相變存儲單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種相變存儲單元的制作方法，包括在對所述相變材料層進行低溫退火處理的過程中，在溫度為20℃～174℃環(huán)境中通入含氧氣體，并利用微波或紫外線照射所述相變材料層。本發(fā)明所述相變存儲單元的制作方法通過在對所述相變材料層進行退火的工藝中，采用低溫退火方式，并配合微波或紫外線，不僅不會導致相變材料層特性的改變，避免相變材料層的扯皮問題的發(fā)生，而且能夠使相變材料層較好地部分氧化或全部氧化，由于氧化后的相變材料層具有更好的粘附性能，能夠與金屬層更好地接觸，提高相變材料層與金屬層的粘合能力，進而提高相變存儲單元的性能。
【專利說明】相變存儲單元的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導體器件制造方法，尤其涉及一種相變存儲單元的制作方法。【背景技術】
[0002]相變存儲單元(PCRAM)作為一種新興的非易失存儲技術，在讀寫速度、讀寫次數、數據保持時間、單元面積、多值實現等諸多方面對快閃存儲器(FLASH)都具有較大的優(yōu)越性，成為目前非易失存儲技術研究的焦點。三星公司于2011年12月公布開始將相變存儲單元代替NOR的非易失閃存結構應用于手機中。因此，相變存儲技術的不斷進步使之成為未來非易失存儲技術市場主流產品最有力的競爭者之一。
[0003]在相變存儲單元中，可以通過對記錄了數據的相變材料層進行熱處理，而改變存儲器的值。相變材料層會由于所施加電流的加熱效果而進入結晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)。當相變層處于結晶狀態(tài)時，相變存儲單元的電阻較低，此時存儲器賦值為“O”。當相變層處于非晶狀態(tài)時，相變存儲單元的電阻較高，此時存儲器賦值為“ I ”。因此，相變存儲單元是利用當相變層處于結晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)時的電阻差異來寫入/讀取數據的非易失性存儲器。
[0004]隨著集成電路制造技術的發(fā)展，半導體制造已經進入45nm技術階段。集成度和功耗成為半導體器件普遍關注的問題。
[0005]對于相變存儲單元，減小功率損耗的一種方法是減小相變材料層和其下方的金屬層的接觸面積。但是當接觸面積減小到一定下限時，會因相變材料層與金屬層的粘合(adhesion)能力較差導致斷開,造成相變存儲單元失效。
[0006]在相變存儲單元的制作過程中，在形成相變材料層后需要進行一步退火工藝，例如采用原位退火處理，以提高相變存儲單元的運行速率和性能?，F有技術中通常采用的相變材料層的相變材料為鍺銻碲化合物(GeSbTe)，該相變材料在一定溫度以上會發(fā)生特性的改變，從而影響相變材料層的性能，導致相變材料層的扯皮(peeling)問題的發(fā)生,甚至會出現在后續(xù)使用過程中無法實現結晶狀態(tài)和非結晶狀態(tài)的轉換的問題，進而影響相變存儲單元的整體性能。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種能夠提聞相變存儲單兀運行速率與性能、且提聞相變材料層與金屬線的制造方法。
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種相變存儲單元的制作方法，包括以下步驟:
[0009]提供相變基底，所述相變基底包括介質層和形成于所述介質層中的金屬層；
[0010]利用光刻和刻蝕工藝，在所述介質層中形成溝槽，所述溝槽底面暴露所述金屬層；
[0011 ] 沉積相變材料層，以填充所述溝槽；
[0012]利用化學機械研磨工藝，去除所述溝槽以外的相變材料層；
[0013]進行低溫退火處理，在溫度為20°C?174°C環(huán)境中通入含氧氣體，并利用微波或紫外線照射所述相變材料層。
[0014]進一步的，在進行低溫退火處理的步驟中，環(huán)境溫度為150°C?170°C。
[0015]進一步的，在進行低溫退火處理的步驟中，環(huán)境壓力為0.5托?780托。
[0016]進一步的，在進行低溫退火處理的步驟中，環(huán)境壓力為760托。
[0017]進一步的，在進行低溫退火處理的步驟中，利用微波照射所述相變材料層，所述微波的波長為Imm?300mm，功率為100W?500W。
[0018]進一步的，在進行低溫退火處理的步驟中，利用紫外線照射所述相變材料層，所述紫外線的波長為Inm?200nm，功率為100W?500W。
[0019]進一步的，在進行低溫退火處理的步驟中，所述含氧氣體為臭氧、氧氣、一氧化氮及一氧化二氮的一種或幾種組合。
