CN102376884A

CN102376884A - 相变存储器相变层的制作方法

Info

Publication number: CN102376884A
Application number: CN201010267466XA
Authority: CN
Inventors: 林静; 钟旻; 杨伟俊; 向阳辉
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: CN102376884B

Abstract

一种相变存储器相变材料的制作方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介电层，所述介电层中形成有金属电极，所述金属电极分别位于半导体衬底的P型区域与N型区域上，所述介电层中还具有露出所述金属电极的通孔；在所述介电层与金属电极上形成相变材料，所述相变材料填充满所述介电层中的通孔；对所述半导体衬底进行化学机械抛光，移除所述介电层上的相变材料，所述化学机械抛光过程中，抛光面的光照度低于100勒克斯。本发明的相变存储器相变材料的制作方法通过降低化学机械抛光时抛光面的光照度，有效避免了光致腐蚀现象对相变层的影响，减少了相变层表面凹陷，产品良率也得以提高。

Description

相变存储器相变层的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地，本发明涉及一种相变存储器相变层的制作方法。

背景技术

相变存储器(Phase Change Random Access Memory，PCRAM)技术是基于S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末提出相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的。作为一种新兴的非易失性存储技术，相变存储器在读写速度、读写次数、数据保持时间、单元面积、多值实现等诸多方面对快闪存储器都具有较大的优越性，已成为目前不挥发存储技术研究的焦点。

在相变存储器中，可以通过对记录了数据的相变层进行热处理，来改变存储器的值。构成相变层的相变材料会由于所施加电流的加热效果而进入结晶状态或非晶状态。当相变层处于结晶状态时，PCRAM的电阻较低，此时存储器赋值为“0”。当相变层处于非晶状态时，PCRAM的电阻较高，此时存储器赋值为“1”。因此，PCRAM是利用当相变层处于结晶状态或非晶状态时的电阻差异来写入/读取数据的非易失性存储器。

申请号为200710100842.4的中国专利申请即公开了一种形成相变层的方法。在该工艺中相变层通常采用镶嵌结构形成。所述镶嵌结构的相变层采用如下工艺步骤形成：在介电层中形成通孔；在所述介电层上及介电层通孔中形成相变材料，所述相变材料至少填充满介电层通孔；之后，采用化学机械抛光工艺移除介电层上的相变材料，仅保留介电层通孔中的相变材料，所述介电层通孔中的相变材料即构成相变存储器的相变层。

这种镶嵌结构的相变层将相变材料限制在很小的孔洞中，减小了相变层与金属电极的接触面积，从而可以提高相变存储器操作时的电流密度，进而降低操作功耗。

然而在实际生产过程中，采用所述镶嵌结构的相变存储器经常会出现断路等缺陷，器件的可靠性较差，良率也相对较低。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种相变存储器相变层的制作方法，避免在抛光后的相变材料表面形成凹陷，提高器件良率。

为解决上述问题，本发明提供了一种相变存储器相变层的制作方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介电层，所述介电层中形成有金属电极，所述金属电极分别位于半导体衬底的P型区域与N型区域上，所述介电层中还具有露出所述金属电极的通孔；

在所述介电层与金属电极上形成相变材料，所述相变材料填充满所述介电层中的通孔；

对所述半导体衬底进行化学机械抛光，移除所述介电层上的相变材料，所述化学机械抛光过程中，抛光面的光照度低于100勒克斯。

可选的，所述相变材料包括Ge_xSb_yTe_(1-x-y)、Si_xSb_yTe_(1-x-y)、Se_xSb_yTe_(1-x-y)、Pb_xSb_yTe_(1-x-y)、Ag_xIn_yTe_(1-x-y)、Ag_xSb_yTe_(1-x-y)和Ge_xAs_yTe_(1-x-y)，其中0≤x≤1，0≤y≤1。

