CN102468431B - 消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层中形成有下电极，第二绝缘层中形成有完全暴露下电极上表面的开孔；在所述开孔中形成侧墙并进行沉积预清理工艺；在上述器件结构表面沉积金属层；快速退火后移除所述金属层。本发明在形成侧墙并进行沉积预清理工艺后采用沉积金属层并执行快速退火的方法，使金属与下电极损伤区的硅反应生成金属硅化物消除下电极损伤区，使器件导通。整个过程工艺操作简单，工艺成本低，既消除了下电极损伤，又提高了器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体存储器技术领域，尤其涉及一种相消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法。
背景技术
相变随机存储器(phase change random access memory，PCRAM)是利用相变薄膜材料作为存储介质来实现数据存储的一种存储器，被公认为是最有希望成功突破22nm尺寸节点的存储器。
由锗(Ge)-锑(Sb)-碲(Te)构成的硫系化合物Ge2Sb2Te5(GST)，可以迅速实现晶态和非晶态之间的可逆相变，成为目前PCRAM上最常用的相变材料。GST在晶态是低电阻态，在非晶态是高电阻态，而相变存储器正是利用GST在晶态和非晶态之间转变时的电阻差异来实现数据存储的。
图1是目前相变存储器件的剖面结构示意图。如图，下电极102形成于第一绝缘层101开孔中，第二绝缘层103形成于第一绝缘层101和下电极102的上表面，GST相变材料104填充于第二绝缘层103的开孔中并与下电极102中心对准，第三绝缘层105形成于第二绝缘层103上表面，上电极106填充于第三绝缘层105的开孔中，并与填充于第二绝缘层103的开孔中的GST相变材料104中心对准。
图2是现有技术制造相变随机存储器的工艺流程图，包括：S101提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层中形成有下电极，第二绝缘层中形成有完全暴露下电极上表面的开孔；S102，在所述开孔中形成侧墙并进行沉积预清理工艺；S103，在所述开孔内填充GST相变材料，并化学机械平坦化去除第二绝缘层上方的GST相变材料；S104，在第二绝缘层和GST相变材料上沉积第三绝缘层，并形成第三绝缘层开孔，暴露出填充的GST相变材料上表面；S105，在所述第三绝缘层开孔中形成上电极。其中，当下电极材料为多晶硅时，在S102工艺步骤中会产生下电极损伤。
图3是现有技术的下电极损伤结构示意图。在第二绝缘层103的开孔中进行侧墙107刻蚀和GST物理气相沉积(PVD)预清理工艺后，会使第二绝缘层103开孔中暴露出的下电极102的顶层多晶硅材料从晶态转变为非晶态，形成下电极损伤区1021，不导电，使器件截止。目前工艺中，减少侧墙过刻蚀的时间，减少GST物理气相沉积预清理的时间、功率及压力，可以相对改善下电极损伤。但是，这样的方法使得侧墙残渣增多，GST相变材料填充孔变小，产生原生氧化物(Native Oxide)残留和沟槽填充问题。其中，原生氧化物是下电极102上表面与空气接触而产生的，会影响GST相变材料与下电极间的电接触。上述方法中的问题会使后续工艺难度增加，器件工艺性能降低，影响到器件的可靠性与效能。所以需要一种新的消除下电极损伤的实现方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，以解决现有技术中采用减少侧墙过刻蚀时间和GST物理气相沉积预清理时间及功率时产生的侧墙残渣增多、原生氧化物残留和沟槽填充问题。
为解决上述问题，本发明提出一种消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，该方法包括如下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层中形成有下电极，第二绝缘层中形成有完全暴露下电极上表面的开孔；
在所述开孔中形成侧墙并进行沉积预清理工艺；
在上述器件结构表面沉积金属层；
快速退火后移除所述金属层。
可选的，所述金属层的沉积方法为物理气相沉积法。
可选的，所述金属层为钛层，厚度为15埃～50埃。
可选的，所述快速退火温度为270摄氏度～400摄氏度，持续时间为30秒～120秒。
可选的，等离子体处理移除金属层后暴露的器件结构表面，所述等离子体处理采用的气体是氮气或氨气。
与现有技术相比，本发明在侧墙刻蚀和预清理后沉积金属层并执行快速退火，使金属与下电极损伤区的硅反应生成金属硅化物，有效消除了下电极损伤，使器件导通，提高了器件工艺性能，工艺操作简单，工艺成本低。
附图说明
图1是相变存储器件的剖面结构示意图；
图2是现有技术制造相变随机存储器的工艺流程图；
图3是现有技术的下电极损伤结构示意图；
图4是本发明实施例的工艺流程图；
图5A至图5E是本发明实施例的剖面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对消除相变随机存储器下电极损伤的实现方作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图4所示，本发明提出一种消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，该方法包括如下步骤：
