CN110400872B - 碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法，首先在基底上形成第一介质层，再形成暴露出第一电极的第一沟槽，再在第一沟槽中形成碳纳米管和第二电极，由于没有使用多层掩膜层及多步刻蚀工艺形成碳纳米管和第二电极，避免了碳纳米管的剥离和起泡的问题，提高了器件的稳定性和良率；并且，本发明提供的碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法步骤少，工艺简单、易于掌控，提高了制造器件的效率，同时也降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法。
背景技术
目前，碳纳米管存储器件的研究已经取得突破性进展，而碳纳米管随机存取存储器(NRAM)能够很好的控制数据，使数据运算变得安全稳定，并且即使电源被切断，NRAM存储器的数据也不会丢失，因此得到了广泛的应用。
现有的NRAM存储器是在两个电极(底部电极和顶部电极)之间形成一层碳纳米管层，由于NRAM存储器的存储结构尺寸很小(小于28nm)，在形成顶部电极及碳纳米管时，需要在顶部电极材料上形成多层掩膜层再进行多步刻蚀工艺，步骤复杂，制造时间和成本大，并且，由于多层掩膜层之间晶格不匹配，应力很高，容易造成碳纳米管剥离和起泡，导致器件产生缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法，以解决现有的碳纳米管存储结构的碳纳米管容易剥离和起泡，导致器件产生缺陷等问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种碳纳米管存储结构的制造方法，包括：
提供基底，所述基底中形成有第一电极；
在所述基底上形成第一介质层；
刻蚀所述第一介质层形成第一沟槽，所述第一沟槽暴露出所述第一电极；
在所述第一沟槽中依次形成碳纳米管及第二电极。
可选的，刻蚀所述第一介质层形成所述第一沟槽，所述第一沟槽暴露出所述第一电极之后，所述碳纳米管存储结构的制造方法还包括：
对所述第一沟槽进行湿法清洗。
可选的，在所述第一沟槽中依次形成所述碳纳米管及所述第二电极包括：
形成碳纳米管材料层，所述碳纳米管材料层覆盖所述第一介质层并填充所述第一沟槽；
去除所述第一介质层上的碳纳米管材料层及所述第一沟槽中部分厚度的碳纳米管材料层，形成所述碳纳米管；
形成第二电极材料层，所述第二电极材料层覆盖所述第一介质层并填充所述第一沟槽；
去除所述第一介质层上的第二电极材料层，形成第二电极。
可选的，形成所述碳纳米管材料层，所述碳纳米管材料层覆盖所述第一介质层并填充所述第一沟槽之后，所述碳纳米管存储结构的制造方法还包括：
对所述碳纳米管材料层进行退火。
可选的，采用刻蚀的方法去除所述第一介质层上及所述第一沟槽中的部分厚度的碳纳米管材料层；采用平坦化的方法去除所述第一介质层上的第二电极材料层。
可选的，所述第一电极的材料包括氮化钛，所述第二电极的材料包括氮化钛和/或氮化钽。
可选的，在所述第一沟槽中依次形成所述碳纳米管及所述第二电极之后，所述碳纳米管存储结构的制造方法还包括：
形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述第一介质层及所述第二电极；
刻蚀所述第二介质层形成第二沟槽，所述第二沟槽暴露出所述第二电极；
在所述第二沟槽中填充导电材料。
可选的，所述第一介质层的材料包括氮化硅、氧化硅和碳化硅中的一种或多种。
可选的，所述第二介质层的材料包括硼磷硅玻璃和氟化硅玻璃中的一种或多种。
可选的，所述基底中还包括金属层，所述第一电极覆盖所述金属层，所述金属层的底面露出所述基底。
本发明还提供了一种半导体器件的制造方法，采用所述的碳纳米管存储结构的制造方法形成碳纳米管存储结构。