可选的，所述相变材料采用物理气相沉积或化学气相沉积形成。

可选的，所述相变材料的沉积温度为25摄氏度至200摄氏度。

可选的，在执行所述化学机械抛光的反应腔体上覆盖遮光薄膜，所述遮光薄膜至少覆盖反应腔体的观察窗。

可选的，所述遮光薄膜的透光率为0％至50％。

可选的，所述遮光薄膜采用聚酯薄膜或尼龙薄膜。

可选的，所述化学机械抛光过程的反应条件包括：衬底表面的温度为15摄氏度至60摄氏度；湿度为10％至90％；抛光压力为0.5至5普西(psi)，晶片转速为15至90转/分；抛光液中的研磨颗粒包括SiO₂、Al₂O₃、CeO₂或MnO₂，抛光液pH值为2至13。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过降低化学机械抛光时抛光面的光照度，有效避免了光致腐蚀现象对相变层的影响，减少了相变层表面凹陷，产品良率也得以提高。

附图说明

图1示出了化学机械抛光处理过程中相变层发生光致腐蚀现象的形成机理；

图2示出了现有技术化学机械抛光处理后相变层顶部的凹陷；

图3示出了本发明相变存储器相变层的制作方法的流程；

图4至图6示出了本发明相变存储器相变层的制作方法一个实施例。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，采用现有技术制作的相变存储器的部分区域容易发生断路现象，器件的可靠性较差，良率也相对较低。本发明的发明人对现有技术相变存储器的制作工艺进行检查后发现，所述相变存储器的相变层的顶部容易出现凹陷或缺失，所述相变层的凹陷或缺失使得相变层上方的顶部电极与相变层无法电连接，进而发生断路。

经发明人进一步研究发现，之所以容易在所述相变层的顶部出现凹陷或缺失等缺陷，是因为相变材料容易在化学机械抛光处理时发生光致腐蚀现象。具体而言，现有技术通常采用先在介电层通孔中填充相变材料、之后再移除介电层上过量的相变材料来形成镶嵌结构的相变层。所述相变材料的移除需要采用化学机械抛光工艺。然而，在所述化学机械抛光工艺处理时，相变材料会发生光致腐蚀现象，所述光致腐蚀现象使得介电层通孔中的相变材料发生局部迁移，进而造成相变层表面的下陷。

参考图1，示出了化学机械抛光处理过程中相变层发生光致腐蚀现象的形成机理。对于所述进行化学机械抛光处理的基底，其衬底101中的P型区域与N型区域等效于一个PN结，而所述P型区域与N型区域上又分别形成有多个金属电极103、以及所述金属电极103上的相变层105，而所述金属电极103、相变层105均为导电材料。因此，所述相变层105与金属电极103相当于将衬底101中等效PN结的两端分别引出。同时，在对基底进行化学机械抛光处理时，需要在所述基底表面上喷涂抛光液107，而所述抛光液107是具有一定的导电性能的电解质溶液。因此，所述抛光液107进一步连接了P型区域与N型区域上的相变层105。在这种情况下，所述衬底101中的等效PN结、金属电极103、相变层105以及抛光液107共同构成了导电回路。

另一方面，在化学机械抛光过程中，由于存在外部光源对半导体衬底的照射，半导体衬底中的等效PN结接收所述光照能量并在PN结两端形成电势差，所述电势差相当于在导电回路中引入了电源。这时，所述导电回路中的抛光液发生电化学反应，P型区域与N型区域的相变层105对应于电化学反应的两个电极。P型区域相变层105中的金属原子会部分溶解于抛光液中，并进一步迁移到N型区域的相变层105上。在这种情况下，P型区域相变层105则由于其中的金属原子不断转移而在其顶部形成凹陷。

参考图2，示出了现有技术化学机械抛光处理后相变层顶部的凹陷。如图2所示，由于所述相变层105中的金属原子仅沿电流方向在衬底101中迁移，因此，所述相变层105顶部的凹陷仅位于P型区域上，而N型区域上的相变层105顶部并不会形成凹陷。

