專(zhuān)利名稱(chēng)：相變存儲(chǔ)器單元形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及一種相變存儲(chǔ)器單元形成方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，在全球范圍內(nèi)具有數(shù)千億美金的市場(chǎng)。作為下一代的非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的候選者，相變存儲(chǔ)器(Phase ChangeRandom Access Memory, PCRAM)由于高速讀取、高可擦寫(xiě)次數(shù)、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗強(qiáng)震動(dòng)和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的關(guān)注。相變存儲(chǔ)器是一種基于相變材料的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，所述相變材料就是在非晶態(tài)和多晶態(tài)之間可以進(jìn)行電轉(zhuǎn)換的材料。相變存儲(chǔ)器基本原理是利用電脈沖信號(hào)作用于器件單元上，使相變材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過(guò)分辨非晶態(tài)時(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻，實(shí)現(xiàn)信息的寫(xiě)入、擦除和讀出的操作。在公開(kāi)號(hào)為1506973的中國(guó)專(zhuān)利中可以發(fā)現(xiàn)更多與PCRAM有關(guān)的信息?，F(xiàn)有的相變存儲(chǔ)器的單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括形成有第一金屬層140的半導(dǎo)體襯底100，為防止第一金屬層140向半導(dǎo)體襯底100內(nèi)擴(kuò)散，所述第一金屬層140的底部和側(cè)壁形成有第一粘附層141 ；依次形成在半導(dǎo)體襯底100表面并覆蓋所述第一金屬層140 的第一層間介質(zhì)層110、阻擋層120和第二層間介質(zhì)層130 ；形成在第一層間介質(zhì)層110和阻擋層120內(nèi)并與第一金屬層140電連接的第二金屬層150 ；為防止第二金屬層向第一層間介質(zhì)層110內(nèi)擴(kuò)散，所述第二金屬層150底部和側(cè)壁形成有第二粘附層151 ；形成在在第二層間介質(zhì)層130和阻擋層120內(nèi)并與第二金屬層150電連接的相變材料層?，F(xiàn)有的相變存儲(chǔ)器的單元的相變材料層具體制造過(guò)程通常如下所述在半導(dǎo)體襯底100內(nèi)先形成第一金屬層140和形成在第一金屬層140底部和側(cè)壁的第一粘附層141，然后依次形成第一層間介質(zhì)層110、阻擋層120和第二層間介質(zhì)層130，再依次刻蝕所述第二層間介質(zhì)層130、阻擋層120和第一層間介質(zhì)層110形成開(kāi)口(未圖示)，在所述開(kāi)口的側(cè)壁和底部形成第二粘附層151，然后采用第二金屬層150填平所述開(kāi)口，之后，采用刻蝕工藝刻蝕第二金屬層150直至阻擋層，然后采用刻蝕工藝刻蝕第二粘附層151直至與第二金屬層150齊平，最后采用相變材料填平所述開(kāi)口。但是，在刻蝕第二粘附層151直至與第二金屬層150齊平的工藝中，由于現(xiàn)有的刻蝕工藝缺陷，請(qǐng)參考圖2，在圖2的第二粘附層151和第二金屬層150的與相變材料界面位置(圖2中的a位置)，刻蝕后的第二粘附層151會(huì)低于第二金屬層150，形成上述形貌的原因?yàn)橛捎诂F(xiàn)有第二粘附層151作用為阻擋第二金屬層150向?qū)娱g介質(zhì)層擴(kuò)散，通常厚度比較薄，約為20納米至100納米，在刻蝕較薄厚度的第二粘附層151時(shí)，現(xiàn)有的采用CF4的刻蝕工藝很難精確控制刻蝕精度，在刻蝕完第二粘附層151后，通?？涛g后的第二粘附層151 會(huì)低于第二金屬層150，在a位置會(huì)形成有空隙，在后續(xù)填充相變材料層時(shí)，a位置的空隙很難填充進(jìn)相變材料層，上述空隙會(huì)使得相變存儲(chǔ)器單元工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致相變存儲(chǔ)器的可靠性下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種相變存儲(chǔ)器單元形成方法，防止粘附層與金屬層之間出現(xiàn)空隙。