CN101826463B - 共用金属层的肖特基二极管和相变存储器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的共用金属层的肖特基二极管和相变存储阵列的制造方法在制造形成肖特基二极管结构后，以肖特基二极管的金属层作为相变存储器的下电极，在其金属层上继续沉积不具有下电极的相变存储器结构，由此实现肖特基二极管和相变存储器的金属层共享，通过这种驱动二极管和相变存储器共用金属层的结构，可以有较少的工艺步骤制造了二极管和相变存储器阵列，有效节省了光刻次数，提高器件稳定性，通过采用特定的半导体，使得电极金属和半导体层之间形成稳定的肖特基接触。作为本发明的一部分，还包括采用前述方法所形成的肖特基二极管和相变存储器的共用金属层的结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种肖特基二极管和相变存储器及其制造方法，特别涉及一种共用金属层的肖特基二极管和相变存储器及其制造方法。
背景技术
相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254～257，1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜，而加热电极材料、绝热材料和引出电极材料的研究热点也就围绕其器件工艺展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。
相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。在申请号为200810041393.5、200510030637.6、200810034940.7、200610028107.2、200810033601.7、200710043924.X、200410053752.0、200310109372.X、200710044609.9、及200910045816.5的各中国专利中，公开了多种相变存储器的结构。相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号：擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。
由于目前相变存储器的制造方法较为繁琐，不利于企业降低成本，因此，迫切需要对现有相变存储器制造方法的改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种共用金属层的肖特基二极管和相变存储器及其制造方法。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法，包括步骤：1)在半导体衬底上，通过离子注入，形成具有重掺杂层的夹层结构，其中，所述重掺杂层为夹层；2)对所述夹层结构进行光刻以形成分离的第一线阵，其中，光刻的深度超过所述重掺杂层；3)在所述第一线阵根部形成多个重掺杂的区域，以便电学隔离所述第一线阵包含的各线；4)在形成了重掺杂区域的结构上采用化学气相沉积法沉积绝缘材料，并通过化学机械抛光法及平坦化操作使所述绝缘材料填充在所述第一线阵中；5)对填充了绝缘材料的结构进行离子注入，使处于表面的半导体材料轻度掺杂形成轻度掺杂层；6)在所述轻度掺杂层上覆盖半导体材料并用光刻工艺刻蚀出多个第一窗口，其中，各第一窗口都处于所述轻度掺杂层上；7)在各第一窗口中填充能与所述轻度掺杂层形成肖特基势垒的金属材料，以形成作为相变存储器的各金属电极；8)在具有金属电极的结构上沉积仅具有一上电极的各相变存储器结构，以使所述金属电极成为各相变存储器结构的下电极；以及9)在形成了相变存储器结构的结构上沉积金属层以形成第二线阵。
其中，所述各相变存储器结构中包含能影响相变材料的过渡层；所述能影响相变材料的过渡层所采用的材料可为：能提高相变材料的结晶速率、降低相变材料熔点的加热材料、能提高热效率的材料、和能提高加热效率、降低操作电压、抑制相变材料中Sb和Te向底电极扩散的材料，而所述加热材料优选为ZrO2、HfO2、Ta2O5、或TiO2；所述能提高热效率的材料优选为：Pt、Ti、或TiN；所述能降低操作电压的材料优选为：LaNiO3、LaSrCoO3、LaSrMnO3、SrRuO3、CaRuO3、或GeSiN。
此外，所形成的各相变存储器结构中的两电极之间的层级结构也可为：申请号为200810041393.5、200510030637.6、200810034940.7、200610028107.2、200810033601.7、200710043924.X、200410053752.0、200310109372.X、200710044609.9、及200910045816.5的各中国专利所公开的作为相变存储器的两电极之间的层级结构中的一种。
再有，所述半导体衬底材料优选为硅，所述重掺杂层优选为掺磷n型重掺杂层，所述轻度掺杂层优选为掺磷n型轻掺杂层。
