[发明专利]用于制作相变随机存取存储器存储单元的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，且具体而言，涉及一种用于制作相变随机存取存储器(PCRAM)存储单元的方法。

背景技术

PCRAM技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末70年代初提出的相变膜层可以应用于相变存储介质的构想而建立起来的，在速度、功率、容量、可靠性、工艺集成度和成本等方面具有极佳的特性，尤其适合用于具有较高密度的独立式或嵌入式的存储器。由于PCRAM具有上述优势，因而其被认为极有可能取代诸如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)这类易失性存储器、以及诸如快闪存储器(FLASH)这类非易失性存储器，成为极具潜力的新一代半导体存储器件。

PCRAM是利用相变材料在结晶态和非晶态的可逆性的结构转换所导致的电阻值差异来进行数据存储的。在进行写入、擦除或者是读取操作时，主要利用电流脉冲的控制来实施，例如，当要进行写入时，可提供一时间较短(例如50纳秒)且电流值相对较高(例如0.6毫安培)的电流，使相变层融化并快速冷却而形成非晶态。由于非晶态相变层具有较高的电阻(例如10⁵～10⁷欧姆)，因而使其在读取操作时，提供的电压相对较高。当要进行擦除时，可提供一时间较长(例如100纳秒)且电流值相对较小(例如0.3毫安培)的电流，使非晶态相变层因结晶作用而转换成结晶态。由于结晶态相变层具有较低的电阻(例如10²～10⁴欧)，因而其在读取操作时，提供的电压相对较低。据此，可进行PCRAM的操作。

通常，PCRAM采用1R1T(1R：一个相变电阻；1T：一个晶体管)结构。其中，相变电阻用作存储介质，与顶部电极和底部电极一起构成相变存储单元，晶体管用作驱动元件。相变存储单元是PCRAM中最核心的部分，通过其实现存储功能。相变电阻可以由多种合金材料构成，一般使用硫族化物，而锗锑碲(GST，GeSbTe)合金是其中最为成熟的相变材料。

参照图1，其中，示出了根据现有技术制作的PCRAM存储单元的示意性剖面图。

如图1中所示，PCRAM存储单元包括：底部电极101、相变电阻层102和顶部电极106。

现有技术中，一般通过下列方法来制作PCRAM存储单元：首先，提供前端器件结构，所述前端器件结构包括底部电极101、相变电阻层102和绝缘层103，其中，底部电极101和相变电阻层102形成于绝缘层103中；接着，在相变电阻层102和绝缘层103上形成氮化硅层104，作为蚀刻停止层，并且之后在氮化硅层104的表面上形成低介电常数(低k)材料层105；接着，在低k材料层105的表面上涂覆一层光致抗蚀剂(图中未示出)，并通过曝光和显影使其具有图案，以定义顶部电极106的位置；接着，以具有图案的光致抗蚀剂层作为掩膜，蚀刻低k材料层105和氮化硅层104，以露出相变电阻层102的至少一部分表面；接着，去除光致抗蚀剂层；最后，在相变材料层102的上方，在蚀刻掉氮化硅层和低k材料层的位置填充金属材料并对其进行化学机械抛光(CMP)，以形成顶部电极106，从而形成具有图1中所示的剖面结构的PCRAM存储单元。

然而，上述根据现有技术的用于制作PCRAM存储单元的方法，由于需要沉积的低k材料层105的厚度较厚，约1000～2000埃，而现有的沉积技术的局限性会导致沉积的低k材料层105厚度均匀性较差。为确保在蚀刻低k材料层105时，所蚀刻的各个位置上的氮化硅层104能够有足够的厚度，即不至于蚀刻到相变电阻层102，所以需要沉积约400～600埃的较厚的氮化硅层104。进一步地，由于氮化硅层104较厚，因而其均匀性也较差，所以当蚀刻氮化硅层104至完全露出相变电阻层102时，有些位置上的相变电阻层102已经被蚀刻掉很大一部分，这是所不期望发生的。另一方面，由于蚀刻低k材料层105时以光致抗蚀剂层作为掩膜，所以在蚀刻低k材料层105时选取的源气体，对于低k材料层105与氮化硅层104的蚀刻选择比不宜太高，优选为1～1.5，否则会在蚀刻过程中产生较多聚合物(polymer)，覆盖在蚀刻位置的侧壁及表面，影响蚀刻位置的关键尺寸(CD)。但是，蚀刻选择比不高，又会导致在蚀刻低k材料层105时无法使蚀刻精确地停止在氮化硅层104的表面上，因而仍然会继续蚀刻掉一部分氮化硅层104。在这种情况下，如果氮化硅层104的厚度不足，就会继而导致相变电阻层102的损失，如图2中圆圈所标示出的。相变电阻层是PCRAM存储单元中最核心的构成部分，这种损失很可能会导致相变存储单元不能正常工作，无法准确存储信息。