多层堆叠电阻转换存储器的制造方法

摘要

本发明涉及一种通过键合法实现的多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，包括如下步骤：制造含有外围电路和电阻转换存储器的第一圆晶；制造表面有低电阻率重掺杂半导体层的第二圆晶；键合第一圆晶和第二圆晶，通过后续的工艺去除第二圆晶多余部分半导体，可采用背面腐蚀、抛光、或者退火剥离等工艺；继续在键合圆晶上制造选通单元和电阻转换存储单元，获得的多层堆叠电阻转换存储器中的重掺杂半导体为字/位线。本发明采用重掺杂的半导体字/位线取代金属字/位线，能够使工艺与电阻转换存储器工艺兼容，而且具有良好的可靠性。

权利要求

1.一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(A)制造半导体第一晶圆，并采用化学机械抛光进行平坦化，第一晶圆上含有外围电路和与之相连的至少一层电阻转换存储器，所述电阻转换存储器依次包括第一字或位线、与第一字或位线相连的第一选通管阵列和与第一选通管阵列对应相连的第一电阻转换存储单元阵列；所述第一选通管阵列包括PN二极管、肖特基二极管、双极型晶体管、场效应晶体管中的一种或多种；

(B)制造半导体第二晶圆，在所述第二晶圆的其中一表面形成重掺杂半导体层，然后以化学机械抛光进行平坦化；

(C)将第一晶圆和第二晶圆进行键合，第一晶圆制造有第一电阻转换存储单元阵列的表面与第二晶圆形成有重掺杂半导体层的表面接触；

(D)键合完成后去除第二晶圆另一表面的部分半导体，并以化学机械抛光平坦化其表面，得到堆叠了第二晶圆后的平坦基底；

(E)在所述基底上继续制造第二选通管阵列和与之对应相连的第二电阻转换存储单元阵列，第二晶圆的重掺杂半导体层作为第二字或位线与第二选通管阵列相连；所述第二选通管阵列包括PN二极管、肖特基二极管、双极型晶体管、场效应晶体管中的一种或几种；

(G)制造上电极并进行封装。

2.根据权利要求1所述一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于：在步骤(G)之前，还包括步骤(F)：重复步骤(A)到(E)。

3.根据权利要求1所述一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于：所述化学机械抛光包含粗抛光和精抛光两步。

4.根据权利要求1所述一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于：所述第一和第二电阻转换存储单元阵列为相变存储单元阵列、电阻随机存储单元阵列、或Sb基电阻转换存储单元阵列。

5.根据权利要求1所述一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于：步骤(B)中，采用原子扩散和离子注入中的一种或者两种方法形成所述重掺杂半导体层。

6.根据权利要求1所述一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于：步骤(D)中，去除第二晶圆另一表面的部分半导体采用以下四种工艺中的一种或者多种：a.化学机械抛光；

b.湿法腐蚀；

c.退火剥离工艺，通过第二晶圆的半导体中离子注入形成的特殊掺杂层，采用退火使该特殊掺杂层形成缺陷，并使半导体在特殊掺杂层处裂开，从而剥离去除多余的部分半导体；

d.干法刻蚀。

7.根据权利要求6所述一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于：步骤(D)中，采用退火剥离工艺时，通过离子注入H和B形成的特殊掺杂层，在不高于400℃的退火下，实现剥离。

8.根据权利要求1所述一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于：所述第一和第二选通管阵列以及第一和第二电阻转换存储单元阵列采用双浅沟道隔离结构。

9.根据权利要求1所述一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于：在步骤(B)或者在步骤(E)中形成用于制造第二选通管阵列的掺杂结构。

说明书

多层堆叠电阻转换存储器的制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体技术领域，涉及一种多层堆叠的电阻转换存储器的制造方法，用于半导体器件的制造。

背景技术

[0002] 随着半导体技术的发展和人们对半导体器件要求的日益提升，半导体器件的密度和性能都在高速地发展，半导体器件多层堆叠已经是集成电路发展的必然趋势，多层堆叠的半导体器件实现的不仅仅是集成度的成倍上升，而且获得了器件速度的大幅提升，与此同时，在适当的堆叠层数范围内，器件的单位成本也会得到显著的降低，从而使半导体器件更具竞争力。

