專利名稱：制作相變存儲(chǔ)器元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造工藝，特別涉及一種制作相變存儲(chǔ)器元件的方法。
背景技術(shù)：
相變材料(例如Ge-Sb-Te相變材料)通過電脈沖引起的局部發(fā)熱而將其相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)和非晶態(tài)，相變存儲(chǔ)器就是利用這一特性存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的半導(dǎo)體器件。相變存儲(chǔ)器是基于電阻的存儲(chǔ)器，通過相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)間的轉(zhuǎn)換而相應(yīng)呈現(xiàn)低阻和高阻的電阻特性來達(dá)到存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的目的。在相變存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的存儲(chǔ)單元包括相變層和電極。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的相變存儲(chǔ)器元件的截面圖。如圖1所示，相變存儲(chǔ)器元件100 包括底部電極101、相變層102和頂部電極103。不同強(qiáng)度的電流流經(jīng)相變層102，通過電流流過相變層102所產(chǎn)生的熱效應(yīng)將相變材料由晶態(tài)(SET態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)(RESET態(tài))，即可以對(duì)相變材料進(jìn)行復(fù)位(RESET)操作。而將相變材料由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的操作相應(yīng)稱為置位(SET)。當(dāng)進(jìn)行SET操作時(shí)，需要施加一個(gè)長且強(qiáng)度中等的電壓或電流脈沖，使相變材料的溫度升高到結(jié)晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時(shí)間(一般大于50ns)，使相變材料由非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，由高阻變?yōu)榈妥?。?dāng)進(jìn)行RESET操作時(shí)，需要施加一個(gè)短而強(qiáng)的電流脈沖，將電能轉(zhuǎn)變成熱能，使相變材料的溫度升高到熔化溫度以上，經(jīng)快速冷卻就可以實(shí)現(xiàn)相變材料的由晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，即由低阻變?yōu)楦咦?，從而?shí)現(xiàn)基于電阻的存儲(chǔ)器功能。在相變存儲(chǔ)器元件中，相變層從晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變過程需要較高的溫度。一般情況下，通過底部電極對(duì)相變層進(jìn)行加熱，頂部電極僅僅起到互連的作用，因此，底部電極對(duì)相變層的加熱效果的好壞直接影響到相變存儲(chǔ)器元件的讀寫速率。為了獲得良好的加熱效果，相變存儲(chǔ)器元件一般采用較大的驅(qū)動(dòng)電流，其寫操作電流要達(dá)到ImA左右，但是驅(qū)動(dòng)電流不能無限制地上升，大驅(qū)動(dòng)電流會(huì)造成外圍驅(qū)動(dòng)電路以及邏輯器件的小尺寸化困難。 還有一種提高加熱效果的方法是，縮小底部電極與相變層的接觸面積，提高接觸電阻。然而現(xiàn)有工藝中，底部電極的形成過程主要是先在層間介電層中形成孔，然后填充金屬。通?？涛g形成孔的頂部寬度都大于底部寬度，導(dǎo)致所形成的底部電極呈倒喇叭狀，因此難以進(jìn)一步縮小底部電極與相變層之間的接觸面積。另外，由于光刻機(jī)曝光極限的限制，僅由光刻無法定義出滿足工藝要求的底部電極。因此，需要一種方法，通過減小底部電極與相變層之間的接觸面積，來提高底部電極對(duì)相變層的加熱效率，從而提高相變存儲(chǔ)器元件的讀寫速度。

發(fā)明內(nèi)容
在發(fā)明內(nèi)容部分中引入了一系列簡(jiǎn)化形式的概念，這將在具體實(shí)施方式
部分中進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護(hù)的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
本發(fā)明提供了一種制作相變存儲(chǔ)器元件的方法，包括a)提供前端器件結(jié)構(gòu)，所述前端器件結(jié)構(gòu)包括底部電極，所述底部電極暴露在所述前端器件結(jié)構(gòu)的表面；b)在所述前端器件結(jié)構(gòu)上依次形成有機(jī)抗反射層、光刻膠圖案，其中，所述光刻膠圖案位于所述底部電極的正上方；C)對(duì)所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層進(jìn)行刻蝕，以縮小所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層的線寬；d)在所述前端器件結(jié)構(gòu)的表面上未被剩余的所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層覆蓋的區(qū)域形成絕緣層；e)去除剩余的所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層，以形成開口 ；f)在所述絕緣層上形成第二介電層和相變層，其中，所述第二介電層包圍所述相變層的四周，所述相變層位于所述底部電極的正上方，并填充所述開口 ； 以及g)在所述第二介電層和所述相變層上形成第三介電層和頂部電極，其中，所述第三介電層包圍所述頂部電極的四周，所述頂部電極位于所述相變層上對(duì)準(zhǔn)所述底部電極的位置。