专利名称：相变存储器的加热层制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种半导体制备技术领域的方法，具体是一种相变存储器的加热层制备方法。
背景技术：
近来，已提出相变随机存取存储(Phase Change RAM,PCRAM)器件(简称相变存储器)作为非易失性半导体存储器件。相变存储器的单位存储单元使用相变材料作为数据储存介质。相变材料根据供应给它的热而具有两种稳定相(例如非晶相和晶相)。已知的相变材料有Ge-Sb-Te (GST)化合物，其为锗(Ge)、锑(Sb)和碲(Te)的混合物。供应热以实现相变材料中的相变。
如果在接近相变材料的熔融温度的温度下将相变材料加热短时间且接着快速冷却，则相变材料从晶相变至非晶相。与之相反，如果在低于熔融温度的结晶温度下将相变材料加热长时间，接着慢慢冷却，则相变材料从非晶相变至晶相。相变材料在非晶相下比在晶相下具有更高的电阻率。因此，储存于相变存储单元中的数据是逻辑“1(非晶相，高电阻)” 还是逻辑“0 (晶相，低电阻)，，可通过检测流经相变材料的电流来判定。
现有技术通过在相变存储器的下电极与相变层之间插入加热层以改善器件的热效应，如图1所示，相变存储器包括
P 型衬底 100 ；
N+区域101，所述N+区域101位于所述P型衬底100上；
下电极102，所述下电极102位于所述N+区域101上，所述下电极102包括PN 二极管结构，所示PN 二极管结构包括N型导电层和P型导电层，所述N型导电层位于所述N+ 区域101上，所述P型导电层位于所述N型导电层上；
加热层103，所述加热层103位于所述下电极102的P型导电层上；
相变层104，所述相变层104位于所述加热层103上；
上电极105，所述上电极105位于所述相变层104上；
绝缘介质层106，所述绝缘介质层106位于所述下电极102上的两端且所述绝缘介质层106紧挨所述加热层103和所述相变层104。
所述加热层103应该是不发生相变，且具有较高电阻和较低的热传导系数的材料。如W03 (三氧化钨)、Ta2O5 (五氧化二钽)、SrS (硫化锶)、硅化物、Ge (锗)、非晶碳材料等等。
现有技术中相变存储器的结构并不限于图1所示的结构，如有的相变存储器中第一相变层位于下电极上，加热层位于第一相变层上，第二相变层位于加热层上。
但是现有技术制备其中加热层时多是采用离子注入的方法，如在制备所述下电极102后，将Ge离子注入图1所示的下电极102的P型半导体区域内，从而形成含有Si原子、P型离子(多为硼离子)和Ge离子的加热层103。
采用上述离子注入的方法形成相变存储器的加热层有以下缺点(仍然以图1中注入Ge离子为例):
1、离子注入的方式将产生大量晶格缺陷，且注入的杂质大部分停留在间隙位置处，因此还需要进行退火处理；
2、即便经过退火处理，加热层中Ge离子的浓度仍然是分布不均勻的，从而使得加热层的性能不均勻；
3、注入Ge离子的深度和浓度不易很好的控制，因此Ge离子可能会进入所述P型导电层，从而影响所述下电极102的性能。发明内容
本发明解决的问题是提供一种相变存储器的加热层制备方法，使得制备的加热层对其下面功能层的性能没有影响，且加热层中加热材料分布均勻、加热层的厚度和浓度能更好的得到控制。
为解决上述问题，本发明提供了一种相变存储器的加热层制备方法，包括在下电极上形成加热层，形成加热层采用选择性外延方法，选择型外延的反应气体包括Si原子和加热用粒子。
可选地，所述加热层的厚度范围为20~5000人、电阻率范围为ιο_5 ΙΟ2Ω ^m的。
可选地，所述加热用粒子包括Ge离子、Ta离子、W离子、Sb离子或C原子中的一种。
可选地，形成所述加热层还包括所述选择性外延的反应气体还包括硼离子。
可选地，所述外延方法包括分子束外延(MBE)、超高真空化学气相沉积(UHV/ CVD)外延、低压化学气相沉积(LPCVD)外延和减压化学气相沉积(RPCVD)外延中的任一种。
可选地，所述加热层位于所述下电极与相变层之间，所述相变层位于所述加热层上。
可选地，所述加热层位于第一相变层和第二相变层之间，所述第一相变层位于所述下电极上，所述第二相变层位于所述加热层上。
与现有技术相比，本发明的优点为采用选择性外延方法代替现有技术中的离子注入方法以形成相变存储器的加热层，无需进一步进行退火处理；加热层中加热用粒子是均勻分布的，从而加热层的性能也是均勻的；加热层的厚度和加热用粒子的含量很容易控制，从而不会损害加热层下面的功能层。
图1是现有技术中一种相变存储器的结构示意图2是采用选择性RPCVD外延锗基硅的方法制备相变存储器加热层的流程示意图3是本发明一实施例的半成品样片的结构示意图4是本发明一实施例制备加热层后的半成品样片的结构示意图5是本发明一实施例相变存储器的结构示意图6是本发明另一实施例相变存储器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，现有技术在制备含加热层的相变存储器时，采用离子注入的方法形成相变存储器的加热层，从而导致增加退火处理、加热层性能不均勻、影响下面功能层的性能等等的缺陷。
因此，在制造含加热层的相变存储器时，为防止上述缺陷的产生，本发明提供的相变存储器的加热层制备方法，包括在下电极上形成加热层，形成加热层采用选择性外延方法，选择型外延的反应气体包括Si原子和加热用粒子。
本发明中的加热用粒子可选用Ge离子、Ta离子、W离子、Sb离子或C原子等等，只要是现有技术中采用离子注入或掺杂方式制备相变存储器的加热层时可选用的离子或原子，都可以作为本发明的加热用粒子。
