CN101971382B - 包括相变材料层的多层结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种制造多层结构的方法，其中该方法包括：在衬底上形成相变材料层；形成保护层；在保护层上形成另外的层；在第一构图步骤中对所述另外的层进行构图；通过第二构图步骤对保护层和相变材料层进行构图。具体地，第一构图步骤可以是使用化学刻蚀剂的刻蚀步骤。此外，可以在形成相变材料层之前在衬底上形成电极，例如电极可以形成于同一水平上，例如可以形成为平面结构，并且可以不形成垂直结构。

Description

包括相变材料层的多层结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种包括相变材料层的多层结构，具体地涉及一种包括相变材料层的存储单元。

本发明还涉及一种制造包括相变材料层的多层结构的方法。

背景技术

在非易失存储器领域，尺寸超过45nm节点的闪速存储器已经成为实际问题。面对这种挑战的技术是铁磁、磁性和相变存储器，后者有希望代替闪存，并且表现出了可以允许代替诸如DRAM之类的其他类型存储器的特性。相变存储器是作为电子技术领域的重要步骤的统一存储器的一种可能解决方案。OTP(“一次可编程”)和MTP(“多次可编程”)存储器开启了一个对于相变存储器存在极大机会的领域。

相变存储器基于使用例如硫族元素化物(chalcogenide)进行切换的可逆存储器。这些材料耐受快速相转变的能力促成了可重写光学介质(CD、DVD)的发展。硫族元素化物相变材料可以基于其结晶机制而划分为成分略有不同的两类。在奥弗辛斯基电效应统一存储器(OUM)中常用的是诸如Ge₂Sb₂Te₅之类的“成核占优”材料GeTe-Sb₂Te₃。按照这种概念，相变材料可以与底部阻性电极接触，以可逆地切换少量的相变材料。在光存储应用(CD-RW/DVD+RW)中公知的“快速生长材料”使得能够实现具有适当相稳定性的极快速切换(例如，10ns)。

因此，可以将相变材料用于存储信息。这些材料的工作原理是相的变化。在结晶相中，材料结构进而其性能与非晶相中的性能不同。

对相变材料的编程基于非晶相和结晶相时材料电阻率之间的差别。为了在这两种相之间切换，要求升高温度。在极高温度下快速冷却将导致非晶相，而温度的较小升高或较慢地冷却导致结晶相。可以用实质上不会引起发热的小电流来感测不同的电阻。

可以通过向存储单元施加脉冲来获得温度的升高。由脉冲引起的高电流密度可以导致局部温度升高。取决于脉冲的持续时间和幅度，所得到的相将不同。快速冷却和大幅度可以使单元骤冷(quench)为非晶相，而缓慢冷却和较小幅度脉冲可以使材料结晶。较大的脉冲幅度，即所谓的复位(RESET)脉冲，可以使得单元非晶化；而较小的脉冲幅度将所述单元置位(SET)为结晶状态，将这些脉冲也称作置位脉冲。

然而，用于制造相变存储器的已知工艺可能受限于以下的事实：难以在不改变相变材料性质的情况下对相变材料进行构图。

发明内容

本发明的目的是提供一种包括相变材料层的多层结构及其制造方法，其中该方法可以提供一种有效的程序来对多层结构中的相变材料层进行构图。

为了实现上述目的，提出了根据独立权利要求的包括相变材料层的多层结构及其制造方法。

根据本发明的示例性实施例，提出了一种制造多层结构的方法，其中该方法包括：在衬底上形成相变材料层；形成保护层；在保护层上形成另外的层；在第一构图步骤中对所述另外的层进行构图；通过第二构图步骤对保护层和相变材料层进行构图。具体地，第一构图步骤可以是使用化学刻蚀剂的刻蚀步骤。此外，可以在形成相变材料层之前，在衬底上形成电极，例如电极可以形成于同一水平上，例如可以形成平面结构，并且可以不形成垂直结构。另外，保护层可以包括绝缘材料或者可以由绝缘材料构成，例如，氮化物或氧化物电介质。