再有，填充在各第一窗口内的金属材料优选为Al、Cu、Mo、Ni、W、Ti或Pt。
本发明还提供一种共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列的结构，即采用上述方法所形成的肖特基二极管和相变存储器阵列共用金属层的结构。
综上所述，本发明的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器及其制造方法通过这种肖 特基二极管作为驱动二极管和相变存储器共用金属的结构，可以有较少的工艺步骤制造了二极管和相变存储器阵列，有效节省了光刻次数，通过采用特定的半导体，使得电极金属和半导体层之间形成稳定的肖特基接触。
附图说明
图1A-1I为本发明共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法的实施例1的工艺流程示意图。
图2A-2E为本发明共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法的实施例2的工艺流程示意图。
图3A-3G为本发明共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法的实施例3的工艺流程示意图。
具体实施方式
实施例1：
以下将结合附图对本发明进行详细说明，在本实施例中，绝缘材料采用氧化硅。
请参见图1A-1I本发明的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法包括以下步骤：
1.在半导体衬底(例如本征硅衬底11)上，通过离子注入，形成具有重掺杂层的夹层结构，其中，所述重掺杂层为夹层，如图1A所示。在本实施例中，所形成的重掺杂层为n型重掺杂层12，掺杂原子种类为磷，其上为本征硅13(原属于本征硅衬底11的一部分)。
2.对所述夹层结构进行光刻以形成分离的第一线阵，其中，光刻的深度超过所述重掺杂层12，如图1B所示，所述第一线阵可作为字线或位线，其包含的各线通过浅沟道4分隔开。
3.在所述第一线阵根部形成多个重掺杂的区域15，以便电学隔离所述第一线阵，使各线之间相互不导通，因此信号不受干扰，如图1C所示。
4.在形成了重掺杂的结构上采用化学气相沉积法沉积绝缘材料，并通过化学机械抛光法及平坦化操作使所述绝缘材料填充在所述第一线阵中，本实施例中，采用氧化硅作为绝缘材料形成氧化硅层16，如图1D所示。
5.对填充了绝缘材料的结构进行离子注入，使处于表面的半导体材料(即本征硅13)轻度掺杂形成轻度掺杂层17，本实施例中离子注入的为磷原子，轻度掺杂，形成如图1E的结构。
6.在所述轻度掺杂层17上覆盖半导体材料(如本征硅)并用光刻工艺刻蚀出多个第一窗口，并在各第一窗口中填充能与所述轻度掺杂层形成肖特基势垒的金属材料，以形成各金属电极18，其中，各第一窗口都处于所述轻度掺杂层17上，如图1F所示，所采用的金属材料为W，也可是Al、Cu、Mo、Ni、Ti或Pt等。
7.在具有金属电极18的结构上沉积绝缘材料，并用光刻工艺刻蚀出多个第二窗口19，其中，各第二窗口分别处于相应金属电极上方，如图1G所示，一个第一窗口上仅有一个较宽的第二窗口。
8.在各第二窗口19内依次沉积过渡性材料Pt110、相变材料GST111和金属W 112作为相变存储器电极，如图1H所示。需注意的是，相变材料也可是SiSbTe、SiSe、SiSb等材料。
9.在形成了相变存储器电极的结构上沉积Al金属层113，以形成第二线阵，如图1I所示。
实施例2：
请参见图2A-2E，本发明的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法包括以下步骤：
1.按照实施例1中1-7步骤形成金属电极21，氧化硅层22，如图2A所示。
2.用光刻工艺在氧化硅层22刻蚀出第二窗口23，如图2B所示，即一个第一窗口上有两个较窄的第二窗口。
3.在第二窗口23中沉积相变材料层24，并在相变材料层24上覆盖金属25，如图2C所示。
4.刻蚀金属25，形成相变存储器电极26，并填充氧化硅27，如图2D所示
5.沉积金属Cu28，形成第二线阵，如图2E所示。
实施例3：
请参见图3A-3G，本发明的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法包括以下步骤：
a)按照实施例1中1-5步骤形成金属电极31，如图3A。
b)在形成了金属电极31的结构上沉积能影响相变材料的过渡层32(如图3B)，并用光刻工艺刻蚀出多个过渡层窗口33以形成相互隔离的过渡区域，并使每一金属电极31上都存在过渡区域(如图3C)，再在各过渡层窗口33中填充绝缘材料(如氧化硅)34(如图3D)，所述过渡层所采用的材料可为能提高相变材料的结晶速率、降低相变材料熔点的加热材料、能提高热效率的材料、或能提高加热效率、降低操作电压、抑制相变材料中Sb和Te向底电极扩散的材料等，其中，所述加热材料可为ZrO2、HfO2、Ta2O5、或TiO2等，所述能提高热效率的材料可为Pt、Ti、或TiN等；所述能降低操作电压的材料可为LaNiO3、LaSrCoO3、LaSrMnO3、SrRuO3、CaRuO3、或GeSiN等。