本发明制备得到的加热层的厚度范围为20~5000人、电阻率范围为10_5 IO2 Ω · cmO
进一步地，形成所述加热层还包括所述选择性外延的反应气体还包括硼离子，即本发明采用选择性外延方法同时生长Si原子、加热用粒子和硼离子，这样得到的加热层的材质含量与现有技术用离子注入方式得到的加热层的材质含量是完全相同的，通过直观地分析现有技术通过离子注入得到的加热层和本发明采用选择性外延方法得到的加热层的性能，可以发现本发明方法得到的加热层的电阻更高、且热传导系数更低，因此本发明方法得到的加热层的性能更好。
本发明采用选择性外延方法代替现有技术中的离子注入方法以形成相变存储器的加热层，无需进一步进行退火处理；加热层中加热用粒子是均勻分布的，从而加热层的性能也是均勻的；加热层的厚度和加热用粒子的含量很容易控制，从而不会损害加热层下面的功能层。
下面以采用减压化学气相沉积(RPCVD)选择性外延锗基硅的方法制备相变存储器中的加热层为例，进行详细说明。
如图2所示，本实施例提供的相变存储器的加热层制备方法包括以下步骤
S100，对半成品样片进行清洗，去除所述半成品样片上的杂质，得到干净的半成品样片；
S110，将所述干净的半成品样片放入减压化学气相沉积反应腔体内，对所述减压化学气相沉积反应腔体进行加热和减压且同时向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气，使所述减压化学气相沉积反应腔体达到第一温度和第一压强；
S120，继续对所述减压化学气相沉积反应腔体进行加热和减压且继续向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气，保持所述减压化学气相沉积反应腔体处于第一温度和第二压强的条件，且同时向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气、硅基气体、锗基气体和选择性气体；
S130，当外延生长的加热层的厚度达到第一厚度时，停止向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入硅基气体、锗基气体和选择性气体且同时停止对所述减压化学气相沉积反应腔体的加热和减压，使所述减压化学气相沉积反应腔体冷却；
S140，从所述减压化学气相沉积反应腔体内取出包括加热层的半成品样片，完成相变存储器加热层的制备。
本发明中所述的半成品样片是指将要制备加热层的相变存储器的半成品。本实施例是直接在所述下电极上形成加热层，如图3所示，本实施例中的半成品样片包括
P 型衬底 200 ；
N+区域201，所述N+区域201位于所述P型衬底200上；
绝缘介质层206，所述绝缘介质层206位于所述N+区域201的两端；
PN 二极管结构的下电极202，所述下电极202位于所述绝缘介质层206之间的N+ 区域201上。
首先执行步骤S100，对半成品样片进行清洗，去除所述样片上的杂质，得到干净的半成品样片。具体包括
a、用成分比为H2SO4 H2O2 = 5 1或4 1的酸性液清洗，将有机物分解而除去；
b、用超纯水冲洗后，再用成分比为H2O H2O2 NH4OH = 5 2 1或5 1 1 或7 2 1的碱性清洗液清洗，由于H2O2的氧化作用和NH4OH的络合作用，许多金属离子形成稳定的可溶性络合物而溶于水；
C、然后使用成分比为H2O H2O2 HCL = 7 2 1或5 2 1的酸性清洗液，由于H2A的氧化作用和盐酸的溶解，以及氯离子的络合性，许多金属生成溶于水的络离子， 从而达到清洗的目的。
在本发明的其他实施例中，还可以采用本领域技术人员所熟知的其他清洗方法 (如RCA清洗方法等等)，在此不应限制本发明的保护范围。
接着执行步骤S110，将所述干净的半成品样片放入减压化学气相沉积反应腔体内，对所述减压化学气相沉积反应腔体进行加热和减压且同时向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气，使所述减压化学气相沉积反应腔体达到第一温度和第一压强，第二压强小于第一压强。
本实施例中氢气的流量始终控制在0. Islm至IOOslm，且在步骤S110、S120和 S130中始终在向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气。
本实施例中第一温度的范围包括550°C 1100°C，第一压强的范围包括5 700 托(1托=133. 32帕斯卡)，即当所述减压化学气相沉积反应腔体内的温度位于550°C 900°C之间且压强位于5 700托时，就可以执行步骤S120 了。
接着执行步骤S120，继续对所述减压化学气相沉积反应腔体进行加热和减压且继续向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气，保持所述减压化学气相沉积反应腔体处于第一温度和第二压强的条件，且同时向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气、硅基气体、锗基气体和选择性气体。
本实施例中所述第二压强的范围包括1 20托。即通过对所述减压化学气相沉积反应腔体进行加热和减压，使所述减压化学气相沉积反应腔体的温度保持在550°C 1100°C之间、压强保持在1 20托之间，同时向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气、硅基气体、锗基气体和选择性气体，其中硅基气体的作用是提供Si原子，锗基气体的作用是提供Ge离子，选择性气体的作用是保证硅基锗只生长在P型导电层上，而不会生长在绝缘介质层上。
