CN103779496B - 相变存储单元的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种相变存储单元的制作方法，包括在对所述相变材料层进行低温退火处理的过程中，在温度为20℃～174℃环境中通入含氧气体，并利用微波或紫外线照射所述相变材料层。本发明所述相变存储单元的制作方法通过在对所述相变材料层进行退火的工艺中，采用低温退火方式，并配合微波或紫外线，不仅不会导致相变材料层特性的改变，避免相变材料层的扯皮问题的发生，而且能够使相变材料层较好地部分氧化或全部氧化，由于氧化后的相变材料层具有更好的粘附性能，能够与金属层更好地接触，提高相变材料层与金属层的粘合能力，进而提高相变存储单元的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件制造方法，尤其涉及一种相变存储单元的制作方法。
背景技术
相变存储单元(PCRAM)作为一种新兴的非易失存储技术，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，成为目前非易失存储技术研究的焦点。三星公司于2011年12月公布开始将相变存储单元代替NOR的非易失闪存结构应用于手机中。因此，相变存储技术的不断进步使之成为未来非易失存储技术市场主流产品最有力的竞争者之一。
在相变存储单元中，可以通过对记录了数据的相变材料层进行热处理，而改变存储器的值。相变材料层会由于所施加电流的加热效果而进入结晶状态或非晶状态。当相变层处于结晶状态时，相变存储单元的电阻较低，此时存储器赋值为“0”。当相变层处于非晶状态时，相变存储单元的电阻较高，此时存储器赋值为“1”。因此，相变存储单元是利用当相变层处于结晶状态或非晶状态时的电阻差异来写入/读取数据的非易失性存储器。
随着集成电路制造技术的发展，半导体制造已经进入45nm技术阶段。集成度和功耗成为半导体器件普遍关注的问题。
对于相变存储单元，减小功率损耗的一种方法是减小相变材料层和其下方的金属层的接触面积。但是当接触面积减小到一定下限时，会因相变材料层与金属层的粘合(adhesion)能力较差导致断开，造成相变存储单元失效。
在相变存储单元的制作过程中，在形成相变材料层后需要进行一步退火工艺，例如采用原位退火处理，以提高相变存储单元的运行速率和性能。现有技术中通常采用的相变材料层的相变材料为锗锑碲化合物(GeSbTe)，该相变材料在一定温度以上会发生特性的改变，从而影响相变材料层的性能，导致相变材料层的扯皮(peeling)问题的发生，甚至会出现在后续使用过程中无法实现结晶状态和非结晶状态的转换的问题，进而影响相变存储单元的整体性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高相变存储单元运行速率与性能、且提高相变材料层与金属线的制造方法。
为解决上述问题，本发明提供一种相变存储单元的制作方法，包括以下步骤：
提供相变基底，所述相变基底包括介质层和形成于所述介质层中的金属层；
利用光刻和刻蚀工艺，在所述介质层中形成沟槽，所述沟槽底面暴露所述金属层；
沉积相变材料层，以填充所述沟槽；
利用化学机械研磨工艺，去除所述沟槽以外的相变材料层；
进行低温退火处理，在温度为20℃～174℃环境中通入含氧气体，并利用微波或紫外线照射所述相变材料层。
进一步的，在进行低温退火处理的步骤中，环境温度为150℃～170℃。
进一步的，在进行低温退火处理的步骤中，环境压力为0.5托～780托。
进一步的，在进行低温退火处理的步骤中，环境压力为760托。
进一步的，在进行低温退火处理的步骤中，利用微波照射所述相变材料层，所述微波的波长为1mm～300mm，功率为100W～500W。
进一步的，在进行低温退火处理的步骤中，利用紫外线照射所述相变材料层，所述紫外线的波长为1nm～200nm，功率为100W～500W。
进一步的，在进行低温退火处理的步骤中，所述含氧气体为臭氧、氧气、一氧化氮及一氧化二氮的一种或几种组合。
进一步的，在进行低温退火处理的步骤中，所述含氧气体的通入量为5sccm～5000sccm。
进一步的，在进行低温退火处理的步骤中，所述含氧气体的通入量为3000sccm。