c)在填充了绝缘材料的结构上沉积相变材料，并刻蚀以形成多个相变材料区35，其中，每一相变材料区35处于至少一个过渡区域之上、且该过渡区域位于一金属电极上，如图3E，本实施例中，相变材料区35堆叠在两个过渡区域上，其中一个过渡区域不处于金属电极上。
d)在形成了相变材料区的结构上沉积绝缘材料以便覆盖所沉积的相变材料(如图3F)，并对其进行刻蚀后填充金属材料以形成相变存储器的上电极36，如图3G，每一上电极也处于一过渡区域上，但该过渡区域不在金属电极上。
需要说明的是，本领域的技术人员也可参照申请号为200810041393.5、200510030637.6、200810034940.7、200610028107.2、200810033601.7、200710043924.X、200410053752.0、200310109372.X、200710044609.9、及200910045816.5的各中国专利所公开相变存储器两电极之间的层级结构，对上述各实施例中形成相变存储器的步骤进行相应的调整，以实现相变存储器和肖特基二极管的金属层共享。
综上所述，本发明的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法将作为肖特基二极管的金属层又作为相变存储器结构的下电极，即可实现金属层的共享，可以有较少的工艺步骤制造了二极管和相变存储器阵列，有效节省了光刻次数，通过采用特定的半导体，使得电极金属和半导体层之间形成稳定的肖特基接触。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权 利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (6)
1.一种共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法，其特征在于包括步骤：
1)在半导体衬底上，通过离子注入，形成具有重掺杂层的夹层结构，其中，所述重掺杂层为夹层；
2)对所述夹层结构进行光刻以形成分离的第一线阵，其中，光刻的深度超过所述重掺杂层；
3)在所述第一线阵根部形成多个重掺杂的区域，以便电学隔离所述第一线阵包含的各线；
4)在形成了重掺杂的区域的结构上采用化学气相沉积法沉积绝缘材料，并通过化学机械抛光法及平坦化操作使所述绝缘材料填充在所述第一线阵中；
5)对填充了绝缘材料的结构进行离子注入，使处于表面的半导体材料轻度掺杂形成轻度掺杂层；
6)在形成了所述轻度掺杂层的结构上覆盖半导体材料并用光刻工艺刻蚀出多个第一窗口，其中，各第一窗口都处于所述轻度掺杂层上；
7)在各第一窗口中填充能与所述轻度掺杂层形成肖特基势垒的金属材料，以形成作为相变存储器的各金属电极；
8)在具有金属电极的结构上沉积仅具有一电极的各相变存储器结构，以使所述金属电极成为各相变存储器结构的另一电极；
9)在形成了相变存储器结构的结构上沉积金属层以形成第二线阵。
2.如权利要求1所述的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法，其特征在于：所述各相变存储器结构中包含能影响相变材料的过渡层。
3.如权利要求2所述的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法，其特征在于：所述能影响相变材料的过渡层所采用的材料包括：能提高相变材料的结晶速率且降低相变材料熔点的加热材料或者能提高热效率的材料或者能提高加热效率且降低操作电压且抑制相变材料中Sb和Te向底电极扩散的材料。
4.如权利要求3所述的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法，其特征在于：所述加热材料包括：ZrO2、HfO2、Ta2O5、及TiO2；所述能提高热效率的材料包括：Pt、Ti、及TiN；所述能提高加热效率且降低操作电压且抑制相变材料中Sb和Te向底电极扩散的材料包括：LaNiO3、LaSrCoO3、LaSrMnO3、SrRuO3、CaRuO3、及GeSiN。
5.如权利要求1所述的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法，其特征在于：所述半导体衬底材料为硅，所述重掺杂层为掺磷n型重掺杂层，所述轻度掺杂层为掺磷n型轻掺杂层。
6.如权利要求1所述的共用金属层的肖特基二极管和相变存储器阵列制造方法，其特征在于：填充在各第一窗口内的金属材料是Al、Cu、Mo、Ni、W、Ti或Pt。
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