專利名稱：相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法。
背景技術(shù)：
相變存儲器(Phase Change Random Access Memory, PCRAM)技術(shù)是基于 S. R. Ovshinsky在20世紀(jì)60年代末提出相變薄膜可以應(yīng)用于相變存儲介質(zhì)的構(gòu)想建立起來的。作為一種新興的非易失性存儲技術(shù)，相變存儲器在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時間、單元面積、多值實現(xiàn)等諸多方面對快閃存儲器都具有較大的優(yōu)越性，已成為目前不揮發(fā)存儲技術(shù)研究的焦點。在相變存儲器中，可以通過對記錄了數(shù)據(jù)的相變層進(jìn)行熱處理，來改變存儲器的值。構(gòu)成相變層的相變材料會由于所施加電流的加熱效果而進(jìn)入結(jié)晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)。當(dāng)相變層處于結(jié)晶狀態(tài)時，PCRAM的電阻較低，此時存儲器賦值為“0”。當(dāng)相變層處于非晶狀態(tài)時，PCRAM的電阻較高，此時存儲器賦值為“ 1 ”。因此，PCRAM是利用當(dāng)相變層處于結(jié)晶狀態(tài)或非晶狀態(tài)時的電阻差異來寫入/讀取數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。為了選擇相變存儲器存儲陣列中的不同存儲單元，相變存儲器的存儲單元中還包含有選通器件，所述選通器件可以為二極管或晶體管。通過在相變存儲器的字線及位線上加載特定的信號，不同存儲單元的選通器件會相應(yīng)開啟或關(guān)閉，而開啟的選通器件即可使得該存儲單元的相變層上可以加載驅(qū)動電壓，以完成對應(yīng)的寫入/讀取操作。美國專利US6531373即公開了一種相變存儲器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，所述相變存儲器的每一存儲單元101中均包含有串聯(lián)連接的相變電阻102與選通二極管103。在對所述相變存儲器進(jìn)行寫入操作時，對應(yīng)于某一待選存儲單元101的位線104與字線105上形成了較大的電勢差，所述電勢差使得選通二極管103正向?qū)?，進(jìn)而在相變電阻102上形成較大的寫入電流，所述寫入電流使得相變電阻102狀態(tài)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)也得以記錄。在實際應(yīng)用中，為了減小相變存儲器單個存儲單元的面積，提高相變存儲器存儲密度，所述相變存儲器中的選通二極管通常采用垂直結(jié)構(gòu)。所述垂直結(jié)構(gòu)的選通二極管位于每一字線與位線投影相交位置，其與相變電阻垂直相連。其中，所述相變電阻的另一端與位線相連，所述選通二極管的另一端與字線相連。通常的，所述相變存儲器陣列中不同存儲單元通過深溝槽隔離區(qū)(de印trench isolation)與淺溝槽隔離區(qū)(shallow trench isolation)進(jìn)行隔離。圖2至圖3示出了相變存儲器中深溝槽隔離區(qū)與淺溝槽隔離區(qū)的結(jié)構(gòu)，其中，圖2是相變存儲器的俯視示意圖，圖3是所述相變存儲器沿圖2中XX’方向的截面示意圖。參考圖2與圖3，所述相變存儲器包含有多個嵌入襯底內(nèi)的深溝槽隔離區(qū)201，且所述多個深溝槽隔離區(qū)201相互平行； 而所述淺溝槽隔離區(qū)203的延展方向與深溝槽隔離區(qū)201相垂直。所述相互垂直的深溝槽隔離區(qū)201與淺溝槽隔離區(qū)203將襯底劃分為相互絕緣的網(wǎng)格狀區(qū)域，而每一網(wǎng)格即對應(yīng)了一個存儲單元。