[0020]進一步的，在進行低溫退火處理的步驟中，所述含氧氣體的通入量為5sCCm?5000sccmo
[0021]進一步的，在進行低溫退火處理的步驟中，所述含氧氣體的通入量為3000sCCm。
[0022]進一步的，所述相變材料層的相變材料為鍺銻碲化合物。
[0023]綜上所述，相比于現有技術，本發(fā)明所述相變存儲單元的制作方法，通過在對所述相變材料層進行退火的工藝中，采用低溫退火方式，即在溫度為20°C?174°C環(huán)境中通入含氧氣體，并利用微波或紫外線照射所述相變材料層，在上述溫度條件和微波或紫外線的配合下，不僅不會導致相變材料層特性的改變，避免相變材料層的扯皮問題的發(fā)生，而且能夠使相變材料層部分氧化或全部氧化，由于氧化后的相變材料層具有更好的粘附性能，能夠與金屬層更好地接觸，提高相變材料層與金屬層的粘合能力，進而提高相變存儲單元的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明一實施例中相變存儲單元的制作方法的流程示意圖。
[0025]圖2?圖7為本發(fā)明一實施例中相變存儲單元的制作過程的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]為使本發(fā)明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發(fā)明的內容作進一步說明。當然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內。
[0027]其次，本發(fā)明利用示意圖進行了詳細的表述，在詳述本發(fā)明實例時，為了便于說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應以此作為對本發(fā)明的限定。
[0028]本發(fā)明的核心思想是:通過對相變材料層進行退火處理，在低溫的條件下避免相變材料層改變特性，并在退火過程中通入含氧氣體，使相變材料層的相變材料部分或全部被氧化，提高相變材料層與金屬層粘合能力，降低相變存儲單元的失效率，進而提高相變存儲單元的性能。
[0029]圖1為本發(fā)明一實施例中相變存儲單元的制作方法的流程示意圖。結合圖1和核心思想，本發(fā)明提供一種相變存儲單元的制作方法，包括以下步驟:
[0030]步驟SOl:提供相變基底，所述相變基底包括介質層和形成于所述介質層中的金屬層；
[0031]步驟S02:利用光刻和刻蝕工藝，在所述介質層中形成溝槽，所述溝槽底面暴露所述金屬層；
[0032]步驟S03:沉積相變材料層，以填充所述溝槽；
[0033]步驟S04:利用化學機械研磨工藝，去除所述溝槽以外的相變材料層；
[0034]步驟S05:進行低溫退火處理，在溫度為20°C?174°C環(huán)境中通入含氧氣體，并利用微波或紫外線照射所述相變材料層。
[0035]圖2?圖7為本發(fā)明一實施例中相變存儲單元的制作過程的結構示意圖。以下結合圖2?圖7詳細說明本發(fā)明相變存儲單元的制作過程。
[0036]如圖2所示，在步驟SOl中，提供相變基底200，所述相變基底200包括介質層201和形成于所述介質層201中的金屬層202。在本實施例中，所述相變基底200可以形成于半導體襯底100上，該半導體襯底100可以為P型半導體襯底或N型半導體襯底，或者由P型半導體襯底和N型半導體襯底結合的半導體襯底。在一實施例中，所述相變基底200的形成過程包括:在所述半導體襯底100上形成金屬薄膜(圖中未標示)，利用光刻和刻蝕工藝刻蝕所述金屬薄膜以形成如圖2所示的金屬層202，所述金屬層202作為相變存儲單元的第一電極。所述金屬層202較佳的材質為鎢，接著，在所述金屬層202沉積介質層201，所述介質層201的材質可以根據相變材料的具體選定，例如可以為二氧化硅或氮化硅等。
[0037]如圖3所示，在步驟S02中，利用光刻和刻蝕工藝，在所述介質層201中形成溝槽400，所述溝槽400底面暴露所述金屬層202 ;具體形成過程包括，在所述介質層201上涂覆光刻膠，并對所述光刻膠進行曝光、顯影，以暴露待刻蝕成溝槽400的區(qū)域，之后利用刻蝕工藝刻蝕所述介質層201從而形成如圖3所述的溝槽400，圖3以兩個溝槽為例，但本發(fā)明并不限制溝槽400的數量。
[0038]如圖4所示，在步驟S03中，沉積相變材料層500，以填充圖3所示的溝槽400 ;在此步驟中，沉積相變層可以采用濺射法、蒸發(fā)法、原子層沉積法、化學氣相沉積法、金屬有機物熱分解法或激光輔助沉積法中一種形成，相變材料層500的相變材料為鍺銻碲化合物，具體可以為Ge2Sb2Te515
[0039]接著，在步驟S04中，利用化學機械研磨工藝，去除圖3所示的溝槽400以外的相變材料層500，形成如圖5所示結構。
