CN102694119B - 用于制造相变随机存储器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制造相变随机存储器的方法，包括下列步骤：提供相变随机存储器前端器件，前端器件包括底部电极、与底部电极连接的金属层、以及位于底部电极和金属层上的绝缘结构；在前端器件中形成与金属层连接的金属塞结构；在金属塞结构的顶部形成金属氧化层；在前端器件的绝缘结构中形成凹槽；在前端器件上沉积相变材料；进行化学机械抛光工艺以去除凹槽外的相变材料；分别形成与相变材料连接的顶部电极和与金属塞结构连接的电极。根据本发明的制造相变随机存储器的方法，能够有效地克服相变随机存储器器件制造过程中的相变材料腐蚀，从而提高制造相变随机存储器器件的良品率，并且同时具有简单的制造流程和较低的成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺，特别涉及用于制造相变随机存储器的方法。
背景技术
相变随机存储器（可缩略表示为PCRAM）是一种新兴的非易失性存储器。它很可能在将来代替闪存（Flash），因为它不仅比闪存速度快得多，还更容易缩小到较小尺寸以适用于例如22纳米节点以下的半导体工艺，并且复原性更好，能够实现一亿次以上的擦写次数。
相变随机存储器的存储单元可以由硫属化物材料实现。在通过电脉冲的形式集中加热的情况下，它能够从有序的晶态（低电阻率）快速转变为无序的非晶态（高电阻率）。从晶态到非晶态的反复转换过程是由熔化和快速冷却机制触发的（或者一种稍慢的称为再结晶的过程）。最有应用前景的一种相变随机存储器材料是Ge2Sb2Te5材料（可缩略表示为GST），其熔点范围为500–600℃。
图1所示为现有技术中的相变随机存储器结构100的示意图。在图1中，相变随机存储器结构100具有顶部电极101，绝缘结构102，GST材料呈现晶态GST材料103和非晶态GST材料104两种状态，以及底部电极105。
这些硫属化物材料在晶态和非晶态的电阻率大小的差异能够存储二进制数据。高电阻的非晶态用于表示二进制数0、低电阻的晶态表示1。最新的相变随机存储器材料能够实现多种不同的值，例如，具有16种晶态，而不仅仅是两种状态，而每种状态都具有不同的电气特性。这使得单个存储单元能够表示多个比特，从而大大提高了存储密度，这是闪存无法实现的。
图2A至2G是现有技术中制造相变随机存储器的方法示意图。在图2A中，提供相变随机存储器前端器件200，包括底部电极201、与底部电极连接的金属层202和绝缘结构203。在图2B中，在前端器件200中形成金属塞结构204，包括进行金属的沉积和对金属塞结构204进行化学机械抛光（CMP）。在图2C中，对前端器件200中的绝缘结构203进行刻蚀，以形成凹槽。在图2D中，在前端器件200上沉积相变材料205。在图2E中，对前端器件200进行化学机械抛光，以仅保留位于所述凹槽中的相变材料层。在图2F中，在前端器件200上形成与所述相变材料层连接顶部电极206以及与所述金属塞结构204连接的电极207。
现有技术制造相变随机存储器的方法常常存在一些缺陷。图3为相变随机存储器前端器件300发生相变材料腐蚀的示意图。在如图2E所示对相变随机存储器前端器件300进行化学机械抛光时，前端器件300包括底部电极301、金属层302、绝缘结构303、金属塞结构304、相变材料305。此外，在前端器件300上存在用于进行化学机械抛光的研磨剂。由于研磨剂能够与前端器件300上已经存在的底部电极301、金属层302、金属塞结构304、相变材料305形成电流回路，因此产生了电偶腐蚀，从而进一步导致了在进行化学机械抛光之后严重的相变材料腐蚀。
因此，本领域需要一种改进的制造相变随机存储器的方法，能够有效地克服相变随机存储器器件制造过程中的相变材料腐蚀，从而提高制造相变随机存储器器件的良品率，并且同时具有简单的制造流程和较低的成本。
发明内容
为了在制造相变随机存储器器件时有效地克服相变随机存储器器件制造过程中的相变材料腐蚀问题，本发明提供了一种用于制造相变随机存储器的方法。
所述方法包括下列步骤：提供相变随机存储器前端器件，所述前端器件包括底部电极、与底部电极连接的金属层、以及位于所述底部电极和金属层上的绝缘结构；在所述前端器件中形成与所述金属层连接的金属塞结构；使所述金属塞结构的顶部氧化形成金属氧化层；在所述前端器件的绝缘结构中形成凹槽；在所述前端器件上沉积相变材料；进行化学机械抛光工艺以去除凹槽外的相变材料；分别形成与所述相变材料连接的顶部电极和与所述金属塞结构连接的电极。
其中所述形成金属氧化层的步骤采用等离子体处理。
其中所述等离子体处理的气体采用O2和O3中的一种。
其中所述等离子体处理的功率是100-1000W。
其中所述等离子体处理的功率是350-600W。
其中所述金属氧化层的厚度是50-500埃。
其中所述金属氧化层的厚度是100-200埃。
其中所述形成凹槽的步骤采用刻蚀处理。
进一步包括在所述化学机械抛光步骤之后对所述前端器件进行预清理。
其中所述金属塞结构包括钨或铝，所述金属氧化层包括氧化钨或氧化铝。
根据本发明的制造相变随机存储器的方法，能够有效地克服相变随机存储器器件制造过程中的相变材料腐蚀，从而提高制造相变随机存储器器件的良品率，并且同时具有简单的制造流程和较低的成本。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1是现有技术中的相变随机存储器结构的示意图；
