相變存儲器單元及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種相變存儲器單元及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相變存儲器（PhaseChangeRandomAccessMemory，PCRAM)技術(shù)是基于相變薄膜 可以應(yīng)用于相變存儲介質(zhì)的構(gòu)想建立起來的。作為一種新興的非易失性存儲技術(shù)，相變存 儲器在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時間、單元面積、多值實現(xiàn)等諸多方面對快閃存儲器 都具有較大的優(yōu)越性，已成為目前非易失性存儲器技術(shù)研究的焦點。
[0003] 在相變存儲器中，可以通過對記錄了數(shù)據(jù)的相變層進行熱處理，來改變存儲器的 存儲數(shù)值。構(gòu)成相變層的相變材料會由于所施加電流的加熱效果而進入結(jié)晶狀態(tài)或非晶狀 態(tài)。當相變層處于結(jié)晶狀態(tài)時，PCRAM的電阻較低，此時存儲器賦值為"1"。當相變層處于 非晶狀態(tài)時，PCRAM的電阻較高，此時存儲器賦值為"0"。因此，PCRAM是利用當相變層處于 結(jié)晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)時的電阻差異來寫入/讀取數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。
[0004] 請參考圖1，為現(xiàn)有相變存儲器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0005] 所述相變存儲器單元包括：襯底10,所述襯底10內(nèi)形成有金屬互連結(jié)構(gòu)；位于所 述襯底10上的介質(zhì)層20,所述介質(zhì)層20具有底部接觸電極21，所述底部接觸電極21與襯 底10內(nèi)的金屬互連結(jié)構(gòu)連接；位于所述介質(zhì)層20和底部接觸電極21表面的相變層22。
[0006] 所述底部接觸電極21通電后會產(chǎn)生熱量，對相變層22加熱，改變相變層22的結(jié) 晶狀態(tài)，從而改變所述相變層22所存儲的邏輯值。
[0007] 現(xiàn)有相變存儲器單元的性能還有待進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明解決的問題是提供一種相變存儲器單元及其形成方法，提高相變存儲器單 元的性能。
[0009] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種相變存儲器單元的形成方法，包括：提供襯底； 在所述襯底表面形成介質(zhì)層；形成穿透介質(zhì)層的通孔；在所述通孔內(nèi)壁表面形成粘合層； 在所述粘合層表面形成填充滿所述通孔的金屬層，所述金屬層內(nèi)摻雜有非金屬摻雜離子； 在所述介質(zhì)層、粘合層以及金屬層表面形成相變層。
[0010] 可選的，所述金屬層的材料為W。
[0011] 可選的，所述非金屬摻雜離子為C、N、Ge或Si。
[0012] 可選的，所述非金屬摻雜離子的摩爾濃度大于0,小于66%。
[0013] 可選的，形成所述金屬層的方法包括：在所述粘合層表面形成具有非金屬摻雜離 子的摻雜金屬層，所述摻雜金屬層填充滿所述通孔并覆蓋介質(zhì)層表面；然后對所述摻雜金 屬層和粘合層進行平坦化，使摻雜金屬層和粘合層表面與介質(zhì)層表面齊平。
[0014] 可選的，采用化學(xué)氣相沉積工藝或原子層沉積工藝形成所述具有非金屬摻雜離子 的摻雜金屬層。
[0015] 可選的，形成所述具有非金屬摻雜離子的摻雜金屬層的化學(xué)氣相沉積工藝采用的 反應(yīng)氣體為含鎢氣體WF6以及摻雜氣體，所述摻雜氣體包括SiH4、CH4、GeH4或NH3。
[0016] 可選的，形成所述具有非金屬摻雜離子的摻雜金屬層的化學(xué)氣相沉積工藝所采用 的反應(yīng)氣體為WF6和摻雜氣體，所述摻雜氣體包括SiH4、CH4、GeH4或NH3中的一種或幾種氣 體，其中，WF6的流量為20sccm-500sccm，摻雜氣體的流量為20sccm-500sccm，反應(yīng)溫度為 300°C~500°C，壓強為0. 5Torr-50Torr，其中WF6和摻雜氣體可以分別通入反應(yīng)腔內(nèi)或者 一起通入反應(yīng)腔內(nèi)，當一起通入反應(yīng)腔內(nèi)時，所述WF6和摻雜氣體的摩爾比例小于2/3。
[0017] 可選的，所述粘合層包括Ti層和位于Ti層表面的TiN層，或者包括Ta層和位于 Ta層表面的TaN層。
[0018] 可選的，所述粘合層的厚度為5()A~500A。
[0019] 可選的，所述相變層的材料為Si-Sb-Te、Ge-Sb-Te、Ag-In_Te或Ge-Bi-Te化合物。
