相变半导体器件的制造方法及相变半导体器件

摘要

本发明涉及相变半导体器件的制造方法及相变半导体器件。相变半导体器件的制造方法，包括步骤：提供基底，所述基底上开有沟槽，所述沟槽底部设有第一电极层；在沟槽内第一电极层上形成导电的第一粘合层；在沟槽内第一粘合层之上填充固态相变材料；其中，所述第一粘合层只形成第一电极层与固态相变材料的电连通。与现有技术相比，本发明在相变半导体器件的第一电极层和固态相变材料之间设置可导电的第一粘合层，用该第一粘合层来连接第一电极和固态相变材料，既可以让固态相变材料与第一电极层紧密粘合，不发生固态相变材料脱落的情况，又可以使该相变半导体器件保持较低的工作电压。

权利要求

1.一种相变半导体器件的制造方法，其特征在于，包括步骤：提供基底，所述基底上开有沟槽，所述沟槽底部设有第一电极层；

在所述基底上、沟槽底部的第一电极层和侧壁上形成导电的第一粘合层；

在所述基底上形成底部抗反射材料层，所述底部抗反射材料层至少部分填充所述沟槽；

刻蚀所述底部抗反射材料层至去除沟槽外和部分沟槽内的底部抗反射材料，在沟槽底部形成底部抗反射材料层；

在所述基底上形成光刻胶层；

在光刻胶层上形成至少完全暴露所述沟槽的开口，使得底部抗反射材料层与光刻胶层共同形成掩膜层；

以所述掩膜层为掩膜刻蚀去除沟槽侧壁上的部分或全部第一粘合层；

去除所述掩膜层；在沟槽内第一粘合层之上填充固态相变材料，在所述基底上的第一粘合层上也形成有固态相变材料；

利用化学机械研磨去除沟槽以外的固态相变材料和基底表面的第一粘合层；

其中，所述沟槽内剩余的第一粘合层只形成第一电极层与固态相变材料的电连通。

2.如权利要求1所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于，在沟槽内第一粘合层之上填充固态相变材料的方法包括步骤：在基底上沉积固态相变材料至至少完全填满所述沟槽；

对基底进行热退火处理，使固态相变材料在收缩的状态下填满沟槽。

3.如权利要求2所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于：所述热退火的温度为150℃至250℃。

4.如权利要求1所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于：所述的第一粘合层的材料为Ti/TiN、Ta/TaN或Ti/TiSi。

5.如权利要求4所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于：所述第一粘合层中的金属层位于所述第一电极层一侧，而金属化合物层位于所述固态相变材料一侧。

6.如权利要求1所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于：所述第一电极层的材料为W。

7.如权利要求1所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于，还包括步骤：在固态相变材料之上形成导电的第二粘合层；

在第二粘合层上形成第二电极层。

8.如权利要求7所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于：所述的第二粘合层的材料为TiN、Ti/TiN、TaN、Ta/TaN、TiSi或Ti/TiSi。

9.如权利要求7所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于：所述第二电极层的材料为Al。

10.如权利要求1-9中任一项所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于：所述的固态相变材料为硫族化合物合金。

11.如权利要求10所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于：所述硫族化合物合金为Ge-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te或Ge-Bi-Te。

12.如权利要求11所述的相变半导体器件的制造方法，其特征在于：所述的Ge-Sb-Te具体为Ge2Se2Te5。

说明书

相变半导体器件的制造方法及相变半导体器件

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及相变半导体器件的制造方法及相变半导体器件。

背景技术

[0002] 具有如锗(Ge)、硒(Se)、碲(Sb)、铋(Bi)等元素构成的合金型固态相变材料，逐渐作为开关材料被用到半导体器件中。固态相变材料至少存在两种不同的固态状态。最极端的两种状态能够被简单地分为非晶态和结晶态。在这两种状态之间还有其他更不容易辨别的状态。非晶态具有无序的原子结构，而结晶状态通常是多晶。固态相变材料各种状态具有完全不同的电学性质。在非晶态下，固态相变材料表现为绝缘的电学性质；而在结晶态下，同样的材料却表现出P型半导体那样的电阻性质。固态相变材料的电阻率在非晶态和结晶态之间变化。

