[發明專利]相變存儲器及其制作方法

有效

• 申請號: 201210053864.0
• 申請日: 2012-03-02
• 公開（公告）號: CN103296202A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 劉煥新
• 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: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發明屬于微電子制造領域，特別涉及一種相變存儲器及其制作方法。

背景技術

相變存儲器(Phase?Change?Memory，PCM)具有讀取速度高、功率低、容量高、可靠度高、可擦寫次數高、工作電壓低等特質，且非常適合與CMOS工藝結合，可用于作為較高密度的獨立式或嵌入式的存儲器應用，是目前十分被看好的下一代存儲器。由于相變存儲器技術的獨特優勢，也使得其被認為非常有可能取代目前極具競爭性的SRAM和DRAM等揮發性存儲器(Volatile?Memory)及Flash等非揮發性存儲器(Non-volatile?Memory)，可望成為未來極有潛力的新一代半導體存儲器。

相變存儲器利用相變材料在結晶態和非結晶態下的電阻差異來存儲數據，它主要利用電流脈沖波的控制來完成寫入、擦除、讀取操作。圖1是一種常見相變存儲器的簡化示意圖，如圖1所示，相變存儲器11由下至上依次包括形成于介電層12內的下電極13、相變材料層14、上電極15，下電極13的表面與介電層12的表面12a齊平。當要進行寫入操作時，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)，使與下電極13接觸的相變材料層部分14a熔化并快速冷卻而形成非晶態的相變材料。由于非晶態相變材料具有較高的電阻(例如10⁵～10⁷歐姆)，使其在進行讀取操作時，提供一讀取電流可得到較高的電壓。當要進行擦除操作時，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)，使非晶態相變材料層部分14a因結晶作用而轉換成結晶態的相變材料。由于結晶態相變材料具有較低的電阻(例如10²～10⁴歐姆)，其在進行讀取操作時，提供一讀取電流可得到相對較低的電壓。據此，可進行相變存儲器的操作。

現有一種相變存儲器的制作方法包括如下：

如圖2所示，在半導體襯底1上沉積第一介電層2，如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等。然后，利用例如光刻和刻蝕工藝對第一介電層2進行圖形化處理，以在第一介電層2中形成通孔(未圖示)。向通孔內填充導電材料，以形成相變存儲器的下電極3。在形成有第一介電層2及下電極3的半導體襯底1上形成相變材料層4，如Ge-Sb-Te硫族化合物。然后，為了后續工藝的需要，在相變材料層4上形成阻擋層(barrier?layer)5，其可以用于保護相變材料層4。

如圖3所示，在形成有相變材料層4及阻擋層5的半導體襯底1上形成光刻膠6，利用光刻工藝對光刻膠6進行圖形化處理，以在光刻膠6中形成窗口7，確保阻擋層5上方在對應下電極3的位置覆蓋有光刻膠6。

如圖4所示，對未被光刻膠6覆蓋的阻擋層5及其下方的相變材料層4進行刻蝕，刻蝕之后，阻擋層5上方在對應下電極3的位置覆蓋有相變材料，這部分相變材料構成存儲器的圖形化相變材料層4’。在刻蝕過程中，半導體襯底1表面會形成一些半導體工藝中不希望得到的副產物8，如聚合物(polymer)。因此，需對刻蝕后的半導體襯底1進行清洗處理。

如圖5所示，去除光刻膠6。利用含有水的HF酸溶液進行清洗，以去除副產物8。

清洗之后，根據后續工藝需要，如圖6所示，會在半導體襯底1上形成第二介電層9，如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。然后，利用化學機械研磨(CMP)工藝對第二介電層9進行拋光處理直至露出阻擋層5的表面，在這個過程中阻擋層5可用作拋光終止層，以將第二介電層9研磨至預定厚度。然后再形成相變存儲器的上電極(未圖示)，上電極、下電極3、位于上電極與下電極3之間的圖形化相變材料層4’構成相變存儲器。

在對第二介電層9進行上述化學機械研磨時，可能會存在以下情形：如圖7所示，位于圖形化相變材料層4’左側(圖7中以左側為例，也可為右側)的第一介電層2上沒有形成任何圖形結構，以致經過所述化學機械研磨工藝之后，第二介電層9中會形成凹坑，造成拋光不均勻。

為解決上述拋光不均勻的問題，參圖4所示，在對相變材料層4進行刻蝕以形成相變存儲器的圖形化相變材料層4’的同時，會在圖形化相變材料層4’的一側(圖中以左側為例)形成偽相變墊(dummy?pad)10，以提高后續化學機械研磨工藝的拋光均勻性。