CN112201748A - 阻变存储器的钨薄膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阻变存储器的钨薄膜制备方法，包括：采用物理气相沉积在底电极上沉积钨薄膜；采用物理气相沉积在所述钨薄膜上沉积掺杂有N元素的WNx薄膜；通过CMP机台对所述WNx薄膜进行研磨，其中，当所述WNx薄膜被磨光时，所述CMP机台停止研磨。利用本发明，能够解决现有制备阻变存储器的钨薄膜过程中，不能同时满足钨薄膜厚度、钨薄膜表面粗糙度问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更为具体地，涉及一种阻变存储器的钨薄膜制备方法。
背景技术
阻变式存储器(RRAM，Resistive Random Access Memory)是以非导性材料的电阻在外加电场作用下，在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器。为了使得RRAM的可靠性、存储性等性能更好，要求底电极上的金属钨薄膜必须有非常平整的表面，以防止钨上层阻变转换层的厚度不均而导致的短接；其中，要求钨薄膜表面roughness(粗糙度)的参数Rmax(最大值，Rmax用于评价长度内轮廓最高点和最低点之间的距离)需要小于2nm，同时，钨薄膜的厚度需要控制在非常薄的范围内(小于
)。由于钨自身晶格和工艺极限，在如此薄的薄膜上表面Rmax非常高。
目前制作钨薄膜采用W CMP(化学机械抛光，Chemical Mechanical Polishing)的制程使钨表面平整；经过足够研磨，虽然W表面粗糙度的参数Rmax可以达到要求，但是薄膜厚度无法达到需求，由于没有终点而被磨光；或者研磨不够，粗糙度依然和镀膜后差不多，无法达到需求。
基于上述问题，本发明亟需提供一种制备阻变存储器的钨薄膜的方法。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种阻变存储器的钨薄膜制备方法，以解决现有制备阻变存储器的钨薄膜过程中，不能同时满足钨薄膜厚度、钨薄膜表面粗糙度问题。
本发明提供一种阻变存储器的钨薄膜制备方法，包括：
采用物理气相沉积在底电极上沉积钨薄膜；
采用物理气相沉积在所述钨薄膜上沉积掺杂有N元素的WNx薄膜；
通过CMP机台对所述WNx薄膜进行研磨，其中，当所述WNx薄膜被磨光时，所述CMP机台停止研磨。
此外，优选的方案是，所述采用物理气相沉积在所述钨薄膜上沉积掺杂有N元素的WNx薄膜，包括如下步骤：
在功率为100～5000w的直流电浆下，将N2电离为原子态或者带电离子；
电离为原子态或者带电离子的N2与钨原子反应形成离子键，沉积在所述钨薄膜上。
此外，优选的方案是，所述WNx薄膜的厚度>
其中，x为0～1。
此外，优选的方案是，在通过CMP机台对所述WNx薄膜进行研磨之前，还包括如下步骤：
采用物理气相沉积在所述WNx薄膜上沉积牺牲层；
通过所述CMP机台对所述牺牲层进行研磨。
此外，优选的方案是，当所述CMP机台磨光所述牺牲层后，
根据所述CMP机台的抛光头转动马达的电流，检测研磨所述WNx薄膜信号；
所述CMP机台根据检测到的研磨所述WNx薄膜的信号，调整研磨速度对所述WNx薄膜进行研磨。
此外，优选的方案是，在对所述WNx薄膜进行研磨的过程中，
根据所述CMP机台的抛光头转动马达的电流，检测到所述WNx薄膜被磨光的信号；
如果检测到所述WNx薄膜被磨光的信号，所述CMP机台停止研磨。
此外，优选的方案是，所述WNx薄膜的厚度为
此外，优选的方案是，所述牺牲层的厚度为
此外，优选的方案是，所述钨薄膜的厚度小于