在本发明提供的碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法中，首先在基底上形成第一介质层，再形成暴露出第一电极的第一沟槽，再在第一沟槽中形成碳纳米管和第二电极，由于没有使用多层掩膜层及多步刻蚀工艺形成碳纳米管和第二电极，避免了碳纳米管的剥离和起泡的问题，提高了器件的稳定性和良率；并且，本发明提供的碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法步骤少，工艺简单、易于掌控，提高了制造器件的效率，同时也降低了制造成本。
附图说明
图1-图2为一种碳纳米管存储结构的制造方法形成的半导体结构的剖面示意图；
图3为本发明实施例提供的碳纳米管存储结构的制造方法的流程图；
图4-图11为本发明实施例提供的采用所述碳纳米管存储结构的制造方法形成的半导体结构的剖面示意图；
其中，1-基底，1’-基底，11-第一电极，11’-第一电极，12-金属层，12’-金属层，2-第一介质层，31-第一沟槽，32-第二沟槽，4-碳纳米管材料层，4’-碳纳米管材料层，41-碳纳米管，41’-碳纳米管，5-第二电极材料层，5’-第二电极材料层，51-第二电极，51’-第二电极，6-第二介质层，7-ONO结构，8-侧墙。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参阅图1-图2，其为一种碳纳米管存储结构的制造方法形成的半导体结构的剖面示意图。如图1所示，一种碳纳米管存储结构的制造方法具体包括：首先提供一基底1’，所述基底1’中形成有第一电极11’和金属层12’，所述第一电极11’与所述金属层12’接触，所述金属层12’的底面露出所述基底1’；接着，在所述基底1’上依次形成碳纳米管材料层4’、第二电极材料层5’及ONO结构7，所述ONO结构7为氧化层-氮化层-氧化层的复合结构层，然后对所述ONO结构7、所述第二电极材料层5’及所述碳纳米管材料层4’进行刻蚀，然后再剥离剩余的ONO结构7，在所述剩余的第二电极材料层5’及所述碳纳米管材料层4’的侧壁形成侧墙8，如图2所示，所述侧墙8内的第二电极材料层5’及所述碳纳米管材料层4’构成碳纳米管41’及第二电极51’。采用此种碳纳米管存储结构的制造方法需要通过多步沉积工艺形成各结构层，各结构层之间的应力不匹配容易产生剥离的问题，并且，所述碳纳米管41’及第二电极51’由于尺寸比较小，需要通过多步刻蚀工艺，增加了制造的时间和成本。
参阅图3，其为本实施例提供的碳纳米管存储结构的制造方法的流程图，所述碳纳米管存储结构的制造方法包括：
S1：提供基底，所述基底中形成有第一电极；
S2：在所述基底上形成第一介质层；
S3：刻蚀所述第一介质层形成第一沟槽，所述第一沟槽暴露出所述第一电极；
S4：在所述第一沟槽中依次形成碳纳米管及第二电极。
其中，本发明通过在第一沟槽中形成所述碳纳米管和所述第二电极，由于没有使用多层掩膜层及多步刻蚀工艺形成所述碳纳米管和所述第二电极，避免了碳纳米管的剥离和起泡的问题，提高了器件的稳定性和良率；并且，本发明提供的碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法步骤少，工艺简单、易于掌控，提高了制造器件的效率，同时也降低了制造成本。
接着请参阅图4-图11，其为本实施例提供的采用所述碳纳米管存储结构的制造方法形成的半导体结构的剖面示意图，接下来，将结合图4-图11对本发明提供的碳纳米管存储结构的制造方法作进一步说明。
首先请参阅图4，提供基底1，所述基底1中形成有第一电极11和金属层12，所述第一电极11与所述金属层12接触，所述金属层12的底面露出所述基底1的底面，以通过所述金属层12为所述第一电极11施加电压。所述第一电极11与所述金属层12可以分别位于不同的基底材料中，例如：所述金属层12位于硼磷硅玻璃或氟化硅玻璃等基底材料中，以减小膜层的应力，增加抗吸水性及降低介电系数，所述第一电极11位于氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等基底材料中。本实施例中，所述第一电极11的材料为氮化钛，所述金属层12可以是铜、钨或铝材料中的一种或多种。所述第一电极11的厚度范围包括50埃-1000埃，例如是100埃、300埃、500埃、700埃和900埃，所述第一电极11可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)及原子层沉积(ALD)等工艺形成，本发明不作限制。