根据示例性实施例，提出了一种包括相变材料的多层结构，其中该多层结构包括：衬底；两个电极；相变材料层；以及保护绝缘层；其中两个电极设置在衬底上，其中相变材料设置在两个电极上，以及其中绝缘层设置在相变材料层上。具体地，绝缘层可以直接设置在相比材料上。此外，该多层结构可以是平面结构，例如，两个电极可以设置在相同的水平上，并且可以并非相对于彼此垂直交错设置。另外，相变材料层可以按照如下方式设置在两个电极上或两个电极之间，使得相变材料层电连接两个电极。

在本申请中，术语“相变材料层”可以特别表示包括如下材料或由如下材料组成的任意层：具有耐受快速相转变能力的材料。通常，相变材料(PCM)可以包括如下材料或者由如下材料组成：锗、锑和碲或其混合物。具体地，硫族元素化物PCM基于其结晶机制而划分为成分略有不同的两类。根据诸如Ge₂Sb₂Te₅之类的GeTe-Sb₂Te₃的所谓“成核占优”材料以及光学存储应用(CD-RW/DVD+RW)中已知的所谓“快速生长”材料使得能够实现具有改善相稳定性的极快速切换(例如，10ns)。可以将它们用在所谓的相变线单元概念中。在这种方法中，存储器件的有源部分是在两个Cu阻挡电极中间形成的PCM线，所述Cu阻挡电极沉积在基于CMOS的前端工艺(front end of line)的后端工艺(backend of line)(BEOL)的顶部上。

通过提供保护绝缘层，可以有效地对包括相变材料层的多层结构进行构图或构造。保护层可以形成对于下面的相变材料层的保护，使得甚至可以使用像溴、氟或氯化物之类的标准强刻蚀剂，而不会使PCM层退化。此外，也可以避免氮或氧等离子体与PCM接触。另外，保护绝缘层也可以形成用于后续构图步骤的掩模。此外，该工艺可实施或集成到标准CMOS程序中。具体地，PCM的结构和性质可以保持完好，该PCM层可以是存储器件的有源区的一部分。使用根据本发明示例性实施例的方法也可以避免例如底部抗反射涂层(BARC)的所述另外的层开口在用于对所述另外的层进行构图的光致抗蚀剂的侧部重新溅射PCM，从而在抗蚀剂剥离之后留下非常难以去除的PCM残留物。这些PCM残留物可以通过已知程序中的湿法剥离处理来去除，然而这将强烈地侵蚀PCM和/或使其在一个或更多元件中耗尽，导致器件性能改变。由于当使用根据本发明示例性实施例的方法时可以避免这些PCM残留物，这些湿法剥离处理以及随之而来的缺点也是可避免的。因此，可以保护PCM免于在第一构图时受构图化学试剂的影响，使得在不影响PCM的情况下可以使用标准工艺。

可以看出本发明示例性方面的要旨在于使用在相变材料层上形成的保护层，该保护层可以用于在对保护层上形成的层进行构图的步骤中保护PCM层。这样，可以使用标准构图程序而不会使PCM层的性质退化。可以通过溅射优先工艺，例如Ar溅射，来执行保护层的残留和PCM层的构图，溅射优先工艺很大程度上不会使得PCM的性质退化。

接下来描述制造多层结构的方法的其他示例性实施例。然而，这些实施例也可以应用于多层结构。

根据该方法的另一示例性实施例，第二构图步骤是溅射优先工艺，特别是各向异性溅射优先工艺。

术语“溅射优先工艺(sputter dominated process)”可以特别表示主要或占优势性地基于溅射或物理反应例如基于高能离子的材料去除工艺。然而，可以与溅射工艺相结合使用少量化学刻蚀剂。因此，必须将溅射优先工艺界定为与化学刻蚀工艺相对，在化学刻蚀工艺中，主要是由于待去除材料和刻蚀剂之间的化学反应来执行材料去除。这种溅射优先工艺可能对于去除相变材料层特别有效，因为在这种溅射优先工艺中，与化学刻蚀工艺相比，可以更少地改变相变材料。具体地，保护绝缘层可以包括适于保护相变材料层免于受到剥离光致抗蚀剂层或者底部抗反射涂层所使用的刻蚀剂侵蚀的材料。

