形成于通孔中的聚合物存储器件的制作方法
专利名称：形成于通孔中的聚合物存储器件的制作方法
技术领域：
本发明一般而言涉及半导体衬底的处理。本发明特别涉及一种聚合物存储器件及制造该聚合物存储器件的方法。
背景技术：
计算机及其它电子器件的数量、使用、及复杂性正在持续增加中。计算机持续变得更有威力，同时也持续开发出各种改良式的新电子器件(例如数字音乐播放器、视频播放器等)。此外，数字媒体(例如数字音乐、视频、及影像等的数字媒体)的成长及使用已进一步促进了这些器件的开发。此种成长及开发已大幅增加了计算机及电子器件所需/必须存储及维护的信息量。
存储器件通常包含存储单元阵列。可对每个存储单元的信息进行存取、或“读取”、“写入”、及“擦除”。存储单元是以也可称为“0”及“1”的“关”或“开”状态(例如被限制为2个状态)来存放信息。通常是寻址到存储器件，以便撷取指定数目的字节(例如，每一字节有8个存储单元)。对于易失性存储器件而言，必须定期“更新”存储单元，以便维持这些存储单元的状态。通常是利用可执行上述这些各种功能且可切换并维持这两种状态的半导体器件来制造此种存储器件。通常是利用诸如晶体硅器件等的无机固态技术来制造这些器件。存储器件中所采用的一种常见的半导体器件是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；简称MOSFET)。
因为对信息存储的增加的需求，所以存储器件开发者及制造商持续地尝试增加存储器件的存储容量(例如，增加每个管芯或芯片的存储容量)。一片邮票大小的硅可包含数千万个晶体管，而每个晶体管是小到几百纳米。然而，硅器件正接近其基本物理尺寸的极限。无机固态器件通常被复杂的结构所拖累，因而造成高成本及数据存储密度的耗损。必须持续地以会造成发热及高电力消耗的电流来供应基于无机半导体材料的易失性半导体存储器，以便维持所存储的信息。非易失性半导体器件具有较低的数据传输速率、较高的电力消耗、以及较大的复杂程度。
此外，当无机固态器件的尺寸缩小且集成度增加时，对于对准容限(alignment tolerances)的敏感度将会增加，而使制造更困难许多。在较小的最小尺寸下形成特征部位并不意味着可将该最小尺寸用于可行的电路的制造。必须要有对准容限，而对准容限比较小的最小尺寸要小许多，例如，为最小尺寸的四分之一。
比例缩小(scaling)无机固态器件时，产生了与掺杂剂(dopant)扩散长度有关的问题。当减小尺寸时，硅中的掺杂剂扩散长度造成了工艺设计中的困难。在这一方面，进行了许多调整，以便减少掺杂剂的移动性，并缩短处于高温的时间。然而，并不清楚是否可无限地持续此种调整。此外，在半导体结(iunction)的两端施加电压时(沿着反向偏压的方向)，将在结附近产生耗尽区。耗尽区的宽度取决于半导体的掺杂程度。如果耗尽区延伸而接触到另一耗尽区，则可能会出现穿通(punch-through)或不受控制的电流。
较高的掺杂程度有可能将防止穿通所需的隔离尽量减小。然而，如果每一单位距离的电压改变较大，则将产生进一步的困难，这是因为每一单位距离的较大的电压改变意味着电场强度是较大的。通过此种陡峭梯度的电子可被加速到远高于最小导带能量的能级。此种电子被称为热电子，且可具有足以通过绝缘体的能量，而造成半导体器件的不可逆的退化。
比例缩小及集成度使单片(monolithic)半导体衬底中的隔离更具有挑战性。尤其在某些情形中，各器件相互间的隔离是困难的。另一种困难是漏电流的缩小。还有一种困难是由衬底内载流子的扩散所造成；即，自由载流子可扩散到数十微米的距离，并与存储的电荷中和。因此，对于无机存储器件而言，进一步的器件比例缩小及密度提高可能会受到限制。此外，无机非易失性存储器件的此种器件的比例缩小且同时要满足更高性能的需求是特别困难的，尤其还要维持低成本时更是如此。
发明内容
下文是本发明的概述，用以提供对本发明的某些方面的基本了解。此概述的目的并非在确认本发明的重要/关键性元件，也并非在描述本发明的范围。此概述的唯一目的是在以一种简化的形式提供本发明的某些观念，以便作为将在后文中提供的更详细说明的序言。
本发明提供一种在通孔(via opening)内形成的聚合物存储器件的制造方法。更具体而言，是在含金属层内形成若干铜接触点(coppercontacts)和/或位线。然后可在上方电介质层中形成一个或多个通孔，以便露出一个或多个这些铜接触点和/或位线。部分露出的铜被转化为铜的硫化物(例如Cu2S2或Cu2S)，可将此种铜的硫化物用来作为一种催化剂，用以协助经由化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition；简称CVD)进行的选择性聚合物生长。该铜的硫化物也可协助存储单元器件的操作，这是因为该铜的硫化物是一种导电材料。例如，该铜的硫化物可以无源层(passive layer)的方式工作，而该无源层被用来在一个或多个存储单元之内和/或之间传送和/或传输信息。
替代性地且根据本发明的一方面，可采用旋转涂布稀释的聚合物溶液，将该溶液烘烤，以便至少填满该通孔的下方部分。根据本发明的另一方面，可施加单体溶液，并利用该单体溶液来协助在该通孔的至少下方部分中的聚合物生长。
在该通孔的下方部分中形成了聚合物之后，可在该存储器结构上沉积上电极材料(top electrode material)，以便填满该通孔的其余部分。可以诸如化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing；简称CMP)工艺来研磨掉该上电极材料的过多的和/或多余的部分。然后，该通孔包括其中包含聚合物材料的下方部分、以及其中包含上电极材料的上方部分。
本发明的一方面是涉及一种形成聚合物存储器件的方法。该方法包含下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层上形成至少一个铜接触点；在该铜接触点上形成至少一个电介质层；在该电介质层中形成至少一个通孔，以便露出该铜接触点的至少一部分；在该通孔的下方部分中形成聚合物材料；以及在该通孔的上方部分中形成上电极材料层。
本发明的另一方面是涉及一种在通孔中制造聚合物存储器件的方法。该方法包含下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层中形成铜位线及铜垫的至少其中之一；在该铜接触点上形成至少一个电介质层；在该电介质层中形成至少一个通孔，以便露出该铜位线及该铜垫的至少其中之一的至少一部分；在该通孔的下方部分中生长聚合物材料；在该通孔的上方部分中形成上电极材料层；以及至少在该上电极层上形成字线。
本发明的又一方面是涉及一种在通孔中制造聚合物存储器件的系统，该系统包含在通孔中制造聚合物存储器件的方法。该系统包括提供半导体衬底的装置，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层上形成至少一个铜接触点的装置；在该铜接触点上形成至少一个电介质层的装置；在该电介质层中形成至少一个通孔以便露出该铜接触点的至少一部分的装置；在该通孔的下方部分中形成聚合物材料的装置；以及在该通孔的上方部分中形成上电极材料层的装置。