優(yōu)選地，c)步驟中，所述刻蝕包括各向異性刻蝕和各向同性刻蝕。優(yōu)選地，所述各向異性刻蝕過程中通入Cl2、HBr、CF4、O2中的至少兩種氣體，或者N2 和吐的混合氣體，并且偏壓功率為100-500W。優(yōu)選地，所述各向同性刻蝕過程中通入A或Cl2,并且偏壓功率為0-50W。優(yōu)選地，所述各向同性刻蝕過程中還通入HBr和CH2F2。優(yōu)選地，剩余的所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層的線寬為5-40nm。優(yōu)選地，所述絕緣層是通過選擇性沉積法形成的。優(yōu)選地，所述選擇性沉積法為化學(xué)液相沉積。優(yōu)選地，所述絕緣層的材料是氧化硅。優(yōu)選地，所述有機(jī)抗反射層的厚度為30-100nm。優(yōu)選地，所述絕緣層的厚度小于或等于所述有機(jī)抗反射層的厚度。優(yōu)選地，在e)步驟與f)步驟之間，還包括對(duì)形成有所述絕緣層的前端器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗的步驟。優(yōu)選地，剩余的所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層采用灰化的方式去除。根據(jù)發(fā)明的方法，能夠有效減小底部電極與相變層之間的接觸面積，提高底部電極對(duì)相變層的加熱效率，從而提高相變存儲(chǔ)器元件的讀寫速度。


本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，圖1是現(xiàn)有技術(shù)的相變存儲(chǔ)器元件的截面圖；圖2A-2F是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制作相變存儲(chǔ)器元件的方法流程中各步驟的截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制作相變存儲(chǔ)器元件的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個(gè)或多個(gè)這些細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。為了徹底了解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細(xì)的步驟，以便說明本發(fā)明是如何來制作相變存儲(chǔ)器元件的。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本發(fā)明的較佳實(shí)施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實(shí)施方式。圖2A-2F是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制作相變存儲(chǔ)器元件的方法流程中各步驟的截面圖。如圖2A所示，提供前端器件結(jié)構(gòu)200。首先，提供形成有柵極、源極、漏極以及層間介質(zhì)層等結(jié)構(gòu)的基底201，為簡(jiǎn)化起見，所述結(jié)構(gòu)在圖中均未示出。其中，層間介質(zhì)層的材料可以選擇為低k(介電常數(shù))材料。層間介質(zhì)層中具有至少一個(gè)露出上表面的由導(dǎo)電材料做成的導(dǎo)電插銷，例如鎢插銷。然后，在基底201的表面上形成第一介電層202和底部電極20 ,其中底部電極20 暴露在前端器件結(jié)構(gòu)200的表面，且位于導(dǎo)電插銷的正上方。 第一介電層202的材料可以是氧化物，例如氧化硅，形成方式可以是化學(xué)氣相沉積法(CVD) 等。底部電極20 的材料可以是摻雜多晶硅、W、TiN或TiAIN，還可以是其它硅化物材料， 該硅化物材料可以是包含 Ag、Au、Al、Cu、Cr、Co、Ni、Ti、Sb、V、Mo、Ta、Nb、Ru、W、Pt、Pd、Zn 和Mg中的至少一種的硅化物，優(yōu)選為WSi。形成底部電極20 的方法可以為先在第一介電層202中定義出底部電極圖案的開口，然后將底部電極材料填充到所述開口中?；?01、 底部電極20 和第一介電層202共同構(gòu)成前端器件結(jié)構(gòu)200。如圖2B所示，在前端器件結(jié)構(gòu)200上形成厚度為30-100nm的有機(jī)抗反射層203。 在有機(jī)抗反射層203上形成光刻膠層，然后經(jīng)曝光、顯影等工藝形成光刻膠圖案204。其中， 光刻膠圖案204位于底部電極20 的正上方。經(jīng)曝光、顯影等工藝定義的光刻膠圖案204 的線寬(D)通常為50-100nm。如圖2C所示，對(duì)光刻膠圖案204和有機(jī)抗反射層203進(jìn)行刻蝕，以縮小光刻膠圖案204和有機(jī)抗反射層203的線寬。所述刻蝕包括各向異性刻蝕和各向同性刻蝕，具體地， 所述刻蝕包括對(duì)有機(jī)抗反射層203的各向異性刻蝕和各向同性刻蝕，以及對(duì)光刻膠圖案 204的各向同性刻蝕。下面將具體描述所述刻蝕的步驟。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式，所述刻蝕過程包括以光刻膠圖案204為掩膜，對(duì)有機(jī)抗反射層203進(jìn)行各向異性刻蝕，以將光刻膠圖案204轉(zhuǎn)移至有機(jī)抗反射層203 ；對(duì)光刻膠圖案204和有機(jī)抗反射層203進(jìn)行各向同性刻蝕，以縮小光刻膠圖案204和有機(jī)抗反射層 203的線寬至d。