多层堆叠电阻转换存储器的制造方法技术

本发明专利技术揭示了一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，包括如下步骤：制造半导体第一晶圆；制造半导体第二晶圆；键合第一晶圆和第二晶圆；沉积第一电极材料；通过半导体工艺，在原第一晶圆顶部镶嵌的第一位线上方形成对应的多层结构单元；沉积绝缘介质材料；在所述基底上通过半导体工艺制造沟槽；填充存储材料，并进行回刻工艺，仅保留沟槽内的存储材料；填充第三金属材料层，并进行化学机械抛光平坦化，原位地、免光刻地在沟槽内形成第二字／位线。本发明专利技术提出的多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，通过键合法实现多层堆叠电阻转换存储器的制造，工艺与电阻转换存储器工艺兼容，而且具有良好的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，涉及一种存储器的制造方法，尤其涉及一种多层堆 叠的电阻转换存储器的制造方法，用于半导体器件的制造。
技术介绍
人们对半导体器件要求的日益提升，在过去的数十年内，半导体器件的密度和性 能都经历了高速的发展，现今，半导体器件多层堆叠已经是集成电路发展的必然趋势。多层 堆叠的半导体器件实现的不仅仅是集成度的成倍上升，而且获得了器件速度的大幅提升， 与此同时，在适当的堆叠层数范围内，器件的单位成本也会得到显著的降低，从而使半导体 器件更具竞争力。在存储器方面，相变存储器、电阻随机存储器等电阻转换存储器成为当今炙手可 热的下一代非易失性半导体存储器候选，具有广阔的市场前景。电阻转换存储器的存储密 度高、制造工艺简单、速度快、并且具有良好的数据保持能力，将在不久的将来在各个领域 得到广泛的应用，有望成为一种通用的存储器。也正如其他半导体器件的发展趋势，半导体 存储器的多层堆叠也是存储器发展的重要方向，对于电阻转换存储器来说也是如此。在半导体器件的三维多层堆叠中，晶圆键合是一种重要的工艺手段然而，众所周 知，介质材料与金属的键合能力较弱，不仅较难以键合，而且键合后可靠性很差。这也是键 合技术在电阻转换存储器应用中的瓶颈之一，极大限制了键合技术在电阻转换存储器中的 应用。在现有的键合技术中，还不可避免地含有高温工艺，这些高温的工艺与电阻转换存储 器技术也是不兼容的。金属_金属键合相比之下具有较低的工艺温度，并且两者之间较易键合，结合力 也较强，现已成为键合的重要的发展方向。从存储器件制造成本上考虑，具有简单的、可重复的制造工艺对于降低存储器制 造的成本至关重要。本专利技术应用金属-金属的键合，提出一种简单的、可重复的制造工艺， 有望降低多层堆叠存储器的制造成本，并且提升器件的性能和可靠性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种， 能够使工艺与电阻转换存储器工艺兼容，而且具有良好的可靠性。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案本专利技术利用金属-金属键合的工艺，通过可重复的简单的工艺步骤实现多层电阻 转换存储器的堆叠，实现存储器密度和性能的提升。一种，包括如下步骤(A)制造半导体第一 晶圆，第一晶圆上含有外围电路和与之相连的至少一层电阻转换存储器，所述电阻转换存 储器依次包括第一字线和位线、与第一字或位线相连的第一选通管阵列和与第一选通管阵 列对应相连的第一电阻转换存储单元阵列，第一晶圆上方第一位线镶嵌在第一晶圆内；在4平坦的第一晶圆上方依次沉积第一过渡层材料和第一金属材料；(B)制造半导体第二晶圆，在第二晶圆的其中一表面形成多层掺杂的半导体层，通 过离子注入在上述多层掺杂的半导体层下方形成特殊掺杂层，依次在平坦的晶圆表面沉积 第二过渡层材料和第二金属材料；(C)键合第一晶圆和第二晶圆，第一晶圆表面的第一金属与第二晶圆表面的第二 金属进行可靠的接触，随后利用形成的特殊掺杂层去除第二晶圆上多余的半导体；(D)沉积第一电极材料，该电极材料在刻蚀中还具备作为硬掩模的功用；(E)通过半导体工艺，在原第一晶圆顶部镶嵌的第一位线上方形成对应的多层结 构单元，单元中包含第一电极材料层、多层掺杂半导体和由第一金属和第二金属(以及相 应的过渡层)一起构成的导电金属层；(F)沉积绝缘介质材料，并以化学机械抛光平坦化其表面，使第一电极材料层上覆 盖有绝缘介质材料；(G)在所述基底上通过半导体工艺制造沟槽，沟槽的深度直到第一电极材料上方， 在俯视图上，沟槽与原第一晶圆表面镶嵌的第一位线在俯视方向上相交，角度在45度到90 度之间；(H)作为可选择的一步，在沟槽内制造绝缘侧墙，用于缩小存储材料与第一电极材 料的接触面积；(I)填充存储材料，并进行回刻工艺，仅保留沟槽内的存储材料；(J)填充第三金属材料层，并进行化学机械抛光平坦化，原位地、免光刻地在沟槽 内形成第二字/位线，如此形成的第二字/位线就镶嵌在得到的多层晶圆的表面，为后续的 工艺提供保证。作为本专利技术的一种优选方案，在步骤(J)之后，还包括步骤(K)重复步骤(A)到 (J)。作为本专利技术的一种优选方案，所述的需要被键合的第一晶圆表面的字/位线需要 镶嵌在第一晶圆上。