为了达到前文所述的以及相关的目的，本发明包含将在后文中完全说明并在权利要求书中特别指出的特征。下文中的说明及附图详细述及了本发明的某些例示方面及实施例。然而，这些例示方面及实施例只是可采用本发明的原理的各种方式中的一些方式。参照下文中对本发明的详细说明，并配合各图式，将可更易于了解本发明的其它目的、优点、及新颖的特征。
图1给出了根据本发明的一方面而形成的示意性聚合物存储器件的横截面图；图2给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图3给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图4给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图5给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图6给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图7给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图8给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图9给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图10给出了根据本发明的一方面而大致制造的存储器结构的横截面图；以及图11给出了根据本发明的一方面而在通孔中形成聚合物存储器件的示意性方法的流程图。
具体实施例方式
本发明涉及在绝缘层内形成的通孔内制造聚合物存储器件的系统及方法。这些方法包含下列步骤形成铜位线和/或铜垫；露出该铜(例如，来自该位线和/或铜垫的铜)的至少一部分，以便将其转化为催化剂材料。因此，可部分地将该催化剂材料的至少一部分嵌入该铜位线和/或铜垫的上方部分(例如，与电极相邻)之内。此外，该催化剂材料的至少一部分接触聚合物存储器件的一部分，使该催化剂材料形成该聚合物存储器件的下方部分。该催化剂材料的此种配置有助于至少一个电极与该聚合物存储元件间的访问(access)。
此外，该催化剂材料构成无源区，且包含有助于导电的至少一种材料。该催化剂材料的一个例子是硫化铜。也可根据所需结构的构造及类型而采用其它的材料和/或化合物。例子包括氧化铜及银-铜-硫化物复合物(silver-copper-sulfide complex)。还有其它的例子，但为了顾及说明书的简洁而并未列出。
因为在上方绝缘层中形成的通孔露出了该无源区的至少一部分，所以可利用该无源区来协助在该通孔的至少下方部分中的聚合物的生长和/或形成。可生长和/或形成且在本发明中采用的可设定的聚合物的例子包括聚酚乙炔、聚乙炔、聚联苯乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚卟啉、卟啉系大环、硫醇衍生聚卟啉、聚二戊系金属、聚二茂铁、聚酞菁染料(polyphthalocyanines)、聚乙烯基系、聚咇咯、以及聚-(对-次苯基乙烯)、和/或上列各项的组合、和/或上列各项的单体。
可在以聚合物材料大致填满该通孔之前，先终止聚合物在该通孔中的生长和/或形成。可以通过诸如任何适当的导电材料等的上电极材料填满该通孔的其余部分或上方部分。例如，该上电极材料可以是钨、钛、钽、氮化钛、非晶系碳、铝、氧化铟锡、铂、锌、镍、铁、锰、镁、金、铬、金属硅化物、上述材料的合金、和/或上述材料的任意组合中的任一种材料。例示的合金可以是镍基耐热合金(Hastelly)、科伐合金(Kovar)、不胀钢(Invar)、蒙耐尔合金(Monel)、英科耐尔合金(Inconel)、黄铜、不锈钢、镁银合金、以及各种其它合金。
然后可在该通孔上形成含铝字线，而大致完成存储单元器件的制造。可根据所需的应用而至少部分地由诸如铝和/或其它材质构成该字线。
可在电极材料的两端施加电压，而在该聚合物存储器件内建立阻抗，由此编程(programmed)该聚合物存储器件。该阻抗代表在该存储器件内保存的一个或多个位的信息。例如，在存储了一个或多个位的信息之后，可去除该电压，且该信息保持存储在该聚合物存储器件内。此外，该聚合物存储器件无须更新电压来维持所存储的信息。
要撷取聚合物存储器件内存储的信息时，可施加电流，然后可量测该存储器件内存储的阻抗。与被编程的信息类似，自存储元件撷取的信息是有关一个或多个位的信息。该聚合物存储器件可具有两种状态导电的“开”状态(on)及不导电的“关”状态(off)。除了这两种状态之外，聚合物存储器件与传统的存储器件不同的是可维持多种状态。更具体而言，该聚合物存储器件可利用不同的导电程度来识别额外的状态。例如，该聚合物存储器件可呈现包括极高导电状态(例如极低阻抗状态)、高导电状态(例如低阻抗状态)的低阻抗状态、导电状态(例如中间程度阻抗状态)、以及不导电状态(例如极高阻抗状态)。因此，可将多个位的信息存储在单一的聚合物存储单元中(例如，2个或更多位的信息，其中4个状态提供了2位的信息，8个状态提供了3位的信息…等)。
这些制造方法包含下列步骤以一层和/或一层中的通孔内的方式形成聚合物半导体；以及接着利用光刻技术形成聚合物存储器件。可采用该制造方法而循序地或同时地形成一个或多个聚合物存储器件。
下文中将参照图1至11说明根据本发明的聚合物存储器件。
图1用以显示主要根据本发明的一方面而形成的存储单元(memory cell)结构100。该存储单元结构开始时包含衬底层105、一个或多个浅沟渠隔离区110、以及在这些一个或多个浅沟渠隔离区110的下形成的若干沟道停止注入区115。可以通过诸如氧化物材料填满这些STI区110。与STI区110邻接的是以N+及N-注入而协助存储单元结构100的操作的区域。
存储单元结构100还包含在层间(interlay)电介质层135内形成的一个或多个钨插塞(tungsten plugs)130。可在一个或多个这些钨插塞130的下形成P+注入区137，以便协助存储单元结构100的操作。该层间介质(Inter Layer Dielectric；简称ILD)层135可包含使用者所需的任何适当的绝缘材料。在ILD层(135)的上可以是停止层(140)、及接续的第一金属氧化物层(145)。可形成通过第一金属氧化物层145及停止层140的一个或多个铜接触点。如图所示，可形成铜接触点150。也可制造在这些一个或多个钨插塞130正上方的诸如一个或多个铜位线和/或铜垫等的其它接触点。
在铜接触点150、155上沉积至少一个电介质层(dielectric layer)160，并蚀刻该电介质层160，以便在该电介质层160中产生一个或多个通孔。产生该通孔以便露出铜的至少一部分。露出的铜被转化为在该通孔正下方或在该通孔的基部的催化剂材料165，并将该催化剂材料165用来协助聚合物的生长，以便因而在该通孔的下方部分中形成聚合物存储元件(ME)170。因此，该催化剂材料是以无源层或无源区的方式工作，以便协助至少一个电极与聚合物存储元件170间的访问(access)。