[0003] 在存储器方面，对于高性能存储器的需求，使得相变存储器、电阻随机存储器等电阻转换存储器成为当今炙手可热的下一代非易失性半导体存储器候选，他们具有广阔的市场前景。电阻转换存储器的存储密度高、制造工艺简单、速度快、并且具有良好的数据保持能力，将在不久的将来在各个领域得到广泛的应用，有望成为一种通用的存储器。也正如其他半导体器件的发展趋势，半导体存储器的多层堆叠也是存储器发展的重要方向，对于电阻转换存储器来说也是如此。

[0004] 在半导体器件的三维多层堆叠中，晶圆键合是一种重要的工艺手段，然而，采用键合法进行电阻转换存储器的堆叠在应用中面临一定的问题，在两片键合晶圆的表面，可能具有大面积的金属，其余部分为氧化硅、硅等介质材料，因此，有很大一部分的键合界面是介质材料与金属的界面。然而，众所周知，介质材料与金属的键合能力较弱，不仅较难以键合，而且键合后可靠性很差。这也是键合技术在电阻转换存储器应用中的瓶颈之一，极大限制了键合技术在电阻转换存储器中的应用。此外，后续的化学机械抛光可能对键合得到的多层晶圆带来很大的影响，抛光中所施加的机械力可能造成强度较差键合界面的剥离，使得键合和多层器件失效。如何提升多层堆叠的电阻转换存储器堆叠过程中的晶圆粘附强度也实际需要解决的科学和工程问题。在现有的键合技术中，还不可避免地含有高温工艺，这些高温的工艺与电阻转换存储器技术也是不兼容的。

[0005] 如上所述，在晶圆键合中，金属与介质(半导体氧化物或者半导体)的键合较难，且键合力较弱，而半导体与半导体，或者半导体与半导体氧化物之间的键合较为容易，且键合力较强。通过键合工艺的改进，增强介质与介质的键合面积，便可降低电阻转换存储器键合的难度，提升键合强度。本发明采用半导体字/位线取代金属字/位线，大大降低了键合的难度，增强了键合的强度。

发明内容

[0006] 本发明主要解决的技术问题在于提供一种通过键合法实现多层堆叠的电阻转换存储器的制造方法，采用半导体字/位线取代金属字/位线，能够使工艺与电阻转换存储器工艺兼容，而且具有良好的可靠性。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，包括如下步骤：

[0009] (A)制造半导体第一晶圆，并采用化学机械抛光进行平坦化，第一晶圆上含有外围电路和与之相连的至少一层电阻转换存储器，所述电阻转换存储器依次包括第一字或位线、与第一字或位线相连的第一选通管阵列和与第一选通管阵列对应相连的第一电阻转换存储单元阵列；

[0010] (B)制造半导体第二晶圆，在所述第二晶圆的其中一表面形成重掺杂半导体层，然后以化学机械抛光进行平坦化；

[0011] (C)将第一晶圆和第二晶圆进行键合，第一晶圆制造有第一电阻转换存储单元阵列的表面与第二晶圆形成有重掺杂半导体层的表面接触；

[0012] (D)键合完成后去除第二晶圆另一表面的部分半导体，并以化学机械抛光平坦化其表面，得到堆叠了第二晶圆后的平坦基底；

[0013] (E)在所述基底上继续制造第二选通管阵列和与之对应相连的第二电阻转换存储单元阵列，第二晶圆的重掺杂半导体层作为第二字或位线与第二选通管阵列相连；

[0014] (G)制造上电极并进行封装。

[0015] 所述方法在步骤(G)之前如需要继续堆叠，还可以包括步骤(F)：根据需要重复步骤(A)到(E)，得到更多层的堆叠电阻转换存储器。

[0016] 其中，所述化学机械抛光包含粗抛光和精抛光两步。

[0017] 所述第一和第二电阻转换存储单元阵列为相变存储单元阵列、电阻随机存储单元阵列、或Sb基电阻转换存储单元阵列。所述的第一和第二选通管阵列包括PN二极管、肖特基二极管、双极型晶体管、场效应晶体管中的一种或者多种。

