图2J中，继而图案化顶部电极层IM用于隔离，借此形成顶部电极126。孔隙120与顶部电极126和底部电极103直接接触。本发明提供由于运用牺牲层的制造方法而具有改进的垂直孔隙结构的相变存储器孔隙单元，该牺牲层作用为吸收通常由在沉积相变材料前执行的溅射操作的性能所造成的孔隙角圆化效应的层。此外，该牺牲层还用作可控CMP停止层。在此所用的术语仅是为了描述特定实施例，并且并不意图限制本发明。如在此所使用的那样，除非上下文中清楚表示其它情况，单数形式“一”、“一个”以及“该”旨在还包括复数形式。可以进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”及/或“包含”表明所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一种或多种其它特征、整体、 步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或加入。在下面的权利要求书中的对应的结构、材料、动作以及所有装置或步骤加功能元素的等同物旨在包括用于如明确要求的那样结合其它请求保护的元素执行该功能的任何结构、材料或动作。已为了说明及叙述的目的呈现了本发明的描述，但其并不旨在详尽无疑或将本发明限制于所公开形式。对本领域普通技术人员而言，在不背离本发明范围及精神的前提下，许多修改和变化是显而易见的。选择并描述该实施例是为了对本发明的原理和实际应用做出最佳说明，并使其它本领域普通技术人员能够在适于所构思的特定用途的具有各种修改的各种实施例层面上了解本发明。在此所描述的流程图仅是一个示例。在不偏离本发明精神的前提下，该流程图或其中所述的步骤(或操作)可能有许多变化。例如，可以以不同顺序执行步骤，或者可以增加、删除或修改步骤。所有这些变化均被视为所请求保护的发明的一部分。虽然已描述过本发明的优选实施例，但是可以理解，本领域技术人员无论是目前或是未来都可以做出落入随附权利要求的范围内的各种改进及强化。应该将这些权利要求解读为保持对最初描述的发明的适当保护。
权利要求
1.一种用于制造相变存储器孔隙单元的方法，所述方法包括 形成底部电极；在所述底部电极上形成第一介电层； 在所述第一介电层上形成牺牲层； 在所述牺牲层上形成隔离层； 在所述隔离层上形成第二介电层；形成位于所述底部电极上方的过孔，所述过孔延伸至所述牺牲层； 蚀刻穿过所述牺牲层至所述第一介电层，以形成限定为延伸穿过所述牺牲层和所述第一介电层的孔隙；在所述牺牲层上以及所述孔隙内沉积相变材料，并且移除形成于所述孔隙外部的相变材料；移除所述牺牲层以露出所述孔隙，所述孔隙垂直对准；以及在所述孔隙上方形成顶部电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在移除位于所述孔隙外部的相变材料时，所述牺牲层作用为化学机械抛光停止层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一介电层由氮化硅形成，所述牺牲层由氮化硅形成，并且所述第二介电层由氮化硅形成，所述隔离层由二氧化硅形成。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在工艺温度约200°C下由氮化硅形成所述牺牲层， 而在工艺温度约400°C下由氮化硅形成所述第一介电层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中经由化学机械抛光操作来移除所述牺牲层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述牺牲层具有比所述相变材料更慢的化学机械抛光速率，并且具有比含有所述孔隙的第一介电层更快的化学机械速率。
7.根据权利要求3所述的方法，其中形成过孔还包括使用蚀刻操作使围绕所述过孔的所述隔离层凹陷，并且在所述第二介电层内产生悬突部分；在所述过孔内沉积保形膜，并且导致在所述过孔的下部区域内形成锁孔结构；以及蚀刻所述锁孔结构穿过所述牺牲层和所述第一介电层，暴露出所述底部电极，以形成所述孔隙。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述孔隙与所述顶部电极和所述底部电极直接接触。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述孔隙具有均勻宽度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述孔隙的均勻宽度介于约1纳米和40纳米之间。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述孔隙包括实质上垂直的多个侧壁，每个侧壁具有范围从约75度至约90度的角度。
12.—种相变存储器孔隙单元，包括 底部电极层，其包括底部电极；以及存储器单元层，其形成于所述底部电极层的顶部上，所述存储器单元层包括 介电层，其形成于所述底部电极层上方；顶部电极，其形成于所述介电层上方，所述顶部电极与所述底部电极隔开；所述介电层包括孔隙，所述孔隙垂直对准并且由所述顶部电极与所述底部电极界定， 所述孔隙与所述顶部电极和所述底部电极电连通，并且包括可在电特性状态之间转换的相变材料。
13.根据权利要求12所述的相变存储器孔隙单元，其中所述孔隙与所述顶部电极和所述底部电极直接接触。
14.根据权利要求13所述的相变存储器孔隙单元，其中所述孔隙具有均勻宽度。
15.根据权利要求14所述的相变存储器孔隙单元，其中所述孔隙的均勻宽度介于约1 纳米和约40纳米之间。
16.根据权利要求13所述的相变存储器孔隙单元，其中所述孔隙包括实质上垂直的多个侧壁，每个侧壁具有范围从约75度至约90度的角度。
17.根据权利要求13所述的相变存储器孔隙单元，其中所述孔隙的高度与所述介电层的高度相同。
18.一种存储器器件，包括一个或多个相变存储器元件；底部电极，其与所述一个或多个相变存储器元件中的每个接触；以及顶部电极，与所述一个或多个相变存储器元件的每个接触并与所述底部电极隔开，每个相变存储器元件包括介电层，形成于所述底部电极上方，所述介电层包括孔隙，所述孔隙垂直对准并且由所述顶部电极与所述底部电极界定，所述孔隙与所述顶部电极和所述底部电极电连通并且包括可在电特性状态之间转换的相变材料。
19.根据权利要求18所述的相变存储器器件，其中所述孔隙与所述顶部电极和所述底部电极直接接触。
20.根据权利要求19所述的相变存储器器件，其中所述孔隙具有均勻宽度。
21.根据权利要求20所述的相变存储器器件，其中所述孔隙的均勻宽度介于约1纳米和约40纳米之间。
22.根据权利要求19所述的相变存储器器件，其中所述孔隙包括实质上垂直的多个侧壁，每个侧壁具有范围从约75度至约90度的角度。
23.根据权利要求19所述的相变存储器器件，其中所述孔隙的高度与所述介电层的高度相同。
全文摘要
一种用于制造相变存储器孔隙单元的方法，其包括形成底部电极；在底部电极上形成第一介电层；在第一介电层上形成牺牲层；在牺牲层上形成隔离层；以及在隔离层上形成第二介电层。该方法还包括形成位于底部电极上方的过孔，该过孔延伸至牺牲层；蚀刻穿过牺牲层至第一介电层以形成限定为延伸通过牺牲层与第一介电层的孔隙；在牺牲层上和在孔隙内沉积相变材料，并且移除形成于孔隙外部的相变材料；移除牺牲层以暴露出孔隙，该孔隙垂直对准；以及在孔隙上方形成顶部电极。
文档编号H01L21/02GK102473597SQ201080036669
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月29日 优先权日2009年8月28日
发明者C·H·拉姆, M·J·布赖特维希 申请人:国际商业机器公司