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種相變存儲(chǔ)器單元形成方法，包括提供形成有第一金屬層的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底形成有覆蓋第一金屬層的第一層間介質(zhì)層，所述第一層間介質(zhì)層表面覆蓋有阻擋層和第二層間介質(zhì)層，形成在第二層間介質(zhì)層、阻擋層和第一層間介質(zhì)層內(nèi)并暴露出第一金屬層的開(kāi)口 ；在所述開(kāi)口的側(cè)壁和底部形成粘附層；采用第二金屬層填滿(mǎn)所述開(kāi)口 ；刻蝕開(kāi)口內(nèi)的第二金屬層與阻擋層齊平；刻蝕粘附層并使得刻蝕后的粘附層高于刻蝕后的第二金屬層；采用相變材料層填滿(mǎn)所述開(kāi)口。本發(fā)明提供一種相變存儲(chǔ)器的單元形成方法，形成粘附層高于第二金屬層的相變存儲(chǔ)器單元，從而在粘附層與第二金屬層的界面處不會(huì)形成空隙，避免相變材料層軟化填充進(jìn)空隙導(dǎo)致相變材料層電阻變化不可控現(xiàn)象出現(xiàn)，提高相變存儲(chǔ)器的可靠性；進(jìn)一步的， 本發(fā)明采用碳量高的含氟氣體的刻蝕工藝，并優(yōu)化Cl2和BCl3的混合氣體與含氟氣體的比例，避免粘附層刻蝕時(shí)速率較難控制，采用本發(fā)明提供的刻蝕工藝，能夠形成高于第二金屬層的粘附層。


圖1是現(xiàn)有的相變存儲(chǔ)器單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是粘附層與金屬層之間形成有空隙的相變存儲(chǔ)器單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器單元形成方法的流程示意圖；圖4至圖9為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器單元形成方法的過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施例方式由背景技術(shù)分析可知，現(xiàn)有的相變存儲(chǔ)器單元由于形成工藝的缺陷，參考圖2，形成的第二粘附層151會(huì)低于第二金屬層150，在填充相變材料層時(shí)，會(huì)在第二粘附層151和第二金屬層150的與相變材料界面位置(圖2所示的a位置)形成空隙，工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致相變存儲(chǔ)器的可靠性下降。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于在相變存儲(chǔ)器單元工作中，相變材料層(特別是廣泛采用的鍺銻碲合金相變材料)在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過(guò)分辨非晶態(tài)時(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻，實(shí)現(xiàn)信息的寫(xiě)入、擦除和讀出的操作，但是在可逆相變過(guò)程中相變材料層會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，在有空隙的相變存儲(chǔ)器單元中，軟化的相變材料層填充至空隙內(nèi)，從而使得相變材料層內(nèi)出現(xiàn)空隙，使得原來(lái)有清晰的非晶態(tài)時(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻相變材料層的電阻由于有空隙的存在而出現(xiàn)分辨困難現(xiàn)象，具體的在有空隙的情況下，多晶態(tài)時(shí)相變材料層的電阻也表現(xiàn)出高阻狀態(tài)，，使得相變存儲(chǔ)器單元的非晶態(tài)和多晶態(tài)的電阻變化不可靠，非晶態(tài)時(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻無(wú)法分辨，從而導(dǎo)致相變存儲(chǔ)器單元失效。