CN103560205B - 相变存储结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相变存储结构及制作方法，包括如下步骤：于一衬底上形成一相变合金材料层；并在其上表面形成上电极作为刻蚀阻挡层；图形化所述刻蚀阻挡层及相变材料层；在表面涂布光阻并采用回刻蚀的技术将刻蚀至与上电极表面高度平齐；在图形表面形成一层电介质并采用光刻与刻蚀技术定义出电介质图形，使电介质在上电极表面悬出；在上述结构表面包覆一层电介质，同时形成中空结构；再次沉积一层电介质封盖上述的中空结构从而形成空气间隔；本发明的空气间隔，一方面增大相变单元间的热阻，减少器件操作中的热损失从而降低操作功耗，同时也可减少存储单元间的热串扰；另一方面具有空气间隔的存储器件可以降低导线间的寄生电容，以提高操作速度。

Description

相变存储结构及制作方法

技术领域

本发明涉及相变存储器或高密度存储器件领域。尤其是指一种相变存储结构及制作方法。

背景技术

相变存储器是一种新型的非易失性数据存储器件，利用相变合金材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性或光学特性差异来实现数据存储。相变存储器具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、器件尺寸小、功耗低和制造工艺简单等优点，可取代多种传统的存储器，并广泛应用于移动通讯、移动数据终端、移动多媒体等消费类电子等领域。

在相变存储器的商品化过程中仍然面对诸多可靠性，功耗，速度等挑战。在相变存储器单元的操作过程中，采用产生焦耳热对相变单元进行晶态与非晶态的转换，其中伴随着复杂的热学过程。上述过程中产生的焦耳热中，一部分用于对相变单元的操作，其它的热量则通过周围的电介质与金属散失。在T型结构的相变单元中，约四分之一的热量散失中周边的电介质中。通过减少存储器中的热散失以提高热效率是降低相变存储器的功耗的有效途径之一。常用集成电路中常用材料的热导率如表1所示，空气的热导率远小于常规的电介质如二氧化硅。采用空气间隔结构可有效地增大相变单元之间的热阻，从而降低相变存储器的功耗。与此同时，通过空气间隔结构增大相变单元之间的热阻也对存储单元之间的热串扰提供了一个解决方案。

表1：常用集成电路中常用材料的热导率

与此同时，随着存储器密度的不断提高，金属连线间的时间延迟(τ)对存储器运行速度也不断增大。金属连线的时间延迟可用金属导线的电阻值(R)与金属导线间的寄生电容(C)的乘积来表达。目前为了降低金属电线的电阻已大量采用电阻率较低的铜导线，与此同时，采用较低介电常数(k)的电介质以降低金属导线间的寄生电容则是降低时间延迟的另一选择。目前主要使用的低介电常数材料主要有FSG、HSQ、SiLK^TM、BD、CDO、NDC等。上述低介电常数材料基本上同时具有低介电常数，低表面导电性等性能，然而仍然面临诸如可靠性、机械强度低或与金属整合差等问题。由于空气的理想介电常数接近于1，因此使用空气做为金属间的绝缘物质也是一种有效地降低金属导线间寄生电容的解决方案之一。

鉴于此，一种高效可行的具有空气间隔的相变存储结构及制作方法具有重大意义。本发明可以提供一完整的解决方案，可达到量产规模。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变存储结构及制作方法，通过在相变存储单元之间形成大量的空气间隔，进而有效地增大相变单元之间的热阻，从而降低相变存储器的功耗。同时，具有大量空气间隔也可以达到减少集成电路中的时间延迟的功效。

