CN102544360B - 相变存储器形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种相变存储器形成方法，包括：提供基底，所述基底表面形成有介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口中填满GST材料，所述GST材料还覆盖所述介质层的表面；采用酸性溶液或者碱性溶液对GST材料进行预处理；对预处理后GST材料进行研磨，直至暴露所述介质层，形成相变层；采用酸性溶液或者碱性溶液对再处理后相变层进行再处理；在所述相变层表面形成电极层。利用本发明所提供的相变存储器形成方法可以降低工艺难度，提高效率，还可以提高相变存储器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种相变存储器形成方法。
背景技术
相变存储器作为一种新兴的非易失性存储技术，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FLASH都具有较大的优越性，成为目前非易挥发性存储技术研究的焦点。相变存储技术的不断进步使之成为未来非易挥发性存储技术市场主流产品最有力的竞争者之一。
具有如锗(Ge)、硒(Se)、碲(Sb)等元素构成的合金型固态相变材料(GST材料)，逐渐作为相变材料被用到相变存储器中。关于由固态相变材料所制造的相变存储器的结构可以参考公开号为CN1627547A的中国发明专利申请所公开的内容。
在现有工艺中，比较多的是采用刻蚀的方法形成GST材料的图案结构，但是随着关键尺寸的减小，对GST材料进行刻蚀并不能满足对图案结构的要求。化学机械研磨成为了一种替代的方案。
化学机械研磨中所使用的设备主要包括研磨头(head)和研磨盘(platen)，所述研磨盘上设置有研磨垫(pad)。在化学机械研磨过程中，待化学机械研磨的部件的待研磨表面向下固定在研磨盘上，研磨头向下压在待研磨部件的背面，研磨头和研磨盘各自转动进行研磨。化学机械研磨过程中需不断加入研磨液(slurry)，化学机械研磨过程中主要通过调节研磨头的压力(down-force)以及研磨液的选择性来调节研磨的速率。研磨液由多种成分构成，主要包括研磨剂(SiO2，Al2O3)，氧化剂(H2O2)，腐蚀抑制剂(BTA)以及其他一些化学添加物质。
图1至图3示出了现有技术的一种相变存储器形成方法的剖面结构示意图。
如图1所示，提供基底10，所述基底10上形成有介质层11，所述介质层11中形成有开口，所述开口中填充有GST材料12，且所述GST材料12还覆盖所述介质层11的表面。填充的GST材料12是为了形成用于存储数据的相变材料层。
如图2所示，对所述GST材料12进行化学机械研磨，至暴露出所述介质层11的表面，形成相变层16。
如图3所示，在所述相变层16表面形成电极层14。
但是在工艺中发现，研磨的速度比较慢，研磨效率低。现有工艺中，为了提高研磨的效率，研磨头对晶圆施加比较大的压力，一般都是大于40kpa，或者研磨液中固体颗粒的重量比比较高，大约在5-20％的范围内，然而，过大的压力容易对晶圆造成损伤，研磨液中研磨颗粒的重量比比较高容易划伤相变层的表面。
此外，通过上述方法得到的相变存储器的电学性能不够好。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种相变存储器形成方法，可以降低研磨GST材料的复杂性，还可以提高相变存储器的存储性能。
为解决上述问题，本发明提供一种相变存储器形成方法，包括：
提供基底，所述基底表面形成有介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口中填满GST材料，所述GST材料还覆盖所述介质层的表面；
采用酸性溶液或者碱溶液对基底进行预处理；
对预处理后的GST材料进行研磨，直至暴露所述介质层，形成相变层；
在相变层表面形成电极层。
优选地，在形成相变层之前，采用酸性溶液或者碱溶液对所述相变层进行再处理。
优选地，对所述GST材料进行预处理的酸性溶液包含：草酸、丙二酸、氨基羧酸中的一种或者组合。
优选地，所述酸性溶液的重量百分率为0.01～10wt％。
优选地，对所述GST材料进行预处理的碱性溶液包含：聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺中的一种或者组合。
优选地，所述碱性溶液的重量百分率为0.01～10wt％。