為形成所述相變存儲器的深溝槽隔離區(qū)與淺溝槽隔離區(qū)結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有技術(shù)的相變存儲器制作過程中，通常先采用高刻蝕選擇比(high aspect ratio process，HARP)刻蝕工藝在襯底中形成深溝槽開口，再在所述深溝槽開口中填充介電材料以形成深溝槽隔離區(qū)； 之后，再對襯底進(jìn)行各向異性的干法刻蝕，形成淺溝槽開口，所述淺溝槽開口的截面呈梯形；最后，在所述淺溝槽開口中填充介電材料以形成淺溝槽隔離區(qū)。然而，采用上述方法形成的相變存儲器的良率較低，器件容易發(fā)生漏電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，改善了相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的絕緣性能，提高了器件良率。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底依次包含有阱區(qū)、外延層、襯墊氧化層與第一硬掩模層；圖形化所述第一硬掩模層，以所述第一硬掩模層為掩膜，刻蝕所述襯墊氧化層與外延層以形成淺溝槽開口，所述淺溝槽開口的深度至少超過外延層底部；在所述半導(dǎo)體襯底上形成溝槽介電材料，所述溝槽介電材料填滿淺溝槽開口并覆
蓋第一硬掩模層；平坦化所述半導(dǎo)體襯底表面，移除第一硬掩模層；在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成第二硬掩模層與第三硬掩模層；部分刻蝕所述第三硬掩模層、第二硬掩模層、外延層及淺溝槽隔離區(qū)以形成深溝槽開口，所述深溝槽開口與淺溝槽開口的延展方向相垂直；移除所述第三硬掩模層；在所述深溝槽開口中填充介電材料以形成深溝槽隔離區(qū)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點采用先形成淺溝槽隔離區(qū)再形成深溝槽隔離區(qū)的工藝流程，避免了在具有較高刻蝕選擇比的外延層/深溝槽隔離區(qū)界面處進(jìn)行深刻蝕處理，進(jìn)而避免在深溝槽隔離區(qū)兩側(cè)殘留外延層所引起的溝槽隔離結(jié)構(gòu)絕緣性能的下降。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)相變存儲器結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2至圖3是現(xiàn)有技術(shù)相變存儲器深溝槽隔離結(jié)構(gòu)與淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4是本發(fā)明相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)制作方法的流程示意圖。圖5至圖13c示出了本發(fā)明相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法一個實施例的流程。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細(xì)的說明。
在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。正如背景技術(shù)部分所述，采用現(xiàn)有技術(shù)制作的相變存儲器的良率較低，器件容易發(fā)生漏電。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)相變存儲器制作方法通常采用先制作深溝槽隔離區(qū)， 再制作淺溝槽隔離區(qū)的工藝流程制作相變存儲器的隔離結(jié)構(gòu)存在問題。在所述工藝流程形成淺溝槽開口的過程中，深溝槽隔離區(qū)兩側(cè)的襯底材料無法完全移除，從而在深溝槽隔離區(qū)兩側(cè)形成貼附于其側(cè)面的楔形殘留物，這使得最終形成的淺溝槽開口截面呈梯形(如圖 2與圖3中的標(biāo)記205位置)。所述殘留于深溝槽隔離區(qū)兩側(cè)的楔形殘留物容易在不同的存儲單元間形成導(dǎo)電通路，從而使得器件漏電，良率也相應(yīng)降低。之所以所述深溝槽隔離區(qū)兩側(cè)與淺溝槽隔離區(qū)深度相同的襯底材料不能完全移除，是因為所述深溝槽隔離區(qū)中填充的介電材料與襯底之間的刻蝕選擇比較大，即臨近深溝槽隔離區(qū)的襯底的刻蝕速率小于遠(yuǎn)離深溝槽隔離區(qū)的襯底的刻蝕速率，這種刻蝕選擇比的差異影響了襯底刻蝕的均勻性。若要有效清除所述深溝槽隔離區(qū)兩側(cè)的殘留物，需要降低深溝槽隔離區(qū)中填充的介電材料與襯底之間的刻蝕選擇比。