该通孔的上方部分包含上电极(TE)导电材料175。该TE导电材料可包含钨、钛、氮化钛、钽、非晶系碳、和/或以上材料的任意组合。当将适当的电压施加于底部电极或下电极(铜接触点155)与上电极175之间时，可对聚合物存储元件170进行信息的写入、读取、和/或擦除。此外，虽然图1中只示出了所建构的单一聚合物存储元件170，但是我们当了解，可以本说明书所述的方式建构多个聚合物存储元件。
最后，在上电极175的至少一部分及电介质层160的至少一部分上分别设有阻挡金属层(barrier metallager)180及字线(word line)185。可由诸如钽材料构成阻挡金属层180。也可在阻挡金属层180的成分中使用诸如钴、镍、钯、钛、钽硅的氮化物、氮化硅、氮化钛、氮化钨、和/或以上材料的任意组合。阻挡金属层180是用来减轻自这些导电层至其它层的扩散。该字线可包含铝，且在阻挡金属层180上形成该字线。也可根据特定结构及应用的需要及适用范围而采用该阻挡金属层及该字线的替代性材料。
虽然存储单元结构100中并未示出任何其它的特征部位，但是我们应当了解，也可在存储单元结构100中形成且呈现其它的特征部位，且此种其它特征部位的形成及呈现也是在本发明的范围内。
下文中将大部分参照图2至11而特别说明存储单元结构100及聚合物存储器件的制造。
在图2中，显示了存储单元结构200的一些示意性的基本元件，且同时以图202代表根据本发明的一方面而形成这些基本元件的一部分工艺。例如，在步骤208中，可在衬底层210中形成至少一个浅沟渠隔离(STI)区205，其方式为使用适当的掩膜而在该衬底层210中蚀刻至少一个沟渠，以便产生所需的沟渠图形。在STI区205形成之后，在步骤212中经由这些一个或多个沟渠执行沟道停止区注入(channel stop implant)，以便在围绕这些一个或多个STI区205的下方部分的一个或多个区域中形成沟道停止区215。
然后在步骤218中，可以一种氧化物材料填满这些一个或多个STI区205，因而随即研磨这些一个或多个STI区205，并去除任何过量的氧化物材料，而留下这些STI区205内的氧化物材料。在替代或增添的方式下，由此所形成的该存储结构的表面可在步骤222中进行采用反相平坦化掩膜(reverse planarization mask)(图中未示出)的平坦化工艺，以便有助于形成所需的特征部位。
然后可在步骤228中执行N+区220及N-区225的注入，以便产生与STI区110邻接的两材料层230的形态。然后在步骤232中，可在STI区205及N+区220上沉积层间介质(ILD)层235。在步骤238中，可使用第一接触点掩膜而在ILD层235中蚀刻一个或多个插塞240。在步骤242中，可经由至少一个所蚀刻的插塞240而执行P+注入，以便形成P+区(图1中的137)。然后在步骤244中，可以诸如钨材料填满这些插塞240，并可在步骤244中利用诸如CMP工艺等适当的研磨工艺去除存在于这些插塞240之外的过量的钨。
图3显示了部分制造的存储单元结构300的横截面图，且同时以图302代表根据本发明的一方面而采用的一部分工艺。在步骤308中，图示的存储单元结构300包含停止层305，且该停止层305已被沉积在存储单元结构300的至少一部分长度之上。然后在步骤312中，可使用任何适当的沉积技术在停止层305上形成第一金属氧化物层310。
然后可形成通过金属氧化物层310的至少一部分及对应的停止层305的下方部分的一个或多个铜接触点315。在步骤318中，采用诸如单或双镶嵌工艺而蚀刻金属氧化物层310，以便形成一条或多条铜位线320和/或一个或多个铜垫320。可采用一个或多个光刻胶层而适当地且充分地形成这些铜位线320和/或铜垫320。虽然图3中并未示出，但是我们应当了解，这些铜位线和/或铜垫可包括形状保持与侧壁和/或一个或多个未填充的(位线/垫)通孔的下方部分相同的阻挡层。然后在步骤322中，以铜和/或含铜材料填满这些位线和/或垫。可以通过研磨工艺去除过量的铜，以便得到大致平坦的表面。
在图4中，显示了部分形成的存储单元结构400的概略示意图，且同时以图402代表根据本发明的一方面而制造该存储单元结构的部分工艺。在步骤408中，当制造出铜位线/铜垫320之后，可如图4所示而在第一金属氧化物层310上形成一个或多个电介质层405。适当的介质材料包括氧化物、氮化物、硅酸四乙酯(TEOS)、氟掺杂硅酸四乙酯(FTEOS)、有机材料、和/或上述材料的任意组合。在步骤412中，使用适当的蚀刻工艺并在该电介质层405上施加适当的有图形的光刻胶层，即可在电介质层405的至少一部分中选择性地形成一个或多个通孔。
图5显示了所产生的存储单元结构500，且同时以图502代表用来制造根据本发明的一方面的聚合物存储器件的部分工艺。存储单元结构500显示了在电介质层405中形成的至少一个通孔505，其中经由这些通孔505而露出铜位线/铜垫320的至少一部分。铜垫320可作为聚合物存储器件结构的下电极/底部电极。虽然图中只示出一个通孔，但是我们应当了解，可以前文所述的方式产生一个以上的通孔。
在步骤508中，接着将露出的铜的至少一部分转化为硫化铜，该硫化铜是用来作为后续工艺中的催化剂，以便诸如促成在这些通孔上的聚合物存储元件的生长。此外，该硫化酮也作为无源区，以促进至少一个电极材料与聚合物存储元件间的联系。此种方式强化了整体存储单元结构的操作。我们应当了解，除了硫化铜之外，也可使用可用来作为适当的催化剂以促成聚合物存储元件的形成的其它材料。
在图6中，显示了根据本发明一方面部分地制造的存储单元结构600，且同时以图602代表应用于存储单元结构600的一部分工艺。所示的存储单元结构600在铜位线/铜垫320的上方部分及通孔505之下具有催化剂材料(例如硫化铜)区域。如前文所述，该硫化铜具有与形成和/或生长聚合物材料有关的催化剂特性。因此，在步骤608中，利用硫化铜605来促进通孔505的下方部分中的聚合物的生长。
图7显示了由图6产生且包含在通孔505的下方部分中形成的聚合物材料的存储单元结构700。聚合物材料构成聚合物存储元件705。在步骤702中，以导电材料填满通孔505的其余部分。该导电材料702构成上电极材料。为了确定该导电材料大致填满该通孔，可在存储单元结构700的较大部分的上沉积此种导电材料。图8中进一步示出了此种情形。
图8显示了部分制造的存储单元结构800，存储单元结构800包含在电介质层405上形成的上电极层805。为了去除过量的上电极材料，使通孔505的上方部分中形成上电极插塞，在步骤808中研磨和/或蚀刻该上电极层。可以通过化学机械研磨工艺来执行该研磨，将大致所有的上电极材料去除，而在不从通孔505去除上电极材料的情形下露出电介质层405的表面。因此，在适当时间终止该研磨工艺，以便让上电极材料留在通孔505。
图9显示了存储单元结构900，该存储单元结构900包含在通孔505内形成的聚合物存储元件705、以及在通孔505的聚合物存储元件705上形成的上电极插塞905。虽然图9中并未示出，但是可蚀刻通过介质层405，以便形成铜接触点315的接触点。因此，露出了铜接触点315的至少一部分。