[0040]如圖6所示，在步驟S05中，進行低溫退火處理，在溫度為20°C?174°C環(huán)境中通入含氧氣體700，并利用微波或紫外線600照射所述相變材料層500。在較佳的實施例中，環(huán)境溫度為150°C?170°C，在不超過174°C的條件下，溫度越高，能夠使氧更好地進入相變材料層500。退火處理過程中，環(huán)境壓力為0.5托?780托，在較佳的實施例中，環(huán)境壓力為760托，常態(tài)壓力對器件和設備要求小，易于處理。在一實施例中，可以利用微波照射所述相變材料層500，選擇微波的波長為Imm?300mm，功率為100W?500W。在另一實施例中，可以利用紫外線照射所述相變材料層，所述紫外線的波長為Inm?200nm，功率為100W?500W。微波及紫外線能夠使相變材料層500在低溫條件下活化與含氧氣體反應，從而氧化部分或全部相變材料層500。在本實施例中，所述含氧氣體可以選擇臭氧、氧氣、一氧化氮及一氧化二氮的一種或幾種組合，其他含氧且易于分解出氧的氣體亦在本發(fā)明的思想范圍之內。所述含氧氣體的通入量為5sccm?5000sccm,在較佳的實施例中,所述含氧氣體的通入量為3000sCCm，較大通入量的含氧氣體能夠提高相變材料層500的氧化質量。
[0041 ] 此后，如圖7所示，在所述相變材料層500上形成另一上層金屬層800，所述上層金屬層800作為相變存儲單元的第二電極，形成第二電極的制備工藝步驟為本領域技術人員所熟知的技術內容，故在此不再贅述。
[0042]綜上所述，本發(fā)明所述相變存儲單元的制作方法，通過在對所述相變材料層進行退火的工藝中，采用低溫退火方式，即在溫度為20°C?174°C環(huán)境中通入含氧氣體，并利用微波或紫外線照射所述相變材料層，在上述溫度條件和微波或紫外線的配合下，不僅不會導致相變材料層特性的改變，避免相變材料層的扯皮問題的發(fā)生，而且能夠使相變材料層較好地部分氧化或全部氧化，由于氧化后的相變材料層具有更好的粘附性能，能夠與金屬層更好地接觸，提高相變材料層與金屬層的粘合能力，進而提高相變存儲單元的性能。
[0043]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬【技術領域】中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
【權利要求】
1.一種相變存儲單元的制作方法，包括， 提供相變基底，所述相變基底包括介質層和形成于所述介質層中的金屬層； 利用光刻和刻蝕工藝，在所述介質層中形成溝槽，所述溝槽底面暴露所述金屬層； 沉積相變材料層，以填充所述溝槽； 利用化學機械研磨工藝，去除所述溝槽以外的相變材料層； 進行低溫退火處理，在溫度為20°c?174°c環(huán)境中通入含氧氣體，并利用微波或紫外線照射所述相變材料層。
2.如權利要求1所述的相變存儲單元的制作方法，其特征在于，在進行低溫退火處理的步驟中，所述環(huán)境溫度為150°C?170°C。
3.如權利要求1所述的相變存儲單元的制作方法，其特征在于，在進行低溫退火處理的步驟中，環(huán)境壓力為0.5托?780托。
4.如權利要求3所述的相變存儲單元的制作方法，其特征在于，在進行低溫退火處理的步驟中，所述環(huán)境壓力為760托。
5.如權利要求1所述的相變存儲單元的制作方法，其特征在于，在進行低溫退火處理的步驟中，利用微波照射所述相變材料層，所述微波的波長為Imm?300mm，功率為100W?500W。
6.如權利要求1所述的相變存儲單元的制作方法，其特征在于，在進行低溫退火處理的步驟中，利用紫外線照射所述相變材料層，所述紫外線的波長為Inm?200nm，功率為IOOff ?500W。
7.如權利要求1所述的相變存儲單元的制作方法，其特征在于，在進行低溫退火處理的步驟中，所述含氧氣體為臭氧、氧氣、一氧化氮及一氧化二氮的一種或幾種組合。
8.如權利要求1所述的相變存儲單元的制作方法，其特征在于，在進行低溫退火處理的步驟中，所述含氧氣體的通入量為5sccm?5000sccm。
9.如權利要求8所述的相變存儲單元的制作方法，其特征在于，在進行低溫退火處理的步驟中，所述含氧氣體的通入量為3000sccm。
10.如權利要求1至9中任意一項所述的相變存儲單元的制作方法，其特征在于，所述相變材料層的相變材料為鍺銻碲化合物。
【文檔編號】H01L45/00GK103779496SQ201210413488
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月25日 優(yōu)先權日:2012年10月25日
【發(fā)明者】林靜 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司