[0020] 為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案還提供一種采用上述方法形成的相變存儲器 單元，包括：襯底；位于襯底表面的介質(zhì)層；位于介質(zhì)層內(nèi)穿透所述介質(zhì)層的通孔；位于所 述通孔內(nèi)壁表面的粘合層；位于所述粘合層表面填充滿所述通孔的金屬層，所述金屬層內(nèi) 摻雜有非金屬摻雜離子；位于所述介質(zhì)層、粘合層以及金屬層表面的相變層。
[0021] 可選的，所述金屬層的材料為W。
[0022] 可選的，所述非金屬摻雜離子為C、N、Ge或Si。
[0023] 可選的，所述非金屬摻雜離子的摩爾濃度大于0,小于66%。
[0024] 可選的，所述粘合層包括Ti層和位于Ti層表面的TiN層，或者包括Ta層和位于 Ta層表面的TaN層。
[0025] 可選的，所述粘合層的厚度為50A~500A。
[0026] 可選的，所述相變層的材料為Si-Sb-Te、Ge-Sb-Te、Ag-In-Te或Ge-Bi-Te化合物。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：
[0028]本發(fā)明的技術(shù)方案中，在襯底表面的介質(zhì)層內(nèi)形成通孔之后，在所述通孔內(nèi)壁表 面形成粘合層，再在所述粘合層表面形成填充滿通孔的金屬層，且所述金屬層內(nèi)摻雜有非 金屬摻雜離子。所述粘合層可以提高金屬層與通孔內(nèi)壁之間的粘附力，有利于提高在通孔 內(nèi)形成金屬層的質(zhì)量。所述摻雜離子均為非金屬摻雜離子，所述摻雜離子的導(dǎo)電性能較低， 可以適當提高金屬層的電阻，使得金屬層的加熱效率提高。同時，所述非金屬摻雜離子的導(dǎo) 熱性能較低，摻雜有非金屬摻雜離子的金屬層的熱導(dǎo)率與未摻雜的金屬相比，熱導(dǎo)率下降， 能夠降低所述金屬層的熱量耗散速率，從而降低相變存儲器單元的功耗。
[0029] 進一步的，形成所述金屬層的方法包括：在所述粘合層表面形成具有非金屬摻雜 離子的摻雜金屬層，所述摻雜金屬層填充滿所述通孔且覆蓋介質(zhì)層的表面；然后對所述摻 雜金屬層和粘合層進行平坦化，使摻雜金屬層和粘合層表面與介質(zhì)層表面齊平。所述非金 屬摻雜離子可以提高形成的摻雜金屬層的材料硬度，在摻雜金屬層內(nèi)形成W與非金屬離子 之間的化學(xué)鍵，上述化學(xué)鍵之間的結(jié)合力較強，大于W-0的化學(xué)鍵強度，在對所述摻雜金屬 層進行化學(xué)機械研磨的過程中，不易被氧化，從而可以降低所述摻雜金屬層的研磨速率，從 而改善過研磨問題，避免在摻雜金屬層的頂部在研磨過程中發(fā)生凹陷，從而可以提高摻雜 金屬層與相變層之間的界面質(zhì)量，提高相變存儲器單元的性能。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)的相變存儲器單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2至圖8是本發(fā)明的實施例的相變存儲器單元的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 如【背景技術(shù)】中所述，現(xiàn)有技術(shù)的相變存儲器單元的性能還有待進一步的提高。
[0033] 發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有相變存儲器單元的底部接觸電極材料一般采用W或TiN，但 是TiN的填充能力較差，而W的填充能力較高，但是采用W形成的底部接觸電極與相變層之 間的接觸質(zhì)量較差，影響相變存儲器單元的性能。
[0034] 發(fā)明人進一步研究發(fā)現(xiàn)，影響底部接觸電極與相變層之間的接觸質(zhì)量的原因在 于，在形成底部接觸電極的平坦化的過程中，采用的研磨液一般包括氨水與雙氧水的混合 溶液，在堿性氛圍下，W容易被氧化形成氧化鎢，而氧化鎢的研磨速率較高，從而采用化學(xué)機 械研磨工藝進行平坦化處理的過程中，極容易對底部接觸電極造成過研磨，使底部接觸電 極的頂部表面凹陷，導(dǎo)致底部接觸電極與相變層之間的接觸質(zhì)量變差，影響相變存儲器單 元的性能，導(dǎo)致相變存儲器的良率下降。
[0035] 提高底部接觸電極的頂部面積可以改善頂部的凹陷問題，但是提高所述底部接觸 電極的頂部面積，會導(dǎo)致底部接觸電極與相變層之間的接觸面增大，對相變層的加熱面積 增大，從而提高相變存儲器單元的功耗。同時，由于W的電阻較低，熱導(dǎo)率較高，采用W作為 底部接觸電極的材料，對相變層的加熱效率較低。
[0036] 本發(fā)明的實施例在上述發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，采用具有非金屬摻雜離子的金屬層作為底 部電極材料，既能夠改善底部電極的過研磨問題，又能夠提高底部接觸電極對于相變層的 加熱效率，從而提高相變存儲器單元的性能。
[0037] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明 的具體實施例做