針對上述問題，發(fā)明人提供了一種相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，通過采用先形成淺溝槽隔離區(qū)再形成深溝槽隔離區(qū)的工藝流程，避免了在具有較高刻蝕選擇比的外延層/深溝槽隔離區(qū)界面處進(jìn)行深刻蝕處理，進(jìn)而避免在深溝槽隔離區(qū)兩側(cè)殘留外延層所引起的溝槽隔離結(jié)構(gòu)絕緣性能下降的問題。參考圖4，示出了本發(fā)明相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)制作方法的流程，包括執(zhí)行步驟S402，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底依次包含有阱區(qū)、外延層、襯墊
氧化層與第一硬掩模層；執(zhí)行步驟S404，圖形化所述第一硬掩模層，以所述第一硬掩模層為掩膜，刻蝕所述襯墊氧化層與外延層以形成淺溝槽開口，所述淺溝槽開口的深度至少超過外延層底部；執(zhí)行步驟S406，在所述半導(dǎo)體襯底上形成溝槽介電材料，所述溝槽介電材料填滿
淺溝槽開口并覆蓋第一硬掩模層；執(zhí)行步驟S408，平坦化所述半導(dǎo)體襯底表面，移除第一硬掩模層；執(zhí)行步驟S410，在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成第二硬掩模層與第三硬掩模層；執(zhí)行步驟S412，部分刻蝕所述第三硬掩模層、第二硬掩模層、外延層及淺溝槽隔離區(qū)以形成深溝槽開口，所述深溝槽開口與淺溝槽開口的延展方向相垂直；執(zhí)行步驟S414，移除所述第三硬掩模層；執(zhí)行步驟S416，在所述深溝槽開口中填充溝槽介電材料以形成深溝槽隔離區(qū)。接下來，結(jié)合具體的實施例，對本發(fā)明相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法做進(jìn)一步的說明。圖5至圖13c示出了本發(fā)明相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法一個實施例的流程。參考圖5，提供半導(dǎo)體襯底501，所述半導(dǎo)體襯底501包含有阱區(qū)503、外延層505、 襯墊氧化層507以及第一硬掩模層509。在具體實施例中，所述外延層505采用硅、鍺或鍺硅；所述襯墊氧化層507采用氧化硅，所述第一硬掩模層509采用氮化硅。
參考圖6a與圖6b，在所述第一硬掩模層509上形成第一光刻膠層511，其中，圖6b 是沿圖6a中XX’方向的剖面示意圖。所述第一光刻膠層511包含有多個相互平行的條狀圖形，所述第一光刻膠層511將第一硬掩模層509部分露出，所述露出區(qū)域會在后續(xù)處理中被部分刻蝕。參考圖7，以所述圖形化的第一光刻膠層511為掩膜，刻蝕所述第一硬掩模層509 與襯墊氧化層507。之后，繼續(xù)刻蝕所述外延層505并形成淺溝槽開口 513，所述淺溝槽開口 513的深度至少超過外延層505底部。在具體實施例中，采用各向異性干法刻蝕工藝對半導(dǎo)體襯底501進(jìn)行刻蝕以形成所述淺溝槽開口 513。參考圖8，在形成淺溝槽開口 513之后，移除所述半導(dǎo)體襯底501上的第一光刻膠層。接著，在所述半導(dǎo)體襯底501上形成第一溝槽介電層515，所述第一溝槽介電層515填滿淺溝槽開口 513并覆蓋第一硬掩模層509。接著，可以采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝對所述半導(dǎo)體襯底501進(jìn)行平坦化處理，使得所述第一溝槽介電層515具有平整的表面。在具體實施例中，所述第一溝槽介電層515包括氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或其他介電材料，采用高密度等離子體(high density plasma, HDP)化學(xué)氣相沉積工藝形成。依據(jù)具體實施例的不同，在形成所述第一溝槽介電層515之前，可以在所述淺溝槽開口 513中形成一層較薄的氧化層作為襯墊保護(hù)結(jié)構(gòu)。所述氧化層可以采用化學(xué)氣相淀積方法形成，也可以采用在位氧化的方法形成。參考圖9，移除所述半導(dǎo)體襯底501上的第一硬掩模層，而位于淺溝槽開口中的第一溝槽介電層515即作為淺溝槽隔離區(qū)之后，在所述半導(dǎo)體襯底501上形成第二硬掩模層 517與第三硬掩模層519。