图2A至2F是现有技术中制造相变随机存储器的方法示意图；
图3为相变随机存储器前端器件发生相变材料腐蚀的示意图；
图4A至4H是根据本发明的一个实施例的制造相变随机存储器的方法示意图；以及
图5是根据本发明的一个实施例的制造相变随机存储器的方法流程。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
在现有技术中，由于在制造过程中在对相变随机存储器前端器件进行化学机械抛光时会产生电偶腐蚀，从而进一步导致在化学机械抛光后发生相变材料腐蚀。为了根本克服上述问题，本发明对现有技术中的相变随机存储器金属塞结构进行了改进。在形成金属塞结构之后引入了金属氧化物层结构。
图4A至4H是根据本发明的一个实施例的制造相变随机存储器的方法示意图。在图4A中，提供相变随机存储器前端器件400，包括底部电极401、与底部电极连接的金属层402和绝缘结构403。在图4B中，在前端器件400中形成金属塞结构404，包括进行金属的沉积和对金属塞结构404进行化学机械抛光。在图4C中，使所述金属塞结构404的顶部氧化形成金属氧化层405。在图4D中，对前端器件400中的绝缘结构403进行刻蚀，以形成凹槽。在图4E中，在前端器件400上沉积相变材料406。在图4F中，对前端器件400进行化学机械抛光，以仅保留位于所述凹槽中的相变材料层。在图4G中，对前端器件400进行预清理。最后，在图4H中，在前端器件400上形成与所述相变材料层连接顶部电极407以及与所述金属塞结构404连接的电连接电极408。
优选地，金属塞结构404的材料可以选择本领域常用的金属。特别优选地，金属塞结构404包括钨或铝，金属氧化层包括氧化钨或氧化铝。
在根据本发明的优选的实施例中，其中形成金属氧化层的步骤采用等离子体处理。优选地，等离子体处理的气体采用O2和O3中的一种。
优选地，等离子体处理的功率是100-1000W。更加优选地，等离子体处理的功率是350-600W。
优选地，金属氧化层的厚度是50-500埃。更加优选地，金属氧化层的厚度是100-200埃。
图5是根据本发明的一个实施例的制造相变随机存储器的方法500的流程图。如图5所示，在步骤501中，提供相变随机存储器前端器件，包括底部电极、金属层和绝缘结构。在步骤502中，在前端器件上形成金属塞结构，包括进行金属的沉积和对金属塞结构进行化学机械抛光。在步骤503中，在金属塞结构上形成金属氧化层。在步骤504中，在前端器件上进行刻蚀。在步骤505中，在前端器件上沉积相变材料。在步骤506中，在前端器件上进行化学机械抛光。在步骤507中，在前端器件上进行预清理。最后，在步骤508中，在前端器件上形成顶部电极。
本发明通过增加形成金属氧化层的步骤而在金属塞结构上引入金属氧化层，使金属氧化层能够在对相变随机存储器前端器件进行化学机械抛光时充当绝缘层，有效地防止由研磨剂导致的电流回路，从而完全抑制了电偶腐蚀的发生，从而根本上克服了相变材料腐蚀这一现有技术中的缺陷。并且，由于上述技术效果仅仅是通过增加了形成金属氧化层的步骤来实现的，因此在提高制造相变随机存储器的良品率的同时构成了低成本和简单的解决方案。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (10)
1.一种用于制造相变随机存储器的方法，包括下列步骤：
提供相变随机存储器前端器件，所述前端器件包括底部电极、与底部电极连接的金属层、以及位于所述底部电极和金属层上的绝缘结构；
在所述前端器件中形成与所述金属层连接的金属塞结构；
使所述金属塞结构的顶部氧化形成金属氧化层；
在所述前端器件的绝缘结构中形成凹槽；
在所述前端器件上沉积相变材料；
进行化学机械抛光工艺以去除所述凹槽外的相变材料；
分别形成与所述相变材料连接的顶部电极和与所述金属塞结构连接的电极。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述形成金属氧化层的步骤采用等离子体处理。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述等离子体处理的气体采用O2和O3中的一种。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述等离子体处理的功率是100-1000W。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述等离子体处理的功率是350-600W。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述金属氧化层的厚度是50-500埃。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述金属氧化层的厚度是100-200埃。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述形成凹槽的步骤采用刻蚀处理。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述化学机械抛光步骤之后对所述前端器件进行预清理。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述金属塞结构包括钨或铝，所述金属氧化层包括氧化钨或氧化铝。
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