从上面的技术方案可知，本发明提供的阻变存储器的钨薄膜制备方法，通过在底电极上沉积钨薄膜，再在钨薄膜上沉积一层薄的N2掺杂的WNx薄膜，在WNx薄膜上沉积一层牺牲层；在牺牲层被磨光时，WCMP根据电流检测信号，调整研磨速度达到对WNx精磨要求，当WNx薄膜被磨光时，WCMP根据电流检测信号，停止研磨，即：通过WCMP制程的EPD(终点检测)自动停止；则留下的钨薄膜的表面粗糙度以及厚度均达到要求；从而解决了现有制备阻变存储器的钨薄膜过程中，不能同时满足钨薄膜厚度、钨薄膜表面粗糙度问题。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例一的阻变存储器的钨薄膜制备方法流程示意图；
图2为根据本发明实施例二的阻变存储器的钨薄膜制备方法流程示意图；
图3-1至图3-4分别为根据本发明实施例一的阻变存储器的钨薄膜制备步骤示意图。
其中，1、钨薄膜，2、WNx薄膜，3、牺牲层，4、CMP机台。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。
针对前述提出的现有制备阻变存储器的钨薄膜过程中，不能同时满足钨薄膜厚度、钨薄膜表面粗糙度问题，本发明提供一种阻变存储器的钨薄膜制备方法。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
实施例一
为了说明本发明提供的阻变存储器的钨薄膜制备方法，图1示出了根据本发明实施例的阻变存储器的钨薄膜制备方法流程。
如图1所示，本发明提供的阻变存储器的钨薄膜制备方法，包括：
S110：采用物理气相沉积在底电极上沉积钨薄膜；
S120：采用物理气相沉积在钨薄膜上沉积掺杂有N元素的WNx薄膜；
S130：采用物理气相沉积在WNx薄膜上沉积牺牲层；
S140：通过CMP机台依次对牺牲层、WNx薄膜进行研磨；其中，当WNx薄膜被磨光时，CMP机台停止研磨。
上述是本发明的阻变存储器的钨薄膜制备方法的具体过程。通过采用本发明，使钨薄膜能够经过足够的研磨得到符合要求的薄膜粗糙度，而且钨薄膜不会被研磨的太薄，并且最终的钨薄膜的厚度能够精确控制。
在步骤S110中，通过物理气相沉积(PVD)的方式在阻变存储器的底电极(BE，Bottom Electrode)上镀一层钨薄膜，并且钨薄膜的厚度小于
在步骤S120中，采用物理气相沉积在钨薄膜上沉积掺杂有N元素的WNx薄膜，包括如下步骤：
S121：在功率为100～5000w的直流电浆(DC plasma)下，将N2电离为原子态或者带电离子；
S122：电离为原子态或者带电离子的N2与钨原子反应形成离子键，沉积在钨薄膜上，形成WNx薄膜。
在本发明的实施例中，在钨薄膜上沉积WNx薄膜时，在功率为100～5000W的直流电浆下，N2电离为原子态或者带电离子，因为N2电离后的原子态或者带电离子有反应活性，与W原子反应形成离子键，在钨薄膜上形成WNx薄膜。其中，形成的WNx薄膜的厚度为
x为0～1。在物理气相沉积过程中，压力需要控制在mTorr级别，并且还用到工作反应气体形成等离子体(plasma)的Ar2。
在步骤S130中，在WNx薄膜上沉积牺牲层，此牺牲层为钨薄膜，牺牲层钨薄膜的厚度为
在物理气相沉积过程中，在直流电源的情况下，工作反应气体Ar2形成等离子体，在WNx薄膜上镀出牺牲层钨薄膜。
在步骤S140中，所述通过CMP机台依次对牺牲层、WNx薄膜进行研磨包括如下步骤：
S141：当CMP机台磨光所述牺牲层后，根据CMP机台的抛光头转动马达的电流，检测到研磨WNx薄膜信号；
S142：CMP机台根据检测到的研磨WNx薄膜的信号，调整研磨速度对WNx薄膜进行研磨；
S143：根据CMP机台的抛光头转动马达的电流，检测到WNx薄膜被磨光的信号；
S144：如果检测到WNx薄膜被磨光的信号，CMP机台停止研磨。
在本发明的实施例中，在牺牲层钨薄膜被磨光时，由于WNx薄膜相对于牺牲层钨薄膜有更大的应力，CMP机台通过抛光头转动马达的电流会侦测到此信号，此时调整CMP机台的研磨速度达到对WNx薄膜精磨的要求，当WNx薄膜被磨光时，CMP机台也可以侦测到研磨的应力变化，从而产生EPD(终点探测点)停止研磨。此时留下的钨薄膜，经过足够的研磨，表面粗糙度能达到需求，而且厚度就是需求的厚度，使得留下的钨薄膜的厚度能得到精确的控制。