优选地，以采用酸性溶液或者碱性溶液浸泡GST材料的方式对所述GST材料进行预处理。
优选地，所述酸性溶液或者碱性溶液对GST材料的浸泡时间是5-60s。
优选地，对所述GST材料进行预处理还包括：用去离子水清洗残留在GST材料表面的酸性溶液或者碱性溶液，以及GST材料表面的材料溶于酸性溶液或者碱性溶液所形成的溶液。
优选地，采用酸性溶液或者碱性溶液对所述相变层进行再处理的步骤包括：采用酸性溶液或者碱性溶液浸泡所述相变层；去除残留在相变层表面的酸性溶液或者碱性溶液以及相变层表面的材料溶于酸性溶液或者碱性溶液所形成的溶液；用氢气和/或氨气以及等离子体对相变层表面的材料进行还原处理。
优选地，对所述相变层进行再处理的酸性溶液包含：草酸、丙二酸、氨基羧酸中的一种或者组合。
优选地，对所述相变层进行再处理的碱性溶液包含：聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺中的一种或者组合。
优选地，所述酸性溶液的重量百分率为0.01～10wt％。
优选地，所述碱性溶液的重量百分率为0.01～10wt％。
优选地，酸性溶液或者碱性溶液浸泡所述相变层的时间为5-60s。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在对GST材料进行研磨之前，先通过采用酸性溶液或者碱性溶液对基底进行预处理，去除因为自然氧化而在GST材料表面形成的氧化层，在后续研磨过程中，研磨液与GST材料反应形成氧化物，在被研磨晶圆与研磨垫的相对运动中，研磨液中的研磨颗粒将所形成的氧化物机械地从GST材料表面剥离，而不需要研磨因为自然氧化而在GST材料表面形成的氧化层，提高了研磨工艺的效率；
进一步，在形成相变层之后，通过采用酸性溶液或者碱性溶液对所形成的相变层进行再处理，去除了在研磨过程中残留在相变层表面的氧化层，以及研磨后相变层表面的GST材料自然氧化而形成的氧化层，改进了相变层与电极层电接触，提高了器件的电学性能。
附图说明
图1至图3是现有技术的一种相变存储器形成方法的剖面结构示意图。
图4是本发明一个实施例所提供的相变存储器形成方法的流程示意图。
图5至图9是本发明的一个实施例所提供的相变存储器形成方法的剖面结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有的相变存储器形成方法中，对GST材料的研磨工艺的难度比较大，并且所得到的相变存储器的存储性能不够好。本发明的发明人针对上述问题进行研究，并做了大量的实验。发明人发现在对GST材料进行研磨前，用酸性溶液或者碱性溶液浸泡GST材料，可以明显提高GST材料的研磨工艺的效率；在沉积电极层之前，用酸性溶液或者碱性溶液对相变层进行再处理可以进一步提高相变存储器的性能。
发明人针对上述现象进行分析，认为GST材料的研磨工艺的难度大的原因是，GST材料暴露于空气中被氧化，在GST材料表面形成一层氧化层，具体请参考图1，因为所述氧化层13的厚度比较大，大约为5-20nm，在研磨去除氧化层时，需要研磨头对晶圆施加较大的压力或者在研磨液中固体颗粒的百分含量需要比较高，而研磨头对晶圆施加较大压力的话，容易对晶圆造成损伤；研磨液中固体颗粒的百分含量高的话，增加了研磨的难度。
此外，在研磨后，所形成的相变层暴露于空气中，会被氧化，从而在相变层16表面形成如图2所示的氧化层15，并且在研磨过程中，还可能会有部分氧化层残留在相变层的表面。请参考图3，所述氧化层15影响后续形成的电极层14与相变层16之间的电接触，因为电极层14与相变层16之间的电阻过大，所以相变存储器的电学性能不够好。
发明人通过进一步研究，在本发明中提供一种相变存储器形成方法，包括：提供基底，所述基底表面形成有介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口中填满GST材料，所述GST材料还覆盖所述介质层的表面；采用酸性溶液或者碱溶液对基底进行预处理；对预处理后的GST材料进行研磨，直至暴露所述介质层，形成相变层；在再处理后的相变层表面形成电极层。
本发明在对GST材料进行研磨之前，先通过采用酸性溶液或者碱性溶液对基底进行预处理，去除因为自然氧化而在GST材料表面形成的氧化层，在后续研磨过程中，研磨液与GST材料反应形成氧化物，在被研磨晶圆与研磨垫的相对运动中，研磨液中的研磨颗粒将所形成的氧化物机械地从GST材料表面剥离，而不需要研磨因为自然氧化而在GST材料表面形成的氧化层，提高了研磨工艺的效率；
