相变存储器存储单元的制作方法

摘要

本发明公开了一种相变存储器存储单元的制作方法：在第一氧化硅层的表面沉积氮氧化硅层和第二氧化硅层；刻蚀第二氧化硅层形成第一通孔，以显露出氮氧化硅层；在第一通孔内沉积氮化硅层，以形成侧壁间隔；刻蚀第一通孔底部的氮化硅层、氮氧化硅层和第一氧化硅层形成第二通孔；在第二通孔内部沉积Ti/TiN和金属钨层；回刻金属钨层至第二通孔内剩余金属钨的高度高于预定高度，所述预定高度位于第一氧化硅层和第二氧化硅层之间；采用气体SF6、Cl2和BCl3，回刻Ti/TiN和金属钨至金属钨的高度达到预定高度，而Ti/TiN与金属钨的高度相平或高于金属钨的高度；在第二通孔内填充相变层。该方法提高了相变存储器相变层的填充能力。

权利要求

1.一种相变存储器存储单元的制作方法，该方法包括：在第一氧化硅层的表面依次沉积氮氧化硅层和第二氧化硅层；

刻蚀第二氧化硅层形成第一通孔，以显露出氮氧化硅层；

在所述第一通孔内沉积氮化硅层，以形成侧壁间隔；

刻蚀第一通孔底部的氮化硅层、氮氧化硅层和第一氧化硅层形成第二通孔，以与第一氧化硅层下的器件层电性连接；所述第二通孔包含第一通孔；

在第二通孔内部依次沉积钛/氮化钛层和金属钨层；

回刻金属钨层至第二通孔内剩余金属钨的高度高于预定高度，所述预定高度位于第一氧化硅层和第二氧化硅层之间；

采用气体六氟化硫、氯气和三氯化硼，回刻钛/氮化钛层和金属钨至金属钨的高度达到预定高度，而钛/氮化钛层与金属钨的高度相平或高于金属钨的高度；

在所述第二通孔内填充相变层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，回刻过程在刻蚀反应腔内进行，所述刻蚀反应腔内回刻钛/氮化钛层和金属钨的气体六氟化硫的流量相比于氯气和三氯化硼的总流量为0.2～1。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，回刻过程在刻蚀反应腔内进行，回刻金属钨包括主刻蚀过程和过刻蚀过程，所述沉积钛/氮化钛层的厚度为100～300埃，金属钨的厚度为1～2.5千埃时，所述刻蚀反应腔内过刻蚀金属钨的时间为3～10秒。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氯气的流量为15～45标准立方厘米每分钟；三氯化硼的流量为0～30sccm。

说明书

相变存储器存储单元的制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体存储器制作技术领域，特别涉及一种相变存储器存储单元的制作方法。

背景技术

[0002] 目前，相变存储器(Phase-Change RAM，PC RAM)由于具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高效读取、抗辐照、耐高低温、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单等优点，被认为最有可能取代目前的闪存(Flash)、动态随机存取存储器(DRAM)和静态存储器(SRAM)而成为未来半导体存储器主流产品。

[0003] PC RAM存储单元的相变层，目前有多种合金材料，一般为硫族化物，而锗锑碲(GST，GeSbTe)合金是公认的研究最多的最为成熟的相变材料。结合图1a至图1h，对现有技术相变存储器存储单元的制作方法进行说明。

[0004] 步骤11、请参阅图1a，在第一氧化硅层101的表面依次沉积氮氧化硅层102和第二氧化硅层103；

[0005] 步骤12、请参阅图1b，在第二氧化硅层103的表面涂布光阻胶层(图中未显示)，并对所述光阻胶层进行曝光显影，以曝光显影后的光阻胶层为掩膜，刻蚀第二氧化硅层103形成第一通孔，以显露出氮氧化硅层102；