所述硅基气体包括SiH4、SiH2Cl2和Si2H6中的一种或几种，且硅基气体的流量范围包括=Isccm至lOOOsccm ；所述锗基气体包括GeH4，且所述锗基气体的流量范围包括 Isccm至lOOOsccm ；所述选择性气体包括HC1，且所述选择性气体的流量范围包括=Isccm 至 lOOOsccm。
在本发明的另一个实施例中，在向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气、 硅基气体、锗基气体和选择性气体的同时，还向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入硼基气体，如向反应室中充入流量范围包括Isccm至lOOOsccm的&H6。
接着执行步骤S130，当外延生长的加热层的厚度达到第一厚度时，停止向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入硅基气体、锗基气体和选择性气体且同时停止对所述减压化学气相沉积反应腔体的加热和减压，使所述减压化学气相沉积反应腔体冷却。
本实施例中第一厚度的取值范围包括20人至5000人,即当外延生长的加热层的厚度位于20人至5000人.之间时，说明相变存储器的加热层已形成，此时停止向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入硅基气体、锗基气体和选择性气体且同时停止对所述减压化学气相沉积反应腔体的加热和减压，使所述减压化学气相沉积反应腔体冷却。需要说明的是， 此时还需要继续向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气。
在本发明的另一个实施例中，在停止向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入硅基气体、锗基气体和选择性气体的同时，还需要停止向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入硼基气体。
最后执行步骤S140，从所述减压化学气相沉积反应腔体内取出包括加热层的半成品样片，完成相变存储器加热层的制备。
如图4所示，本实施例当所述减压化学气相沉积反应腔体冷却至室温时，停止充入氢气，此时的半成品样片上已包括加热层203，将已包括加热层203的半成品样片从所述减压化学气相沉积反应腔体内取出，完成相变存储器加热层的制备。如图5所示，当完成相变存储器加热层的制备后，就要采用现有技术在所述加热层203上形成相变层204和上电极205等，这对本领域的技术人员来说，都是比较成熟的工艺，在此不再赘述。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以选用其他的选择性外延生长方法，如分子束外延、超高真空化学气相沉积外延、低压化学气相沉积外延等。这些选择性外延生长方法，对于本领域的技术人员来说是熟知的，故在此不再赘述。此外，采用本发明方法不只能制备图5所示的相变存储器的加热层，本发明方法的适用范围是所有相变存储器的加热层，如当采用本发明制备相变层的方法，先在所述下电极上形成第一相变层；再在所述第一相变层上形成所述加热层，然后在所述加热层上形成第二相变层上电极时，得到的相变存储器如图6所示，包括
P 型衬底 300 ；
N+区域301，所述N+区域301位于所述P型衬底300上；
绝缘介质层306，所述绝缘介质层306位于所述N+区域301的两端；
PN 二极管结构的下电极302，所述下电极302位于所述绝缘介质层306之间的N+ 区域301上。
第一相变层30 ,位于所述下电极302上；
加热层303，位于所述第一相变层30 上；
第二相变层304b，位于所述加热层303上；
上电极305，位于所述第二相变层304b上。
本发明采用选择性外延方法代替现有技术中的离子注入方法以形成相变存储器的加热层，无需进一步进行退火处理；加热层中加热用粒子是均勻分布的，从而加热层的性能也是均勻的；加热层的厚度和加热用粒子的含量很容易控制，从而不会损害加热层下面的功能层。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种相变存储器的加热层制备方法，其特征在于，在下电极上形成加热层，形成加热层采用选择性外延方法，选择型外延的反应气体包括Si原子和加热用粒子。
2.根据权利要求1所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述加热层的厚度范围为20~5000人、电阻率范围为10_5 ΙΟ2Ω · cm的。
3.根据权利要求1或2所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述加热用粒子包括Ge离子、Ta离子、W离子、Sb离子或C原子中的一种。
4.根据权利要求1所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，形成所述加热层还包括所述选择性外延的反应气体还包括硼离子。
5.根据权利要求1所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述外延方法包括分子束外延、超高真空化学气相沉积、低压化学气相沉积和减压化学气相沉积中的任一种。
