相变半导体器件的制造方法及相变半导体器件 【技术领域】
本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及相变半导体器件的制造方法及相变半导体器件。
背景技术
具有如锗(Ge)、硒(Se)、碲(Sb)、铋(Bi)等元素构成的合金型固态相变材料，逐渐作为开关材料被用到半导体器件中。固态相变材料至少存在两种不同的固态状态。最极端的两种状态能够被简单地分为非晶态和结晶态。在这两种状态之间还有其他更不容易辨别的状态。非晶态具有无序的原子结构，而结晶状态通常是多晶。固态相变材料各种状态具有完全不同的电学性质。在非晶态下，固态相变材料表现为绝缘的电学性质；而在结晶态下，同样的材料却表现出P型半导体那样的电阻性质。固态相变材料的电阻率在非晶态和结晶态之间变化。
具体地说，当这种固态相变材料被加热时，就会从一种状态(例如非晶态)转变为第二种状态(例如结晶态)。状态之间的转变可以因受热不同而选择性地可逆，也就是说，固态相变材料可以被设定成一种电学状态并可以被复位。正如其他具有两种或更多种可辨别和可选择状态的材料一样，固态相变材料的两个稳定状态中的任一个都能被指定为逻辑1而另一个被指定为逻辑0。于是，固态相变材料就可以被用于存储器件，准确地说是不易丢失数据的存储器。此外，利用结晶态和非晶态之间的中间状态所固有的电阻率变化，还可以用固态相变材料制造多位存储元件。关于由固态相变材料所制造的半导体器件的结构可以参考中国发明专利申请第200410094745.5号所公开的内容。
为了在非晶态与结晶态之间来回可逆地转换，必须将可控的热量准确地供给固态相变材料。以前常使用电阻加热的方法来提供这种热量。但是，对于各个存储元件，为了加热固态相变材料而需要设定相当大的加热电流。准确地说，固态相变材料的复位可能要求将结晶态的材料加热到其熔点，例如600℃以上。这样的加热和冷却，会导致固态相变材料自生的收缩，使得固态相变材料与电极的剥离，严重时，将导致半导体器件的失效。
为了使固态相变材料与电极的紧密结合，现有技术中，使用金属氧化物作为固态相变材料与电极间的粘合层。但是，采用金属氧化物作为粘合层将导致对固态相变材料所施加的工作电压增大。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是，提供一种相变半导体器件的制造方法及相变半导体器件，使得器件中的固态相变材料不会脱离，且不必提高其工作电压。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种相变半导体器件的制造方法，包括步骤：提供基底，所述基底上开有沟槽，所述沟槽底部设有第一电极层；在沟槽内形成导电的且与第一电极层导通的第一粘合层；在沟槽内填充固态相变材料；在基底上形成具有通孔的电介质层，所述通孔暴露所述沟槽内填充的固态相变材料；在所述电介质层的通孔内填充所述固态相变材料。
可选地，所述通孔的直径等于所述沟槽直径，且所述通孔与所述沟槽重合。
可选地，所述通孔的直径小于所述沟槽直径。
可选地，所述在沟槽内填充固态相变材料的方法包括步骤：在基底上沉积固态相变材料至至少完全填满所述沟槽；去除沟槽以外的固态相变材料和基底表面的第一粘合层。
可选地，所述去除沟槽以外的固态相变材料和基底表面的第一粘合层的方法为化学机械研磨。
可选地，在所述电介质层的通孔内填充所述固态相变材料的方法包括步骤：在基底上沉积固态相变材料至至少完全填满所述通孔；对基底进行热退火处理，使固态相变材料在收缩的状态下填满所述通孔和沟槽；去除沟槽以外的固态相变材料。
可选地，所述热退火的温度为150℃至250℃。
可选地，所述的第一粘合层的材料为Ti/TiN、Ta/TaN或Ti/TiSi。
可选地，所述第一粘合层中地金属层位于所述第一电极层一侧，而金属化合物层位于所述固态相变材料一侧。
可选地，所述第一金属层的材料为W。
可选地，还包括步骤：在固态相变材料之上形成导电的第二粘合层；在第二粘合层上形成第二电极层。
可选地，所述的第二粘合层的材料为TiN、Ti/TiN、TaN、Ta/TaN、TiSi或Ti/TiSi。
可选地，所述第二金属层的材料为Al。
可选地，所述的固态相变材料为硫族化合物合金。
可选地，所述硫族化合物合金为Ge-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te或Ge-Bi-Te。
可选地，所述的Ge-Sb-Te具体为Ge2Se2Te5。