[0003] 具体地说，当这种固态相变材料被加热时，就会从一种状态(例如非晶态)转变为第二种状态(例如结晶态)。状态之间的转变可以因受热不同而选择性地可逆，也就是说，固态相变材料可以被设定成一种电学状态并可以被复位。正如其他具有两种或更多种可辨别和可选择状态的材料一样，固态相变材料的两个稳定状态中的任一个都能被指定为逻辑1而另一个被指定为逻辑0。于是，固态相变材料就可以被用于存储器件，准确地说是不易丢失数据的存储器。此外，利用结晶态和非晶态之间的中间状态所固有的电阻率变化，还可以用固态相变材料制造多位存储元件。关于由固态相变材料所制造的半导体器件的结构可以参考中国发明专利申请第200410094745.5号所公开的内容。

[0004] 为了在非晶态与结晶态之间来回可逆地转换，必须将可控的热量准确地供给固态相变材料。以前常使用电阻加热的方法来提供这种热量。但是，对于各个存储元件，为了加热固态相变材料而需要设定相当大的加热电流。准确地说，固态相变材料的复位可能要求将结晶态的材料加热到其熔点，例如600℃以上。这样的加热和冷却，会导致固态相变材料自生的收缩，使得固态相变材料与电极的剥离，严重时，将导致半导体器件的失效。

[0005] 为了使固态相变材料与电极的紧密结合，现有技术中，使用金属氧化物作为固态相变材料与电极间的粘合层。但是，采用金属氧化物作为粘合层将导致对固态相变材料所施加的工作电压增大。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种相变半导体器件的制造方法及相变半导体器件，使得器件中的固态相变材料不会脱离，且不必提高其工作电压。

[0007] 为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种相变半导体器件的制造方法，包括步骤：提供基底，所述基底上开有沟槽，所述沟槽底部设有第一电极层；在所述基底上、沟槽底部的第一电极层和侧壁上形成导电的第一粘合层；在所述基底上形成底部抗反射材料层，所述底部抗反射材料层至少部分填充所述沟槽；刻蚀所述底部抗反射材料层至去除沟槽外和部分沟槽内的底部抗反射材料，在沟槽底部形成底部抗反射材料层；在所述基底上形成光刻胶层；在光刻胶层上形成至少完全暴露所述沟槽的开口，使得底部抗反射材料层与光刻胶层共同形成掩膜层；以所述掩膜层为掩膜刻蚀去除沟槽侧壁上的部分或全部第一粘合层；去除所述掩膜层；在沟槽内第一粘合层之上填充固态相变材料，在所述基底上的第一粘合层上也形成有固态相变材料；利用化学机械研磨去除沟槽以外的固态相变材料和基底表面的第一粘合层；其中，所述沟槽内剩余的第一粘合层只形成第一电极层与固态相变材料的电连通。

[0008] 可选地，在沟槽内第一粘合层之上填充固态相变材料的方法包括步骤：在基底上沉积固态相变材料至至少完全填满所述沟槽；对基底进行热退火处理，使固态相变材料在收缩的状态下填满沟槽；去除沟槽以外的固态相变材料。

[0009] 可选地，所述去除沟槽以外的固态相变材料的方法为化学机械研磨。

[0010] 可选地，所述热退火的温度为150℃至250℃。

[0011] 可选地，所述的第一粘合层的材料为Ti/TiN、Ta/TaN或Ti/TiSi。

[0012] 可选地，所述第一粘合层中的金属层位于所述第一电极层一侧，而金属化合物层位于所述固态相变材料一侧。

[0013] 可选地，所述第一电极层的材料为W。

[0014] 可选地，还包括步骤：在固态相变材料之上形成导电的第二粘合层；在第二粘合层上形成第二电极层。

[0015] 可选地，所述的第二粘合层的材料为TiN、Ti/TiN、TaN、Ta/TaN、TiSi或Ti/TiSi。

[0016] 可选地，所述第二电极层的材料为Al。

[0017] 可选地，所述的固态相变材料为硫族化合物合金。

[0018] 可选地，所述硫族化合物合金为Ge-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te或Ge-Bi-Te。

[0019] 可选地，所述的Ge-Sb-Te具体为Ge2Se2Te5。

[0020] 与现有技术相比，本发明在相变半导体器件的第一电极层和固态相变材料之间设置可导电的第一粘合层，用该第一粘合层来连接第一电极和固态相变材料，既可以让固态相变材料与第一电极层紧密粘合，不发生固态相变材料脱落的情况，又可以使该相变半导体器件保持较低的工作电压。

