[發明專利]一種制作相變存儲器元件結構的方法

無效

• 申請號: 201010182777.6
• 申請日: 2010-05-20
• 公開（公告）號: CN102254864A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 吳關平
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號: H01L21/82
• 分類號: H01L21/82;H01L45/00;H01L27/24
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 董巍;徐丁峰

技術領域

本發明涉及半導體制造工藝，特別涉及制作相變存儲器元件結構的方法。

背景技術

相變存儲器件技術是基于Ovshinsky在20世紀60年代末70年代初提出的相變薄膜層可以應用于相變存儲介質的構想建立起來的，具有速度、功率、容量、可靠度、工藝整合度和成本等具競爭力的特性，為適合用來作為較高密度的獨立式或嵌入式的存儲器應用。由于相變存儲器件技術的獨特優勢，使其被認為非常有可能取代目前商業化極具競爭性的晶態存儲器SRAM與動態存儲器DRAM揮發性存儲器、快閃存儲器Flash非揮發性存儲器技術，可望成為未來極具潛力的新一代半導體存儲器件。

相變存儲器元件是利用相變材料在結晶態和非晶態的可逆性的結構轉換所導致的電阻值差異來作為數據存儲的機制。在進行寫入、擦除或者是讀取操作時，主要是利用電流脈波的控制來達成，例如，當要進行寫入時，可提供一短時間(例如50納秒)且相對較高的電流(例如0.6毫安培)，使相變層融化并快速冷卻而形成非晶態。由于非晶態相變層具有較高的電阻(例如10⁵-10⁷歐姆)，使其在讀取操作時，提供的電壓相對較高。當要進行擦除時，可提供一較長時間(例如100納秒)且相對較低的電流(例如0.3毫安培)，使非晶態相變層因結晶作用而轉換成結晶態。由于結晶態相變層具有較低的電阻(例如10²～10⁴歐)，其在讀取操作時，提供的電壓相對較低。據此，可進行相變存儲器元件的操作。

如圖1A至1C所示，為傳統的制作相變存儲器元件結構的方法。

如圖1A所示，提供前端器件結構101，該前端器件結構101可以是已完成CMOS前段工藝的前端器件結構，例如包含襯底、隔離結構、電容、二極管等結構，在圖中均未示出。在前端器件結構101上形成介電層102，然后采用第一掩模板(未示出)圖案化介電層102，形成具有開口103的介電層102。

如圖1B所示，在開口103中形成底部電極材料層，然后通過例如CMP(化學機械拋光)工藝去除底部電極材料層高出介電層102的部分，形成底部電極104。

如圖1C所示，在介電層102和底部電極104上形成相變材料層，然后采用第二掩模板(未示出)圖案化相變材料層形成位于底部電極104正上方的相變層105。接下來，完成后續的形成頂部電極等工藝，完成整個相變存儲器元件結構的制作。

但是，上述傳統的制作相變存儲器元件結構的方法，需要在圖案化相變層的時候定義相變層的位置，也就是說如果相變層的位置定義不準確，出現不能完全覆蓋在底部電極之上或者與底部電極完全沒有接觸的情況，會對相變存儲器件的整體性能造成一定的影響，例如會降低半導體器件的可靠性。另外，在相變存儲器件中，相變層從晶態到非晶態的轉變過程需要較高的溫度，一般情況下通過底部電極對相變層進行加熱，頂部電極僅僅起到互連的作用，因此，底部電極對相變層的加熱效果的好壞直接影響到相變存儲器的讀寫速率。為了獲得良好的加熱效果，相變存儲器一般采用較大的驅動電流，但是驅動電流不能無限制地上升，這是由于過大的驅動電流會造成外圍驅動電路以及邏輯器件的小尺寸化困難等問題。由于把相變材料從晶態轉變為非晶態所需的電流取決于底部電極和相變層的接觸表面的大小，也就是說，接觸面積越小，把相變材料從晶態轉變為非晶態所需的電流越小，因此通過減小底部電極的尺寸來減小底部電極與相變層的接觸面積以提高接觸電阻也是一種提高加熱效果的方法。但是，現有的工藝往往受到光刻工藝的限制，不能形成較小尺寸的底部電極，一般情況下底部電極的直徑尺寸在80～100納米左右。

因此，需要一種方法，既能夠解決相變層圖案化時可能存在的位置不精確的問題，又能夠通過減小底部電極的尺寸來減小底部電極與相變層的接觸面積，提高相變存儲器的讀寫速度。

發明內容

在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。