一般EPD有两种：电流监测和光学监测。在本发明的实施例中，采用的是电流监测：即，CMP制程中，CMP机台的研磨垫与硅片摩擦力改变，抛光头转动马达的电流会改变，以保证旋转速率保持不变，监测马达电流从而监测到研磨终点，CMP机台在研磨牺牲层钨薄膜和WNx薄膜时的电流不一样。
为了更好的说明阻变存储器的钨薄膜制备过程，图3示出了根据本发明实施例的阻变存储器的钨薄膜制备过程。
如图3-1所示，采用物理气相沉积在钨薄膜1上沉积WNx薄膜2，在WNx薄膜2上沉积牺牲层3，其中，沉积的WNx薄膜2的厚度为
沉积的牺牲层3的厚度为小于
如图3-2所示，采用CMP机台4对牺牲层3进行研磨。
如图3-3所示，当牺牲层3磨光后，CMP机台4感应到到的研磨WNx薄膜2的信号，调整研磨速度对WNx薄膜2进行研磨；由于WNx薄膜相对于牺牲层钨薄膜有更大的应力，将CMP机台4的转动马达的电流变大，开始对WNx薄膜2进行研磨。
如图3-4所示，当CMP机台4感应到WNx薄膜2被磨光的信号，即：CMP机台4感应到研磨的应力变化时，从而产生EPD(终点探测点)信号，CMP机台4停止研磨。
在本发明的实施例中，在制备W薄膜过程中，首先沉积得到的结构为钨薄膜、WNx薄膜、钨牺牲层，钨薄膜为所需求厚度的W，WNx薄膜因为具有比钨更高的应力从而产生摩擦力EPD(终点探测点)信号，以得到精确需求的钨薄膜的厚度。WNx薄膜不能太厚，切换到WNx薄膜时CMP研磨速度会调低以避免过磨，此时只需要产生摩檫力差别即可。此外，考虑到CMP机台的稳定性以及研磨初始速度太快，在WNx薄膜加一层牺牲层钨薄膜，以防止非常薄的WNx薄膜在制程刚开始时就被过磨，同时避免由于速度非常快导致均匀性不好。
在本发明的实施例中，在保证钨薄膜厚度均匀的情况下，可以通过足够的CMP时间对钨薄膜表面粗糙度进行平坦化处理，以达到表面粗糙度的微观需求。在具体的应用中，根据实际情况，WNx可以为其他W化合物，并不限于N化物，只需满足W化合物的摩擦力比钨薄膜的摩擦力大即可。并且，本发明的钨薄膜制备方法，并不限于阻变存储器的底电极上的钨薄膜，还适用于其他表面粗糙度需要精确控制的钨薄膜。
实施例二
为了说明本发明提供的阻变存储器的钨薄膜制备方法，图2示出了根据本发明实施例的阻变存储器的钨薄膜制备方法流程。
如图2所示，本发明提供的阻变存储器的钨薄膜制备方法，包括：
S210：采用物理气相沉积在底电极上沉积钨薄膜；
S220：采用物理气相沉积在钨薄膜上沉积掺杂有N元素的WNx薄膜；
S230：通过CMP机台对WNx薄膜进行研磨，其中，当WNx薄膜被磨光时，CMP机台停止研磨。
上述是本发明的阻变存储器的钨薄膜制备方法的另一个具体过程。通过采用本发明，使钨薄膜能够经过足够的研磨得到符合要求的薄膜粗糙度，而且钨薄膜不会被研磨的太薄，并且最终的钨薄膜的厚度能够精确控制。
在步骤S210中，通过物理气相沉积(PVD)的方式在阻变存储器的底电极(BE，Bottom Electrode)上镀一层钨薄膜，并且钨薄膜的厚度小于
在步骤S220中，采用物理气相沉积在钨薄膜上沉积掺杂有N元素的WNx薄膜，在钨薄膜上沉积WNx薄膜时，在功率为100～5000W的直流电浆下，N2电离为原子态或者带电离子，因为N2电离后的原子态或者带电离子有反应活性，与W原子反应形成离子键，在钨薄膜上形成WNx薄膜。在钨薄膜上沉积WNx薄膜与实施例一中S120中沉积的WNx薄膜原理是相同的，不同点在于：形成的WNx薄膜的厚度>
x为0～1。
在步骤S230中，通过CMP机台对WNx薄膜进行研磨包括如下步骤：
根据CMP机台的抛光头转动马达的电流，检测到WNx薄膜被磨光的信号；根据检测到WNx薄膜被磨光的信号，CMP机台停止研磨。