进一步，在形成相变层之后，通过采用酸性溶液或者碱性溶液对所形成的相变层进行再处理，去除了在研磨过程中残留在相变层表面的氧化层，以及研磨后相变层表面的GST材料自然氧化而形成的氧化层，改进了相变层与电极层电接触，提高了器件的电学性能。
为了进一步阐述本发明的精神和实质，在下文中，结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
图4是本发明一个实施例所提供的相变存储器形成方法的流程示意图，包括：
步骤S101，提供基底，所述基底表面形成有介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口中填满GST材料，所述GST材料还覆盖所述介质层的表面；
步骤S102，采用酸性溶液或者碱性溶液对GST材料进行预处理；
步骤S103，对预处理后GST材料进行研磨，直至暴露所述介质层，形成相变层；
步骤S104，采用酸性溶液或者碱性溶液对所述相变层进行再处理；
步骤S105，在再处理后相变层表面形成电极层。
首先，参考图5，执行步骤S101，提供基底200，所述基底200表面形成有介质层210，所述介质层中210形成有开口，所述开口中填满GST材料220，所述GST材料220还覆盖所述介质层210的表面。
所述基底200的材质可以为硅、锗硅、绝缘体上硅等。本领域技术人员应当明白所述基底200为经过半导体前制工艺的基底。作为一个实施例，所述基底200为形成有晶体管和二极管的硅衬底，所述二极管用于控制后续形成的相变层，所述晶体管用于控制所述二极管。
所述介质层210的作用是隔离基底200表面所形成的各器件，介质层210材质可以是二氧化硅，可以采用刻蚀的方法在介质层210内形成GST材料220，所述GST材料220与基底200内的二极管(未示出)电连接。所述GST材料220的形成方法可以是气相沉积法或者原子层沉积法。
由前述分析可知，GST材料是由Ge、Sb、Te组成的合金材料，暴露于空气中会被氧化，在表面形成一层氧化层230。
参考图6，执行步骤S102，采用酸性溶液或者碱性溶液对GST材料220进行预处理。
所述预处理的作用是去除GST材料220由于自然氧化而形成的氧化层230。
所采用的酸性溶液或者碱性溶液可以是任何可以溶解所述氧化层230的酸性溶液或者碱性溶液。在本发明的实施例中，采用的是有机酸溶液或者有机碱溶液。
具体地，在本发明的实施例中，对GST材料220进行预处理的碱性溶液包含：聚乙二醇(polyethylene glycol)、聚丙烯酰胺(polyacrylic amide)、聚乙烯亚胺(polyethylene imine)中的一种或者组合。
所述碱性溶液的重量百分率为0.01～10wt％。
对所述GST材料220进行预处理的酸性溶液包含：草酸(oxalic acid)、丙二酸(malonic acid)、氨基羧酸(aminocarboxylic acid)中的一种或者组合。
所述酸性溶液的重量百分率为0.01～10wt％。
在本发明的实施例中，采用以酸性溶液或者碱性溶液浸泡基底200的方式对所述GST材料进行预处理，溶解GST材料表面的氧化层230。所述浸泡可以在待研磨的基底200进入化学机械研磨装置之前选择可以盛放所述溶液的容器进行，也可以在化学机械研磨装置的清洗部件中进行，还可以在清洗仪器中进行。
所述酸性溶液或者碱性溶液对GST材料220的浸泡时间是5-60s。如果浸泡时间过短可能会不足以完全溶解氧化层230，浸泡时间过长会延长工艺周期，并且可能对GST材料造成腐蚀，所以在本发明的实施例中，需要严格控制对GST材料的浸泡时间。
对所述GST材料220进行预处理还包括：用去离子水清洗残留在GST材料220表面的酸性溶液或者碱性溶液，以及GST材料220表面的材料溶于酸性溶液或者碱性溶液所形成的溶液。可以利用现有的清洗方法和清洗工具，采用去离子水清洗GST材料220表面的酸性溶液或者碱性溶液。
经过所述预处理后，氧化层230被完全溶解，得到如图6所示的结构。
参考图7，执行步骤S103，对预处理后的GST材料220进行研磨，直至暴露所述介质层210，形成相变层230。