根据该方法的另一示例性实施例，在第一构图步骤中，对保护绝缘层进行部分构图。具体地，可以通过第一构图步骤部分地去除保护绝缘层，例如，可以去除保护绝缘层的上部或顶部，使得最小限度的保护层仍然留在相变材料层上。

根据该方法的另一示例性实施例，所述另外的层是底部抗反射涂层。

根据该方法的另一示例性实施例，第一子层形成保护绝缘层，并且第二子层形成于第一子层上。具体地，第一子层可以直接形成在相变材料层上以形成第一覆盖层，而第二子层可以形成于第一子层上。此外，第一子层和所述第二子层可以具有不同的厚度。

根据该方法的另一示例性实施例，第一子层包括第一材料，第二子层包括第二材料，并且第一材料和第二材料不同。具体地，第一子层可以由第一材料构成和/或第二子层可以由第二材料构成。通过提供两个子层，可以使保护层上形成的层的构图工艺适应各层的材料，而第二构图工艺可以用于PCM层。具体地，可以是子层之一例如第一子层形成用于构图步骤的构图或刻蚀停止层。

根据该方法的另一示例性实施例，在第二构图步骤中，保护绝缘层用作相变材料层构图的掩模层。

总之，本发明示例性方面的要点在于提供一种方法，其中保护层可以形成于相变材料(PCM)层上，该保护层可以用于在构图步骤中保护PCM层。这对于PCM构图而言是一种新的概念，可应用于所谓的线单元PC存储器中。通常，该方法可用于需要对PCM构图的任意器件。保护层可以进一步地用作PCM构图期间的硬掩模，并且可以用于避免标准强刻蚀化学试剂和PCM之间的接触，使得PCM的性质可以保持完好。总之，可以改善极薄PCM层构图的控制，同时可以使用标准的CMOS处理，这可以使得根据本发明示例性方面的方法能够容易地集成到标准程序中。

本发明的上述方面和示例性实施例以及其他方面根据随后描述的实施例示例变得清楚明白，并且参考这些实施例示例来予以解释。应该指出，结合一个示例性实施例或示例性方面描述的特征可以与其他示例性实施例和其他示例性方面组合。

附图说明

在下文中将参考实施例的示例更加详细地描述本发明，但是本发明不局限于这些示例。

图1示意性地示出了根据本发明的第一示例性实施例对相变材料层进行构图的工艺流程。

图2示意性地示出了根据本发明的第二示例性实施例对相变材料层进行构图的工艺流程。

图3示意性地示出了基于所谓线单元概念的相变存储器的概图。

图4示出了相变材料单元的图像。

图5示意性地示出了标准构图方案的工作流程。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。在不同的图中，类似或相同的元件具有类似或相同的参考符号。

图1示意性地示出了根据本发明的第一示例性实施例对相变材料层进行构图的工艺流程。具体地，图1A示出了作为存储单元一部分的多层结构100，其中该多层结构100包括基层101和两个导体路径102和103，所述两个导体路径形成于衬底101的孔中、或者通过大马士革工艺形成。导体路径可以由金属例如铜构成。导体路径102和103分别与电极104和105相连，所述电极例如可以由氮化钽(TaN)形成。在衬底101和电极104和105上，例如通过使用诸如Ge₂Sb₂Te₅之类的GeTe-Sb₂Te₃来形成相变材料(PCM)层106。在PCM层106上，形成保护层107，例如包括氮化物或氧化物电介质的保护绝缘层。之后使用光刻工艺，例如，旋涂并曝光底部抗反射涂层(BARC)108和光致抗蚀剂层109，并且对光致抗蚀剂显影。