在本发明的实施例中，在制备W薄膜过程中，首先沉积得到的结构为钨薄膜、WNx薄膜，钨薄膜为所需求厚度的W，WNx薄膜因为具有比钨更高的应力从而产生摩擦力EPD(终点探测点)信号，以得到精确需求的钨薄膜的厚度。由于与实施例一相比，没有设置牺牲层，因此WNx薄膜的厚度需要设置得厚一些，避免由于到WNx薄膜CMP研磨速度快而导致过磨。
在本发明的实施例中，在保证钨薄膜厚度均匀的情况下，可以通过足够的CMP时间对钨薄膜表面粗糙度进行平坦化处理，以达到表面粗糙度的微观需求。在具体的应用中，根据实际情况，WNx可以为其他W化合物，并不限于N化物，只需满足W化合物的摩擦力比钨薄膜的摩擦力大即可。并且，本发明的钨薄膜制备方法，并不限于阻变存储器的底电极上的钨薄膜，还适用于表面粗糙度需要精确控制的钨薄膜。
上述两种制备阻变存储器的钨薄膜的实施例，均可以制备出不但满足钨薄膜厚度，还能满足钨薄膜粗糙度的钨薄膜；在具体的应用中，可根据实际情况，选择合适的工艺流程。
通过上述实施方式可以看出，本发明提供的阻变存储器的钨薄膜制备方法，通过在底电极上沉积钨薄膜，再在钨薄膜上沉积一层薄的N2掺杂的WNx薄膜，在WNx薄膜上沉积一层牺牲层；在牺牲层被磨光时，WCMP根据电流检测信号，调整研磨速度达到对WNx精磨要求，当WNx薄膜被磨光时，WCMP根据电流检测信号，停止研磨，即：通过WCMP制程的EPD(终点检测)自动停止；则留下的钨薄膜的表面粗糙度以及厚度均达到要求；从而解决了现有制备阻变存储器的钨薄膜过程中，不能同时满足钨薄膜厚度、钨薄膜表面粗糙度问题。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的阻变存储器的钨薄膜制备方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的阻变存储器的钨薄膜制备方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (9)
1.一种阻变存储器的钨薄膜制备方法，其特征在于，包括：
采用物理气相沉积在底电极上沉积钨薄膜；
采用物理气相沉积在所述钨薄膜上沉积掺杂有N元素的WNx薄膜；
通过CMP机台对所述WNx薄膜进行研磨，其中，当所述WNx薄膜被磨光时，所述CMP机台停止研磨。
2.如权利要求1所述的阻变存储器的钨薄膜制备方法，其特征在于，
所述采用物理气相沉积在所述钨薄膜上沉积掺杂有N元素的WNx薄膜，包括如下步骤：
在功率为100～5000w的直流电浆下，将N2电离为原子态或者带电离子；
电离为原子态或者带电离子的N2与钨原子反应形成离子键，沉积在所述钨薄膜上。
3.如权利要求1所述的阻变存储器的钨薄膜制备方法，其特征在于，
所述WNx薄膜的厚度大于
其中，x为0～1。
4.如权利要求1所述的阻变存储器的钨薄膜制备方法，其特征在于，
在通过CMP机台对所述WNx薄膜进行研磨之前，还包括如下步骤：
采用物理气相沉积在所述WNx薄膜上沉积牺牲层；
通过所述CMP机台对所述牺牲层进行研磨。
5.如权利要求4所述的阻变存储器的钨薄膜制备方法，其特征在于，
当所述CMP机台磨光所述牺牲层后，
根据所述CMP机台的抛光头转动马达的电流，检测研磨所述WNx薄膜信号；
所述CMP机台根据检测到的研磨所述WNx薄膜的信号，调整研磨速度对所述WNx薄膜进行研磨。
6.如权利要求5所述的阻变存储器的钨薄膜制备方法，其特征在于，
在对所述WNx薄膜进行研磨的过程中，
根据所述CMP机台的抛光头转动马达的电流，检测所述WNx薄膜被磨光的信号；
如果检测到所述WNx薄膜被磨光的信号，所述CMP机台停止研磨。
7.如权利要求4所述的阻变存储器的钨薄膜制备方法，其特征在于，
所述WNx薄膜的厚度为
8.如权利要求4所述的阻变存储器的钨薄膜制备方法，其特征在于，
所述牺牲层的厚度为
9.如权利要求1-8任一项所述的阻变存储器的钨薄膜制备方法，其特征在于，
所述钨薄膜的厚度小于
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