CN100553005C - 降低相变存储器器件单元功耗的加热层及器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低相变存储器器件单元功耗的加热层及器件的制作方法，属微电子领域。其特征在于：在底加热W电极与硫系化合物薄膜层之间加入一加热层，加热层厚度控制在2～3nm，可选择的加热层用的材料包括ZrO2、HfO2或Ta2O5等。单元结构改进的实现是通过在衬底上沉积各种所需薄膜后，通过微纳加工技术得到微米量级的相变操作单元，并引出可供测试性能用上下电极。由于氧化物加热层的良好热稳定性和提高器件单元热效应的显著效应，达到了有效降低单元功耗的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于降低相变存储器单元功耗的氧化物加热层及器件的制作方法，属于微电子学纳米材料与器件制备领域。
背景技术
相变存储器(Phase Change Memory，PCM)技术是基于S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254～257，1971)提出相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的。相变存储器与目前的动态随机存储器(DRAM)、闪存(FLASH)相比有很明显的优势：体积小、驱动电压低、功耗小、读写速度快以及非挥发特性。PCM不仅是非挥发性存储器，能抗高低温冲击，抗辐照、抗振动，因此不仅将被广泛应用到民用的日常便携电子产品，而且在航空航天等军事领域有巨大的潜在应用。国际上已有Ovonyx、Intel、Samsung、Hitachi、STMicroelectronics和British Aerpspace等大公司在开展PCM存储器的研究，正在进行技术的完善与可制造性等方面的研发工作。
目前最为重要的研究热点在于实现相变存储器操作时的低压与低功耗。Sadegh M.Sadeghipour等研究发现针对T型结构的相变存储器单元，真正应用于硫系材料薄膜层相变的热量仅仅占到外部供给热量总额的0.2～1.4％，然而有60～72％的热量是通过底W电极扩散回衬底方向(Thermal andThermomechanical Phenomena in Electronics Systems(ITHERM.，The TenthIntersociety Conference on 660，2006))。因为相变存储器需要和金属氧化物场效应管(MOSFET)器件集成，工作电压由MOSFET管提供，较高的操作电压将使得相变存储器不能与MOSFET兼容，而且过多的热量回流到MOSFET会影响MOSFET的性能与可靠性。因此，众多相变存储器研究机构都致力于研究底W电极与硫系材料层之间插入加热层的方法来改善器件的热效应，如：1.无定型碳加热层(J.Appl.Phys.，94，3536～3542，2003)；2.多晶锗硅加热层(Appl.Phys.Lett.，89，053517，2006)。但效果不佳，本发明试图从另一角度及在存储器内植入底氧化物加热层来达到更好的热效应。
发明内容
本发明目的在于提出一种降低相变存储器器件单元功耗的加热层及器件的制作方法。
本发明提出的相变存储器单元功耗的降低的特征在于在底W电极和硫系化合物相变材料薄膜之间增加一层氧化物加热层，加热层材料不仅需要具有隔绝热作用以保证相变材料薄膜层内的热量不经由W电极扩散，并且需要与相变材料、W电极以及SiO2绝热包裹层具有很好的黏附力，其厚度在2～3nm之间，使氧化物加热层的植入不会导致整个存储器电阻的明显增加，所使用的氧化物应具有与硫系化合物相当的热导率(0.17-0.5W/mK)和比热(0.2-0.3J/gK)。
依此两个条件可采用的加热层为氧化物材料，通常为ZrO2、HfO2或Ta2O5中的任意一种，加热层植入后在加热过程中不会导致底加热W电极发生氧化反应，且2-3mm厚的加热层能有效抑制硫系化合物中各元素向衬底方向的扩散。
当前普遍使用的加热电极类似Ti电极在500℃可与相变材料中的Te原子结合成键，从而降低相变材料非晶态高阻与晶态低阻之间的电阻分辨率，进而影响相变存储器的数据分辨能力。本发明所选择的氧化物材料不仅不存在此类现象，而且又能高温情况下有效阻止相变材料中的元素扩散，且不会引起底W电极高温情况下的氧化，对于降低硫系相变材料内相变用热量向底W电极的扩散具有很明显的作用，从而有效的提高了相变存储器器件单元的热效率，降低了功耗，从而降低了操作电流或电压。
本发明提出的氧化物加热层PCM结构上的具体实现的步骤如下：