请参阅图10，其中显示了存储单元结构1000，该存储单元结构1000包含可在上电极905上形成的字线1005。或者，可在至少该上电极插塞与字线1005的至少一部分之间沉积阻挡金属层(图10中并未示出；请参阅图1)。该字线可包含被沉积至大约10,000埃的厚度的成分为铝-铜(0.5％的铜)的材料。当蚀刻电介质层405的一部分以在电介质层405中形成开孔，因而露出铜接触点315时，可以共形的方式在该开孔的上沉积该阻挡层。此外，可沉积含铜的铝字线层1005，使得以共形的方式填满介质层405中的该开孔(请参阅图1)。此外，可根据存储单元结构1000的所需应用而在字线1005之中和/或之上制造其它的特征部位。
现在请参阅图11，图中显示了根据本发明的一方面而在通孔中制造聚合物存储器件的示意性方法1100的流程图。该方法1100涉及在步骤1110中于含金属的材料层内形成多个铜位线和/或多个铜垫。可以通过单镶嵌及双镶嵌工艺中的任一种工艺形成这些铜位线和/或铜垫。
然后在步骤1120中，将铜的露出部分转化为硫化铜。该硫化铜是至少用来作为催化剂，以便促进以诸如化学气相沉积法在通孔中进行的选择性聚合物生长。化学气相沉积的替代方式包括旋转涂布稀释聚合物溶液和/或利用单体溶液。因此，在步骤1130中，使用者可选择使用经由化学气相沉积而进行选择性聚合物生长，以便在步骤1140中旋转涂布聚合物溶液并烘烤，以便以聚合物材料填满通孔的下方部分，或者选择在步骤1150中利用单体溶液在通孔的下方部分中生长聚合物材料。
在做出选择并在通孔的下方部分中形成聚合物材料之后，可在步骤1160中以一种类似地毯式的方式沉积上电极材料，以便在步骤1170中在通孔的上方部分中形成上电极插塞。以研磨该材料的方式去除过量的上电极材料，而只留下通孔的上方部分中的插塞。
虽然并未明确地说明，但是我们应当了解，可在存储单元结构中形成多个通孔中的多个聚合物存储器件。此外，此种通孔的形成可以是选择性的，并且使用适于产生所需通孔图形的一个或多个掩膜而部分地完成此种通孔的形成。
虽然已参照某一或某些较佳实施例而示出并说明了本发明，但是显然本领域技术人员在参阅且了解本说明书及附图之后，将可进行等效的改变及修改。尤其在有关前文所述的元件(装配、器件、电路等)执行的各种功能方面，除非另行指示，否则用来描述此类元件的术语(包括任何提及的“装置(means)”)将对应于用来执行所述元件的指定功能的任何元件，纵使该元件在结构上并不与用来执行在本说明书述及的本发明的实施例中的功能的所揭示结构等效，也是如此。此外，虽然已参照多个实施例中的唯一实施例而揭示了本发明的特定的特征，但是在某一或任何特定应用需要或对该应用有利的情形下，可将该特征与其它实施例的一项或多项其它特征结合。
工业应用本发明的方法及系统适用于半导体存储及半导体制造的领域。
权利要求
1.一种在通孔中制造聚合物存储器件的方法，包括下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层上形成至少一个电介质层；在该电介质层中形成至少一个通孔，以露出该含金属层的至少一部分；在该通孔的下方部分形成聚合物材料；以及在该通孔的上方部分形成上电极材料层。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在该含金属层中形成至少一个铜接触点，该铜接触点是铜连接、铜垫、铜插塞、及铜位线的任何一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中在该通孔的下方部分形成聚合物材料的步骤包括将露出的含金属层的至少一部分转化为金属硫化物，并以化学气相沉积、旋转涂布聚合物溶液及烘烤、施加单体溶液而进行聚合物生长中的至少一种方式进行选择性聚合物生长。
4.如权利要求1所述的方法，其中该聚合物材料包括聚酚乙炔、聚乙炔、聚联苯乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚卟啉、卟啉系大环、硫醇衍生聚卟啉、聚二戊系金属、聚二茂铁、聚酞菁染料、聚乙烯基系、聚咇咯、以及聚-(对-次苯基乙烯)、和/或上列各项的组合、和/或上列各项的单体。
5.如权利要求1所述的方法，其中该上电极材料包括钨、钛、钽、氮化钛、非晶系碳、铝、氧化铟锡、铂、锌、镍、铁、锰、镁、金、铬、金属硅化物、其合金、和/或其任一组合。
6.如权利要求5所述的方法，其中合金包括镍基耐热合金、科伐合金、不胀钢、蒙耐尔合金、英科耐尔合金、黄铜、不锈钢、镁银合金、和/或其组合。
7.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤中的至少一个步骤研磨该上电极层，以在该通孔的上方部分形成上电极插塞；在至少该上电极上形成字线；在至少该上电极正上方形成阻挡金属层；以及在该通孔中该聚合物材料的下方形成插塞、浅沟渠隔离区、以及沟道停止区的至少其中之一。
8.一种在通孔中制造聚合物存储器件的方法，包括下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个第一电介质层；在该第一电介质层中形成铜位线及铜垫的至少其中一个；在该铜位线及该铜垫的至少其中一个上形成至少一个第二电介质层；在该第二电介质层中形成至少一个通孔，以露出该铜位线及该铜垫的至少其中一个的至少一部分；在该通孔的下方部分中生长聚合物材料；在该通孔的上方部分形成上电极材料层；以及至少在该上电极层上形成字线。
9.如权利要求8所述的方法，其中该聚合物材料包括聚酚乙炔、聚乙炔、聚联苯乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚卟啉、卟啉系大环、硫醇衍生聚卟啉、聚二戊系金属、聚二茂铁、聚酞菁染料、聚乙烯基系、聚咇咯、以及聚-(对-次苯基乙烯)、和/或上列各项的组合、和/或上列各项的单体。
10.一种在通孔中制造聚合物存储器件的系统，该系统包括在通孔中制造聚合物存储器件的方法，该系统包括提供半导体衬底的装置，该半导体衬底上具有至少一个第一电介质层；在该第一电介质层中形成铜位线及铜垫的至少其中一个的装置；在该铜位线及该铜垫的至少其中一个上形成至少一个第二电介质层的装置；在该第二电介质层中形成至少一个通孔以露出该铜位线及该铜垫的至少其中一个的至少一部分的装置；在该通孔的下方部分生长聚合物材料的装置；在该通孔的上方部分形成上电极材料层的装置；以及至少在该上电极层上形成字线的装置。
全文摘要
本发明的一个方面涉及一种在通孔中制造聚合物存储器件的方法。该方法包含下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层中形成至少一个铜接触点；在该铜接触点上形成至少一个电介质层；在该电介质层中形成至少一个通孔，以便露出该铜接触点的至少一部分；在该通孔的下方部分中形成聚合物材料；以及在该通孔的上方部分中形成上电极材料层。
文档编号H01L27/00GK1820325SQ200480019684
公开日2006年8月16日 申请日期2004年5月11日 优先权日2003年7月7日
发明者N·H·特里普沙斯, M·布伊诺斯基, S·K·潘格尔勒, U·奥科罗安扬武, A·T·惠, C·F·里昂, R·苏布拉马尼安, S·D·洛帕京, M·V·恩戈, A·M·哈图里, M·S·张, P·K·章, J·V·奥格尔斯比 申请人:先进微装置公司