进一步的，所述相变材料层的相变材料为锗锑碲化合物。
综上所述，相比于现有技术，本发明所述相变存储单元的制作方法，通过在对所述相变材料层进行退火的工艺中，采用低温退火方式，即在温度为20℃～174℃环境中通入含氧气体，并利用微波或紫外线照射所述相变材料层，在上述温度条件和微波或紫外线的配合下，不仅不会导致相变材料层特性的改变，避免相变材料层的扯皮问题的发生，而且能够使相变材料层部分氧化或全部氧化，由于氧化后的相变材料层具有更好的粘附性能，能够与金属层更好地接触，提高相变材料层与金属层的粘合能力，进而提高相变存储单元的性能。
附图说明
图1为本发明一实施例中相变存储单元的制作方法的流程示意图。
图2～图7为本发明一实施例中相变存储单元的制作过程的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
本发明的核心思想是：通过对相变材料层进行退火处理，在低温的条件下避免相变材料层改变特性，并在退火过程中通入含氧气体，使相变材料层的相变材料部分或全部被氧化，提高相变材料层与金属层粘合能力，降低相变存储单元的失效率，进而提高相变存储单元的性能。
图1为本发明一实施例中相变存储单元的制作方法的流程示意图。结合图1和核心思想，本发明提供一种相变存储单元的制作方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供相变基底，所述相变基底包括介质层和形成于所述介质层中的金属层；
步骤S02：利用光刻和刻蚀工艺，在所述介质层中形成沟槽，所述沟槽底面暴露所述金属层；
步骤S03：沉积相变材料层，以填充所述沟槽；
步骤S04：利用化学机械研磨工艺，去除所述沟槽以外的相变材料层；
步骤S05：进行低温退火处理，在温度为20℃～174℃环境中通入含氧气体，并利用微波或紫外线照射所述相变材料层。
图2～图7为本发明一实施例中相变存储单元的制作过程的结构示意图。以下结合图2～图7详细说明本发明相变存储单元的制作过程。
如图2所示，在步骤S01中，提供相变基底200，所述相变基底200包括介质层201和形成于所述介质层201中的金属层202。在本实施例中，所述相变基底200可以形成于半导体衬底100上，该半导体衬底100可以为P型半导体衬底或N型半导体衬底，或者由P型半导体衬底和N型半导体衬底结合的半导体衬底。在一实施例中，所述相变基底200的形成过程包括：在所述半导体衬底100上形成金属薄膜(图中未标示)，利用光刻和刻蚀工艺刻蚀所述金属薄膜以形成如图2所示的金属层202，所述金属层202作为相变存储单元的第一电极。所述金属层202较佳的材质为钨，接着，在所述金属层202沉积介质层201，所述介质层201的材质可以根据相变材料的具体选定，例如可以为二氧化硅或氮化硅等。
如图3所示，在步骤S02中，利用光刻和刻蚀工艺，在所述介质层201中形成沟槽400，所述沟槽400底面暴露所述金属层202；具体形成过程包括，在所述介质层201上涂覆光刻胶，并对所述光刻胶进行曝光、显影，以暴露待刻蚀成沟槽400的区域，之后利用刻蚀工艺刻蚀所述介质层201从而形成如图3所述的沟槽400，图3以两个沟槽为例，但本发明并不限制沟槽400的数量。
如图4所示，在步骤S03中，沉积相变材料层500，以填充图3所示的沟槽400；在此步骤中，沉积相变层可以采用溅射法、蒸发法、原子层沉积法、化学气相沉积法、金属有机物热分解法或激光辅助沉积法中一种形成，相变材料层500的相变材料为锗锑碲化合物，具体可以为Ge2Sb2Te5。
接着，在步骤S04中，利用化学机械研磨工艺，去除图3所示的沟槽400以外的相变材料层500，形成如图5所示结构。
