[发明专利]一种制作相变存储器元件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别涉及一种制作相变存储器元件的方法。

背景技术

相变材料(例如Ge-Sb-Te相变材料)通过电脉冲引起的局部发热而将其相态转变为晶态和非晶态，相变存储器就是利用这一特性存储二进制信息的半导体器件。相变存储器是基于电阻的存储器，通过相变材料在晶态和非晶态间的转换而相应呈现低阻和高阻的电阻特性来达到存储二进制信息的目的。在相变存储器中，存储二进制信息的存储单元包括相变层和电极。

图1是现有技术的相变存储器元件的截面图。如图1所示，相变存储器元件100包括底部电极101、相变层102和顶部电极103。不同强度的电流流经相变层102，通过电流流过相变层102所产生的热效应将相变材料由晶态(SET态)转变为非晶态(RESET态)，即可以对相变材料进行复位(RESET)操作。而将相变材料由非晶态转变为晶态的操作相应称为置位(SET)。当进行SET操作时，需要施加一个长且强度中等的电压或电流脉冲，使相变材料的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下，并保持一定的时间(一般大于50ns)，使相变材料由非晶态转化为晶态，由高阻变为低阻。当进行RESET操作时，需要施加一个短而强的电流脉冲，将电能转变成热能，使相变材料的温度升高到熔化温度以上，经快速冷却就可以实现相变材料的由晶态向非晶态的转化，即由低阻变为高阻，从而实现基于电阻的存储器功能。

在相变存储器元件中，相变层从晶态到非晶态的转变过程需要较高的温度。一般情况下，通过底部电极对相变层进行加热，顶部电极仅仅起到互连的作用，因此，底部电极对相变层的加热效果的好坏直接影响到相变存储器元件的读写速率。为了获得良好的加热效果，相变存储器元件一般采用较大的驱动电流，其写操作电流要达到1mA左右，但是驱动电流不能无限制地上升，大驱动电流会造成外围驱动电路以及逻辑器件的小尺寸化困难。还有一种提高加热效果的方法是，缩小底部电极与相变层的接触面积，提高接触电阻。然而现有工艺中，底部电极的形成过程主要是先在层间介电层中形成孔，然后填充金属。通常刻蚀形成孔的顶部宽度都大于底部宽度，导致所形成的底部电极呈倒喇叭状，因此难以进一步缩小底部电极与相变层之间的接触面积。另外，由于光刻机曝光极限的限制，仅由光刻无法定义出满足工艺要求的底部电极。

因此，需要一种方法，通过减小底部电极与相变层之间的接触面积，来提高底部电极对相变层的加热效率，从而提高相变存储器元件的读写速度。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明提供了一种制作相变存储器元件的方法，包括：a)提供前端器件结构，所述前端器件结构包括底部电极，所述底部电极暴露在所述前端器件结构的表面；b)在所述前端器件结构上依次形成牺牲层、无机材料层、有机抗反射层、光刻胶图案，其中，所述光刻胶图案位于所述底部电极的正上方；c)对所述光刻胶图案和所述有机抗反射层进行刻蚀，以缩小所述光刻胶图案和所述有机抗反射层的线宽；e)以剩余的所述光刻胶图案和所述有机抗反射层为掩膜对所述无机材料层和所述牺牲层进行刻蚀；f)去除剩余的所述光刻胶图案、所述有机抗反射层和所述无机材料层；g)在所述前端器件结构表面未被剩余的所述牺牲层覆盖的区域形成绝缘层；h)去除剩余的所述牺牲层，以形成开口；i)在所述绝缘层上形成第二介电层和相变层，其中，所述第二介电层包围所述相变层的四周，所述相变层位于所述底部电极的正上方，并填充所述开口；以及j)在所述第二介电层和所述相变层上形成第三介电层和顶部电极，其中，所述第三介电层包围所述顶部电极的四周，所述顶部电极位于所述相变层上对准所述底部电极的位置。

优选地，c)步骤中，所述刻蚀包括各向异性刻蚀和各向同性刻蚀。

优选地，所述各向异性刻蚀过程中通入Cl₂、HBr、CF₄、O₂中的至少两种气体，或者N₂和H₂的混合气体，并且偏压功率为100-500W。

优选地，所述各向同性刻蚀过程中通入O₂或Cl₂，并且偏压功率为0-50W。

优选地，所述各向同性刻蚀过程中还通入HBr和CH₂F₂。