根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式，所述刻蝕過程包括對(duì)光刻膠圖案204進(jìn)行各向同性刻蝕，以縮小光刻膠圖案204的線寬至d ；以線寬為d的光刻膠圖案204為掩膜，對(duì)有機(jī)抗反射層203進(jìn)行各向異性刻蝕，以將線寬為d的光刻膠圖案204轉(zhuǎn)移至有機(jī)抗反射層203。上述刻蝕均可以采用干法刻蝕。對(duì)于有機(jī)抗反射層203的各向異性刻蝕，可以通入Cl2、HBr、CF4、&中的至少兩種氣體，或者隊(duì)和H2的混合氣體，偏壓功率為100-500W。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式，各向異性刻蝕的氣體包含HBr和CF4, HBr的流速為50-100sccm，CF4的流速為20_80sccm。其中， sccm是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，也就是1個(gè)大氣壓、25攝氏度下每分鐘1立方厘米(Icm3Aiin)的流量。
對(duì)于光刻膠圖案204和/或有機(jī)抗反射層203的各向同性刻蝕，可以采用仏或 Cl20此外，各向同性刻蝕的氣體還可以包含HBr和CH2F2。偏壓功率為0-50W，優(yōu)選為0W。 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式，各向同性刻蝕的氣體包含02、CH2F2和HBr。其中，O2的流速為 IO-IOOsccm, HBr 的流速為 0_80sccm，CH2F2 的流速為 10_20sccm。另外，各向同性刻蝕和各向異性刻蝕的氣體中還可以包含惰性氣體，以起到保持腔內(nèi)壓力和稀釋等作用。經(jīng)過上述工藝處理后，剩余的光刻膠圖案204和有機(jī)抗反射層203 的線寬(d)為5-40歷。如圖2D所示，在前端器件結(jié)構(gòu)200的表面上未被剩余的光刻膠圖案204和有機(jī)抗反射層203覆蓋的區(qū)域形成絕緣層205。形成絕緣層205的方法為選擇性沉積法，即對(duì)于前端器件結(jié)構(gòu)200來說，僅在未被剩余的光刻膠圖案204和有機(jī)抗反射層203覆蓋的區(qū)域形成絕緣層205，而不在剩余的光刻膠圖案204上形成絕緣層。所述選擇性沉積法例如是化學(xué)液相沉積等。絕緣層205的材料可以是氧化硅。絕緣層205的厚度需小于或等于有機(jī)抗反射層203的厚度。如圖2E所示，去除剩余的光刻膠圖案204和有機(jī)抗反射層203，以形成開口 210。 剩余的光刻膠圖案204和有機(jī)抗反射層203可以采用灰化等方式去除。然后，可選地，對(duì)形成有絕緣層205的前端器件結(jié)構(gòu)200進(jìn)行清洗，以去除開口 210內(nèi)及絕緣層205表面上的殘留物。如圖2F所示，在絕緣層205的表面上形成第二介電層206和相變層206a。第二介電層206包圍相變層206a的四周。相變層206a位于底部電極20 的正上方，并且相變層 206a填充開口 210。接著，在第二介電層206和相變層206a上形成第三介電層207和頂部電極207a。第三介電層207包圍頂部電極207a的四周。頂部電極207a位于相變層206a 上對(duì)準(zhǔn)底部電極20 的位置，從而完成相變存儲(chǔ)器元件的制作。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式制作的相變存儲(chǔ)器元件，通過在相變層和底部電極之間形成具有開口的絕緣層，來縮小了相變層和底部電極的接觸面積，從而提高了兩者的接觸電阻。當(dāng)通過底部電極對(duì)相變層進(jìn)行加熱時(shí)，獲得良好的加熱效果，因此，提高了相變存儲(chǔ)器的讀寫速度，而且兩者的接觸面積可以通過工藝進(jìn)行調(diào)整，簡(jiǎn)單方便，易于生產(chǎn)制造。如圖3所示，為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制作相變存儲(chǔ)器元件的工藝流程圖。在步驟 301中，提供前端器件結(jié)構(gòu)，所述前端器件結(jié)構(gòu)包括第一介電層和底部電極，底部電極暴露在前端器件結(jié)構(gòu)的表面。在步驟302中，在前端器件結(jié)構(gòu)上依次形成有機(jī)抗反射層和光刻膠圖案，其中，光刻膠圖案位于底部電極的正上方。在步驟303中，對(duì)光刻膠圖案和有機(jī)抗反射層進(jìn)行刻蝕，以縮小光刻膠圖案和有機(jī)抗反射層的線寬。所述刻蝕包括對(duì)有機(jī)抗反射層的各向異性刻蝕和各向同性刻蝕。在步驟304中，在前端器件結(jié)構(gòu)表面上未被剩余的光刻膠圖案和有機(jī)抗反射層覆蓋的區(qū)域形成絕緣層。在步驟305中，去除剩余的光刻膠圖案和有機(jī)抗反射層，以形成開口。在步驟306中，在絕緣層上形成第二介電層和相變層。第二介電層包圍相變層的四周，相變層位于底部電極的正上方，并且相變層填充開口。在第二介電層和相變層上形成第三介電層和頂部電極。第三介電層包圍頂部電極的四周，頂部電極位于相變層上對(duì)準(zhǔn)底部電極的位置。完成相變存儲(chǔ)器元件的制作。根據(jù)如上所述的實(shí)施例制造的相變存儲(chǔ)器元件可應(yīng)用于多種集成電路(IC)中。 根據(jù)本發(fā)明的IC例如是存儲(chǔ)器電路，如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)、同步DRAM (SDRAM)、靜態(tài)RAM(SRAM)、或只讀存儲(chǔ)器(ROM)等等。根據(jù)本發(fā)明的IC還可以是邏輯器件，如可編程邏輯陣列(PLA)、專用集成電路(ASIC)、合并式DRAM邏輯集成電路(掩埋式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、射頻器件或任意其他電路器件。