附图说明

[0021] 图1为本发明一个实施例相变半导体器件的制造方法的流程图；

[0022] 图2至图13为根据图1所示流程制造相变半导体器件的示意图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明的具体内容做详细描述。

[0024] 如图1所示，根据本发明的一个方面，提供一种相变半导体器件的制造方法，包括步骤：

[0025] S101，提供基底，所述基底上开有沟槽，所述沟槽底部设有第一电极层；

[0026] S102，在沟槽内第一电极层上形成导电的第一粘合层；

[0027] S103，在沟槽内第一粘合层之上填充固态相变材料；

[0028] S104，在固态相变材料之上形成导电的第二粘合层；

[0029] S105，在第二粘合层上形成第二电极层。

[0030] 首先执行步骤S101，提供如图2所示的基底201，基底201上开有沟槽202，沟槽202底部设有第一电极层203。

[0031] 沟槽202的底部是与内部互联金属层204导通的通孔205，而形成第一电极层203的金属材料即填充在该通孔205内。该第一电极层203与内部互联金属层204形成电连通，在该第一电极层203上施加的电信号即通过内部互联金属层204从其他信号接口(图未示)处传来。在步骤S101中所述的沟槽202底部设有第一电极层203，即是说第一电极层203与沟槽202内部是导通的，并非一定只能是第一电极层203完全布满沟槽202的底层。形成第一电极层203的材料可以是W。当然，本领域技术人员知道，采用其他金属也可以制造本发明所说的第一电极层203。制造内部互联金属层204、通孔205、第一电极层203以及沟槽202的工艺已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

[0032] 依照现有技术，通孔205的直径比沟槽202的直径小，也就是说，通孔205在沟槽202底部平面的投影落在沟槽202内。这是因为，通孔205是用于填充形成第一电极层203的金属材料，而第一电极层203的主要作用是信号导通，不需要有太大的直径限制。

[0033] 然后再执行步骤S102，在沟槽202内第一电极层203上形成导电的第一粘合层206(参考图8)。

[0034] 第一粘合层206的材料为Ti/TiN、Ta/TaN或Ti/TiSi等过渡金属或过渡金属与其化合物所形成的复合层。

[0035] 采用过渡金属与其化合物所形成的复合层作为第一粘合材料层的好处有两点，以Ti为例：其一，由于Ti本身容易氧化，而其氧化物是绝缘体，放任其氧化将会导致电路发生断路，因此需要在其上形成TiN或TiSi等化合物来防止其氧化；其二，由于Ti作为过渡金属，与同为金属的第一电极层203的耦合能力好，与沟槽202底部绝缘层(未标注)的耦合能力也较好，而TiN或TiSi又与后续沉积的固态相变材料的耦合能力较好，因此这种Ti/TiN的复合结构即可以粘接第一电极层203和固态相变材料207(参考图10)，又可以形成第一电极层203与固态相变材料207之间的导电渠道。所以，根据上述原因，当第一粘合层206中的金属层位于所述第一电极层203一侧，而金属化合物层位于固态相变材料207一侧。

[0036] 这里所列举的第一粘合层206材料仅仅是一个示例，本领域技术人员从上述对第一粘合层206的用途描述可知，只要能达到粘合和导电两个目的的材料，都可以用作第一粘合层206的材料。

[0037] 由于第一粘合层206是导体，为了避免短路现象的发生，第一粘合层206只能与第一电极层203和固态相变材料207形成电连通，这一点，与现有技术用金属氧化物形成第一粘合层206完全不同。因此，在本发明中，导电的第一粘合层206的形成方法也与现有技术不同。下面结合附图，对第一粘合层206的形成方法进行详细描述。

[0038] 如图3所示，先在基底201上形成第一粘合层206，形成的方法已为本领域技术人员所熟知。按照现有技术形成的第一粘合层206，会布满基底201的表面，即是既会形成在沟槽202的底部，也会形成在沟槽202的侧壁和基底201的其他部位。在这种情况下，在进行后续步骤形成第二电极层211(参考图13)时，导电的第一粘合层206会在第一电极层203和第二电极层211之间形成电流通道，从而短路固态相变材料207，使得固态相变材料
207无法发挥应有的功能，这将最终导致制成的半导体器件失效。