根据本发明的另一方面，提供一种相变半导体器件，包括位于基底上凹槽底部的第一电极层和凹槽内的固态相变材料，所述凹槽由相互连通的电介质层通孔和沟槽所组成，所述第一电极层和固态相变材料由导电的第一粘合层连接，所述第一粘合层只覆于所述沟槽的底部或只覆于所述沟槽的底部和侧壁，所述第一粘合层只形成第一电极层与固态相变材料的电连通。
可选地，所述固态相变材料经过热退火处理。
可选地，所述热退火的温度为150℃至250℃。
可选地，所述的第一粘合层的材料为Ti/TiN、Ta/TaN或Ti/TiSi。
可选地，所述第一粘合层中的金属层位于所述第一电极层一侧，而金属化合物层位于所述固态相变材料一侧。
可选地，所述第一金属层的材料为W。
可选地，还包括第二电极层，所述固态相变材料和第二电极层之间由导电的第二粘合层连接。
可选地，所述的第二粘合层的材料为TiN、Ti/TiN、TaN、Ta/TaN、TiSi或Ti/TiSi。
可选地，所述第二金属层的材料为Al。
可选地，所述凹槽的截面形状为凸型、倒凸型、长方形或正方形。
可选地，所述的固态相变材料为硫族化合物合金。
可选地，所述硫族化合物合金为Ge-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te或Ge-Bi-Te。
可选地，所述的Ge-Sb-Te具体为Ge2Se2Te5。
与现有技术相比，本发明在相变半导体器件的第一电极层和固态相变材料之间设置可导电的第一粘合层，用该第一粘合层来连接第一电极和固态相变材料，既可以让固态相变材料与第一电极层紧密粘合，不发生固态相变材料脱落的情况，又可以使该相变半导体器件保持较低的工作电压，从而可以提高相变半导体器件的性能。
【附图说明】
图1为本发明一个实施例相变半导体器件的制造方法的流程图；
图2至图14为根据图1所示流程制造相变半导体器件的示意图。
【具体实施方式】
如图1所示，本具体实施方式中提供一种相变半导体器件的制造方法，包括步骤：
S101，提供基底，所述基底上开有沟槽，所述沟槽底部设有第一电极层；
S102，在沟槽内形成导电的且与第一电极层导通的第一粘合层；
S103，在沟槽内填充固态相变材料；
S104，在基底上形成具有通孔的电介质层，该通孔暴露沟槽内填充的固态相变材料；
S105，在电介质层的通孔内填充固态相变材料；
S106，在固态相变材料之上形成导电的第二粘合层；
S107，在第二粘合层上形成第二电极层。
下面结合附图，以一具体的实施例对上述方法进行详细描述。
首先执行步骤S101，提供如图2所示的基底201，基底201上开有沟槽202，沟槽202底部设有第一电极层203。
沟槽202的底部是与内部互联金属层204导通的通孔205，而形成第一电极层203的金属材料即填充在该通孔205内。该第一电极层203与内部互联金属层204形成电连通，在该第一电极层203上施加的电信号即通过内部互联金属层204从其他信号接口(图未示)处传来。在步骤S101中所述的沟槽202底部设有第一电极层203，即是说第一电极层203与沟槽202内部是导通的，并非一定只能是第一电极层203完全布满沟槽202的底层。形成第一电极层203的材料可以是W。当然，本领域技术人员知道，采用其他金属也可以制造本发明所说的第一电极层203。制造内部互联金属层204、通孔205、第一电极层203以及沟槽202的工艺已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
依照现有技术，通孔205的直径比沟槽202的直径小，也就是说，通孔205在沟槽202底部平面的投影落在沟槽202内。这是因为，通孔205是用于填充形成第一电极层203的金属材料，而第一电极层203的主要作用是信号导通，不需要有太大的直径限制。
然后再执行步骤S102，在沟槽202内形成导电的且与第一电极层203导通的第一粘合层206(参考图13)。
第一粘合层206的材料为Ti/TiN、Ta/TaN或Ti/TiSi等过渡金属或过渡金属与其化合物所形成的复合层。
采用过渡金属与其化合物所形成的复合层作为第一粘合材料层的好处有两点，以Ti为例：其一，由于Ti本身容易氧化，而其氧化物是绝缘体，放任其氧化将会导致电路发生断路，因此需要在其上形成TiN或TiSi等化合物来防止其氧化；其二，由于Ti作为过渡金属，与同为金属的第一电极层203的耦合能力好，与沟槽202底部绝缘层(未标注)的耦合能力也较好，而TiN或TiSi又与后续沉积的固态相变材料的耦合能力较好，因此这种Ti/TiN的复合结构即可以粘接第一电极层203和固态相变材料207(参考图10)，又可以形成第一电极层203与固态相变材料207之间的导电渠道。所以，根据上述原因，当第一粘合层206中的金属层位于所述第一电极层203一侧，而金属化合物层位于固态相变材料207一侧。