[0018] 进一步地，步骤(B)中，采用原子扩散和离子注入中的一种或者两种方法形成所述重掺杂半导体层。

[0019] 进一步地，步骤(D)中，去除第二晶圆另一表面的部分半导体采用以下四种工艺中的一种或者多种：

[0020] a.化学机械抛光；

[0021] b.湿法腐蚀；

[0022] c.退火剥离工艺，通过第二晶圆的半导体中离子注入形成的特殊掺杂层，采用退火使该特殊掺杂层形成缺陷，并使半导体在特殊掺杂层处裂开，从而剥离去除多余的部分半导体；

[0023] d.干法刻蚀。

[0024] 作为本发明的优选方案之一，步骤(D)中，采用退火剥离工艺时，通过离子注入H和B形成的特殊掺杂层，在不高于400℃的退火下，实现剥离。

[0025] 作为本发明的优选方案之一，所述第一和第二选通管阵列以及第一和第二电阻转换存储单元阵列采用双浅沟道隔离结构。

[0026] 作为本发明的优选方案之一，可以在步骤(B)或者在步骤(E)中形成用于制造第二选通管阵列的掺杂结构。

[0027] 本发明的有益效果在于：本发明采用表面具有低电阻率重掺杂半导体层的第二晶圆与第一晶圆进行键合，键合后制造得到的多层结构存储器中，重掺杂半导体层作为字/位线。通过重掺杂第二晶圆的应用和选择，使拥有大部分面积为介质的第一晶圆与第二晶圆之间键合强度提升，难度降低，可靠性增强，工艺与电阻转换存储器制造工艺兼容。因此本发明提出的多层堆叠的电阻转换存储器的制造方法，不仅能够使工艺与电阻转换存储器工艺兼容，而且通过可靠键合面积的增强，使键合后的器件结构具有良好的可靠性和较少的缺陷，有望在多层堆叠中获得大规模的应用。

附图说明

[0028] 图1A-图1M为一种制造多层堆叠电阻转换存储器工艺流程示意图。

[0029] 图2A-图2M为另一种制造多层堆叠电阻转换存储器工艺流程示意图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施方式。以下是本发明的几个优选实施例：

[0031] 实施例一

[0032] 请参阅图1，本发明揭示了一种多层堆叠的电阻转换存储器的制造方法，包括如下步骤：

[0033] (A)首先制造第一晶圆，第一晶圆包含外围电路和至少一层电阻转换存储器，采用化学机械抛光进行平坦化，本发明用到的化学机械抛光可以包含粗抛光和精抛光两步。电阻转换存储器包括选通管阵列、字/位线和电阻转换存储单元阵列，第一晶圆还可以包含多层的电阻转换存储器。图1A中在衬底1上没有绘出外围电路部分，且图示的尺寸非等比例绘制，带有一层电阻转换存储器。本例中，采用的选通管为PN二极管，当然也可以采用其他类型选通管，例如肖特基二极管、场效应晶体管和双极型晶体管等，在此，以PN二极管为例，但要说明的是，本实施例选用的选通管并不限制于PN二极管。采用存储器的电阻转换存储单元阵列也可以是相变存储单元阵列、电阻随机存储单元阵列、或Sb基电阻转换存储单元阵列中的一种，如果第一晶圆包含多层的电阻转换存储器，也可同时包含上述存储单元阵列的一种或者多种。在此，为了表述方便，以相变存储器为例，显然在本发明中，其他两种类型的存储器也是适用。图1A中，2为导电重掺杂半导体字线(或者是金属字线)，3为绝缘材料(例如多晶硅和氧化硅等)，4为掺杂半导体，4与2之间形成PN二极管，5和7为电极，6为SiSbTe相变存储材料单元，其显然也可以是其他存储单元，例如金属氧化物以及Sb等，其中电极5、SiSbTe相变存储材料单元6和电极7组成电阻转换存储单元阵列。图1A中沿A-A方向的投影如图1B所示，俯视图如图1C所示，从图1C中可以看到，超过75％的面积为绝缘材料的部分，其余部分则为电极，选用的电极7可以包含多层，顶层的材料可选择与硅具有较好键合能力的材料。