在具體實施例中，所述第二硬掩模層517采用氮化硅，所述第三硬掩模層519采用氧化硅。參考圖IOa至圖10d，在所述半導(dǎo)體襯底501上繼續(xù)形成第二光刻膠層521。圖IOa 是第二光刻膠層形成后半導(dǎo)體襯底的俯視示意圖，圖IOb是圖IOa中XX’方向的剖面示意圖，圖IOc是圖IOa中YY”方向的剖面示意圖，圖IOd是圖IOa中ZZ’方向的剖面示意圖。如圖IOa至圖IOd所示，所述第二光刻膠層521包含有多個條狀圖形，且所述條狀圖形與淺溝槽開口的延展方向相垂直。所述延展方向是指條狀圖形(例如深溝槽開口或淺溝槽開口的條狀圖形)在半導(dǎo)體襯底501平面上的長邊方向。所述第二光刻膠層521將半導(dǎo)體襯底501露出的區(qū)域用于形成深溝槽隔離區(qū)。參考Ila至圖11c，以所述圖形化的第二光刻膠層521為掩膜，采用各向異性干法刻蝕工藝部分刻蝕所述淺溝槽隔離區(qū)、外延層505、阱區(qū)503直至半導(dǎo)體襯底501，使得阱區(qū) 503下方的半導(dǎo)體襯底501部分露出，從而形成深溝槽開口 523。其中，圖Ila至圖Ilc分別對應(yīng)于圖IOb至圖IOd的剖面位置。所述深溝槽開口 523與是在淺溝槽隔離區(qū)形成之后再刻蝕形成的，刻蝕所述深溝槽開口 523時，外延層505與淺溝槽隔離區(qū)同時被刻蝕。這就避免了襯底材料(外延層505) 殘留在淺溝槽隔離區(qū)兩側(cè)，影響溝槽隔離結(jié)構(gòu)的絕緣性能。通常的，若所述深溝槽開口 523的深寬比較小，則利用化學(xué)氣相淀積等薄膜制作工藝在所述露出的深溝槽開口 523中繼續(xù)填充溝槽介電材料即可形成相變存儲器的溝槽隔離結(jié)構(gòu)。但在實際應(yīng)用中，由于所述深溝槽開口 523的深寬比較大，難以在深溝槽開口 523中形成均勻的溝槽介電材料，因此，所述填充介電材料的工藝需要采用先沉積多晶硅薄膜墊高深溝槽開口 523，再填充溝槽介電材料的方法。參考圖1 至圖12c，移除所述第二光刻膠層及第三硬掩模層。其中，圖1 至圖 12c分別對應(yīng)于圖Ila至圖Ilc的剖面位置。接著，在所述深溝槽開口 523上保形覆蓋襯墊保護(hù)層525。所述保形覆蓋是指相對于溝槽開口的深度與寬度而言，襯墊保護(hù)層525的厚度較小，不會填充滿所述溝槽開口， 使得所述溝槽開口仍保持與未形成薄膜前類似的形狀。在具體實施例中，所述襯墊保護(hù)層 525為氧化層，所述氧化層可以采用化學(xué)氣相淀積方法形成，也可以采用在位氧化的方法形成。接著，在所述半導(dǎo)體襯底501上繼續(xù)形成多晶硅層527，所述多晶硅層527填滿深溝槽開口 523。之后，對所述半導(dǎo)體襯底501進(jìn)行平坦化處理，使得所述多晶硅層527具有相對平整的表面。參考圖13a至圖13c，回刻所述多晶硅層527，將深溝槽開口中的多晶硅層527部分移除。其中，圖13a至圖13c分別對應(yīng)于圖12a至圖12c的剖面位置。接著，在所述半導(dǎo)體襯底501上形成第二溝槽介電層529，所述第二溝槽介電層 5 填滿深溝槽開口。深溝槽開口中的第二溝槽介電層5 與其下方的多晶硅層527、襯墊保護(hù)層525即作為深溝槽隔離區(qū)。在形成所述第二溝槽介電層5 之后，對所半導(dǎo)體襯底501進(jìn)行平坦化處理，移除部分第二溝槽介電層529以及其下的襯墊保護(hù)層525，直至露出第二硬掩模層517表面，使得所述第二溝槽介電層5 完全嵌于深溝槽開口中。在具體實施例中，所述第二溝槽介電層5 包括氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或其他介電材料，采用高密度等離子體(high density plasma, HDP)化學(xué)氣相沉積工藝形成。上述步驟執(zhí)行完成后，采用本發(fā)明制作的相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)制作形成。在所述溝槽隔離結(jié)構(gòu)中，淺溝槽隔離區(qū)與深溝槽隔離區(qū)交界位置均由溝槽介電層形成，深溝槽隔離區(qū)兩側(cè)也不會殘留有外延層，從而避免了殘留的外延層影響溝槽隔離結(jié)構(gòu)的絕緣效^ ο應(yīng)該理解，上述的具體實施例僅是示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不背離本申請和所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，做出各種修改和更正。