[0006] 步骤13、请参阅图1c，在所述第一通孔内沉积氮化硅层104，以形成侧壁间隔，该侧壁间隔在第一通孔内部形成了一个环，所述环的内径定义了将要填充的相变层的直径。在第一通孔内沉积氮化硅层104的同时，第二氧化硅层103的表面及第一通孔底部也形成有氮化硅层104；

[0007] 步骤14、请参阅图1d，刻蚀第一通孔底部的氮化硅层104、氮氧化硅层102和第一氧化硅层101形成第二通孔，以与第一氧化硅层101下的器件层(图中未显示)电性连接；

[0008] 步骤15、请参阅图1e，在第二通孔内部依次沉积钛/氮化钛层(Ti/TiN)105和金属钨层(W)106，所述Ti/TiN104覆盖整个第二通孔的内部以及氮化硅层104的表面，所述金属钨层106覆盖在Ti/TiN105的表面；其中，Ti/TiN105表示Ti层或者TiN层，或者为Ti层和TiN层的叠层；

[0009] 步骤16、请参阅图1f，回刻(etch back)金属钨层106，使得第二通孔内剩余金属钨的高度位于第一氧化硅层和第二氧化硅层之间；

[0010] 步骤17、请参阅图1g，回刻Ti/TiN105，去除氮化硅层104表面的Ti/TiN以及第二通孔内显露出的Ti/TiN，为确保氮化硅层104表面的Ti/TiN全部去除，现有技术往往使得第二通孔内Ti/TiN高度低于金属钨的高度，导致接下来执行步骤18、请参阅图1h，填充相变层107时，在第二通孔内Ti/TiN低于金属钨层的空隙位置，如图1h中的箭头指向处所示，由于空隙很窄，相变层107无法填充，即相变层填充能力较差。当该种相变存储器存储单元工作时，相变材料会从晶态(低阻)经过熔融态转变为非晶态(高阻)，当相变材料处于熔融态时，相变材料GST会填补在Ti/TiN低于金属钨层的空隙位置，而造成相变层的其他位置出现孔洞(void)，从而严重影响相变存储器件的性能。

发明内容

[0011] 有鉴于此，本发明解决的技术问题是：提高相变存储器相变层的填充能力。

[0012] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

[0013] 本发明公开了一种相变存储器存储单元的制作方法，该方法包括：

[0014] 在第一氧化硅层的表面依次沉积氮氧化硅层和第二氧化硅层；

[0015] 刻蚀第二氧化硅层形成第一通孔，以显露出氮氧化硅层；

[0016] 在所述第一通孔内沉积氮化硅层，以形成侧壁间隔；

[0017] 刻蚀第一通孔底部的氮化硅层、氮氧化硅层和第一氧化硅层形成第二通孔，以与第一氧化硅层下的器件层电性连接；

[0018] 在第二通孔内部依次沉积钛/氮化钛层Ti/TiN和金属钨层；

[0019] 回刻etch back金属钨层至第二通孔内剩余金属钨的高度高于预定高度，所述预定高度位于第一氧化硅层和第二氧化硅层之间；

[0020] 采用气体六氟化硫SF6、氯气Cl2和三氯化硼BCl3，回刻Ti/TiN和金属钨至金属钨的高度达到预定高度，而Ti/TiN与金属钨的高度相平或高于金属钨的高度；

[0021] 在所述第二通孔内填充相变层。

[0022] 回刻过程在刻蚀反应腔内进行，所述刻蚀反应腔内回刻Ti/TiN和金属钨的气体SF6的流量相比于Cl2和BCl3的总流量为0.2～1。

[0023] 回刻过程在刻蚀反应腔内进行，回刻金属钨包括主刻蚀过程和过刻蚀过程，所述沉积Ti/TiN的厚度为100～300埃，金属钨的厚度为1～2.5千埃时，所述刻蚀反应腔内过刻蚀金属钨的时间为3～10秒。