為此，本發(fā)明的發(fā)明人提供一種優(yōu)化的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，不會(huì)在金屬層與粘附層之間形成空隙，避免由于工藝缺陷導(dǎo)致的相變存儲(chǔ)器單元失效。圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器單元形成方法的流程示意圖，圖4至圖9為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器單元形成方法的過(guò)程示意圖。請(qǐng)參考圖3，本發(fā)明的相變存儲(chǔ)器單元形成方法步驟包括步驟S101，提供形成有第一金屬層的半導(dǎo)體襯底；步驟S102，在所述襯底表面依次形成覆蓋所述第一金屬層的第一層間介質(zhì)層、阻擋層和第二層間介質(zhì)層；步驟S103，在所述第一層間介質(zhì)層、阻擋層和第二層間介質(zhì)層內(nèi)形成開(kāi)口，所述開(kāi)
口暴露出第一金屬層；步驟S104，在所述開(kāi)口的側(cè)壁和底部形成粘附層；步驟S105，采用第二金屬層填滿(mǎn)所述開(kāi)口 ；步驟S106，刻蝕所述第二金屬層直至第二金屬層與阻擋層齊平；步驟S107，刻蝕粘附層并使得刻蝕后的粘附層高于刻蝕后的第二金屬層；步驟S108，采用相變材料層填滿(mǎn)所述開(kāi)口。具體地，參考圖4，提供半導(dǎo)體襯底200，所述半導(dǎo)體襯底200的材質(zhì)可以是單晶硅、非晶硅中的一種，所述半導(dǎo)體襯底200的材質(zhì)也可以是硅鍺化合物，所述半導(dǎo)體襯底 200還可以是絕緣體上硅(SOI,Silicon On Insulator)結(jié)構(gòu)或硅上外延層結(jié)構(gòu)，還需要注意的是，所述半導(dǎo)體襯底200還可以是采用半導(dǎo)體前段工藝形成有半導(dǎo)體單元的硅襯底。繼續(xù)參考圖4，以形成有介質(zhì)層的半導(dǎo)體襯底200為例，在半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成第一金屬層210，所述第一金屬層210的材料可以為鋁、銅、鎢或者鎳，為了防止第一金屬層 210向半導(dǎo)體襯底200內(nèi)擴(kuò)散，還可以在所述第一金屬層210的側(cè)壁和底部形成材料為氮化鈦的阻擋層。所述第一金屬層210用于向相變存儲(chǔ)器單元提供電脈沖信號(hào)，所述第一金屬210 的形成工藝具體為采用刻蝕工藝在所述半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成一個(gè)接觸孔(未圖示)，在所述接觸孔的側(cè)壁和底部形成氮化鈦的阻擋層，采用金屬鎢填平所述接觸孔形成第一金屬層 210。參考圖5，采用化學(xué)氣相沉積工藝在所述半導(dǎo)體襯底200表面沉積第一層間介質(zhì)層220，所述第一層間介質(zhì)層220覆蓋所述第一金屬層210，所述第一層間介質(zhì)層220的材料可以選自氧化硅或者摻雜的氧化硅，例如摻硼氧化硅、摻磷氧化硅或者摻硼磷的氧化硅。繼續(xù)參考圖5，采用化學(xué)氣相沉積工藝在第一層間介質(zhì)層220表面形成阻擋層 230，所述阻擋層230用于作為后續(xù)刻蝕工藝的刻蝕阻擋層，所述阻擋層230的材料選自與后續(xù)形成的第二層間介質(zhì)層240具有選擇性刻蝕比的材料，例如氮化硅或者氮氧化硅，基于層間薄膜匹配性和降低層間薄膜k值考慮，優(yōu)選材料為氮氧化硅。繼續(xù)參考圖5，采用化學(xué)氣相沉積工藝在阻擋層230表面形成第二層間介質(zhì)層 M0，所述第二層間介質(zhì)層240用于電隔離相變存儲(chǔ)器單元的各金屬層，所述第二層間介質(zhì)層240的材料可以選自氧化硅或者摻雜的氧化硅，例如摻硼氧化硅、摻磷氧化硅或者摻硼磷的氧化硅。參考圖6，采用刻蝕工藝在所述第二層間介質(zhì)層M0、阻擋層230和第一層間介質(zhì)層220內(nèi)形成開(kāi)口 M1，所述開(kāi)口 241暴露出第一金屬層210。具體地，所述開(kāi)口 Ml的形成步驟包括在所述第二層間介質(zhì)層MO表面形成光刻膠層(未圖示)，所述光刻膠層可以采用旋涂工藝形成；采用曝光顯影工藝將開(kāi)口掩膜版上的開(kāi)口圖形轉(zhuǎn)移至光刻膠層上，形成光刻膠圖形(未圖示)；以所述光刻膠圖形為掩膜，采用等離子體刻蝕工藝依次刻蝕所述第一層間介質(zhì)層220，阻擋層230直至暴露出第一層間介質(zhì)層220，形成第一開(kāi)口 241a，刻蝕完成后采用灰化工藝去除光刻膠圖形。