为了达到上述目的，本发明提供一种相变存储器的制作方法，该制作方法包含有：

提供一基底，在所述基底上形成一相变材料层；

在所述相变材料层上形成一电极层；

非等向性蚀刻所述相变材料层及电极层，形成倒梯形沟槽用于隔离出相变存储单元；

涂布填充满所述沟槽并包覆相变材料层及电极层的第一光阻层；

回刻使刻蚀后的光阻上表面高于所述相变材料层等于或低于所述电极层上表面；

沉积形成一上表面高于所述电极层的第一电介质层；

涂布第二光阻层并图形化形成宽度小于倒梯形沟槽最大宽度的第二沟槽；

以所述第二沟槽为窗口，刻蚀所述第一电介质层后去除位于所述第一电介质层下方的第一光阻层；形成位于电极层上的悬臂结构；

形成包覆所述第一电介质层和倒梯形沟槽的第二电介质层，从而形成中空结构；

形成第三电介质层用于封盖各中空结构，形成空气间隔。

优选地，所述基底的表面包含有已经制作完成的半导体组件。

优选地，所述相变材料层包括锑-碲化合物或者锗-碲化合物。

优选地，所述电极层的材料是氮化钛、钛铝氮或者钛硅氮。

优选地，所述回刻采用氧气为刻蚀气体的等离子体刻蚀技术或以氧气为主刻蚀气体，加入氮气或溴化氢的复合气体进行等离子体刻蚀技术。

优选地，所述第一、第二电介质层材料为氧化硅、氮化硅或氮氧硅。

本发明还提供一种相变存储结构，该结构包括：一基底，形成于所述基底上的采用沟槽隔离的若干相变存储单元；相邻所述相变存储单元之间形成有空气间隔；所述相变存储单元包括相变材料层、位于所述相变材料层上的电极层、位于所述电极层上的电介质层以及并包覆所述第一电介质层和沟槽的第二介质层；所述第一电介质层的宽度大于所述电极层从而形成悬臂结构；所述空气间隔形成于相邻第二电介质层之间；所述空气间隔和相变存储单元上方形成第三介质层。

优选地，所述相变材料层以及所述电极层的纵截面为梯形。

本发明在相变单元之间形成了空气间隔，一方面可以增大相变单元间的热阻，减少器件操作中的热损失从而降低操作功耗，同时也可减少存储单元间的热串扰；另一方面具有空气间隔结构的存储器件可以降低导线间的寄生电容，以提高操作速度。

附图说明

附图1所示为本发明较佳实施例中具有空气间隔或空气悬隔的相变存储器件的剖面示意图；

附图2至图12所示为本发明提供的具有空气间隔的相变器件结构制作方法具体实施方式的实施步骤示意图。

元件标号说明

210-基底

220-相变材料层

221-相变材料层上的倒梯形沟槽

230-电极层

231-电极层上的沟槽

240-光阻

250-电介质掩膜

251-电解质掩膜上的沟槽

260-光阻

261-光阻上的沟槽

270-电介质包覆层

271-中空结构

280-较厚介电层

281-空气间隔

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图对本发明提供的一种具有空气间隔的相变存储结构及制作方法具体实施方式做详细说明。

图1所示为本发明具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S110，提供相变合金材料层，所述相变合金材料布置于半导体衬底表面；步骤S120，在所述相变合金材料的表面覆盖上电极作为刻蚀阻挡层；步骤S130，通过光刻工艺，图案化所述上电极，以使预定部分表面暴露出来；步骤S140，以上电极为硬掩膜，刻蚀出相变材料层；步骤S150，涂布光阻层，所述光阻层将相变单元包覆并具有一定机械强度；步骤S160，采用回刻蚀技术将上述光阻刻蚀至相变材料顶部，并保证表面平整；步骤S170，提供电介质层，所述电介质层布置于晶圆表面，覆盖相变材料层，上电极及回刻蚀工艺后的光阻；步骤S180，图形化该电介质层；步骤S190，刻蚀出该电介质层并灰化上述两层光阻，使电介质层掩盖能够全部掩盖相变单元；S200，在表面提供一层电介质层，从而形成中空结构；S210，提供一具有一定厚度的电介质层以封盖各中空结构，形成空气间隔。