[0024] 所述Cl2的流量为15～45标准立方厘米每分钟sccm；BCl3的流量为0～30sccm。

[0025] 由上述的技术方案可见，本发明在回刻金属钨层时，使得第二通孔内剩余金属钨的高度高于预定高度，所述预定高度位于第一氧化硅层和第二氧化硅层之间；回刻Ti/TiN时，刻蚀气体不但包含能够刻蚀Ti/TiN的氯气(Cl2)和三氯化硼(BCl3)，还包含能够刻蚀金属钨的六氟化硫(SF6)，因此，在刻蚀达到金属W的预定高度时，确保Ti/TiN和金属W的高度相平，或者Ti/TiN比金属W的高度稍高一些，从而提高填充相变层时的空隙填充能力。

附图说明

[0026] 图1a至图1h为现有技术制作相变存储器存储单元的具体过程的结构示意图。

[0027] 图2a和图2b为本发明相变存储器存储单元的结构示意图。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

[0029] 本发明公开了一种相变存储器存储单元的制作方法，该方法包括：

[0030] 步骤21、请参阅图1a，在第一氧化硅层101的表面依次沉积氮氧化硅层102和第二氧化硅层103；

[0031] 步骤22、请参阅图1b，刻蚀第二氧化硅层103形成第一通孔，以显露出氮氧化硅层102；

[0032] 步骤23、请参阅图1c，在所述第一通孔内沉积氮化硅层104，以形成侧壁间隔；

[0033] 步骤24、请参阅图1d，刻蚀第一通孔底部的氮化硅层、氮氧化硅层和第一氧化硅层形成第二通孔，以与第一氧化硅层101下的器件层电性连接；

[0034] 步骤25、请参阅图1e，在第二通孔内部依次沉积Ti/TiN105和金属钨层106；

[0035] 步骤26、回刻金属钨层至第二通孔内剩余金属钨的高度高于预定高度，所述预定高度位于第一氧化硅层和第二氧化硅层之间；

[0036] 步骤27、采用气体SF6、Cl2和BCl3，回刻Ti/TiN和金属钨至第二通孔内剩余金属钨的高度等于预定高度，此时，Ti/TiN与金属钨的高度相平，或者Ti/TiN高于金属钨的高度；

[0037] 步骤28、在所述第二通孔内填充相变层107，如图2a或者2b所示。

[0038] 对于各种规格的存储器件，其存储单元中沉积Ti/TiN和金属钨W的厚度不同，回刻时的气体流量也需要作相应调整。

[0039] 当Ti/TiN的厚度为100～300埃 金属W的厚度为1～2.5千埃 时，现有技术对Ti/TiN和金属钨W的回刻在刻蚀反应腔内进行，包括以下过程，其各个过程刻蚀参数为：

[0040] 主刻蚀金属W：主刻蚀过程将第二通孔上方的金属W去除，刻蚀反应腔内的压力范围为6～20毫托(mt)，高频射频功率为450～800瓦，低频射频功率为20～80瓦，刻蚀气体六氟化硫(SF6)的流量为50～150标准立方厘米每分钟(sccm)，氧气流量为10～30sccm，氮气流量为0～20sccm；

[0041] 过刻蚀金属W：将金属W刻蚀到预定高度，刻蚀反应腔内的压力范围为6～20mt，高频射频功率为450～800瓦，低频射频功率为20～80瓦，刻蚀气体SF6的流量为50～150sccm，氮气流量为0～20sccm；

[0042] 刻蚀Ti/TiN：去除氮化硅层104表面的Ti/TiN以及第二通孔内显露出的Ti/TiN，刻蚀反应腔内的压力范围为6～20mt，高频射频功率为200～450瓦，低频射频功率为30～60瓦，刻蚀气体氯气(Cl2)的流量为15～45sccm，三氯化硼(BCl3)的流量为0～30sccm。