在所述開(kāi)口 Mla的側(cè)壁形成側(cè)墻層對(duì)2，側(cè)墻層242的形成工藝為沉積工藝，側(cè)墻層M2的材料選自氮化硅，所述側(cè)墻用于限定后續(xù)形成的第二開(kāi)口的線寬，輔助形成尺寸更小的開(kāi)口。沿形成有側(cè)墻層242的第一開(kāi)口 Mla對(duì)第二層間介質(zhì)層240進(jìn)行刻蝕，直至暴露出第一金屬層210，形成第二開(kāi)口 Mlb ；在對(duì)第二層間介質(zhì)層240刻蝕的時(shí)候采用選擇性刻蝕工藝，使得刻蝕第二層間介質(zhì)層MO的同時(shí)不會(huì)刻蝕側(cè)墻層M2，從而使得側(cè)墻層242限定第二開(kāi)口 Mlb的大小。參考圖7，采用沉積工藝在所述開(kāi)口 241的側(cè)壁和底部形成粘附層250，所述粘附層250材料選自氮化鈦或者氮化鉭，所述粘附層250防止后續(xù)形成的第二金屬層沈0向第一層間介質(zhì)層220內(nèi)擴(kuò)散。繼續(xù)參考圖7，在所述開(kāi)口參考圖6)內(nèi)填入第二金屬層沈0，所述第二金屬層材料260選自鋁、銅、鎢或者鎳，所述第二金屬層電連接第一金屬層，為相變存儲(chǔ)器單元提供電脈沖信號(hào)。在填入第二金屬層沈0，可以采用刻蝕工藝將多余的第二金屬層260和粘附層250 去除，直至暴露出第二層間介質(zhì)層對(duì)0，使得第二金屬層260和粘附層250與第二層間介質(zhì)層MO齊平。參考圖8，刻蝕第二金屬層260直至第二金屬層260與阻擋層230齊平，采用等離子體刻蝕工藝刻蝕第二金屬層260，對(duì)于選用不同材料的第二金屬層材料260選用不同的刻蝕工藝參數(shù)。在本實(shí)施例中，以第二金屬層260為鎢做示范性說(shuō)明，具體刻蝕工藝參數(shù)為刻蝕腔體壓力為10 15毫托，偏置功率500W 700W，電源功率30W 60W，氧氣流量為15 35SCCM，SF6流量為80 120SCCM，N2流量為5 15SCCM，采用上述的刻蝕工藝，刻蝕第二金屬層260直至第二金屬層沈0與阻擋層230齊平。繼續(xù)參考圖8，刻蝕粘附層250直至所述粘附層250高于刻蝕后的第二金屬層 260，發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的刻蝕工藝刻蝕過(guò)快，在刻蝕粘附層250時(shí)較容易過(guò)刻蝕，并且所述粘附層250的材料也為導(dǎo)電材料，如果粘附層250刻蝕不夠的話，粘附層250 使得相變存儲(chǔ)器始終保持在導(dǎo)通狀態(tài)，無(wú)法分辨非晶態(tài)時(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻。經(jīng)過(guò)本發(fā)明的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)所述粘附層250比第二金屬層260高0納米至50 納米時(shí)，相變存儲(chǔ)器單元的性能最優(yōu)，但現(xiàn)有的工藝無(wú)法達(dá)到如此高的刻蝕精度。為此，本發(fā)明的發(fā)明人在刻蝕粘附層250時(shí)采用優(yōu)化的刻蝕工藝，以粘附層250材料為氮化鈦為例，采用Cl2與BCl3的混合氣體(Cl2與BCl3的體積比為2 1)與含碳量高的含氟氣體如C4F8、C5F8或C4F6作為刻蝕氣體，其中含碳量高的含氟氣體與Cl2與BCl3的混合氣體滿(mǎn)足一定比例，從而達(dá)到精確控制刻蝕粘附層250的速度。具體的，選用C4F8作為刻蝕氣體，Cl2與BCl3的混合氣體與C4F8的體積比為0. 8 5 ；選用C4F6作為刻蝕氣體，Cl2與BCl3的混合氣體與C4F6的體積比為1. 1 10 ；選用C5F8 作為刻蝕氣體，Cl2與BCl3的混合氣體與C5F8的體積比為1 10。
作為一實(shí)施例，刻蝕工藝參數(shù)為刻蝕腔體壓力為10毫托，偏置功率325W，電源功率48W，BCl3流量為15SCCM，Cl2流量為30SCCM, C4F8流量為10SCCM，刻蝕粘附層250直至所述粘附層250高于第二金屬層沈0。參考圖9，采用相變材料層270填滿(mǎn)所述開(kāi)口 Ml。所述相變材料層270選自鍺銻碲合金相變材料，由之前刻蝕步驟可知，粘附層250 高于第二金屬層260，由于粘附層250比較薄且粘附層250粘附在開(kāi)口的側(cè)壁，第二金屬層 260和粘附層250之間不存在空隙，在填充相變材料層270時(shí)，相變材料層270較易完全填充所述開(kāi)口對(duì)1，不易形成填充空隙，從而形成的相變存儲(chǔ)器單元性能較優(yōu)。