S401，提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层中形成有下电极，第二绝缘层中有完全暴露下电极上表面的开孔；
S402，在所述开孔中形成侧墙并进行沉积预清理工艺；
S403，在上述器件结构表面沉积金属层；
S404，快速退火后移除所述金属层。
下面结合图5A～5E，对上述消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法作详细的描述。
S401，提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层中形成有下电极，第二绝缘层中有完全暴露下电极上表面的开孔。
参考图5A，提供半导体衬底500，在所述半导体衬底500上已经形成有第一绝缘层501、下电极502、第二绝缘层503。其中，下电极502形成于第一绝缘层501中，下电极502下表面与半导体衬底500紧贴，第二绝缘层503中形成有完全暴露出下电极502上表面的开孔5031。
S402，在所述开孔中形成侧墙并进行预清理工艺。
参考图5B，在所述开孔5031两侧形成侧墙507并进行预清理工艺。上述工艺对于本领域的普通技术人员而言是熟知的技术，故在此不作详细说明，同时，本领域的技术人员知晓，在上述过程中，开孔5031内未被侧墙507覆盖的下电极502顶部区域会由晶态转变为非晶态，形成下电极损伤区5021。
S403，在上述器件结构表面沉积金属层。
参考图5C，本实施例中在图5B所示的器件结构表面(包括第二绝缘层503上表面、侧墙507表面及下电极损伤区5021表面)沉积金属层，所述金属层508的材料为钛，沉积方法为物理气相沉积，沉积厚度为15埃至50埃。于其它实施例中，也可通过物理气相沉积工艺沉积其它金属材料，沉积厚度为15埃至50埃。
S404，快速退火后移除所述金属层。
参考图5D，进行快速退火的温度为270摄氏度至400摄氏度，持续时间为30秒至120秒。经过快速退火(RTA)，使所述金属层的金属材料与下电极损伤区5021的硅发生反应，生成金属硅化物，消耗掉下电极损伤区5021，使下电极损伤区5021重新转变为导电区，进而使器件导通，而在第二绝缘层503和侧墙507上的金属不会和第二绝缘层503和侧墙507发生反应，这使得在后续的处理过程中，可以通过选择性刻蚀去除所述未发生反应的金属层。移除金属层508的过程为湿法刻蚀，刻蚀溶液为硫酸与过氧化氢溶液的混合液或者氨水与过氧化氢溶液的混合液。通过刻蚀去除金属层508未反应的部分，留下在下电极损伤区5021形成的金属硅化物。本实施例中，金属层的金属材料为钛，形成的金属硅化物为钛硅化物。
参考图5E，对上述器件结构表面进一步进行等离子体处理，采用的气体为氮气或氨气。此步骤可以消除金属层移除后的器件结构表面可能残留的金属—金属键，提高器件工艺性能，本实施例中消除的是钛—钛金属键。
综上所述，本发明采用沉积金属层后快速退火使金属与下电极损伤区的硅反应生成金属硅化物，进而使下电极损伤区重新转变为导电区，使器件导通。整个过程既消除了下电极损伤使器件导通，又提高了器件工艺性能，工艺操作简单，工艺成本低。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层中形成有下电极，第二绝缘层中形成有完全暴露下电极上表面的开孔；
在所述开孔中形成侧墙并进行沉积预清理工艺，形成下电极损伤区；
在上述器件结构表面沉积金属层；
快速退火后移除所述金属层，使下电极损伤区重新转变为导电区。
2.根据权利要求1所述消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，其特征在于：所述金属层的沉积方法为物理气相沉积法。
3.根据权利要求1所述消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，其特征在于：所述金属层为钛层。
4.根据权利要求1所述消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，其特征在于：所述金属层厚度为15埃～50埃。
5.根据权利要求1所述消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，其特征在于：所述快速退火的温度为270摄氏度～400摄氏度。
6.根据权利要求1所述消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，其特征在于：所述快速退火的持续时间为30秒～120秒。
7.根据权利要求1所述消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，其特征在于：所述方法还包括等离子体处理移除所述金属层后暴露出的器件结构表面。
8.根据权利要求7所述消除相变随机存储器下电极损伤的实现方法，其特征在于：所述等离子体处理采用的气体是氮气或氨气。
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