根據(jù)本發(fā)明的IC芯片可用于例如用戶電子產(chǎn)品，如個(gè)人計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、游戲機(jī)、蜂窩式電話、個(gè)人數(shù)字助理、攝像機(jī)、 數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等各種電子產(chǎn)品中，尤其是射頻產(chǎn)品中。 本發(fā)明已經(jīng)通過上述實(shí)施例進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種制作相變存儲(chǔ)器元件的方法，包括a)提供前端器件結(jié)構(gòu)，所述前端器件結(jié)構(gòu)包括底部電極，所述底部電極暴露在所述前端器件結(jié)構(gòu)的表面；b)在所述前端器件結(jié)構(gòu)上依次形成有機(jī)抗反射層、光刻膠圖案，其中，所述光刻膠圖案位于所述底部電極的正上方；c)對(duì)所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層進(jìn)行刻蝕，以縮小所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層的線寬；d)在所述前端器件結(jié)構(gòu)的表面上未被剩余的所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層覆蓋的區(qū)域形成絕緣層；e)去除剩余的所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層，以形成開口；f)在所述絕緣層上形成第二介電層和相變層，其中，所述第二介電層包圍所述相變層的四周，所述相變層位于所述底部電極的正上方，并填充所述開口 ；以及g)在所述第二介電層和所述相變層上形成第三介電層和頂部電極，其中，所述第三介電層包圍所述頂部電極的四周，所述頂部電極位于所述相變層上對(duì)準(zhǔn)所述底部電極的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，c)步驟中，所述刻蝕包括各向異性刻蝕和各向同性刻蝕。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述各向異性刻蝕過程中通入Cl2、HBr、CF4、 O2中的至少兩種氣體，或者隊(duì)和吐的混合氣體，并且偏壓功率為100-500W。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述各向同性刻蝕過程中通入O2或Cl2，并且偏壓功率為0-50W。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述各向同性刻蝕過程中還通入HBr和 CH2F2 ο
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，剩余的所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層的線寬為5-40nm。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣層是通過選擇性沉積法形成的。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述選擇性沉積法為化學(xué)液相沉積。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣層的材料是氧化硅。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述有機(jī)抗反射層的厚度為30-100nm。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣層的厚度小于或等于所述有機(jī)抗反射層的厚度。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在e)步驟與f)步驟之間，還包括對(duì)形成有所述絕緣層的前端器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗的步驟。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，剩余的所述光刻膠圖案和所述有機(jī)抗反射層采用灰化的方式去除。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制作相變存儲(chǔ)器元件的方法，包括提供前端器件結(jié)構(gòu)，前端器件結(jié)構(gòu)包括底部電極，底部電極暴露在前端器件結(jié)構(gòu)的表面；在前端器件結(jié)構(gòu)上依次形成有機(jī)抗反射層、光刻膠圖案，其中，光刻膠圖案位于底部電極的正上方；對(duì)光刻膠圖案和有機(jī)抗反射層進(jìn)行刻蝕，以縮小光刻膠圖案和有機(jī)抗反射層的線寬；在前端器件結(jié)構(gòu)的表面上未被剩余的光刻膠圖案和有機(jī)抗反射層覆蓋的區(qū)域形成絕緣層；去除剩余的光刻膠圖案和有機(jī)抗反射層，以形成開口；在絕緣層上形成第二介電層和相變層，相變層位于底部電極的正上方，并填充開口；以及在第二介電層和相變層上形成第三介電層和頂部電極，頂部電極位于相變層上對(duì)準(zhǔn)底部電極的位置。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102403455SQ20101028809
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者洪中山 申請(qǐng)人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司