这里所列举的第一粘合层206材料仅仅是一个示例，本领域技术人员从上述对第一粘合层206的用途描述可知，只要能达到粘合和导电两个目的的材料，都可以用作第一粘合层206的材料。
由于第一粘合层206是导体，为了避免短路现象的发生，第一粘合层206只能与第一电极层203和固态相变材料207形成电连通，这一点，与现有技术用金属氧化物形成第一粘合层206完全不同。因此，在本发明中，导电的第一粘合层206的形成方法也与现有技术不同。下面结合附图，对第一粘合层206的形成方法进行详细描述。
如图3所示，先在基底201上形成第一粘合层206，形成的方法已为本领域技术人员所熟知。按照现有技术形成的第一粘合层206，会布满基底201的表面，即是既会形成在沟槽202的底部，也会形成在沟槽202的侧壁和基底201的其他部位。在这种情况下，在进行后续步骤形成第二电极层211(参考图13)时，导电的第一粘合层206会在第一电极层203和第二电极层211之间形成电流通道，从而短路固态相变材料207，使得固态相变材料207无法发挥应有的功能，这将最终导致制成的半导体器件失效。
而在本发明中，第一粘合层206的作用是既保持固态相变材料207与第一电极层203的紧密粘合，又将固态相变材料207与第一电极层203电导通。所以，需要将沟槽202底部的第一粘合层206与其他部分的第一粘合层206隔断才能实现上述功能。实现所述隔断的方法有多种，例如在本实施例以下部分所述的方法，额外形成一层具有通孔的电介质层，而该通孔的侧壁上没有第一粘合层206。以下将对该方法进行具体描述。
执行步骤S103，在沟槽202内第一粘合层206之上填充固态相变材料207。填充固态相变材料207的方法具体包括步骤：
步骤三十一，如图4所示，在基底201上沉积固态相变材料207至至少完全填满所述沟槽202；
步骤三十二，如图5所示，去除沟槽202以外的固态相变材料207和基底201表面的第一粘合层206。
步骤步骤三十一中，沉积固态相变材料207的方法已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
步骤步骤三十二中，去除沟槽202以外的固态相变材料207和基底201表面的第一粘合层206的方法可以是化学机械研磨的方法。
经过步骤步骤三十二后，固态相变材料207已完全填满沟槽202。
然后再执行步骤S104，在基底201上形成具有通孔209的电介质层208，该通孔暴露沟槽202内填充的固态相变材料207。电介质层208的材料可以与基底201上挖出凹槽202的电介质层(未标注)材料相同，例如可以是氧化硅或氮氧化硅等无机电介质材料。
如图6所示，一种优选的方案是，通孔209的直径等于沟槽202的直径，且通孔209与沟槽202重合。形成这样的通孔209的好处在于：光刻形成通孔209所采用的掩模版可以与形成沟槽202的光刻制程中所采用的掩模版相同，因而可以降低制造成本。沟槽202与通孔209一起构成了容纳固态相变材料207的凹槽(未标注)，该凹槽的纵向剖面形状为长方形或正方形。当然，由于制造工艺水平所限，该凹槽的纵向剖面的两个底角可能不是非常规整的直角。
如图7所示，另一种优选的方案是，通孔209的直径小于沟槽208直径，即通孔209的纵向投影落在沟槽208的开口内。这种方案的好处在于，沟槽202与通孔209一起构成的容纳固态相变材料207的凹槽内形成了阶梯，即凹槽的截面形状为凸型，这可以固定固态相变材料207，使其更不容易从凹槽内脱落。
当然，也可以如图8所示，还有一种方案是，通孔209的直径大于沟槽208直径，即沟槽208开口的纵向投影落在通孔209内，即沟槽202与通孔209一起构成的容纳固态相变材料207的凹槽的截面形状为倒凸型。这种方案也可以实现第一粘合层206与其他非电介质层的隔离。
本领域技术人员知道，如图9所示的结构，即沟槽202与通孔209一起构成的容纳固态相变材料207的凹槽的截面形状为Z型，其实也可以实现第一粘合层206与其他非电介质层的隔离。
下面以图7所示的开口209结构为例，继续描述本实施例的后续步骤。
执行步骤S105，在通孔209内填充固态相变材料207，使得通孔209内填充的固态相变材料207与沟槽202内填充的固态相变材料207融合在一起，形成一体的固态相变材料207。
在通孔209内填充固态相变材料207的方法包括步骤：
步骤五十一，如图10所示，在基底201上沉积固态相变材料207至至少完全填满通孔209；