本發(fā)明提供一種相變存儲(chǔ)器單元形成方法，形成粘附層高于第二金屬層的相變存儲(chǔ)器單元，從而不會(huì)粘附層與第二金屬層的界面處形成空隙，避免相變材料在工作是填充進(jìn)空隙導(dǎo)致的電阻變化不可控現(xiàn)象，提高相變存儲(chǔ)器可靠性；進(jìn)一步的，本發(fā)明采用優(yōu)化的刻蝕工藝，避免粘附層刻蝕時(shí)速率較難控制，采用本發(fā)明提供的刻蝕工藝，能夠形成高于第二金屬層的粘附層。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動(dòng)與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，包括提供形成有第一金屬層的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底形成有覆蓋第一金屬層的第一層間介質(zhì)層，所述第一層間介質(zhì)層表面覆蓋有阻擋層和第二層間介質(zhì)層，形成在第二層間介質(zhì)層、阻擋層和第一層間介質(zhì)層內(nèi)并暴露出第一金屬層的開(kāi)口；在所述開(kāi)口的側(cè)壁和底部形成粘附層；采用第二金屬層填滿(mǎn)所述開(kāi)口；刻蝕開(kāi)口內(nèi)的第二金屬層與阻擋層齊平；刻蝕粘附層并使得刻蝕后的粘附層高于刻蝕后的第二金屬層；采用相變材料層填滿(mǎn)所述開(kāi)口。
2.如權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，所述粘附層高于第二金屬層0納米至50納米。
3.如權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，所述粘附層的刻蝕工藝為采用Cl2與BCl3的混合氣體和含碳量高的含氟氣體作為刻蝕氣體進(jìn)行刻蝕。
4.如權(quán)利要求3所述的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，Cl2與BCl3的體積比為 2 I0
5.如權(quán)利要求3所述的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，所述碳量高的含氟氣體為 C4F8、C5F8 或者 C4F6。
6.如權(quán)利要求5所述的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，選用C4F8作為刻蝕氣體，Cl2和BCl3的混合氣體與C4F8的體積比為0. 8 5。
7.如權(quán)利要求5所述的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，選用C4F6作為刻蝕氣體，Cl2和BCl3的混合氣體與C4F6的體積比為1. 1 10。
8.如權(quán)利要求5所述的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，選用C5F8作為刻蝕氣體，Cl2和BCl3的混合氣體與C5F8的體積比為1 10。
9.如權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，相變材料層為鍺銻碲合金相變材料。
10.如權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元形成方法，其特征在于，阻擋層材料為氮化鈦或者氮化鉭。
全文摘要
一種相變存儲(chǔ)器單元形成方法，包括提供形成有第一金屬層的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底形成有覆蓋第一金屬層的第一層間介質(zhì)層，所述第一層間介質(zhì)層表面覆蓋有阻擋層和第二層間介質(zhì)層，形成在第二層間介質(zhì)層、阻擋層和第一層間介質(zhì)層內(nèi)并暴露出第一金屬層的開(kāi)口；在所述開(kāi)口的側(cè)壁和底部形成粘附層；采用第二金屬層填滿(mǎn)所述開(kāi)口；刻蝕開(kāi)口內(nèi)的第二金屬層與阻擋層齊平；刻蝕粘附層并使得刻蝕后的粘附層高于刻蝕后的第二金屬層；采用相變材料層填滿(mǎn)所述開(kāi)口。本發(fā)明形成的相變存儲(chǔ)器單元性能較優(yōu)。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102237492SQ20101016887
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者張翼英, 洪中山 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司