针对上述问题，发明人提供了一种相变存储器相变层的制作方法，通过降低相变层化学机械抛光处理时的光照强度，抑制了光致腐蚀的能量来源，从而有效避免了相变层凹陷的产生。

参考图3，示出了本发明相变存储器相变层的制作方法的流程，包括：

执行步骤S302，提供半导体衬底，所述半导体衬底包含有P型区域与N型区域，所述半导体衬底上形成有介电层，所述P型区域与N型区域半导体衬底上的介电层中形成有金属电极，所述金属电极上的介电层中形成有通孔。

其中，所述半导体衬底包含有与相变存储器对应的选通管，所述金属电极的底部连接所述选通管。所述介电层可以采用层间介电材料；所述金属电极可以作为相变存储器的底部电极，其材质可以选用常规的电极导电材料，例如多晶硅、钨等导电材料。

执行步骤S304，在所述介电层与金属电极上形成相变材料，所述相变材料填充满所述介电层中的通孔。

其中，可以采用物理气相沉积或化学气相沉积的方式形成所述相变材料，所述相变材料包括Ge_xSb_yTe_(1-x-y)、Si_xSb_yTe_(1-x-y)、Se_xSb_yTe_(1-x-y)、Pb_xSb_yTe_(1-x-y)、Ag_xIn_yTe_(1-x-y)、Ag_xSb_yTe_(1-x-y)和Ge_xAs_yTe_(1-x-y)，其中0≤x≤1，0≤y≤1。

执行步骤S306，对所述半导体衬底进行化学机械抛光，移除所述介电层上的相变材料，所述化学机械抛光过程中，抛光面的光照度低于100勒克斯(lux)。

所述步骤执行后，介电层表面及介电层通孔上多余的相变材料被移除，仅保留有通孔中的相变材料，所述通孔中的相变材料即作为相变存储器的相变层。

在步骤S306中，由于半导体衬底表面的光照度被降低，光子引入的能量也相应降低，使得化学机械抛光时的相变材料表面的光致腐蚀现象被抑制。这样，对于所获得的相变层，P型区域上的相变层可以具有较高的平整度，避免了凹陷的出现。

下面结合具体的实施例，对本发明相变存储器相变层的制作方法做进一步说明。

如图4所示，提供半导体衬底401，所述半导体衬底401上形成有介电层405，所述介电层中405形成有金属电极403，所述金属电极403分别位于半导体衬底401的P型区域与N型区域上，所述介电层405中还具有露出所述金属电极403的通孔407。

在本实施例中，所述金属电极403作为相变存储器的底部电极。此外，对于所述底部电极，如果其顶部具有较小的面积，则其与后续形成的相变层构成接触面积较小，接触电阻相应提高，较高的接触电阻可以提高底部电极对后续形成的相变层的加热效果。优选的，所述通孔407的底部面积大于金属电极403的顶部面积。

如图5所示，在所述介电层405与金属电极403上形成相变材料409，所述相变材料409覆盖介电层405，并填充满所述介电层405中的通孔。

依据具体实施例的不同，形成所述相变材料409可以采用溅射等物理气相沉积的方法，也可以采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法。优选的，采用溅射形成所述相变材料409。在本实施例中，所述相变材料409的沉积温度为25摄氏度至200摄氏度。

所述相变材料包括但不限于Ge_xSb_yTe_(1-x-y)、Si_xSb_yTe_(1-x-y)、Se_xSb_yTe_(1-x-y)、Pb_xSb_yTe_(1-x-y)、Ag_xIn_yTe_(1-x-y)、Ag_xSb_yTe_(1-x-y)和Ge_xAs_yTe_(1-x-y)，其中0≤x≤1，0≤y≤1。

如图6所示，对所述半导体衬底401进行化学机械抛光，移除所述介电层405上的相变材料，所述化学机械抛光过程中，抛光面的光照度低于100勒克斯。

对于所述化学机械抛光，介电层405表面(抛光面)即对应于抛光液的位置，因此，将介电层405表面的光照度限制在较低的强度范围主要是为了限制光线照射抛光液所引入的能量。