技术领域：
本发明一般而言涉及半导体衬底的处理。本发明特别涉及一种聚合物存储器件及制造该聚合物存储器件的方法。
背景技术：
计算机及其它电子器件的数量、使用、及复杂性正在持续增加中。计算机持续变得更有威力，同时也持续开发出各种改良式的新电子器件(例如数字音乐播放器、视频播放器等)。此外，数字媒体(例如数字音乐、视频、及影像等的数字媒体)的成长及使用已进一步促进了这些器件的开发。此种成长及开发已大幅增加了计算机及电子器件所需/必须存储及维护的信息量。
存储器件通常包含存储单元阵列。可对每个存储单元的信息进行存取、或“读取”、“写入”、及“擦除”。存储单元是以也可称为“0”及“1”的“关”或“开”状态(例如被限制为2个状态)来存放信息。通常是寻址到存储器件，以便撷取指定数目的字节(例如，每一字节有8个存储单元)。对于易失性存储器件而言，必须定期“更新”存储单元，以便维持这些存储单元的状态。通常是利用可执行上述这些各种功能且可切换并维持这两种状态的半导体器件来制造此种存储器件。通常是利用诸如晶体硅器件等的无机固态技术来制造这些器件。存储器件中所采用的一种常见的半导体器件是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；简称MOSFET)。
因为对信息存储的增加的需求，所以存储器件开发者及制造商持续地尝试增加存储器件的存储容量(例如，增加每个管芯或芯片的存储容量)。一片邮票大小的硅可包含数千万个晶体管，而每个晶体管是小到几百纳米。然而，硅器件正接近其基本物理尺寸的极限。无机固态器件通常被复杂的结构所拖累，因而造成高成本及数据存储密度的耗损。必须持续地以会造成发热及高电力消耗的电流来供应基于无机半导体材料的易失性半导体存储器，以便维持所存储的信息。非易失性半导体器件具有较低的数据传输速率、较高的电力消耗、以及较大的复杂程度。
此外，当无机固态器件的尺寸缩小且集成度增加时，对于对准容限(alignment tolerances)的敏感度将会增加，而使制造更困难许多。在较小的最小尺寸下形成特征部位并不意味着可将该最小尺寸用于可行的电路的制造。必须要有对准容限，而对准容限比较小的最小尺寸要小许多，例如，为最小尺寸的四分之一。
比例缩小(scaling)无机固态器件时，产生了与掺杂剂(dopant)扩散长度有关的问题。当减小尺寸时，硅中的掺杂剂扩散长度造成了工艺设计中的困难。在这一方面，进行了许多调整，以便减少掺杂剂的移动性，并缩短处于高温的时间。然而，并不清楚是否可无限地持续此种调整。此外，在半导体结(iunction)的两端施加电压时(沿着反向偏压的方向)，将在结附近产生耗尽区。耗尽区的宽度取决于半导体的掺杂程度。如果耗尽区延伸而接触到另一耗尽区，则可能会出现穿通(punch-through)或不受控制的电流。
较高的掺杂程度有可能将防止穿通所需的隔离尽量减小。然而，如果每一单位距离的电压改变较大，则将产生进一步的困难，这是因为每一单位距离的较大的电压改变意味着电场强度是较大的。通过此种陡峭梯度的电子可被加速到远高于最小导带能量的能级。此种电子被称为热电子，且可具有足以通过绝缘体的能量，而造成半导体器件的不可逆的退化。
比例缩小及集成度使单片(monolithic)半导体衬底中的隔离更具有挑战性。尤其在某些情形中，各器件相互间的隔离是困难的。另一种困难是漏电流的缩小。还有一种困难是由衬底内载流子的扩散所造成；即，自由载流子可扩散到数十微米的距离，并与存储的电荷中和。因此，对于无机存储器件而言，进一步的器件比例缩小及密度提高可能会受到限制。此外，无机非易失性存储器件的此种器件的比例缩小且同时要满足更高性能的需求是特别困难的，尤其还要维持低成本时更是如此。
发明内容
下文是本发明的概述，用以提供对本发明的某些方面的基本了解。此概述的目的并非在确认本发明的重要/关键性元件，也并非在描述本发明的范围。此概述的唯一目的是在以一种简化的形式提供本发明的某些观念，以便作为将在后文中提供的更详细说明的序言。
本发明提供一种在通孔(via opening)内形成的聚合物存储器件的制造方法。更具体而言，是在含金属层内形成若干铜接触点(coppercontacts)和/或位线。然后可在上方电介质层中形成一个或多个通孔，以便露出一个或多个这些铜接触点和/或位线。部分露出的铜被转化为铜的硫化物(例如Cu2S2或Cu2S)，可将此种铜的硫化物用来作为一种催化剂，用以协助经由化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition；简称CVD)进行的选择性聚合物生长。该铜的硫化物也可协助存储单元器件的操作，这是因为该铜的硫化物是一种导电材料。例如，该铜的硫化物可以无源层(passive layer)的方式工作，而该无源层被用来在一个或多个存储单元之内和/或之间传送和/或传输信息。
替代性地且根据本发明的一方面，可采用旋转涂布稀释的聚合物溶液，将该溶液烘烤，以便至少填满该通孔的下方部分。根据本发明的另一方面，可施加单体溶液，并利用该单体溶液来协助在该通孔的至少下方部分中的聚合物生长。
在该通孔的下方部分中形成了聚合物之后，可在该存储器结构上沉积上电极材料(top electrode material)，以便填满该通孔的其余部分。可以诸如化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing；简称CMP)工艺来研磨掉该上电极材料的过多的和/或多余的部分。然后，该通孔包括其中包含聚合物材料的下方部分、以及其中包含上电极材料的上方部分。
本发明的一方面是涉及一种形成聚合物存储器件的方法。该方法包含下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层上形成至少一个铜接触点；在该铜接触点上形成至少一个电介质层；在该电介质层中形成至少一个通孔，以便露出该铜接触点的至少一部分；在该通孔的下方部分中形成聚合物材料；以及在该通孔的上方部分中形成上电极材料层。
本发明的另一方面是涉及一种在通孔中制造聚合物存储器件的方法。该方法包含下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层中形成铜位线及铜垫的至少其中之一；在该铜接触点上形成至少一个电介质层；在该电介质层中形成至少一个通孔，以便露出该铜位线及该铜垫的至少其中之一的至少一部分；在该通孔的下方部分中生长聚合物材料；在该通孔的上方部分中形成上电极材料层；以及至少在该上电极层上形成字线。
本发明的又一方面是涉及一种在通孔中制造聚合物存储器件的系统，该系统包含在通孔中制造聚合物存储器件的方法。该系统包括提供半导体衬底的装置，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层上形成至少一个铜接触点的装置；在该铜接触点上形成至少一个电介质层的装置；在该电介质层中形成至少一个通孔以便露出该铜接触点的至少一部分的装置；在该通孔的下方部分中形成聚合物材料的装置；以及在该通孔的上方部分中形成上电极材料层的装置。