6.根据权利要求5所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，采用减压化学气相沉积形成加热层，且所述加热用粒子为Ge离子时，包括对半成品样片进行清洗，去除所述半成品样片上的杂质，得到干净的半成品样片，所述半成品样片包括P型衬底；N+区域，位于所述P型衬底上；绝缘介质层，位于所述N+区域的两端；PN 二极管结构的下电极，位于所述绝缘介质层之间的N+区域上；将所述干净的半成品样片放入减压化学气相沉积反应腔体内，对所述减压化学气相沉积反应腔体进行加热和减压且同时向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气，使所述减压化学气相沉积反应腔体达到第一温度和第一压强；继续对所述减压化学气相沉积反应腔体进行加热和减压且继续向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气，保持所述减压化学气相沉积反应腔体处于第一温度和第二压强的条件，且同时向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气、硅基气体、锗基气体和选择性气体，第二压强小于第一压强；当外延生长的加热层的厚度达到第一厚度时，停止向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入硅基气体、锗基气体和选择性气体且同时停止对所述减压化学气相沉积反应腔体的加热和减压，使所述减压化学气相沉积反应腔体冷却；从所述减压化学气相沉积反应腔体内取出包括加热层的半成品样片，完成相变存储器加热层的制备。
7.根据权利要求6所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述氢气的流量始终控制在0. Islm至IOOslm0
8.根据权利要求6所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述第一温度的范围包括550°C 1100°C。
9.根据权利要求6所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述第一压强的范围包括5 700托。
10.根据权利要求6所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述第二压强的范围包括1 20托。
11.根据权利要求6所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述硅基气体包括SiH4、SiH2Cl2和Si2H6中的一种或几种，且硅基气体的流量范围包括Jsccm至 lOOOsccm。
12.根据权利要求6所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述锗基气体包括=GeH4，且所述锗基气体的流量范围包括=Isccm至lOOOsccm。
13.根据权利要求6所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述选择性气体包括HC1，且所述选择性气体的流量范围包括=Isccm至lOOOsccm。
14.根据权利要求6所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述第一厚度的取值范围包括20人至5000人。
15.根据权利要求6所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，还包括在向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入氢气、硅基气体、锗基气体和选择性气体的同时，还向所述减压化学气相沉积反应腔体内充入硼基气体。
16.根据权利要求15所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述硼基气体包括=B2H6，且所述硼基气体的流量范围包括Isccm至lOOOsccm。
17.根据权利要求1所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述加热层位于所述下电极与相变层之间，所述相变层位于所述加热层上。
18.根据权利要求1所述的相变存储器的加热层制备方法，其特征是，所述加热层位于第一相变层和第二相变层之间，所述第一相变层位于所述下电极上，所述第二相变层位于所述加热层上。
全文摘要
一种半导体制备技术领域的相变存储器的加热层制备方法，包括在下电极上形成加热层，形成加热层采用选择性外延方法，选择型外延的反应气体包括Si原子和加热用粒子。进一步地，所述加热层的厚度范围为电阻率范围为10-5～102Ω·cm的；所述加热用粒子包括Ge离子、Ta离子、W离子、Sb离子或C原子中的一种。本发明采用选择性外延方法代替现有技术中的离子注入方法以形成相变存储器的加热层，无需进一步进行退火处理；加热层中加热用离子是均匀分布的，从而加热层的性能也是均匀的；加热层的厚度和加热用粒子的含量很容易控制，从而不会损害加热层下面的功能层。
文档编号C30B25/16GK102544356SQ201010594920
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者何有丰, 涂火金 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司