所述研磨可以利用现有研磨工艺进行，研磨液与GST材料220的表面材料发生反应，形成易研磨的氧化物，然后研磨头施力于所述化学机械研磨装置的研磨垫，在研磨的过程中，研磨液中的固体颗粒将所形成的易研磨的氧化物从GST材料220表面研磨下来，由于在步骤S102中已经去除GST材料220的表面因为自然氧化而形成的较厚的氧化物，而研磨液与GST材料220反应形成氧化物的过程中一直伴随着研磨的工作，所以GST材料220表面的氧化物比较薄，也比较疏松，从而易于被研磨掉，在本发明的一个实施例中，在研磨液中固体颗粒的重量比小于1％的情况下，只需要研磨头向研磨垫施加比较小的压力，在本发明的实施例中，研磨头向研磨垫施加的压力的范围是7-21kpa，就可以完成研磨工艺。从而降低了研磨工艺的难度。
在形成相变层230之后，在所述相变层230表面形成电极层，形成电极层的工艺可以采用现有工艺。
通过上文的阐述，可以看得出来，本发明在对GST材料进行研磨之前，先通过采用酸性溶液或者碱性溶液对基底进行预处理，去除因为自然氧化而在GST材料表面形成的氧化层，在后续研磨过程中，研磨液与GST材料反应形成氧化物，在被研磨晶圆与研磨垫的相对运动中，研磨液中的研磨颗粒将所形成的氧化物机械地从GST材料表面剥离，而不需要研磨因为自然氧化而在GST材料表面形成的氧化层，提高了研磨工艺的效率。
但是，考虑到在形成的相变层230之后，不是立即在所形成的相变层230表面形成电极层，而是有一个时间间隔，在这个间隔时间内，相变层230表面材料因暴露于空气而被氧化，从而在相变层230表面形成一层氧化层240。
并且在对GST材料220进行研磨的过程中，可能会有部分研磨液与GST材料220反应形成氧化物会残留在相变层230的表面。
所以在本发明的优选实施例中，采用酸性溶液或者碱性溶液对所述相变层230进行再处理，去除残留在相变层230表面的氧化层240，从而提高氧化层240与后续形成的电极层之间的电接触，并以此提高相变存储器的电学性能。具体操作请参考步骤S104。
参考图8，执行步骤S104，采用酸性溶液或者碱性溶液对所述相变层230进行再处理。
对所述相变层230进行再处理的步骤包括：
首先，采用酸性溶液或者碱性溶液浸泡所述相变层230。
在本发明的实施例中，对所述相变层230进行再处理的酸性溶液包含：草酸、丙二酸、氨基羧酸中的一种或者组合。
对所述相变层进行再处理的碱性溶液包含：聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺中的一种或者组合。
上述酸性溶液或者碱性溶液的重量百分率为0.01～10wt％。
相变层230在所述酸性溶液或者碱性溶液浸泡5-60s，相变层230表面的氧化层240溶于上述酸性溶液或者碱性溶液，形成新的溶液，并得到如图8所示的结构。
接着，去除残留在相变层230表面的酸性溶液或者碱性溶液以及相变层230表面的材料溶于酸性溶液或者碱性溶液所形成的溶液。
可以用去离子水去除残留在相变层230表面的酸性溶液或者碱性溶液以及相变层表面的材料溶于酸性溶液或者碱性溶液所形成的溶液，然后去除残留在相变层表面的去离子水，具体地，可以采用甩干和/或气体吹干的方法去除残留在相变层表面的去离子水。
接着，在本发明的优选实施例中，为了确保相变层230表面的氧化层240被完全去除，向相变层230表面通入氢气和/或氨气以还原相变层230表面可能残留的氧化层240，并采用等离子体辅助去除所产生的还原产物。
经过上述处理，相变层230表面的氧化层240被完全去除。
接着，参考图9，执行步骤S105，在再处理后的相变层230表面形成电极层250。
可以利用现有工艺在相变层230表面形成电极层250，形成电极层250的工艺已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
由于相变层230表面的氧化层240被完全去除，相变层230与电极层250电接触良好，所以所形成的相变存储器性能得到提高。
综上，本发明在对GST材料进行研磨之前，先通过采用酸性溶液或者碱性溶液对基底进行预处理，去除因为自然氧化而在GST材料表面形成的氧化层，在后续研磨过程中，研磨液与GST材料反应形成氧化物，在被研磨晶圆与研磨垫的相对运动中，研磨液中的研磨颗粒将所形成的氧化物机械地从GST材料表面剥离，而不需要研磨因为自然氧化而在GST材料表面形成的氧化层，提高了研磨工艺的效率；
进一步，在形成相变层之后，通过采用酸性溶液或者碱性溶液对所形成的相变层进行再处理，去除了在研磨过程中残留在相变层表面的氧化层，以及研磨后相变层表面的GST材料自然氧化而形成的氧化层，改进了相变层与电极层电接触，提高了器件的电学性能。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (15)