如图6所示，在步骤S05中，进行低温退火处理，在温度为20℃～174℃环境中通入含氧气体700，并利用微波或紫外线600照射所述相变材料层500。在较佳的实施例中，环境温度为150℃～170℃，在不超过174℃的条件下，温度越高，能够使氧更好地进入相变材料层500。退火处理过程中，环境压力为0.5托～780托，在较佳的实施例中，环境压力为760托，常态压力对器件和设备要求小，易于处理。在一实施例中，可以利用微波照射所述相变材料层500，选择微波的波长为1mm～300mm，功率为100W～500W。在另一实施例中，可以利用紫外线照射所述相变材料层，所述紫外线的波长为1nm～200nm，功率为100W～500W。微波及紫外线能够使相变材料层500在低温条件下活化与含氧气体反应，从而氧化部分或全部相变材料层500。在本实施例中，所述含氧气体可以选择臭氧、氧气、一氧化氮及一氧化二氮的一种或几种组合，其他含氧且易于分解出氧的气体亦在本发明的思想范围之内。所述含氧气体的通入量为5sccm～5000sccm，在较佳的实施例中，所述含氧气体的通入量为3000sccm，较大通入量的含氧气体能够提高相变材料层500的氧化质量。
此后，如图7所示，在所述相变材料层500上形成另一上层金属层800，所述上层金属层800作为相变存储单元的第二电极，形成第二电极的制备工艺步骤为本领域技术人员所熟知的技术内容，故在此不再赘述。
综上所述，本发明所述相变存储单元的制作方法，通过在对所述相变材料层进行退火的工艺中，采用低温退火方式，即在温度为20℃～174℃环境中通入含氧气体，并利用微波或紫外线照射所述相变材料层，在上述温度条件和微波或紫外线的配合下，不仅不会导致相变材料层特性的改变，避免相变材料层的扯皮问题的发生，而且能够使相变材料层较好地部分氧化或全部氧化，由于氧化后的相变材料层具有更好的粘附性能，能够与金属层更好地接触，提高相变材料层与金属层的粘合能力，进而提高相变存储单元的性能。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种相变存储单元的制作方法，包括，
提供相变基底，所述相变基底包括介质层和形成于所述介质层中的金属层；
利用光刻和刻蚀工艺，在所述介质层中形成沟槽，所述沟槽底面暴露所述金属层；
沉积相变材料层，以填充所述沟槽；
利用化学机械研磨工艺，去除所述沟槽以外的相变材料层；
进行低温退火处理，在温度为20℃～174℃环境中通入含氧气体，并利用微波或紫外线照射所述相变材料层。
2.如权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于，在进行低温退火处理的步骤中，所述环境温度为150℃～170℃。
3.如权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于，在进行低温退火处理的步骤中，环境压力为0.5托～780托。
4.如权利要求3所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于，在进行低温退火处理的步骤中，所述环境压力为760托。
5.如权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于，在进行低温退火处理的步骤中，利用微波照射所述相变材料层，所述微波的波长为1mm～300mm，功率为100W～500W。
6.如权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于，在进行低温退火处理的步骤中，利用紫外线照射所述相变材料层，所述紫外线的波长为1nm～200nm，功率为100W～500W。
7.如权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于，在进行低温退火处理的步骤中，所述含氧气体为臭氧、氧气、一氧化氮及一氧化二氮的一种或几种组合。
8.如权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于，在进行低温退火处理的步骤中，所述含氧气体的通入量为5sccm～5000sccm。
9.如权利要求8所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于，在进行低温退火处理的步骤中，所述含氧气体的通入量为3000sccm。
10.如权利要求1至9中任意一项所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于，所述相变材料层的相变材料为锗锑碲化合物。
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