[0039] 而在本发明中，第一粘合层206的作用是既保持固态相变材料207与第一电极层203的紧密粘合，又将固态相变材料207与第一电极层203电导通。所以，需要将沟槽202底部的第一粘合层206与其他部分的第一粘合层206隔断才能实现上述功能。实现所述隔断的方法有多种，例如去除沟槽202侧壁上的第一粘合层206。当然，这里所说的去除，可以是去除沟槽202侧壁上的第一粘合层206的一部分，也可以是全部去除，其目的只是为了实现上述的隔断。

[0040] 去除沟槽202侧壁上的第一粘合层206的方法包括步骤：

[0041] 步骤二十一，如图4所示，在基底201上形成底部抗反射材料层208，使得底部抗反射材料层208至少部分填充沟槽202；

[0042] 步骤二十二，如图5所示，刻蚀底部抗反射材料层208至去除沟槽202外和部分沟槽202内的底部抗反射材料，只在沟槽202底部形成底部抗反射材料层208；

[0043] 步骤二十三，如图6所示，在基底201上形成光刻胶层209；

[0044] 步骤二十四，如图7所示，在光刻胶层209上形成至少完全暴露沟槽202的开口(未标注)，使得底部抗反射材料层208与光刻胶层209共同形成遮挡沟槽202内底部的第一粘合层206并至少暴露沟槽侧壁上的第一粘合层206的掩膜层；

[0045] 步骤二十五，刻蚀沟槽侧壁上的第一粘合层206，并去除底部抗反射材料层208和光刻胶层209，形成如图8所示的结构。

[0046] 在步骤二十一中，底部抗反射材料层208可以利用本领域惯常使用的沉积方法来形成，底部抗反射材料层208的厚度可以达到5μm。

[0047] 在步骤二十二中，通过刻蚀的方法，去掉沟槽202外部的底部抗反射材料，也将沟槽202内部的底部抗反射材料的厚度减薄，在沟槽202底部形成约1μm到2μm左右的底部抗反射材料层208。

[0048] 在步骤二十三中，可以使用本领域惯常使用的旋涂法在基底201上形成光刻胶层209。

[0049] 在步骤二十四中，用光刻的方法在光刻胶层209上形成至少完全暴露沟槽202的开口。最简便的方法是步骤二十四中将光刻胶层209开口的大小设为与沟槽202的大小相同，这时光刻所使用的光掩模版可以与制造沟槽201时所用的光掩模版完全相同，因而可以降低光刻成本。将光刻胶层209开口之后，使得底部抗反射材料层208与光刻胶层209共同形成遮挡沟槽202内底部的第一粘合层206并至少暴露沟槽侧壁上的第一粘合层206的掩膜层。其中抗反射材料层208用于保护沟槽202底部的第一粘合层206，而光刻胶层209用于保护基底201表面的第一粘合层206。

[0050] 然后执行步骤二十五，刻蚀沟槽202侧壁上的第一粘合层206，并去除底部抗反射材料层208和光刻胶层209。使得后续工艺中，沟槽202底部的第一粘合层206与其他非电介质层断开连接。

[0051] 在本实施例中，是先在整个基底201上形成第一粘合层206，再将位于沟槽202底部的第一粘合层206与其他部分的第一粘合层206隔断，从而实现第一粘合层206在本发明中的作用。但是本发明并不限于此，利用其它方法隔绝沟槽202底部的第一粘合层206与除固态相变材料207与第一电极层203以外的其他非电介质层之间的连接，例如通过先形成只暴露沟槽202底部的沉积掩膜，再进行第一粘合层206的沉积，从而只在沟槽202的底部形成第一粘合层206，同样也可以实现第一粘合层206在本发明中的作用。

[0052] 在本实施例中，用光刻胶层209将衬底表面的第一粘合层206先保护起来，只将沟槽侧壁上的第一粘合层206去除的另一个好处在于，在后续工艺中将基底201表面过多的固态相变材料207用化学机械研磨的方法去除时(参考图9)，需要保证固态相变材料207与基底201之间粘合良好，否则在化学机械研磨时，会导致固态相变材料207大量脱落，从而导致工艺稳定性大幅降低。