附图2至附图12所示为本发明具体实施方式的工艺流程图。

请参阅附图2所示，参考步骤S110，提供一基底210，在所述基底上形成相变材料层220，所述相变合金材料层220布置于基底（半导体衬底）210表面。其中基底210可以为一单晶硅基底或其它半导体基底。在基底210的表面可以包含有已经制作完成的半导体组件，例如MOS晶体管、二极管、BJT、电极、电阻、电容等等。由于这些组件并非本发明的重点，因此并未显示在图标之中。所述半导体衬底210可以是硅衬底或者其它化合物半导体衬底。所述相变材料层的材料包括锗-锑-碲、硅-锑-碲、钛-锑-碲、铝-锑-碲、或其它锑-碲化合物以及锗-碲化合物等。相变材料形成于基底上可以采用物理气相沉积，化学气体沉积，原子层沉积等技术。

请参阅附图3所示，参考步骤S120，在所述相变材料层220的表面覆盖电极材料以作为刻蚀阻挡层230。本实施例中，所述刻蚀阻挡层230的材料是氮化钛。氮化钛作为刻蚀阻挡层的优点在与相变材料粘合性好，导电性及导热性满足性能需求。所述刻蚀阻挡层230的材料也可以是钛铝氮、钛硅氮等本领域内常见的材料。

请参阅附图4所示，参考步骤S130，图案化所述刻蚀阻挡层230，以使预设部分的相变材料层220暴露出来。同时形成沟槽231；所述图案化所述刻蚀阻挡层230的方法可以是本领域内常见的光刻和刻蚀方法或电子束曝光的方法，在此不再赘述。此步骤实施完毕后，于所述相变合金材料层220的表面形成图形化的刻蚀阻挡层。

请参阅附图5所示，参考步骤S140，以所述沟槽231为窗口，刻蚀暴露出来的相变材料层。以在相变材料层中形成倒梯形沟槽221，同时使得沟槽231也成倒梯形。即所述刻蚀阻挡层（电极层）230上的沟槽231与所述相变材料层中形成的倒梯形沟槽221贯通，形成一个倒梯形结构，从而隔离出相变存储单元。使得每一个相变存储单元中的电极层顶面宽度h小于其底面宽度H。

请参阅附图6所示，参考步骤S150，在刻蚀后的晶圆表面涂布一层光阻240，使光阻充满刻蚀后的倒梯形沟槽221和231并将图形晶圆包裹在内，此光阻具有一定机械强度。

请参阅附图7所示，参考步骤S160，采用刻蚀工艺，将光阻240进行回刻蚀，控制光阻刻蚀量，并使刻蚀后的光阻241控制在与上电极基本处于一个平面。本实施例中光阻240的上表面低于刻蚀阻挡层230的上表面高于相变材料层220的上表面。所述回刻蚀可采用氧气为刻蚀气体的等离子体刻蚀技术，或以氧气为主刻蚀气体，加入氮气或溴化氢等的复合气体进行等离子体刻蚀。

请参阅附图8所示，参考步骤S170，沉积一电介质层250，所述电介质层布置于图形表面，可采用氧化硅、氮化硅或氮氧硅等常用电介质层，工艺方法可采用化学气相沉积法(CVD)或等离子体增强化学气体沉积等方法。

请参阅附图9所示，参考步骤S180，在所述电介质层250上涂布形成光刻胶层260，图形化所述光刻胶层260，形成沟槽261，该沟槽261的宽度小于倒梯形沟槽231的最大宽度。优选为小于所述倒梯形沟槽221的最小宽度（底面宽度）。

请参阅附图10所示，参考步骤S190，以所述沟槽261为窗口，采用光刻的方法图案化所述电介质层250。此步骤实施完毕后，于所述电介质层250中形成沟槽251。所述沟槽251的宽度小于倒梯形沟槽231的最大宽度。优选为小于所述倒梯形沟槽221的最小宽度（底面宽度）。刻蚀过程同时去除电介质层250表面及其覆盖下的光阻，使电介质层在电极表面（刻蚀阻挡层230）突出。形成悬臂结构。每一相变存储单元的电介质层250的宽度d大于电极层底面宽度H。