作为本专利技术的一种优选方案，所述电阻转换存储单元阵列为相变存储单元阵列、 电阻随机存储单元阵列、或Sb基电阻转换存储单元阵列中的一种或者多种。作为本专利技术的一种优选方案，所填充的存储材料为相变材料、或为强关联材料、或 为氧化物、或为含锑材料、或为其他能够在电信号作用下实现器件单元电阻转变的材料。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一和第二选通管包括PN 二极管、肖特基二极 管、双极型晶体管、PIN 二极管中的一种或者多种。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一电极材料层含有至少一层导电材料。作为本专利技术的一种优选方案，所述的第一、第二和第三金属材料层含有至少一层 含金属元素的材料。作为本专利技术的一种优选方案，所述的工艺如采用肖特基二极管作为选通单元，第 二过渡层材料与第二晶圆上的轻掺杂半导体形成肖特基势垒。作为本专利技术的一种优选方案，所述的工艺如采用肖特基二极管作为选通单元，第 一电极层与第二晶圆上的轻掺杂半导体形成肖特基势垒。作为本专利技术的一种优选方案，步骤(B)中，采用原子扩散和离子注入中的一种或者两种方法形成所述的多层掺杂半导体层。作为本专利技术的一种优选方案，所述过渡层与基底和金属具有较好的黏附力，用于 增强金属层与晶圆的结合力。作为本专利技术的一种优选方案，步骤(C)中，去除第二晶圆另一表面的部分半导体 采用以下四种工艺中的一种或者多种步骤C1、化学机械抛光；步骤C2、湿法腐蚀；步骤C3、退火剥离工艺，通过第二晶圆的半导体中离子注入形成的特殊掺杂层，采 用退火使该特殊掺杂层形成缺陷，并使半导体在特殊掺杂层处裂开，从而剥离去除多余的 部分半导体；步骤C4、干法刻蚀。作为本专利技术的一种优选方案，步骤(C)中，采用退火剥离工艺时，通过离子注入H 和B形成的特殊掺杂层，在不高于400°C的退火下，实现剥离。作为本专利技术的一种优选方案，转换存储单元阵列采用浅轨结构，存储单元与电极 的接触形状为四边形，存储材料具有上宽下窄的条状结构。本专利技术的有益效果在于本专利技术提出的，通 过键合法实现多层堆叠电阻转换存储器的制造，工艺与电阻转换存储器工艺兼容，且具有 良好的可靠性。附图说明图1A-图1R为一种制造多层堆叠电阻转换存储器工艺流程示意图。图2A-图2Q为另一种制造多层堆叠电阻转换存储器工艺流程示意图。具体实施例方式下面结合附图详细说明本专利技术的优选实施例。实施例一请参阅图1，本专利技术揭示了一种多层堆叠的电阻转换存储器的制造方法，包括如下 步骤步骤1在基底1上制造含有外围电路、选通肖特基二极管和对应的相变存储单 元的第一晶圆，图1A中，2为电极，3为绝缘层，4为长条形的绝缘侧壁，5为相变材料，例如 SiSbTe或者SiSb等材料，6为第一层位线，位线可以具备多层结构，位线与相变材料之间可 以有一过渡的薄层，用于增强两者之间的黏附力，并提升加热效率，从图可以看到，该位线 是镶嵌在第一晶圆内部的(位线的最高处低于圆晶表面)。图1A中，沿A-A方向的投影如 图1B所示，可以看到相变材料层为长条型的“浅轨”结构。实施例中采用的相变材料可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层堆叠电阻转换存储器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：（Ａ）制造半导体第一晶圆，第一晶圆上含有外围电路和与之相连的至少一层电阻转换存储器；所述电阻转换存储器依次包括第一字线和位线、与第一字或位线相连的第一选通管阵列和与第一选通管阵列对应相连的第一电阻转换存储单元阵列，第一晶圆上方第一位线镶嵌在第一晶圆内；在平坦的第一晶圆上方依次沉积第一过渡层材料和第一金属材料；（Ｂ）制造半导体第二晶圆，在第二晶圆的其中一表面形成多层掺杂的半导体层，通过离子注入在上述多层掺杂的半导体层下方形成特殊掺杂层，依次在平坦的晶圆表面沉积第二过渡层材料和第二金属材料；（Ｃ）键合第一晶圆和第二晶圆，第一晶圆表面的第一金属与第二晶圆表面的第二金属进行可靠的接触，随后利用形成的特殊掺杂层去除第二晶圆上多余的半导体；（Ｄ）沉积第一电极材料；（Ｅ）通过半导体工艺，在原第一晶圆顶部镶嵌的第一位线上方形成对应的多层结构单元，多层结构单元中包含第一电极材料层、多层掺杂半导体和由第一金属、第二金属、相应过渡层构成的导电金属层；（Ｆ）沉积绝缘介质材料，并以化学机械抛光平坦化其表面，使第一电极材料层上覆盖有绝缘介质材料；（Ｇ）在所述基底上通过半导体工艺制造沟槽，沟槽的深度直到第一电极材料上方，沟槽与原第一晶圆表面镶嵌的第一位线在俯视方向上相交；（Ｉ）填充存储材料，并进行回刻工艺，仅保留沟槽内的存储材料；（Ｊ）填充第三金属材料层，并进行化学机械抛光平坦化，自对准地在沟槽内形成第二字／位线，如此形成的第二字／位线就镶嵌在得到的多层晶圆的表面。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张挺，宋志棠，刘波，封松林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]