为了达到前文所述的以及相关的目的，本发明包含将在后文中完全说明并在权利要求书中特别指出的特征。下文中的说明及附图详细述及了本发明的某些例示方面及实施例。然而，这些例示方面及实施例只是可采用本发明的原理的各种方式中的一些方式。参照下文中对本发明的详细说明，并配合各图式，将可更易于了解本发明的其它目的、优点、及新颖的特征。
图1给出了根据本发明的一方面而形成的示意性聚合物存储器件的横截面图；图2给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图3给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图4给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图5给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图6给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图7给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图8给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图9给出了根据本发明的一方面而部分制造的存储器结构的横截面图；图10给出了根据本发明的一方面而大致制造的存储器结构的横截面图；以及图11给出了根据本发明的一方面而在通孔中形成聚合物存储器件的示意性方法的流程图。
具体实施例方式
本发明涉及在绝缘层内形成的通孔内制造聚合物存储器件的系统及方法。这些方法包含下列步骤形成铜位线和/或铜垫；露出该铜(例如，来自该位线和/或铜垫的铜)的至少一部分，以便将其转化为催化剂材料。因此，可部分地将该催化剂材料的至少一部分嵌入该铜位线和/或铜垫的上方部分(例如，与电极相邻)之内。此外，该催化剂材料的至少一部分接触聚合物存储器件的一部分，使该催化剂材料形成该聚合物存储器件的下方部分。该催化剂材料的此种配置有助于至少一个电极与该聚合物存储元件间的访问(access)。
此外，该催化剂材料构成无源区，且包含有助于导电的至少一种材料。该催化剂材料的一个例子是硫化铜。也可根据所需结构的构造及类型而采用其它的材料和/或化合物。例子包括氧化铜及银-铜-硫化物复合物(silver-copper-sulfide complex)。还有其它的例子，但为了顾及说明书的简洁而并未列出。
因为在上方绝缘层中形成的通孔露出了该无源区的至少一部分，所以可利用该无源区来协助在该通孔的至少下方部分中的聚合物的生长和/或形成。可生长和/或形成且在本发明中采用的可设定的聚合物的例子包括聚酚乙炔、聚乙炔、聚联苯乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚卟啉、卟啉系大环、硫醇衍生聚卟啉、聚二戊系金属、聚二茂铁、聚酞菁染料(polyphthalocyanines)、聚乙烯基系、聚咇咯、以及聚-(对-次苯基乙烯)、和/或上列各项的组合、和/或上列各项的单体。
可在以聚合物材料大致填满该通孔之前，先终止聚合物在该通孔中的生长和/或形成。可以通过诸如任何适当的导电材料等的上电极材料填满该通孔的其余部分或上方部分。例如，该上电极材料可以是钨、钛、钽、氮化钛、非晶系碳、铝、氧化铟锡、铂、锌、镍、铁、锰、镁、金、铬、金属硅化物、上述材料的合金、和/或上述材料的任意组合中的任一种材料。例示的合金可以是镍基耐热合金(Hastelly)、科伐合金(Kovar)、不胀钢(Invar)、蒙耐尔合金(Monel)、英科耐尔合金(Inconel)、黄铜、不锈钢、镁银合金、以及各种其它合金。
然后可在该通孔上形成含铝字线，而大致完成存储单元器件的制造。可根据所需的应用而至少部分地由诸如铝和/或其它材质构成该字线。
可在电极材料的两端施加电压，而在该聚合物存储器件内建立阻抗，由此编程(programmed)该聚合物存储器件。该阻抗代表在该存储器件内保存的一个或多个位的信息。例如，在存储了一个或多个位的信息之后，可去除该电压，且该信息保持存储在该聚合物存储器件内。此外，该聚合物存储器件无须更新电压来维持所存储的信息。
要撷取聚合物存储器件内存储的信息时，可施加电流，然后可量测该存储器件内存储的阻抗。与被编程的信息类似，自存储元件撷取的信息是有关一个或多个位的信息。该聚合物存储器件可具有两种状态导电的“开”状态(on)及不导电的“关”状态(off)。除了这两种状态之外，聚合物存储器件与传统的存储器件不同的是可维持多种状态。更具体而言，该聚合物存储器件可利用不同的导电程度来识别额外的状态。例如，该聚合物存储器件可呈现包括极高导电状态(例如极低阻抗状态)、高导电状态(例如低阻抗状态)的低阻抗状态、导电状态(例如中间程度阻抗状态)、以及不导电状态(例如极高阻抗状态)。因此，可将多个位的信息存储在单一的聚合物存储单元中(例如，2个或更多位的信息，其中4个状态提供了2位的信息，8个状态提供了3位的信息…等)。
这些制造方法包含下列步骤以一层和/或一层中的通孔内的方式形成聚合物半导体；以及接着利用光刻技术形成聚合物存储器件。可采用该制造方法而循序地或同时地形成一个或多个聚合物存储器件。
下文中将参照图1至11说明根据本发明的聚合物存储器件。
图1用以显示主要根据本发明的一方面而形成的存储单元(memory cell)结构100。该存储单元结构开始时包含衬底层105、一个或多个浅沟渠隔离区110、以及在这些一个或多个浅沟渠隔离区110的下形成的若干沟道停止注入区115。可以通过诸如氧化物材料填满这些STI区110。与STI区110邻接的是以N+及N-注入而协助存储单元结构100的操作的区域。
存储单元结构100还包含在层间(interlay)电介质层135内形成的一个或多个钨插塞(tungsten plugs)130。可在一个或多个这些钨插塞130的下形成P+注入区137，以便协助存储单元结构100的操作。该层间介质(Inter Layer Dielectric；简称ILD)层135可包含使用者所需的任何适当的绝缘材料。在ILD层(135)的上可以是停止层(140)、及接续的第一金属氧化物层(145)。可形成通过第一金属氧化物层145及停止层140的一个或多个铜接触点。如图所示，可形成铜接触点150。也可制造在这些一个或多个钨插塞130正上方的诸如一个或多个铜位线和/或铜垫等的其它接触点。
在铜接触点150、155上沉积至少一个电介质层(dielectric layer)160，并蚀刻该电介质层160，以便在该电介质层160中产生一个或多个通孔。产生该通孔以便露出铜的至少一部分。露出的铜被转化为在该通孔正下方或在该通孔的基部的催化剂材料165，并将该催化剂材料165用来协助聚合物的生长，以便因而在该通孔的下方部分中形成聚合物存储元件(ME)170。因此，该催化剂材料是以无源层或无源区的方式工作，以便协助至少一个电极与聚合物存储元件170间的访问(access)。