1.一种相变存储器形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底表面形成有介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口中填满GST材料，所述GST材料还覆盖所述介质层的表面；
采用酸性溶液或者碱性溶液对GST材料进行预处理；
对预处理后的GST材料进行研磨，直至暴露所述介质层，形成相变层，所述研磨步骤中，研磨液中固体颗粒的重量比小于1%，研磨头向研磨垫施加的压力的范围为7-21kpa；
在相变层表面形成电极层。
2.依据权利要求1的相变存储器形成方法，其特征在于，还包括：在形成电极层之前，采用酸性溶液或者碱性溶液对所述相变层进行再处理。
3.依据权利要求1的相变存储器形成方法，其特征在于，对所述GST材料进行预处理的酸性溶液包含：草酸、丙二酸、氨基羧酸中的一种或者组合。
4.依据权利要求3的相变存储器形成方法，其特征在于，所述酸性溶液的重量百分率为0.01～10wt%。
5.依据权利要求1的相变存储器形成方法，其特征在于，对所述GST材料进行预处理的碱性溶液包含：聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺中的一种或者组合。
6.依据权利要求5的相变存储器形成方法，其特征在于，所述碱性溶液的重量百分率为0.01～10wt%。
7.依据权利要求1的相变存储器形成方法，其特征在于，以采用酸性溶液或者碱性溶液浸泡GST材料的方式对所述GST材料进行预处理。
8.依据权利要求7的相变存储器形成方法，其特征在于，所述酸性溶液或者碱性溶液对GST材料的浸泡时间是5-60s。
9.依据权利要求1的相变存储器形成方法，其特征在于，对所述GST材料进行预处理还包括：用去离子水清洗残留在GST材料表面的酸性溶液或者碱性溶液，以及GST材料表面的材料溶于酸性溶液或者碱性溶液所形成的溶液。
10.依据权利要求2的相变存储器形成方法，其特征在于，采用酸性溶液或者碱性溶液对所述相变层进行再处理的步骤包括：采用酸性溶液或者碱性溶液浸泡所述相变层；去除残留在相变层表面的酸性溶液或者碱性溶液以及相变层表面的材料溶于酸性溶液或者碱性溶液所形成的溶液；用氢气和/或氨气以及等离子体对相变层表面的材料进行还原处理。
11.依据权利要求10的相变存储器形成方法，其特征在于，对所述相变层进行再处理的酸性溶液包含：草酸、丙二酸、氨基羧酸中的一种或者组合。
12.依据权利要求10的相变存储器形成方法，其特征在于，对所述相变层进行再处理的碱性溶液包含：聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺中的一种或者组合。
13.依据权利要求11的相变存储器形成方法，其特征在于，所述酸性溶液的重量百分率为0.01～10wt%。
14.依据权利要求12的相变存储器形成方法，其特征在于，所述碱性溶液的重量百分率为0.01～10wt%。
15.依据权利要求10的相变存储器形成方法，其特征在于，酸性溶液或者碱性溶液浸泡所述相变层的时间为5-60s。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SEMICONDUCTOR MANUFACTURING INTERNATIONAL (BEIJING Effective date: 20121115 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20121115 Address after: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Applicant after: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation Applicant after: Semiconductor Manufacturing International (Beijing) Corporation Address before: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Applicant before: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |