CN103378288B

CN103378288B - 相变存储器的形成方法

Info

Publication number: CN103378288B
Application number: CN201210133616.7A
Authority: CN
Inventors: 刘焕新
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2032-04-28
Also published as: CN103378288A

Abstract

一种相变存储器的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底表面形成有介质层，以及贯穿所述衬底和介质层的底部电极；形成粘附层，所述粘附层覆盖所述介质层，并暴露出所述底部电极；沉积相变材料，所述相变材料覆盖所述粘附层以及底部电极；图形化所述相变材料，形成相变材料层，所述相变材料层包括与底部电极连接的相变电阻层以及与底部电极不连接的衬垫；对形成有相变材料层的衬底进行清洗。本发明相变存储器的形成方法通过在衬底上介质层与相变材料形成的衬垫之间形成粘附层来提高介质层与衬垫之间的附着力，避免衬垫从介质层上剥离而导致的相变存储器的位线失效，提高了所形成相变存储器的良率。

Description

相变存储器的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体的，本发明涉及相变存储器（PCRAM）的形成方法。

背景技术

随着信息技术的发展，存储器件的需求越来越大，因此促进了存储器件朝着高性能、低压、低功耗、高速及高密度方向发展。

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，其使用元素周期表中V族或VI族的一种或一种以上元素的合金作为相变电阻，用相变电阻作为存储单元，相变电阻在以电脉冲的形式集中加热的情况下，能够从有序的晶态（电阻低）快速转变为无序的非晶态（电阻高）。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，已成为目前非挥发存储技术研究的焦点。

典型的相变存储器使用硫族化物合金（比如GST，GeSbTe）作为相变电阻，存储单元是一种极小的硫族合金颗粒，相变电阻的非晶（a-GST，a-GeSbTe）和结晶（c-GST，c-GeSbTe）状态具有不同的电阻率，结晶状态具有大约为千欧姆（kΩ）的典型电阻，而非晶状态具有大约为兆欧姆（M Ω）的典型电阻，因此通常利用硫族化物合金材料（比如GST，GeSbTe）制作相变电阻。通过测量PCRAM存储单元的电阻值（即相变电阻的电阻值）来读取PCRAM单元。

参考图1，为现有技术制作以GST作为相变材料的相变存储器的形成过程，包括以下步骤：首先，执行步骤S11，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有材质为氧化硅的介质层，以及贯穿所述介质层和半导体衬底的底部电极；接着，执行步骤S12，对底部电极进行回刻，在所述介质层上沉积GST层，对所述GST层进行刻蚀，形成GST图形；然后，执行步骤S13，对包含GST图形的半导体衬底进行清洗；最后，执行步骤S14，形成覆盖所述GST图形的层间介质层，以及通过CMP工艺减薄所述GST图形厚度。在通过CMP工艺减薄所述GST图形厚度的过程中，为了使衬底上各个位置的研磨速率一致，所述GST图形除包括作为相变电阻的相变材料外，还包括材料为GST的衬垫（PAD）。

然而，由于GST材料与材质为氧化硅的介质层之间的附着力较小，导致在对包含GST图形的半导体衬底进行清洗过程中，衬垫从介质层剥离，使得后续形成的、位于相变电阻顶部电极上方的位线失效，使所制造的相变存储器失效，严重影响了所形成相变存储器的良率。

更多相变存储器的形成方法请参考专利号为US6838727B2的美国专利申请。

因此，如何提供一种相变存储器的形成方法，以提高所制造相变存储器的良率，就成了亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种相变存储器的形成方法，防止现有工艺所形成的相变存储器中相变材料从衬底上介质层剥离，提高所形成的相变存储器的良率。

为解决上述问题，本发明提供了一种形变存储器的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底表面形成有介质层，以及贯穿所述衬底和介质层的底部电极；形成粘附层，所述粘附层覆盖所述介质层，并暴露出所述底部电极；沉积相变材料，所述相变材料覆盖所述粘附层以及底部电极；图形化所述相变材料，形成相变材料层，所述相变材料层包括与底部电极连接的相变电阻层以及与底部电极不连接的衬垫；对形成有相变材料层的衬底进行清洗。

可选的，所述底部电极的材质为多晶硅或钨。

可选的，所述介质层的材质为氧化硅。

可选的，以正硅酸乙酯为硅源，通过等离子增强气相沉积工艺形成所述介质层。

可选的，所述粘附层的材质为氮化钛。

可选的，所述粘附层的厚度在30~70埃范围内。

可选的，在形成粘附层前，还包括：对所述底部电极进行回刻，使所述底部电极的表面低于所述介质层的上表面。

可选的，形成粘附层，所述粘附层覆盖所述介质层，并暴露出所述底部电极包括：在所述介质层上沉积覆盖所述介质层和底部电极表面的粘附材料；在所述粘附材料上沉积第一光刻胶，图形化所述第一光刻胶，形成包含第一光刻胶图形的第一光刻胶层；以所述第一光刻胶层为掩模，对所述粘附材料进行刻蚀，形成覆盖所述介质层的粘附层；去除所述第一光刻胶层。

可选的，以所述第一光刻胶层为掩模，通过干法刻蚀工艺对所述粘附材料进行刻蚀，形成覆盖所述介质层的粘附层。

可选的，通过灰化工艺去除所述第一光刻胶层。

可选的，在去除所述第一光刻胶层后，还包括：对形成有所述粘附层的衬底进行清洗。

可选的，通过氢氟酸溶液对形成有所述粘附层的衬底进行清洗，所述氢氟酸溶液中水与氢氟酸的体积比在200~1000:1范围内，清洗时间在30~120秒范围内。

可选的，以所述第一光刻胶层为掩模，通过湿法刻蚀工艺对所述粘附材料进行刻蚀，形成覆盖所述介质层的粘附层。

可选的，所述湿法刻蚀的刻蚀溶液为SC1溶液，所述SC1溶液中NH₄OH、H₂O₂与H₂O的体积比在1:1~2:50~200范围内，所述湿法刻蚀的温度2在5~60摄氏度范围内，时间在1~3分钟范围内。

可选的，所述湿法刻蚀的刻蚀溶液为氟化氢溶液，所述氟化氢溶液中水与氟化氢的体积比在100~1000:1范围内，所述湿法刻蚀的温度在23~45摄氏度范围内，时间在0.5~3分钟范围内。

可选的，通过湿法清洗去除所述第一光刻胶。

可选的，所述湿法清洗的清洗溶液为N-甲基吡咯烷酮溶液（NMP溶液），所述湿法清洗的温度在60~80摄氏度范围内，时间在1~10分钟范围内。

可选的，所述相变材料的材质为锗锑碲（GeSbTe）。

可选的，在所述粘附层和插塞表面沉积相变材料后，还包括：在所述相变材料上沉积保护层。

可选的，所述保护层的材质为氮化钛。

可选的，图形化所述相变材料，形成相变材料层，所述相变材料层包括与底部电极连接的相变电阻层以及与底部电极不连接的衬垫，包括：在所述相变材料上沉积第二光刻胶层，所述第二光刻胶层包括第二光刻胶图案；以所述第二光刻胶层为掩模，对所述相变材料和粘附层进行刻蚀，至暴露出介质层，形成相变材料层；去除所述位于相变材料层上的第二光刻胶层。

可选的，通过氢氟酸溶液对形成有相变材料层的衬底进行清洗，所述氢氟酸溶液中水与氢氟酸的体积比在1000~15000:1范围内，清洗时间在20~120秒范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明相变存储器的形成方法通过在位于衬底上介质层表面沉积粘附层来提高相变材料与介质层之间的附着力，防止后续清洗工艺中由相变材料形成的衬垫从介质层剥离，避免因衬垫剥离而导致位于相变存储器顶部电极上方的位线失效，提高所形成相变存储器的良率。

附图说明

图1为现有工艺形成相变存储器的流程示意图；

图2为本发明相变存储器的形成方法一实施方式的流程示意图；

图3~图11为本发明相变存储器的形成方法一实施例所形成相变存储器各阶段的剖面结构示意图。

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它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，由于相变材料GST与位于衬底上介质层的附着力小，导致相变材料形成的衬垫易从介质层剥离，导致衬垫上方顶部电极连接的位线失效，进而使得所形成的相变存储器的良率较低。

针对上述问题，发明人提供了一种相变存储器的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底表面形成有介质层，以及贯穿所述衬底和介质层的底部电极；形成粘附层，所述粘附层覆盖所述介质层，并暴露出所述底部电极；沉积相变材料，所述相变材料覆盖所述粘附层以及底部电极；图形化所述相变材料，形成相变材料层，所述相变材料层包括与底部电极连接的相变电阻层以及与底部电极不连接的衬垫；对形成有相变材料层的衬底进行清洗。本发明相变存储器的形成方法通过在衬底上介质层与相变材料形成的衬垫之间形成粘附层来提高介质层与衬垫之间的附着力，避免衬垫从介质层上剥离而导致的相变存储器的位线失效，提高了所形成相变存储器的良率。

参考图2，为本发明相变存储器的形成方法一实施方式的流程示意图，所述方法包括以下步骤：

步骤S201，提供衬底，所述衬底表面形成有介质层，以及贯穿所述衬底和介质层的底部电极;

步骤S202，形成粘附层，所述粘附层覆盖所述介质层，并暴露出所述底部电极；

步骤S203，沉积相变材料，所述相变材料覆盖所述粘附层以及底部电极；

步骤S204，图形化所述相变材料，形成相变材料层，所述相变材料层包括与底部电极连接的相变电阻层以及与底部电极不连接的衬垫；

步骤S205，对形成有相变材料层的衬底进行清洗。

参考图3~11，为本发明相变存储器的形成方法一实施例所形成的相变存储器各阶段的剖面结构示意图。下面结合图2~图11，并通过具体实施例来进一步说明本发明相变存储器的形成方法的技术方案。

结合参考图2和图3，执行步骤S201，提供衬底300，所述衬底300表面形成有介质层304，以及贯穿所述衬底300和介质层304的底部电极。

在具体实施例中，所述底部电极包括贯穿所述衬底300的第一底部电极302a和贯穿所述介质层304的第二底部电极302b。所述第二底部电极302b在水平方向上的横截面积小于第一底部电极302a在水平方向上的横截面积，以减小底部电极与后续形成相变材料的接触面积，进而减少在使用所形成的相变存储器时的能量消耗。

具体的，所述衬底300的材质可以为单晶硅（Si）、单晶锗（Ge）、硅锗（GeSi）或碳化硅（SiC）；也可以是绝缘体上硅（SOI），绝缘体上锗（GOI）；或者还可以为其它的材料，例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。所述介质层304的材质可以为氧化硅，所述氧化硅可以以正硅酸乙酯（PETEOS）为硅源，通过等离子体气相沉积工艺沉积。所述底部电极的材质可以为钨或多晶硅，但不限于钨或多晶硅，也可为本领域技术人员公知的其他材料。

结合参考图2和图4~7，执行步骤S202，形成粘附层308b，所述粘附层308b覆盖所述介质层304，并暴露出所述底部电极。

如图4所示，在本实施例在形成粘附层前，还需要对所述第二底部电极302b进行回刻，使所述第二底部电极302b的表面低于所述介质层304的上表面，以提高后续形成相变电阻与第二底部电极302b的结合度。

本实施例中，形成粘附层308b时，包括以下步骤：

首先，如图5所示，在所述介质层304上沉积覆盖所述介质层304和底部电极表面的粘附材料308a。

本发明实施例中，所述粘附材料308a的材质可以为氮化钛，所述粘附材料308a的厚度在30~70埃范围内。

接着，在所述粘附材料308a上沉积第一光刻胶，图形化所述第一光刻胶，形成包含第一光刻胶图形的第一光刻胶层310。

具体的，所述第一光刻胶层310作为后续对粘附材料308a进行刻蚀的掩模，所述第一光刻胶层310中光刻胶图形使正对第二底部电极302b的粘附材料308a暴露。

然后，如图6所示，以所述第一光刻胶层310为掩模，对所述粘附材料308a进行刻蚀，形成粘附层；

在具体实施例中，通过湿法刻蚀工艺对所述粘附材料308a进行刻蚀，所述湿法刻蚀的刻蚀溶液可以为SC1溶液，所述SC1溶液中NH₄OH、H₂O₂与H₂O的体积比在1:1~2:50~200范围内，所述湿法刻蚀的温度在25~60摄氏度范围内，时间在1~3分钟范围内；所述湿法刻蚀的刻蚀溶液还可以为氟化氢溶液，所述氟化氢溶液中水与氟化氢的体积比在100~1000:1范围内，所述湿法刻蚀的温度在23~45摄氏度范围内，时间在0.5~3分钟范围内。

在其他实施例中，还可以通过干法刻蚀工艺对所述粘附材料308a进行刻蚀。

最后，如图7所示，去除所述第一光刻胶层310。

当通过湿法刻蚀工艺对所述粘附材料308a进行刻蚀时，后续还可通过湿法清洗去除所述第一光刻胶层310。所述湿法清洗的清洗溶液可以为N-甲基吡咯烷酮溶液（NMP溶液），所述湿法清洗的温度在60~80摄氏度范围内，时间在1~10分钟范围内。

当通过干法刻蚀工艺对所述粘附材料308a进行刻蚀时，后续还可通过灰化工艺去除所述第一光刻胶层310，也可通过湿法清洗去除所述第一光刻胶层310。所述湿法清洗的清洗溶液可以为N-甲基吡咯烷酮溶液（NMP溶液），所述湿法清洗的温度在60~80摄氏度范围内，时间在1~10分钟范围内。

在其他实施例中，通过干法刻蚀工艺对所述粘附材料308a刻蚀、以及通过灰化工艺去除第一光刻胶层310后，还包括对形成有粘附层308b的衬底300进行清洗。

具体的，可以通过氢氟酸溶液对形成有粘附层308b的衬底300进行清洗，所述氢氟酸溶液中水与氢氟酸（HF）的体积比在200~1000:1范围内，清洗时间在30~120秒范围内。

结合参考图2和图8，执行步骤S203，沉积相变材料312a，所述相变材料312a覆盖所述粘附层308b以及第二底部电极302b。

在本发明的具体实施例中，所述相变材料312a的材质可以为锗锑碲（GeSbTe）。

在其他实施例中，在沉积相变材料312a后，还包括：在所述相变材料312a上沉积保护层（图未示），以在后续对相变材料312a刻蚀过程中保护需要保留的相变材料312a，保障所形成相变电极的形态，提高所形成相变存储器的性能。具体的，所述保护层的材质可以为氮化钛。

结合参考图2和图9~11，执行步骤S204，图形化所述相变材料312a，形成相变材料层312b，所述相变材料层312b包括与底部电极连接的相变电阻层312b1以及与底部电极不连接的衬垫312b2。

由于衬垫312b2与介质层304之间形成有粘附层308b，可以有效提高衬垫312b2与介质层304之间附着力。

本实施例中，图形化所述相变材料312a，形成相变材料层312b，包括：

首先，如图9所示，在所述相变材料312a上沉积第二光刻胶层314，所述第二光刻胶层314包括第二光刻胶图案；

接着，如图10所示，以所述第二光刻胶层314为掩模，对所述相变材料312a和粘附层308b进行刻蚀，至暴露出介质层304，形成相变材料层312b；

最后，如图11所示，去除所述位于相变材料层312b上的第二光刻胶层314。

所述第二光刻胶层314的去除方式可以为干法刻蚀也可以为湿法刻蚀，其具体实施方式作为本领域技术人员的公知技术，在此不做赘述。

结合参考图2，执行步骤S205，对形成有相变材料层312b的衬底300进行清洗。

具体的，可以通过氢氟酸溶液对形成有相变材料层312b的衬底300进行清洗，所述氢氟酸溶液中水与氢氟酸的体积比在1000~15000:1范围内，清洗时间在20~120秒范围内。

由于衬垫312b2与介质层304之间形成有粘附层308b，使得衬垫312b2不易与介质层304剥离，保障位于相变存储器顶部电极上方的位线不发生移位，防止因位线移位而导致的相位存储器失效，提高了所形成相位存储器的良率。

综上，本发明相变存储器的形成方法通过在位于衬底上介质层沉积粘附层来提高相变层材料与介质层之间的附着力，防止在后续清洗工艺中相变材料形成衬垫从介质层上剥离，以及因衬垫剥离而导致的位于相变存储器顶部电极上方的位线失效，提高所形成相变存储器的良率。

以上所述仅为本发明的具体实施例，为了使本领域技术人员更好的理解本发明的精神，然而本发明的保护范围并不以该具体实施例的具体描述为限定范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明精神的范围内，可以对本发明的具体实施例做修改，而不脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种相变存储器的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底表面形成有介质层；

形成贯穿所述衬底和介质层的底部电极；

形成粘附层，所述粘附层覆盖所述介质层，并暴露出所述底部电极；

沉积相变材料，所述相变材料覆盖所述粘附层以及底部电极；

图形化所述相变材料，形成相变材料层，所述相变材料层包括与底部电极连接的相变电阻层以及与底部电极不连接的衬垫；

对形成有相变材料层的衬底进行清洗。

2.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述底部电极的材质为多晶硅或钨。

3.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述介质层的材质为氧化硅。

4.如权利要求3所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，以正硅酸乙酯为硅源，通过等离子增强气相沉积工艺形成所述介质层。

5.如权利要求3所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述粘附层的材质为氮化钛。

6.如权利要求3所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述粘附层的厚度在30～70埃范围内。

7.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，在形成粘附层前，还包括：对所述底部电极进行回刻，使所述底部电极的表面低于所述介质层的上表面。

8.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，形成粘附层，所述粘附层覆盖所述介质层，并暴露出所述底部电极包括：在所述介质层上沉积覆盖所述介质层和底部电极表面的粘附材料；在所述粘附材料上沉积第一光刻胶，图形化所述第一光刻胶，形成包含第一光刻胶图形的第一光刻胶层；以所述第一光刻胶层为掩模，对所述粘附材料进行刻蚀，形成粘附层；去除所述第一光刻胶层。

9.如权利要求8所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，以所述第一光刻胶层为掩模，通过干法刻蚀工艺对所述粘附材料进行刻蚀，形成粘附层。

10.如权利要求9所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，通过灰化工艺去除所述第一光刻胶层。

11.如权利要求9所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，在去除所述第一光刻胶层后，还包括：对形成有所述粘附层的衬底进行清洗。

12.如权利要求11所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，通过氢氟酸溶液对形成有所述粘附层的衬底进行清洗，所述氢氟酸溶液中水与氢氟酸的体积比在200～1000:1范围内，清洗时间在30～120秒范围内。

13.如权利要求8所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，以所述第一光刻胶层为掩模，通过湿法刻蚀工艺对所述粘附材料进行刻蚀，形成粘附层。

14.如权利要求13所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的刻蚀溶液为SC1溶液，所述SC1溶液中NH₄OH、H₂O₂与H₂O的体积比在1:1～2:50～200范围内，所述湿法刻蚀的温度在25～60摄氏度范围内，时间在1～3分钟范围内。

15.如权利要求13所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的刻蚀溶液为氟化氢溶液，所述氟化氢溶液中水与氟化氢的体积比在100～1000:1范围内，所述湿法刻蚀的温度在23～45摄氏度范围内，时间在0.5～3分钟范围内。

16.如权利要求9或13所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，通过湿法清洗去除所述第一光刻胶。

17.如权利要求16所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述湿法清洗的清洗溶液为N-甲基吡咯烷酮溶液，所述湿法清洗的温度在60～80摄氏度范围内，时间在1～10分钟范围内。

18.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述相变材料的材质为锗锑碲。

19.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，在沉积相变材料后，还包括：在所述相变材料上沉积保护层。

20.如权利要求19所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述保护层的材质为氮化钛。

21.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，图形化所述相变材料，形成相变材料层，所述相变材料层包括与底部电极连接的相变电阻层以及与底部电极不连接的衬垫，包括：在所述相变材料上沉积第二光刻胶层，所述第二光刻胶层包括第二光刻胶图案；以所述第二光刻胶层为掩模，对所述相变材料和粘附层进行刻蚀，至暴露出介质层，形成相变材料层；去除位于所述相变材料层上的第二光刻胶层。

22.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，通过氢氟酸溶液对形成有相变材料层的衬底进行清洗，所述氢氟酸溶液中水与氢氟酸的体积比在1000～15000:1范围内，清洗时间在20～120秒范围内。