该通孔的上方部分包含上电极(TE)导电材料175。该TE导电材料可包含钨、钛、氮化钛、钽、非晶系碳、和/或以上材料的任意组合。当将适当的电压施加于底部电极或下电极(铜接触点155)与上电极175之间时，可对聚合物存储元件170进行信息的写入、读取、和/或擦除。此外，虽然图1中只示出了所建构的单一聚合物存储元件170，但是我们当了解，可以本说明书所述的方式建构多个聚合物存储元件。
最后，在上电极175的至少一部分及电介质层160的至少一部分上分别设有阻挡金属层(barrier metallager)180及字线(word line)185。可由诸如钽材料构成阻挡金属层180。也可在阻挡金属层180的成分中使用诸如钴、镍、钯、钛、钽硅的氮化物、氮化硅、氮化钛、氮化钨、和/或以上材料的任意组合。阻挡金属层180是用来减轻自这些导电层至其它层的扩散。该字线可包含铝，且在阻挡金属层180上形成该字线。也可根据特定结构及应用的需要及适用范围而采用该阻挡金属层及该字线的替代性材料。
虽然存储单元结构100中并未示出任何其它的特征部位，但是我们应当了解，也可在存储单元结构100中形成且呈现其它的特征部位，且此种其它特征部位的形成及呈现也是在本发明的范围内。
下文中将大部分参照图2至11而特别说明存储单元结构100及聚合物存储器件的制造。
在图2中，显示了存储单元结构200的一些示意性的基本元件，且同时以图202代表根据本发明的一方面而形成这些基本元件的一部分工艺。例如，在步骤208中，可在衬底层210中形成至少一个浅沟渠隔离(STI)区205，其方式为使用适当的掩膜而在该衬底层210中蚀刻至少一个沟渠，以便产生所需的沟渠图形。在STI区205形成之后，在步骤212中经由这些一个或多个沟渠执行沟道停止区注入(channel stop implant)，以便在围绕这些一个或多个STI区205的下方部分的一个或多个区域中形成沟道停止区215。
然后在步骤218中，可以一种氧化物材料填满这些一个或多个STI区205，因而随即研磨这些一个或多个STI区205，并去除任何过量的氧化物材料，而留下这些STI区205内的氧化物材料。在替代或增添的方式下，由此所形成的该存储结构的表面可在步骤222中进行采用反相平坦化掩膜(reverse planarization mask)(图中未示出)的平坦化工艺，以便有助于形成所需的特征部位。
然后可在步骤228中执行N+区220及N-区225的注入，以便产生与STI区110邻接的两材料层230的形态。然后在步骤232中，可在STI区205及N+区220上沉积层间介质(ILD)层235。在步骤238中，可使用第一接触点掩膜而在ILD层235中蚀刻一个或多个插塞240。在步骤242中，可经由至少一个所蚀刻的插塞240而执行P+注入，以便形成P+区(图1中的137)。然后在步骤244中，可以诸如钨材料填满这些插塞240，并可在步骤244中利用诸如CMP工艺等适当的研磨工艺去除存在于这些插塞240之外的过量的钨。
图3显示了部分制造的存储单元结构300的横截面图，且同时以图302代表根据本发明的一方面而采用的一部分工艺。在步骤308中，图示的存储单元结构300包含停止层305，且该停止层305已被沉积在存储单元结构300的至少一部分长度之上。然后在步骤312中，可使用任何适当的沉积技术在停止层305上形成第一金属氧化物层310。
然后可形成通过金属氧化物层310的至少一部分及对应的停止层305的下方部分的一个或多个铜接触点315。在步骤318中，采用诸如单或双镶嵌工艺而蚀刻金属氧化物层310，以便形成一条或多条铜位线320和/或一个或多个铜垫320。可采用一个或多个光刻胶层而适当地且充分地形成这些铜位线320和/或铜垫320。虽然图3中并未示出，但是我们应当了解，这些铜位线和/或铜垫可包括形状保持与侧壁和/或一个或多个未填充的(位线/垫)通孔的下方部分相同的阻挡层。然后在步骤322中，以铜和/或含铜材料填满这些位线和/或垫。可以通过研磨工艺去除过量的铜，以便得到大致平坦的表面。
在图4中，显示了部分形成的存储单元结构400的概略示意图，且同时以图402代表根据本发明的一方面而制造该存储单元结构的部分工艺。在步骤408中，当制造出铜位线/铜垫320之后，可如图4所示而在第一金属氧化物层310上形成一个或多个电介质层405。适当的介质材料包括氧化物、氮化物、硅酸四乙酯(TEOS)、氟掺杂硅酸四乙酯(FTEOS)、有机材料、和/或上述材料的任意组合。在步骤412中，使用适当的蚀刻工艺并在该电介质层405上施加适当的有图形的光刻胶层，即可在电介质层405的至少一部分中选择性地形成一个或多个通孔。
图5显示了所产生的存储单元结构500，且同时以图502代表用来制造根据本发明的一方面的聚合物存储器件的部分工艺。存储单元结构500显示了在电介质层405中形成的至少一个通孔505，其中经由这些通孔505而露出铜位线/铜垫320的至少一部分。铜垫320可作为聚合物存储器件结构的下电极/底部电极。虽然图中只示出一个通孔，但是我们应当了解，可以前文所述的方式产生一个以上的通孔。
在步骤508中，接着将露出的铜的至少一部分转化为硫化铜，该硫化铜是用来作为后续工艺中的催化剂，以便诸如促成在这些通孔上的聚合物存储元件的生长。此外，该硫化酮也作为无源区，以促进至少一个电极材料与聚合物存储元件间的联系。此种方式强化了整体存储单元结构的操作。我们应当了解，除了硫化铜之外，也可使用可用来作为适当的催化剂以促成聚合物存储元件的形成的其它材料。
在图6中，显示了根据本发明一方面部分地制造的存储单元结构600，且同时以图602代表应用于存储单元结构600的一部分工艺。所示的存储单元结构600在铜位线/铜垫320的上方部分及通孔505之下具有催化剂材料(例如硫化铜)区域。如前文所述，该硫化铜具有与形成和/或生长聚合物材料有关的催化剂特性。因此，在步骤608中，利用硫化铜605来促进通孔505的下方部分中的聚合物的生长。
图7显示了由图6产生且包含在通孔505的下方部分中形成的聚合物材料的存储单元结构700。聚合物材料构成聚合物存储元件705。在步骤702中，以导电材料填满通孔505的其余部分。该导电材料702构成上电极材料。为了确定该导电材料大致填满该通孔，可在存储单元结构700的较大部分的上沉积此种导电材料。图8中进一步示出了此种情形。
图8显示了部分制造的存储单元结构800，存储单元结构800包含在电介质层405上形成的上电极层805。为了去除过量的上电极材料，使通孔505的上方部分中形成上电极插塞，在步骤808中研磨和/或蚀刻该上电极层。可以通过化学机械研磨工艺来执行该研磨，将大致所有的上电极材料去除，而在不从通孔505去除上电极材料的情形下露出电介质层405的表面。因此，在适当时间终止该研磨工艺，以便让上电极材料留在通孔505。
图9显示了存储单元结构900，该存储单元结构900包含在通孔505内形成的聚合物存储元件705、以及在通孔505的聚合物存储元件705上形成的上电极插塞905。虽然图9中并未示出，但是可蚀刻通过介质层405，以便形成铜接触点315的接触点。因此，露出了铜接触点315的至少一部分。