[0034] (B)制造第二晶圆，表面层通过原子扩散法或离子注入形成重掺杂半导体层10，重掺杂半导体层10具有较低的电阻率，随后再进行离子注入H和B，形成特殊掺杂层9，如图1D所示，特殊掺杂层9在后续的步骤中将用于去除多余的半导体8。如果采用化学机械抛光、湿法腐蚀、干法刻蚀等其他方法去除多余部分半导体8，则无须进行此步的离子注入。

[0035] (C)将第一晶圆和第二晶圆进行键合，如图1E示意，第二晶圆含有重掺杂半导体层10的表面与第一晶圆形成有电阻转换存储单元阵列的表面进行接触，实现堆叠；键合后的结构如图1F所示，其中11和12分别是第一晶圆和第二晶圆，13就是键合之后的结构。

[0036] (D)在300℃下通过高纯氮气的保护进行退火，由于离子注入杂质后在半导体中形成缺陷，半导体将从特殊掺杂层9处裂开，将剩余部分半导体层留在第一晶圆11上，并以化学机械抛光平坦化其表面，得到堆叠了第二晶圆后的平坦基底，而剥离下来的半导体8还可以循环使用，以利于降低成本。

[0037] (E)通过离子注入形成新的掺杂层14，与原重掺杂半导体层10形成用于制造PN二极管的掺杂结构，如图1G所示。图1G中沿B-B方向的投影如图1H所示。

[0038] 制造深度较深的第一浅沟道17，深度直到能将重掺杂半导体层10有效分隔开，并且形成的重掺杂半导体线条15为位线，覆盖在第一晶圆中制作的第一层电阻转换存储单元阵列的上方，同时将新的掺杂层14分隔成掺杂线条16。

[0039] 制造深度较浅的第二浅沟道19，深度到重掺杂半导体线条15的上方，第二浅沟道19将掺杂线条16分隔成分立的单元18，与重掺杂半导体线条15(位线)之间形成了多个PN二极管。

[0040] 填充介质材料23(可为多晶硅等)，通过电极材料、SiSbTe材料等沉积以及相关的半导体工艺，在PN二极管(选通管)的上方形成了对应的相变存储单元20+21+22，如图1K所示，图中，沿C-C方向的投影如图1L所示。可见该选通管阵列和电阻转换存储单元阵列采用双浅沟道隔离结构，即由相交的第一浅沟道17和第二浅沟道19以及填充其中的介质材料23将阵列的各个单元隔离，第一浅沟道17和第二浅沟道19夹角优选为正交，当然也可以是45度到90度之间的任意角度，第一晶圆中的选通管阵列和电阻转换存储单元阵列也可采用该隔离结构，如图1A-1C所示，此为本领域的公知技术，在此不再赘述。

[0041] (F)如需要继续堆叠重复步骤(A)到(E)的步骤，形成如图1M所示的多层堆叠结构，包括第二层电阻转换存储器24、第三层电阻转换存储器25和第四层电阻转换存储器26，多层结构的层数显然不局限于图中所示的四层，可以为更多；多层结构中，相邻层之间共享重掺杂半导体字/位线，虽然本实施例中所示的图中采用同一种存储材料，但是在此需要指出，不同层之间可以采用不同的存储材料，甚至可以采用电阻随机存储材料(如金属氧化物)和Sb基材料等。

[0042] (G)制造上电极，还可制造各层之间的通孔完成互连线，并进行封装。

[0043] 实施例二

[0044] 本实施例与实施例一的区别在于，本实施例为制造双极型晶体管选通三维立体堆叠电阻转换存储器的方法。

[0045] 上述实施例中也已经得到说明，在图1A和图1B的结构中，可以采用双极型晶体管替代PN二极管4作为选通管。如果采用双极型晶体管作为选通管，图1G中形成的掺杂层10和14则要相应地改为NPN层或者是PNP层，随后的相应工艺与实施例一相似，在此不再赘述。最后得到的图1M所示的多层堆叠的电阻存储器结构中，相比的不同之处在于24-26各层采用的选通单元为双极型晶体管。