接着，请参阅图5，形成第一介质层2，所述第一介质层2覆盖所述基底1的表面，所述第一介质层2的材料可以是氮化硅、氧化硅、氧化氮化硅(SiOxNy)或碳化硅中的一种或多种，所述第一介质层2的厚度范围包括50埃-1000埃，例如是100埃、300埃、500埃、700埃和900埃。形成所述第一介质层2的方法有多种，例如是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)等，这里不再一一举例。然后对所述第一介质层2进行深沟槽刻蚀，形成第一沟槽31，所述第一沟槽31的底部暴露出所述第一电极11。进一步，所述第一沟槽31的底部暴露出全部所述第一电极11及所述基底1的一部分，使后续形成的碳纳米管能够与所述第一电极11充分接触，提高器件的灵敏性，所述第一沟槽31的尺寸可以与后续要形成的碳纳米管的尺寸匹配，以利于后续形成在第一沟槽31中形成碳纳米管。
接着对所述第一沟槽31进行湿法清洗，以去除所述第一沟槽31中的沾污物，具体的，可以采用稀氢氟酸溶液或者氢氧化铵溶液对所述第一沟槽31进行湿法清洗，然后用去离子水进行冲洗并干燥。
接下来请参阅图6，采用旋涂工艺在所述第一沟槽31及所述第一介质层2上形成碳纳米管材料层4，由于碳纳米管溶液良好的流动性，可以将所述沟槽31填充完全。接着对所述碳纳米管材料层4进行退火处理，以去除所述第一沟槽31及碳纳米管材料层4中的水汽，并且，由于碳纳米管溶液中通常含有少量的硅，进行高温退火后，硅被氧化为粘附性更好的氧化硅，使所述碳纳米管材料层4的底部与所述基底1粘附的更为牢固，避免所述碳纳米管材料层4从所述基底1上剥离。
请参阅图7，刻蚀所述碳纳米管材料层4以去除所述第一介质层2上的碳纳米管材料层4及所述第一沟槽31中部分厚度的碳纳米管材料层4，所述第一沟槽31中剩余下来的碳纳米管材料层4构成碳纳米管41。如图5所示，所述碳纳米管41的截面宽度及形状与所述第一沟槽31匹配，所述碳纳米管41的厚度可以根据实际器件的需求调整刻蚀的参数，本发明不作限制。
接下来请参阅图8，形成第二电极材料层5，所述第二电极材料层5覆盖所述第一介质层2并填充所述第一沟槽31的剩余部分，当然，所述第二电极材料层5同时也覆盖了所述碳纳米管41，本实施例中，所述第二电极材料层5的材料可以为氮化钛、氮化钽或者氮化钛-氮化钽的叠层，所述第二电极材料层5的厚度范围包括50埃-1000埃，例如是100埃、300埃、500埃、700埃和900埃。进一步，所述第二电极材料层5也可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)及原子层沉积(ALD)等工艺形成，本发明不作限制。如图7所示，对所述第二电极材料层5进行平坦化工艺，例如研磨工艺，研磨停止在第一介质层2上，所以去除了所述第一介质层2上的第二电极材料层5，在第一沟槽31中的第二电极材料层5构成了第二电极51。所述碳纳米管41处在所述第二电极51和所述第一电极11之间，并且侧壁被第一介质层2包围，避免了所述碳纳米管41吸收水汽或者与空气接触。
请参阅图10，在所述第一介质层2及所述第二电极上形成第二介质层6，所述第二介质层6的材料包括硼磷硅玻璃或氟化硅玻璃等介质材料，所述第二介质层6的厚度范围包括50埃-1000埃，例如是100埃、300埃、500埃、700埃和900埃等。刻蚀所述第二介质层6形成第二沟槽32，所述第二沟槽32暴露出所述第二电极51。如图11所示，在所述第二沟槽32中填充导电的金属材料，例如铜、钨和铝中的一种或多种。进一步，所述第二沟槽32中填充的导电材料与所述金属层12的材料可以相同，所述第二介质层6的材料可以与包围所述金属层12的介质层相同。