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底依次包含有阱區(qū)、外延層、襯墊氧化層與第一硬掩模層；圖形化所述第一硬掩模層，以所述第一硬掩模層為掩膜，刻蝕所述襯墊氧化層與外延層以形成淺溝槽開口，所述淺溝槽開口的深度至少超過外延層底部；在所述半導(dǎo)體襯底上形成溝槽介電材料，所述溝槽介電材料填滿淺溝槽開口并覆蓋第一硬掩模層；平坦化所述半導(dǎo)體襯底表面，移除第一硬掩模層； 在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成第二硬掩模層與第三硬掩模層； 部分刻蝕所述第三硬掩模層、第二硬掩模層、外延層及淺溝槽隔離區(qū)以形成深溝槽開口，所述深溝槽開口與淺溝槽開口的延展方向相垂直； 移除所述第三硬掩模層；在所述深溝槽開口中填充介電材料以形成深溝槽隔離區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述外延層包括硅、鍺或鍺硅。
3.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述在所述深溝槽開口中填充介電材料以形成深溝槽隔離區(qū)包括在所述半導(dǎo)體襯底上形成襯墊保護(hù)層，所述襯墊保護(hù)層保形覆蓋深溝槽開口 ； 在所述半導(dǎo)體襯底上繼續(xù)形成多晶硅層，所述多晶硅層填滿深溝槽開口 ；回刻所述多晶硅層，部分移除所述深溝槽開口中的多晶硅層；在所述半導(dǎo)體襯底上形成溝槽介電材料，所述溝槽介電材料填滿深溝槽開口 ； 對所半導(dǎo)體襯底進(jìn)行平坦化處理直至露出第二硬掩模層表面。
4.如權(quán)利要求1或3任一項所述的相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于， 所述溝槽介電材料包括氧化硅、氮氧化硅或氮化硅。
5.如權(quán)利要求1或3任一項所述的相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于， 采用高密度等離子體化學(xué)氣相淀積方法形成所述溝槽介電材料。
6.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述第一硬掩模層采用氮化硅。
7.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述第二硬掩模層采用氮化硅，所述第三硬掩模層采用氧化硅。
8.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述刻蝕所述襯墊氧化層與外延層以形成淺溝槽開口包括采用各向異性干法刻蝕工藝形成所述淺溝槽開口。
9.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述部分刻蝕所述第三硬掩模層、第二硬掩模層、外延層及淺溝槽隔離區(qū)以形成深溝槽開口包括采用各向異性干法刻蝕工藝形成所述深溝槽開口。
全文摘要
一種相變存儲器溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底依次包含有阱區(qū)、外延層、襯墊氧化層與第一硬掩模層；圖形化第一硬掩模層，以第一硬掩模層為掩膜，刻蝕襯墊氧化層與外延層以形成淺溝槽開口，所述淺溝槽開口的深度至少超過外延層底部；在半導(dǎo)體襯底上形成溝槽介電材料，所述溝槽介電材料填滿淺溝槽開口并覆蓋第一硬掩模層；平坦化半導(dǎo)體襯底表面，移除第一硬掩模層；在半導(dǎo)體襯底上依次形成第二硬掩模層與第三硬掩模層；部分刻蝕第三硬掩模層、第二硬掩模層、外延層及淺溝槽隔離區(qū)以形成深溝槽開口，所述深溝槽開口與淺溝槽開口的延展方向相垂直；移除第三硬掩模層；在深溝槽開口中填充介電材料以形成深溝槽隔離區(qū)。
文檔編號H01L21/762GK102446806SQ20101050892
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者李凡, 洪中山 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司