[0053] 接着执行步骤S103，在沟槽202内第一粘合层206之上填充固态相变材料207。

[0054] 填充固态相变材料207的方法包括步骤：

[0055] 步骤三十一，如图9所示，在基底201上沉积固态相变材料207至至少完全填满沟槽202；

[0056] 步骤三十二，在150℃至250℃的温度下，对基底201进行热退火处理，使固态相变材料207在收缩的状态下填满沟槽202；

[0057] 步骤三十三，如图10所示，用化学机械研磨的方法去除沟槽202以外的固态相变材料207以及基底201表面的第一粘合层206。

[0058] 上述填充固态相变材料207的步骤中，通过热退火处理使固态相变材料207收缩，因此填入沟槽202的固态相变材料207就比较致密，在后续化学机械研磨过程就不容易将沟槽202内的固态相变材料207带出，而在使用过程中，对固态相变材料207的加热相变过程，让沟槽202内的固态相变材料207膨胀积压沟槽202，使得固态相变材料207与第一电极层203的粘合更紧密，也就更不容易发生形变脱落。

[0059] 然后执行步骤S104，如图11所示，在固态相变材料207之上形成导电的第二粘合层210。

[0060] 第二粘合层210的材料可以是TiN、Ti/TiN、TaN、Ta/TaN、TiSi或Ti/TiSi等过渡金属化合物或者过渡金属与其化合物所组成的复合层。第二粘合层210采用这些材料的原因与第一粘合层206相似，也是为了同时实现粘合固态相变材料207和第二电极层211(参考图12)，以及导通固态相变材料207和第二电极层211。

[0061] 这里所列举的第二粘合层210材料也仅仅是一个示例，本领域技术人员从上述对第二粘合层210的用途描述可知，只要能达到粘合和导电两个目的的材料，都可以用作第二粘合层210的材料。

[0062] 然后再执行步骤S105，如图12所示，在第二粘合层210上形成第二电极层211。第二电极层211的材料可以为Al。当然，本领域技术人员知道，其他金属材料也可以用于制造第二电极层211。

[0063] 最后，可以根据需要，将第二电极层211和第二粘合层210刻蚀为合适的尺寸，如图13所示。

[0064] 在本发明中所提及的固态相变材料207，是具有至少两种可分辨的结晶形态和/或电阻特性的材料，具体可以是硫族化合物合金。而硫族化合物合金中，最适应本发明的可以为Ge-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te或Ge-Bi-Te，其中的的Ge-Sb-Te具体可以为Ge2Se2Te5。

[0065] 另外，根据本发明的另一方面，如图13所示，还提供一种根据上述方法所形成的相变半导体器件200，包括位于基底201上沟槽202底部的第一电极层203和沟槽202内的固态相变材料207，所述第一电极层203和固态相变材料207由导电的第一粘合层206连接，且所述第一粘合层206只形成第一电极层203与固态相变材料207的电连通。

[0066] 而第一粘合层206的材料为Ti/TiN、Ta/TaN或Ti/TiSi。第一粘合层206中的金属层位于第一电极层203一侧，而金属化合物层位于固态相变材料207一侧。

[0067] 正是由于导电的第一粘合层206的存在，既可以让固态相变材料207与第一电极层203紧密粘合，不会发生固态相变材料207脱落的情况，又可以使相变半导体器件200保持较低的工作电压。

[0068] 而上述固态相变材料207经过温度为150℃至250℃的热退火处理。因此填入沟槽202的固态相变材料207就比较致密，在后续化学机械研磨过程就不容易将沟槽202内的固态相变材料207带出，而在使用过程中，对固态相变材料207的加热相变过程，让沟槽202内的固态相变材料207膨胀积压沟槽202，使得固态相变材料207与第一电极层203的粘合更紧密，也就更不容易发生形变脱落。

[0069] 当然，相变半导体器件200还包括第二电极层211，所述固态相变材料207和第二电极层211之间由导电的第二粘合层210连接。

[0070] 第二粘合层210的材料可以是TiN、Ti/TiN、TaN、Ta/TaN、TiSi或Ti/TiSi等过渡金属化合物或者过渡金属与其化合物所组成的复合层。第二粘合层210采用这些材料的原因与第一粘合层206相似，也是为了同时实现粘合固态相变材料207和第二电极层211，以及导通固态相变材料207和第二电极层211。

[0071] 而固态相变材料已在前具体描述，在此不再赘述。

[0072] 本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。