图1B示出了在执行干法刻蚀步骤以开口或构图BARC层108之后的多层结构100。该步骤可以通过标准化学试剂例如HBr/O₂来执行。可以通过对于保护层107选择性地终点检测，来停止刻蚀工艺。应该指出的是，在该步骤中，PCM层106不与任何化学试剂例如刻蚀剂接触。

图1C示出了在部分地开口或构图保护层之后的多层结构100。具体地，通过使用合适的化学试剂部分地开口保护层107，例如在氮化物或氧化物电介质的情况下使用氟基化学试剂。光致抗蚀剂层109也用作对保护层107构图的掩模层。在化学试剂与PCM层106接触之前停止该工艺。

图1D示出了在剥离光致抗蚀剂109和BARC层108之后的多层结构100。这可以通过使用标准化学试剂来进行，例如使用O₂、N₂或SF₆。由于保护层107仍然保护着PCM层106，化学试剂不会使PCM层106退化。

图1E示出了在开口保护层107、并且对PCM层106构图之后的多层结构100。具体地，通过高各向异性的溅射优先(sputter dominated)工艺完成保护层107的构图，并且对PCM层106进行构图。在该工艺步骤期间，保护层可以用作对PCM层106进行构图的掩模。

作为该构图方案的结果，只是在最后刻蚀步骤期间将PCM层106暴露于溅射优先工艺以及温和的化学试剂。所有其他刻蚀步骤可以通过使用标准化学试剂来执行，并且不会接触PCM。因此，可重复地对PCM106进行构图，而不会改变其成分。另外，如图4C中所示，不会产生残留物，接下来将更加详细地描述。

图2示意性地示出了根据本发明的第二示例性实施例对相变材料层进行构图的工艺流程。该工艺与参考图1所述的工艺类似。因此，主要将更详细地描述区别。主要的区别在于第一子层210和第二子层211形成保护层207。具体地，图2A示出了作为存储单元一部分的多层结构200，其中该多层结构200包括基层201和两个导体路径202和203，所述导体路径形成于衬底201的孔中、或者通过大马士革工艺形成。导体路径可以由金属例如铜形成。导体路径202和203分别与电极204和205相连，所述电极例如可以由氮化钽(TaN)形成。在衬底201和电极204和205上，例如通过使用诸如Ge₂Sb₂Te₅之类的GeTe-Sb₂Te₃来形成相变材料(PCM)层206。在PCM层206上，形成保护层207，例如包括氮化物或氧化物电介质的保护绝缘层。如前所述，保护层207包括子层210和211，例如底层和顶层，它们可以具有不同的厚度并且可以包括不同材料或者由不同材料组成。之后使用光刻工艺，例如，旋涂并曝光底部抗反射涂层(BARC)208和光致抗蚀剂层209，并且对光致抗蚀剂显影。

构图工艺与参考图1所述的相同。然而，在保护层207的顶层211的构图或开口期间，保护层207的底层210可以用作停止层。然后，可以在最后的刻蚀步骤(例如溅射占优刻蚀步骤)中一起刻蚀底层210和PCM层206。

图3示意性地示出了基于所谓的线单元概念的相变存储器的基本概图，其中可以使用图1和图2中所示的多层结构。具体地，图3示出了连接两个电极304和305的PCM层306，所述两个电极分别与导体路径302和303相连。另外，示出了基层301。为了清楚起见，在图3中未示出覆盖PCM层306的保护层。此外，示出了钝化层312，以及例如由碳化硅构成的附加层313和314、例如由氧化物构成的附加层315和316、以及一些金属层317和318。