本发明还提供了一种半导体器件的制造方法，采用上述碳纳米管存储结构的制造方法形成所述碳纳米管存储结构。
综上，在本发明实施例提供的碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法中，首先在基底上形成第一介质层，再形成暴露出第一电极的第一沟槽，再在第一沟槽中形成碳纳米管和第二电极，由于没有使用多层掩膜层及多步刻蚀工艺形成碳纳米管和第二电极，避免了碳纳米管的剥离和起泡的问题，提高了器件的稳定性和良率；并且，本发明提供的碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法步骤少，工艺简单、易于掌控，提高了制造器件的效率，同时也降低了制造成本。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种碳纳米管存储结构的制造方法，其特征在于，所述碳纳米管存储结构的制造方法包括：
提供基底，所述基底中形成有第一电极；
在所述基底上形成第一介质层；
刻蚀所述第一介质层形成第一沟槽，所述第一沟槽的侧壁垂直且纵向贯穿所述第一介质层并暴露出所述第一电极；
采用旋涂工艺旋涂碳纳米管溶液形成碳纳米管材料层，所述碳纳米管材料层覆盖所述第一介质层并填充所述第一沟槽；
对所述碳纳米管材料层进行退火，去除所述碳纳米管材料层中的水汽，且所述碳纳米管溶液中包含的硅在退火后被氧化为氧化硅使得所述碳纳米管材料层的底部与所述基底粘附；
去除所述第一介质层上的碳纳米管材料层及所述第一沟槽中部分厚度的碳纳米管材料层，所述第一沟槽中剩余的碳纳米管材料层构成碳纳米管；
形成第二电极材料层，所述第二电极材料层覆盖所述第一介质层并填充所述第一沟槽的剩余部分，所述第二电极材料层同时覆盖所述碳纳米管；
去除所述第一介质层上的第二电极材料层，所述第一沟槽中的第二电极材料层构成第二电极。
2.如权利要求1所述的碳纳米管存储结构的制造方法，其特征在于，刻蚀所述第一介质层形成所述第一沟槽，所述第一沟槽暴露出所述第一电极之后，所述碳纳米管存储结构的制造方法还包括：
对所述第一沟槽进行湿法清洗。
3.如权利要求1所述的碳纳米管存储结构的制造方法，其特征在于，采用刻蚀的方法去除所述第一介质层上及所述第一沟槽中的部分厚度的碳纳米管材料层；采用平坦化的方法去除所述第一介质层上的第二电极材料层。
4.如权利要求3所述的碳纳米管存储结构的制造方法，其特征在于，所述第一电极的材料包括氮化钛，所述第二电极的材料包括氮化钛和/或氮化钽。
5.如权利要求1所述的碳纳米管存储结构的制造方法，其特征在于，在所述第一沟槽中依次形成所述碳纳米管及所述第二电极之后，所述碳纳米管存储结构的制造方法还包括：
形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述第一介质层及所述第二电极；
刻蚀所述第二介质层形成第二沟槽，所述第二沟槽暴露出所述第二电极；
在所述第二沟槽中填充导电材料。
6.如权利要求5所述的碳纳米管存储结构的制造方法，其特征在于，所述第一介质层的材料包括氮化硅、氧化硅和碳化硅中的一种或多种。
7.如权利要求5所述的碳纳米管存储结构的制造方法，其特征在于，所述第二介质层的材料包括硼磷硅玻璃和氟化硅玻璃中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的碳纳米管存储结构的制造方法，其特征在于，所述基底中还包括金属层，所述第一电极覆盖所述金属层，所述金属层的底面露出所述基底。
9.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的碳纳米管存储结构的制造方法形成碳纳米管存储结构。
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