[0043] 由于在现有技术中刻蚀Ti/TiN时，刻蚀气体Cl2和BCl3不会刻蚀金属W，所以在完全去除氮化硅层104表面的Ti/TiN时，使得通孔内Ti/TiN高度低于金属W的高度，本发明主要在于在刻蚀Ti/TiN时，刻蚀气体还包括能够刻蚀金属W的SF6，使得金属W同时被刻蚀，在达到金属W的预定高度时，确保Ti/TiN和金属W的高度相平，或者Ti/TiN比金属W的高度稍高一些，从而提高填充相变层时的空隙填充能力。

[0044] 本发明包括主刻蚀金属W、过刻蚀金属W、刻蚀Ti/TiN和金属钨的回刻过程，仍然以沉积Ti/TiN的厚度为100～300埃，金属W的厚度为1～2.5千埃为例，其回刻过程的各个工艺参数为：

[0045] 主刻蚀金属W：主刻蚀过程将第二通孔上方的金属W去除，刻蚀反应腔内的压力范围为6～20mt，高频射频功率为450～800瓦，低频射频功率为20～80瓦，刻蚀气体SF6的流量为50～150sccm，氧气流量为10～30sccm，氮气流量为0～20sccm；

[0046] 过刻蚀金属W：刻蚀反应腔内的压力范围为6～20mt，高频射频功率为450～800瓦，低频射频功率为20～80瓦，刻蚀气体SF6的流量为50～150sccm，氮气流量为0～20sccm；该步骤中过刻蚀金属W的时间相比于现有技术来说，要相对短一些，大约3～10秒，即过刻蚀完成后，第二通孔内金属W的高度高于预定高度，高出预定高度的金属W在后续刻蚀Ti/TiN时，一并去除；

[0047] 刻蚀Ti/TiN和金属钨：刻蚀反应腔内刻蚀气体包括Cl2、BCl3和SF6。刻蚀反应腔内的压力范围为6～20mt，优选为8mt、10mt和12mt；高频射频功率为200～450瓦，优选为250瓦、325瓦和400瓦；低频射频功率为30～60瓦，优选为35瓦、48瓦和55瓦；刻蚀气体Cl2的流量为15～45sccm，优选为20sccm、30sccm和40sccm；BCl3的流量为0～30sccm，优选为10sccm、15sccm和25sccm。其中，Cl2和BCl3用于刻蚀Ti/TiN，同时SF6用于刻蚀金属W，降低金属W的高度至预定高度。为了确保在达到金属W的预定高度时，Ti/TiN和金属W的高度相平，或者Ti/TiN比金属W的高度稍高一些，SF6的流量相比于Cl2和BCl3的总流量控制在0.2～1之间即可。显然，SF6所占比例越高，刻蚀的金属W越多，Ti/TiN和金属W的台阶高度越大。

[0048] 综上所述，通过本发明的回刻金属W和Ti/TiN的过程，在第二通孔内剩余金属W的高度达到预定高度时，达到了第二通孔内Ti/TiN和金属W的高度相平，或者Ti/TiN比金属W的高度稍高一些，分别如图2a和2b所示，图2a中箭头指向处所示Ti/TiN和金属W的高度相平，图2b中箭头指向处所示Ti/TiN比金属W的高度稍高一些。在图2a和2b所示图的基础上填充相变层，相变层能够均匀填充，不会像现有技术那样，相变层无法填充到Ti/TiN低于金属钨层的空隙位置，因此有效提高了相变层的空隙填充能力。

[0049] 需要说明的是，本发明关键在于：在回刻Ti/TiN的过程中加入了能够同时刻蚀金属钨的SF6，至于该过程中通入的气体流量，针对不同的沉积厚度，其流量也是不同的，所以上述数据只是列举一个具体实施例，以说明采用本发明的技术方案所能达到的效果，因此上述数据不会用以限定本发明，只要能够达到图2a或者图2b所示效果的技术方案，都落在本发明的保护范围内。

[0050] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并不能用以限定本发明。而且以本发明具体数值延伸的更宽范围的厚度等，都落在本发明的保护范围内，本领域的技术人员显然可以在不脱离本发明的精神或范围内进行适当的修改和变化。