请参阅图10，其中显示了存储单元结构1000，该存储单元结构1000包含可在上电极905上形成的字线1005。或者，可在至少该上电极插塞与字线1005的至少一部分之间沉积阻挡金属层(图10中并未示出；请参阅图1)。该字线可包含被沉积至大约10,000埃的厚度的成分为铝-铜(0.5％的铜)的材料。当蚀刻电介质层405的一部分以在电介质层405中形成开孔，因而露出铜接触点315时，可以共形的方式在该开孔的上沉积该阻挡层。此外，可沉积含铜的铝字线层1005，使得以共形的方式填满介质层405中的该开孔(请参阅图1)。此外，可根据存储单元结构1000的所需应用而在字线1005之中和/或之上制造其它的特征部位。
现在请参阅图11，图中显示了根据本发明的一方面而在通孔中制造聚合物存储器件的示意性方法1100的流程图。该方法1100涉及在步骤1110中于含金属的材料层内形成多个铜位线和/或多个铜垫。可以通过单镶嵌及双镶嵌工艺中的任一种工艺形成这些铜位线和/或铜垫。
然后在步骤1120中，将铜的露出部分转化为硫化铜。该硫化铜是至少用来作为催化剂，以便促进以诸如化学气相沉积法在通孔中进行的选择性聚合物生长。化学气相沉积的替代方式包括旋转涂布稀释聚合物溶液和/或利用单体溶液。因此，在步骤1130中，使用者可选择使用经由化学气相沉积而进行选择性聚合物生长，以便在步骤1140中旋转涂布聚合物溶液并烘烤，以便以聚合物材料填满通孔的下方部分，或者选择在步骤1150中利用单体溶液在通孔的下方部分中生长聚合物材料。
在做出选择并在通孔的下方部分中形成聚合物材料之后，可在步骤1160中以一种类似地毯式的方式沉积上电极材料，以便在步骤1170中在通孔的上方部分中形成上电极插塞。以研磨该材料的方式去除过量的上电极材料，而只留下通孔的上方部分中的插塞。
虽然并未明确地说明，但是我们应当了解，可在存储单元结构中形成多个通孔中的多个聚合物存储器件。此外，此种通孔的形成可以是选择性的，并且使用适于产生所需通孔图形的一个或多个掩膜而部分地完成此种通孔的形成。
虽然已参照某一或某些较佳实施例而示出并说明了本发明，但是显然本领域技术人员在参阅且了解本说明书及附图之后，将可进行等效的改变及修改。尤其在有关前文所述的元件(装配、器件、电路等)执行的各种功能方面，除非另行指示，否则用来描述此类元件的术语(包括任何提及的“装置(means)”)将对应于用来执行所述元件的指定功能的任何元件，纵使该元件在结构上并不与用来执行在本说明书述及的本发明的实施例中的功能的所揭示结构等效，也是如此。此外，虽然已参照多个实施例中的唯一实施例而揭示了本发明的特定的特征，但是在某一或任何特定应用需要或对该应用有利的情形下，可将该特征与其它实施例的一项或多项其它特征结合。
工业应用本发明的方法及系统适用于半导体存储及半导体制造的领域。
权利要求
1.一种在通孔中制造聚合物存储器件的方法，包括下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层上形成至少一个电介质层；在该电介质层中形成至少一个通孔，以露出该含金属层的至少一部分；在该通孔的下方部分形成聚合物材料；以及在该通孔的上方部分形成上电极材料层。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在该含金属层中形成至少一个铜接触点，该铜接触点是铜连接、铜垫、铜插塞、及铜位线的任何一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中在该通孔的下方部分形成聚合物材料的步骤包括将露出的含金属层的至少一部分转化为金属硫化物，并以化学气相沉积、旋转涂布聚合物溶液及烘烤、施加单体溶液而进行聚合物生长中的至少一种方式进行选择性聚合物生长。
4.如权利要求1所述的方法，其中该聚合物材料包括聚酚乙炔、聚乙炔、聚联苯乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚卟啉、卟啉系大环、硫醇衍生聚卟啉、聚二戊系金属、聚二茂铁、聚酞菁染料、聚乙烯基系、聚咇咯、以及聚-(对-次苯基乙烯)、和/或上列各项的组合、和/或上列各项的单体。
5.如权利要求1所述的方法，其中该上电极材料包括钨、钛、钽、氮化钛、非晶系碳、铝、氧化铟锡、铂、锌、镍、铁、锰、镁、金、铬、金属硅化物、其合金、和/或其任一组合。
6.如权利要求5所述的方法，其中合金包括镍基耐热合金、科伐合金、不胀钢、蒙耐尔合金、英科耐尔合金、黄铜、不锈钢、镁银合金、和/或其组合。
7.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤中的至少一个步骤研磨该上电极层，以在该通孔的上方部分形成上电极插塞；在至少该上电极上形成字线；在至少该上电极正上方形成阻挡金属层；以及在该通孔中该聚合物材料的下方形成插塞、浅沟渠隔离区、以及沟道停止区的至少其中之一。
8.一种在通孔中制造聚合物存储器件的方法，包括下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个第一电介质层；在该第一电介质层中形成铜位线及铜垫的至少其中一个；在该铜位线及该铜垫的至少其中一个上形成至少一个第二电介质层；在该第二电介质层中形成至少一个通孔，以露出该铜位线及该铜垫的至少其中一个的至少一部分；在该通孔的下方部分中生长聚合物材料；在该通孔的上方部分形成上电极材料层；以及至少在该上电极层上形成字线。
9.如权利要求8所述的方法，其中该聚合物材料包括聚酚乙炔、聚乙炔、聚联苯乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚卟啉、卟啉系大环、硫醇衍生聚卟啉、聚二戊系金属、聚二茂铁、聚酞菁染料、聚乙烯基系、聚咇咯、以及聚-(对-次苯基乙烯)、和/或上列各项的组合、和/或上列各项的单体。
10.一种在通孔中制造聚合物存储器件的系统，该系统包括在通孔中制造聚合物存储器件的方法，该系统包括提供半导体衬底的装置，该半导体衬底上具有至少一个第一电介质层；在该第一电介质层中形成铜位线及铜垫的至少其中一个的装置；在该铜位线及该铜垫的至少其中一个上形成至少一个第二电介质层的装置；在该第二电介质层中形成至少一个通孔以露出该铜位线及该铜垫的至少其中一个的至少一部分的装置；在该通孔的下方部分生长聚合物材料的装置；在该通孔的上方部分形成上电极材料层的装置；以及至少在该上电极层上形成字线的装置。
全文摘要
本发明的一个方面涉及一种在通孔中制造聚合物存储器件的方法。该方法包含下列步骤提供半导体衬底，该半导体衬底上具有至少一个含金属层；在该含金属层中形成至少一个铜接触点；在该铜接触点上形成至少一个电介质层；在该电介质层中形成至少一个通孔，以便露出该铜接触点的至少一部分；在该通孔的下方部分中形成聚合物材料；以及在该通孔的上方部分中形成上电极材料层。
文档编号H01L27/00GK1820325SQ200480019684
公开日2006年8月16日 申请日期2004年5月11日 优先权日2003年7月7日
发明者N·H·特里普沙斯, M·布伊诺斯基, S·K·潘格尔勒, U·奥科罗安扬武, A·T·惠, C·F·里昂, R·苏布拉马尼安, S·D·洛帕京, M·V·恩戈, A·M·哈图里, M·S·张, P·K·章, J·V·奥格尔斯比 申请人:先进微装置公司
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