在实际应用中，可以采用多种方式控制所述化学机械抛光过程中的光照度，例如，可以在光强可控的独立操作间内进行所述化学机械抛光，也可以在光源与化学机械抛光装置间设置屏蔽板。在本实施例中，所述化学机械抛光装置具有独立的反应腔体，所述抛光中的半导体衬底即放置于所述反应腔体中。所述反应腔体具有透明的观察窗以观察反应进程，因此，采用在所述化学机械抛光装置的反应腔体上覆盖遮光薄膜来隔离光线，所述遮光薄膜至少遮住观察窗，所述遮光薄膜的透光率为0％至50％。在实际应用中，所述遮光薄膜需要具有较好的避光效果、稳定的化学成分，且无毒无味，例如聚酯薄膜、尼龙薄膜等聚合物薄膜。

对于化学机械抛光，通常而言，抛光终点是通过控制抛光时间来控制的，无需观察晶片表面的抛光情况来确定抛光终点。因此，采用遮光薄膜覆盖化学机械抛光的反应腔体并不会影响相变材料的常规抛光处理。

在具体实施例中，所述化学机械抛光过程中，衬底表面的温度控制在15摄氏度至60摄氏度；湿度范围为10％至90％；抛光液中的研磨颗粒包括SiO2、A1₂O₃、CeO₂、MnO₂等，抛光液pH值为2至13；抛光压力为0.5至5普西(psi)，晶片转速为15至90转/分(rpm)。

基于上述工艺步骤实施后，相变存储器的相变层411制作形成。发明人进行对比实验验证，采用同一种化学机械抛光装置与工艺，对未覆盖遮光薄膜和覆盖遮光薄膜对相变材料进行抛光处理，检测最终得到的相变层411表面凹陷情况。测试结果表明，相较于未覆盖遮光薄膜的抛光处理，在采用覆盖遮光薄膜的反应腔体后，出现超出表面凹陷容忍范围的凹陷的相变层411减少了82％，所述表面凹陷容忍范围是指相变层中间区域的厚度比相变层边缘区域的厚度偏差5％。而最终制作形成的相变存储器中，发生断路的存储单元减少了85％。所述测试结果表明，通过降低化学机械抛光时抛光面的光照度，有效避免了光致腐蚀现象对相变层的影响，产品良率也得以提高。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种相变存储器相变层的制作方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的相变存储器相变层的制作方法，其特征在于，所述相变材料包括Ge_xSb_yTe_(1-x-y)、Si_xSb_yTe_(1-x-y)、Se_xSb_yTe_(1-x-y)、Pb_xSb_yTe_(1-x-y)、Ag_xIn_yTe_(1-x-y)、Ag_xSb_yTe_(1-x-y)和Ge_xAs_yTe_(1-x-y)，其中0≤x≤1，0≤y≤1。

3.如权利要求2所述的相变存储器相变层的制作方法，其特征在于，所述相变材料采用物理气相沉积或化学气相沉积形成。

4.如权利要求3所述的相变存储器相变层的制作方法，其特征在于，所述相变材料的沉积温度为25摄氏度至200摄氏度。

5.如权利要求1所述的相变存储器相变层的制作方法，其特征在于，在执行所述化学机械抛光的反应腔体上覆盖遮光薄膜，所述遮光薄膜至少覆盖反应腔体的观察窗。

6.如权利要求5所述的相变存储器相变层的制作方法，其特征在于，所述遮光薄膜的透光率为0％至50％。

7.如权利要求5所述的相变存储器相变层的制作方法，其特征在于，所述遮光薄膜采用聚酯薄膜或尼龙薄膜。

8.如权利要求5所述的相变存储器相变层的制作方法，其特征在于，所述化学机械抛光过程的反应条件包括：衬底表面的温度为15摄氏度至60摄氏度；湿度为10％至90％；抛光压力为0.5至5普西，晶片转速为15至90转/分；抛光液中的研磨颗粒包括SiO₂、Al₂O₃、CeO₂或MnO₂，抛光液pH值为2至13。