相變存儲器及其形成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種相變存儲器及其形成方法。
【背景技術】
[0002]相變存儲器(PCRAM)作為一種新興的非易失性存儲技術，在讀寫速度、讀寫次數、數據保持時間、單元面積、多值實現等諸多方面較快閃存儲器(FLASH)都具有較大的優越性，成為目前不揮發存儲技術研究的焦點。
[0003]相變存儲器利用相變材料在晶態和非晶態下的電阻差異來存儲數據，它主要利用電流或電壓脈沖波的控制來完成寫入、擦除、讀取操作。通常，一個相變存儲器單元由上至下包括:頂電極、相變材料層和底電極，三者接觸電連接。在寫入操作時，在頂電極和底電極之間施加一短時間且相對較高的復位(reset)電壓，使與底電極接觸的相變材料層部分升溫熔化并快速冷卻而由晶態轉為非晶態。由于非晶態的相變材料具有較高的電阻(例如105?107歐姆)，通常賦值為“1”，在進行讀取操作時，提供一讀取電流可得到高電平。在擦除操作時，提供一較長時間且相對較低的set電壓以使非晶態的相變材料層部分的溫度升到熔化溫度之下、結晶溫度之上，之后保持一段時間促使晶核生長，使非晶態相變材料層部分結晶而從非晶態轉化為晶態。由于晶態的相變材料具有較低的電阻(例如12?14歐姆)，通常賦值為“0”，在進行讀取操作時，提供一讀取電流可得到低電平。因此，相變存儲器是利用當相變材料層處于晶態或非晶態時的電阻差異來寫入/讀取數據的非易失性存儲器。
[0004]現有一種相變存儲器的形成方法包括:
[0005]參照圖1，提供半導體襯底1，在半導體襯底I上形成有有源器件(圖中未示出);在半導體襯底I上還形成有層間介質層2、位于層間介質層2中的互連層3，互連層3與下方的有源器件電連接。
[0006]參照圖2，在層間介質層2中形成通孔4，通孔4與互連層3連通。
[0007]參照圖3，沉積鎢層5，鎢層5覆蓋層間介質層2并填充滿通孔4(參照圖2)。
[0008]參照圖4，化學機械研磨鎢層5(參照圖3)，去除高于層間介質層2的鎢層，通孔4(參照圖3)中剩余的鎢層部分作為底電極6。之后，在層間介質層2上形成與底電極6接觸電連接的相變材料層以及在相變材料層上形成與相變材料層電連接的頂電極。
[0009]但是，使用現有技術形成的相變存儲器性能不佳。
【發明內容】
[0010]本發明解決的問題是，使用現有技術形成的相變存儲器性能不佳。
[0011]為解決上述問題，本發明提供一種相變存儲器的形成方法，該相變存儲器的形成方法包括:
[0012]提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成有第一層間介質層和位于所述第一層間介質層中的互連層；
[0013]在所述第一層間介質層和互連層上形成第二層間介質層；
[0014]在所述第二層間介質層中形成通孔，所述通孔連通互連層；
[0015]在所述第二層間介質層上、通孔側壁和底部形成隧穿絕緣層；
[0016]在所述隧穿絕緣層上和通孔中形成底電極材料，所述底電極材料填充滿通孔；
[0017]研磨去除高于所述第二層間介質層的隧穿絕緣層和底電極材料，所述通孔中的剩余底電極材料作為底電極。
[0018]可選地，所述隧穿絕緣層的材料為隧穿金屬氧化物。
[0019]可選地，所述隧穿絕緣層的形成方法為化學氣相沉積或物理氣相沉積。
[0020]可選地，所述隧穿金屬氧化物為:Ta205、1102或Al 203。
[0021]可選地，所述物理氣相沉積為離子化的金屬等離子體濺射，所述隧穿金屬氧化物為 Ta2O5;
[0022]在所述離子化的金屬等離子體濺射過程中，參數設置如下:所述濺射的功率范圍為630W?770W，反應腔內的壓強范圍為4.5mTorr?5.5mTorr0
[0023]可選地，所述隧穿金屬氧化物為Ta2O5, 了8205的厚度范圍1.5nm?4nm。
[0024]可選地，還包括:
[0025]在所述第二層間介質層和底電極上形成第三層間介質層；
[0026]在所述第三層間介質層中形成相變材料層，所述相變層與底電極電連接；
[0027]在所述第三層間介質層和相變材料層上形成第四層間介質層；
[0028]在所述第四層間介質層中形成頂電極，所述頂電極與相變材料層電連接。
[0029]可選地，所述底電極材料為W、TiN, TaN, TiC或TiCN。
[0030]本發明還提供一種相變存儲器，該相變存儲器包括:
[0031]半導體襯底；
[0032]位于所述半導體襯底上的第一層間介質層和位于所述第一層間介質層中的互連層；
[0033]位于所述第一層間介質層和互連層上的第二層間介質層；
[0034]位于所述第二層間介質層中的通孔，所述通孔連通互連層；
[0035]位于所述通孔側壁和底部的隧穿絕緣層；
[0036]位于所述通孔中且為所述隧穿絕緣層所包圍的底電極，填充滿通孔。
[0037]可選地，所述隧穿絕緣層的材料為隧穿金屬氧化物。
[0038]可選地，所述隧穿金屬氧化物為:Ta205、1102或Al 203。
[0039]可選地，所述隧穿金屬氧化物為Ta2O5, 了8205的厚度范圍1.5nm?4nm。
[0040]可選地，還包括:
[0041]位于所述第二層間介質層、隧穿絕緣層和底電極上的第三層間介質層；
[0042]位于所述第三層間介質層中的相變材料層，與底電極電連接；
[0043]位于所述第三層間介質層和相變材料層上的第四層間介質層；
[0044]位于所述第四層間介質層中的頂電極，與相變材料層電連接。
[0045]可選地，所述底電極材料為W、TiN, TaN, TiC或TiCN。
[0046]與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點:
[0047]在通孔中填充底電極材料之前，在通孔側壁和底部形成有隧穿絕緣層。這樣，在研磨底電極材料至露出第二層間介質層時，通孔中的底電極材料和隧穿絕緣層上表面均浸于研磨液中，但隧穿絕緣層將互連層和底電極材料隔開，隧穿絕緣層具有絕緣性，電阻非常大，能夠阻斷半導體襯底上的有源器件與研磨液之間導通而使研磨液不帶電，浸潤在研磨液中的底電極材料不會遭到電化學腐蝕。這能夠確保研磨后的底電極上表面與第二層間介質層上表面持平，不會產生凹坑。相變材料層能夠與底電極形成良好接觸電連接，在向相變材料層寫入和擦除數據時，良好的接觸電連接能夠確保底電極對相變材料層進行有效加熱以轉換其狀態。而且，在相變存儲器的寫入、擦除和讀取操作時的電壓能夠促使隧穿絕緣層發生隧道效應，實現隧穿導通，確保相變存儲器的靈敏度較高，性能較佳。
【附圖說明】
[0048]圖1?圖4是現有技術的相變存儲器在形成過程各個階段的剖面結構示意圖；
[0049]圖5?圖8、圖11?圖16是本發明具體實施例的相變存儲器在形成過程的各個階段的剖面結構示意圖；
[0050]圖9是Ta2O5發生隧道效應時，其厚度與隧穿電壓之間關系的曲線圖；
[0051]圖10是對厚度為2nm的Ta2O5分別施加電壓值為+5V和-5V時，其電阻與溫度之間的關系的示意圖。
【具體實施方式】
[0052]發明人針對現有技術存在的問題進行分析，發現:參照圖2、圖3，由于在層間介質層2中存在通孔4的原因，在沉積鎢層5過程，對應通孔4位置的鎢層部分低于層間介質層
2上的鎢層部分。結合參照圖4，由于以上原因，研磨鎢層的過程大致分為兩個步驟:第一步，研磨去除高于層間介質層2的鎢層部分，在該過程中，由于通孔位置的鎢層部分低于其他層間介質層上的鎢層部分，且研磨液對鎢層各個部分的研磨速率是基本無差別的，因此在第一步終止時，通孔中的鎢層部分的厚度會低于通孔的深度；第二步，過研磨層間介質層至通孔中的鎢層與層間介質層基本持平。但是，在第二步過程中，在半導體襯底上的有源器件中，對CMOS電路的兩MOS管中，相鄰的源極與漏極之間存在電勢差，源極與漏極分別通過互連層3與通孔中的鎢層電連接，由于鎢層部