请参阅附图11所示，参考步骤S200，继续沉积一电介质包覆层270以实现相变单元的热学隔离与电学隔离。此包覆层270可采用氧化硅、氮化硅或氮氧硅等常用电介质层。由于悬臂结构的存在会导致电介质包覆层270中形成中空结构271。

请参阅附图12所示，参考步骤S210，继续沉积一较厚的电介质层280，并封盖各中空结构271，形成封闭的空气间隔281。该电介质层280可采用氧化硅、氮化硅或氮氧硅等常用电介质层，工艺方法可采用化学气相沉积法(CVD)或等离子体增强化学气体沉积等方法。

本发明的制作方法首先提供一基底，其上形成一相变材料层；再提供一电极层，形成于该相变材料层上；利用上层光阻或其它掩膜，非等向性蚀刻出相变材料及顶电极，以形成相变单元的隔离；在刻蚀后的晶圆表面涂布一层光阻，光阻充满刻蚀后的沟槽并将图形晶圆包含在内，此光阻具有一定机械强度。采用刻蚀工艺，将光阻进行回刻蚀，控制光阻刻蚀量，并使刻蚀后的光阻控制在与上电极基本处于一个平面。提供一电介质层于图形表面，采用刻蚀方法定义出电介质的图形使电介质在上电极表面悬出。然后进行一化学气相沉积，于该悬出位置包覆一层电介质从而形成中空结构，再提供一较厚的电介质层，并封盖各中空结构，形成空气间隔。

本发明的优点在于在相变单元之间形成了空气间隔，一方面可以增大相变单元间的热阻，减少器件操作中的热损失从而降低操作功耗，同时也可减少存储单元间的热串扰；另一方面具有空气间隔结构的存储器件可以降低导线间的寄生电容，以提高操作速度。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种相变存储器的制作方法，该制作方法包含有：

提供一基底，在所述基底上形成一相变材料层；

在所述相变材料层上形成一电极层；

非等向性蚀刻所述相变材料层及电极层，形成倒梯形沟槽用于隔离出相变存储单元；

涂布填充满所述沟槽并包覆相变材料层及电极层的第一光阻层；

回刻使刻蚀后的光阻上表面高于所述相变材料层等于或低于所述电极层上表面；

沉积形成一上表面高于所述电极层的第一电介质层；

涂布第二光阻层并图形化形成宽度小于倒梯形沟槽最大宽度的第二沟槽；

以所述第二沟槽为窗口，刻蚀所述第一电介质层后去除位于所述第一电介质层下方的第一光阻层；形成位于电极层上的悬臂结构；

形成包覆所述第一电介质层和倒梯形沟槽的第二电介质层，从而形成中空结构；

形成第三电介质层用于封盖各中空结构，形成空气间隔。

2.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其特征在于：所述基底的表面包含有已经制作完成的半导体组件。

3.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其特征在于：所述相变材料层包括锑-碲化合物或者锗-碲化合物。

4.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其特征在于：所述电极层的材料是氮化钛、钛铝氮或者钛硅氮。

5.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其特征在于：所述回刻采用氧气为刻蚀气体的等离子体刻蚀技术或以氧气为主刻蚀气体，加入氮气或溴化氢的复合气体进行等离子体刻蚀技术。

6.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其特征在于：所述第一、第二电介质层材料为氧化硅、氮化硅或氮氧硅。

7.一种相变存储结构，其特征在于，该结构包括：

一基底，形成于所述基底上的采用沟槽隔离的若干相变存储单元；

相邻所述相变存储单元之间形成有空气间隔；

所述相变存储单元包括相变材料层、位于所述相变材料层上的电极层、位于所述电极层上的第一电介质层以及并包覆所述第一电介质层和沟槽的第二介质层；所述第一电介质层的宽度大于所述电极层从而形成悬臂结构；所述空气间隔形成于相邻第二电介质层之间；所述空气间隔和相变存储单元上方形成第三介质层。

8.根据权利要求7所述的相变存储结构，其特征在于：所述相变材料层以及所述电极层的纵截面为梯形。