[0046] 实施例三

[0047] (A)图2A所示为制造有外围电路和一层电阻转换存储器的第一晶圆，同样也没有示意出外围电路，但是并不表示第一晶圆的衬底31上不具备外围电路。本案中采用的选通管为肖特基二极管，当然也可以采用其他选通单元，例如PN二极管和双极型晶体管等，在此，以肖特基二极管为例，但要说明的是并不限制于肖特基二极管。多个肖特基二极管共享一根重掺杂半导体字线32，肖特基二极管形成的肖特基势垒的界面是轻掺杂半导体34与电极35的界面。电极35还是存储单元37的加热电极，它可以包含多层结构，例如在靠近轻掺杂半导体34的一侧为一种能够与该轻掺杂半导体34形成肖特基接触的金属，而在靠近存储单元37的一侧则为具有良好黏附性和加热效率的电极材料。36是为了限制相变材料体积的绝缘侧墙，能够有效降低相变存储器的功耗。采用的存储器单元也可以是电阻随机存储器、Sb基电阻转换存储器中的一种，在此，为了表述方便，以Si-Sb基相变存储器为例。图2A中沿D-D方向的投影如图2B所示。

[0048] (B)制造键合所需的第二晶圆：采用轻掺杂的半导体40，在平坦的半导体基底上通过扩散法在晶圆表面形成重掺杂半导体层41，显然在重掺杂半导体层41的下方依然是轻掺杂半导体40；注入形成的B和H特殊掺杂层42，也可以用注入其他离子代替，特殊掺杂层42深度深于重掺杂半导体层41。如图2D所示。

[0049] (C)将第一晶圆44和第二晶圆45进行键合，主要依靠半导体与绝缘材料之间的键合实现堆叠，如图2D和E所示，第二晶圆重掺杂半导体层与第一晶圆实现接触，46是键合后的结构。

[0050] (D)在250℃下通过真空保护进行退火，由于H和B的离子注入后在半导体中形成的缺陷，半导体将从特殊掺杂层42裂开，将表面重掺杂半导体层41和轻掺杂半导体47留在第一晶圆上，然后采用化学机械抛光等得到平坦的轻掺杂半导体层48，如图2F所示，图中沿E-E方向的投影如图2G所示，而剥离下来的半导体基底还可以循环使用，有利于节省成本。

[0051] (E)沉积金属层49，金属层49可包含多层结构，金属层49多层结构中与轻掺杂半导体层48接触的部分需要与轻掺杂半导体层48形成肖特基势垒，以形成后续的肖特基二极管，如图2H所示。

[0052] 制造较深的浅沟道50，深度直到绝缘层的顶部，如图2I所示，将重掺杂半导体层分隔成分立的字线51。

[0053] 制造与浅沟道50相交的浅沟道52，深度较浅沟道50浅，深度直到重掺杂半导体字线51的上方，将字线51上方的轻掺杂半导体48和金属层49分隔成分立的单元53、54，使得它们之间形成了肖特基二极管单元。浅沟道50和52的夹角优选为正交，当然也可以是45度到90度之间的任意角度。

[0054] 填充介质材料55，通过薄膜沉积、光刻、化学机械抛光法等半导体工艺制造相应的选通单元和相变存储单元，得到的结构如图2K和2L所示，图2L中所示的56即为存储单元，包含了存储材料、电极和包覆侧墙结构。

[0055] (F)如需要继续堆叠重复步骤(A)到(E)的步骤，可形成如图2M所示的多层堆叠结构；

[0056] (G)制造各层之间的通孔和上电极，并进行封装。

[0057] 实施例四

[0058] 本实施例与实施例三的区别在于，本实施例揭示一种制造三维立体堆叠电阻转换存储器的方法，采用多种选通管多种存储单元。

[0059] 实施例三中，图2A和2B中所示的肖特基二极管可以用PN二极管或者双极型二极管代替，而随后的上层选通管可以是肖特基二极管，即在一个多层堆叠的器件中，可以包含多种选通管，也可以包含多种存储器结构，再次不再赘述。作为步骤(D)的替代，去除多余半导体的方法还可以是化学机械抛光法，即用抛光去除多余的半导体，如果是采用这种办法，则不需要步骤(B)的离子注入和步骤(D)的退火工艺。

[0060] 这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他基底、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

[0061] 例如，存储材料的选择并不限制于特定的相变材料或者是电阻随机存储材料，可以是任何一种能够在电信号的作用下实现电阻反转的材料，在一个多层堆叠的器件中，可以包含多种存储器结构，也可以包含多种选通管。