图4示出了说明相变材料单元标准的图像。具体地，图4A示出了位线401，在其顶部具有第一PCM区域402，该第一PCM区域402通过PCM线403连接至第二PCM区域404，该第二PCM区域404设置在电极405上。例如是氧化物层的电介质层406包围电极和位线。另外，在不使用保护层的情况下，在PCM区域中可以看见多个PCM残留物407，这是由于在用来形成PCM区域402和404以及PCM线的PCM层上停止的BARC开口引起的。图4B示出了其中通过湿法剥离去除图4A中所示的PCM残留物的标准工艺的结果，导致例如PCM区域402和404以及PCM线403的强侵蚀PCM层。

与图4A和图4B相反，图4C示出了在构图期间使用保护层制作的PCM线单元存储器。具体地，图4C示出了在顶部上具有第一PCM区域412的位线411，该第一PCM区域412通过PCM线413与第二PCM区域414相连，该第二PCM区域414又形成于电极415上。在图4C中可以看出，不同PCM区域受到构图的退化和侵蚀较小，同时在图4C中几乎看不到PCM残留物。

图5示意性地示出了不使用保护层的标准构图方案的工作流程。具体地，图5A示出了多层结构500，其中该多层结构500包括基层501和两个导体路径502和503，所述导体路径形成于衬底501的孔中、或者通过大马士革工艺形成。导体路径可以由金属例如铜形成。导体路径502和503分别与电极504和505相连，所述电极例如可以由氮化钽(TaN)形成。在衬底501和电极504和505上，例如通过使用诸如Ge₂Sb₂Te₅之类的GeTe-Sb₂Te₃来形成相变材料(PCM)层506。之后使用光刻工艺，例如，旋涂并曝光底部抗反射涂层(BARC)508和光致抗蚀剂层509，并且对光致抗蚀剂显影。该标准工艺与参考图1所示的工艺类似。然而，由于没有使用保护层，构图步骤将使得PCM层506退化，特别是在BARC层508的剥离步骤中。

最后，应该指出的是上述实施例是说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，能够设计许多替代实施例。在权利要求中，放置在括号中的参考符号不应该解释为限制权利要求。词语“包括”等不排除存在除了权利要求或说明书中所列的元件或步骤之外总体上存在其他元件或步骤。单数形式的元件并不排除多个这种元件，反之亦然。在枚举了若干装置的器件权利要求中，这些装置中的一些可以通过同一项来实现。在相互不同的从属权利要求中陈述特定措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (6)

1.一种制造多层结构(100、200)的方法，所述方法包括：

在衬底上形成电极(104、105、204、205)；

在所述电极(104、105、204、205)上形成相变材料层(106、206)；

形成保护层(107、207)；

在所述保护层(107、207)上形成另外的层(108、208)；

在所述另外的层(108、208)上形成光致抗蚀剂层(109、209)；

在第一构图步骤中对所述另外的层(108、208)进行构图；

使用光致抗蚀剂层作为掩模，对保护层(107、207)的第一部分进行刻蚀，以使保护层(107、207)的第一部分具有小于保护层(107、207)的其余的第二部分的厚度；

去除光致抗蚀剂层(109、209)和所述另外的层(108、208)；以及

通过第二构图步骤对所述保护层(107、207)和所述相变材料层(106、206)进行构图，

其中，在第二构图步骤中，保护层(107、207)的第二部分用作对所述相变材料层(106、206)进行构图的掩模层。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述第二构图步骤是溅射优先工艺。

3.根据权利要求1所述的方法，

其中在所述第一构图步骤中，对所述保护层(107、207)进行部分构图。

4.根据权利要求1所述的方法，

其中所述另外的层(108、208)是底部抗反射涂层。

5.根据权利要求1所述的方法，

其中通过第一子层(210)和在所述第一子层上形成的第二子层(211)来形成所述保护层(207)。

6.根据权利要求5所述的方法，

其中所述第一子层(210)包括第一材料，

其中所述第二子层(211)包括第二材料，

其中第一材料和第二材料不同。

Images