步骤五十二，在150℃至250℃的温度下，对基底201进行热退火处理，使固态相变材料207在收缩的状态下填满由沟槽202和通孔209形成的凹槽；
步骤五十三，如图11所示，用化学机械研磨的方法去除凹槽以外的固态相变材料207。
上述填充固态相变材料207的步骤中，通过热退火处理使固态相变材料207收缩，因此填入沟槽202和通孔209形成的凹槽的固态相变材料207就比较致密，在后续化学机械研磨过程就不容易将沟槽202和通孔209内的固态相变材料207带出，而在使用过程中，对固态相变材料207的加热相变过程，固态相变材料207膨胀积压沟槽202和通孔209形成的凹槽，使得固态相变材料207与第一电极层203的粘合更紧密，也就更不容易发生形变脱落。
然后执行步骤S106，如图12所示，在固态相变材料207之上形成导电的第二粘合层210。
第二粘合层210的材料可以是TiN、Ti/TiN、TaN、Ta/TaN、TiSi或Ti/TiSi等过渡金属化合物或者过渡金属与其化合物所组成的复合层。第二粘合层210采用这些材料的原因与第一粘合层206相似，也是为了同时实现粘合固态相变材料207和第二电极层211(参考图13)，以及导通固态相变材料207和第二电极层211。
这里所列举的第二粘合层210材料也仅仅是一个示例，本领域技术人员从上述对第二粘合层210的用途描述可知，只要能达到粘合和导电两个目的的材料，都可以用作第二粘合层210的材料。
然后再执行步骤S107，如图13所示，在第二粘合层210上形成第二电极层211。第二电极层211的材料可以为Al。当然，本领域技术人员知道，其他金属材料也可以用于制造第二电极层211。
最后，可以根据需要，将第二电极层211和第二粘合层210刻蚀为合适的尺寸，如图14所示。
在本发明中所提及的固态相变材料207，是具有至少两种可分辨的结晶形态和/或电阻特性的材料，具体可以是硫族化合物合金。而硫族化合物合金中，最适应本发明的可以为Ge-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te或Ge-Bi-Te，其中的的Ge-Sb-Te具体可以为Ge2Se2Te5。
另外，根据本发明的另一方面，如图14所示，还提供一种根据上述方法所形成的相变半导体器件200，包括位于基底201上凹槽(未标注)底部的第一电极层203和凹槽内的固态相变材料207，所述第一电极层203和固态相变材料207由导电的第一粘合层206连接。凹槽由相互连通的电介质层208上的通孔(未标注)和基底201上的沟槽(未标注)所组成。第一粘合层206只覆于沟槽的底部或只覆于所述沟槽的底部和侧壁，因而第一粘合层206只形成第一电极层203与固态相变材料207的电连通。
上述凹槽的截面形状可以为凸型、倒凸型、长方形或正方形。所谓的凸型，是指沟槽与通孔同轴但沟槽直径大于通孔直径；所谓的倒凸型，是指沟槽与通孔同轴但沟槽直径小于通孔直径；所谓长方形，是指沟槽与通孔同轴但沟槽直径等于通孔直径，但通孔与沟槽的直径不等于通孔深度与沟槽深度之和；所谓正方形，是指沟槽与通孔同轴但沟槽直径等于通孔直径，但通孔与沟槽的直径等于通孔深度与沟槽深度之和。
而第一粘合层206的材料为Ti/TiN、Ta/TaN或Ti/TiSi。第一粘合层206中的金属层位于第一电极层203一侧，而金属化合物层位于固态相变材料207一侧。
正是由于导电的第一粘合层206的存在，既可以让固态相变材料207与第一电极层203紧密粘合，不会发生固态相变材料207脱落的情况，又可以使相变半导体器件200保持较低的工作电压。
而上述固态相变材料207经过温度为150℃至250℃的热退火处理。因此填入凹槽的固态相变材料207就比较致密，在后续化学机械研磨过程就不容易将凹槽内的固态相变材料207带出，而在使用过程中，对固态相变材料207的加热相变过程，让凹槽内的固态相变材料207膨胀积压凹槽，使得固态相变材料207与第一电极层203的粘合更紧密，也就更不容易发生形变脱落。
当然，相变半导体器件200还包括第二电极层211，所述固态相变材料207和第二电极层211之间由导电的第二粘合层210连接。
第二粘合层210的材料可以是TiN、Ti/TiN、TaN、Ta/TaN、TiSi或Ti/TiSi等过渡金属化合物或者过渡金属与其化合物所组成的复合层。第二粘合层210采用这些材料的原因与第一粘合层206相似，也是为了同时实现粘合固态相变材料207和第二电极层211，以及导通固态相变材料207和第二电极层211。
而固态相变材料已在前具体描述，在此不再赘述。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。