(1)在预先制备好的衬底的基础上，使用超高真空电子束蒸发的方法沉积加热层氧化物材料，厚度为2-3nm，蒸发时本底真空为2×10-5Pa；
(2)在步骤(1)沉积的加热层上使用磁控溅射的方法沉积硫系化合物薄膜层150-250nm与TiN薄膜层15-25nm；溅射时本底真空为4×10-6Torr，溅射时真空分别为0.16与0.40Pa；
(3)使用微纳加工技术，形成TiN/硫系化合物/加热层氧化物柱状结构，其截面为边长3～5μm的正方形；
(4)再在其上使用超高真空电子束蒸发的方法沉积一层SiO2覆盖层，厚度为150-250nm，使用微纳加工技术，在SiO2覆盖层内制备出柱状孔洞，其截面为边长1～2μm的正方形；
(5)然后再在其上使用超高真空电子束蒸发的方法沉积Al电极，厚度为250-350nm，使Al进入SiO2覆盖层内柱状孔洞与TiN完好接触，使用微纳加工技术，并且采用65℃水浴的磷酸介质作用下湿法刻蚀Al层，引出上、下电极，即完成了具有氧化物加热层的相变存储器器件单元的制备。
所述的衬底材料为在单晶Si片上覆盖有下电极层，在下电极上覆盖有SiO2绝热包裹介质层，SiO2绝热包裹介质层中存在孔洞，孔洞中包含与下电极相通的空心柱W电极，W电极顶部与SiO2绝热介质层顶部平齐。
所述的微纳加工技术为通过紫外曝光、显影、剥离法或反应离子刻蚀的方法实现的。
附图说明
图1为相变存储器单元制备过程示意图
(a)在衬底上制备氧化物加热层
(b)在氧化物加热层上制备硫系相变材料薄膜与TiN层
(c)形成氧化物/硫系化合物/TiN柱状
(d)覆盖SiO2层
(e)在SiO2层内制备出柱状孔洞
(f)在SiO2层上制备Al电极层
(g)形成Al上下电极
图中：
1Si片基底
2Ti/TiN/Al层
3W底电极
4SiO2绝热包裹介质层
5氧化物加热层
6硫系化合物层
7TiN薄膜层
8SiO2覆盖层
9Al电极
具体实施方式
下面通过结合附图详细阐述植入氧化物加热层的相变存储器单元的制作过程，以有助于对本发明的理解，但本发明绝非局限于实施例。其单元器件制备步骤如下。
实施例1：
(1)使用丙酮与酒精溶液，在超声波作用下各清洗衬底各3分钟，再在120℃烘20分钟，然后在沉积有W底电极3的Si/Ti/TiN/Al/SiO2的衬底上，使用超高真空电子束蒸发的方法沉积加热层5的氧化物材料，厚度为2-3nm，蒸发时本底真空为2×10-5Pa，(图1，a)，使用的加热层材料为ZrO2、HfO2或Ta2O5；
(2)在氧化物加热层上使用磁控溅射的方法先后分别沉积硫系化合物薄膜层200nm与TiN薄膜层20nm；溅射时本底真空为4×10-6Torr，溅射时真空分别为0.16Pa与0.40Pa，溅射功率分别为200W与400W；(图1，b)
(3)使用紫外曝光光刻出边长3～5μm的正方形，使用反应离子刻蚀的方法刻蚀TiN薄膜层、硫系化合物薄膜层以及氧化物薄膜层，形成TiN/硫系化合物/加热层氧化物柱状结构，其截面为边长3～5μm的正方形，此步同时已将与衬底底电极相连的W电极上部的薄膜层都刻蚀掉；(图1，c)
(4)再在其上使用超高真空电子束蒸发的方法沉积一层SiO2覆盖层，厚度为200nm；(图1，d)
(5)使用紫外曝光在SiO2覆盖层上光刻出边长1～2μm的正方形，此正方形中心位置与(3)中光刻出的正方形中心位置重合，使用反应离子刻蚀的方法在SiO2覆盖层内刻蚀出柱状孔洞，刻蚀深度以达到TiN层顶部为止，注意不能过渡刻蚀，否这将使TiN层或其下部硫系化合物层被过刻蚀而减薄或致使表面粗糙化，此步同时已将与衬底底电极相连的W电极上部SiO2覆盖层刻蚀掉；(图1，e)
(6)然后再在其上使用超高真空电子束蒸发的方法沉积Al电极，厚度为300nm，使Al进入SiO2覆盖层内柱状孔洞与TiN完好接触；(图1，f)
(7)使用紫外曝光在Al电极层上光刻出边长30～50μm的正方形，此正方形中心位置与(5)中光刻出的正方形中心位置重合，120℃烘20分钟，然后采用65℃水浴的磷酸介质作用下湿法刻蚀Al层，同时引出了上、下电极，此即完成了相变存储器单元的制备(图1，g)。
使用探针或导线引出电极，加载上电信号，便可以测试单元的各种性能了。
从实施例中可明显看出，本发明主要特征在于在传统PCM结构中，于相变硫系化合物与底W电极之间植入一层2～3个纳米厚的特定氧化物薄膜层。此一改进不但能与工业CMOS工艺兼容的，而且植入的氧化物加热层与上下薄膜层都由很好的黏附力，没有热扩散现象发生，且具有优良的阻热回流底W电极，提高器件热效应，降低功耗的显著作用。
Claims (9)
1、一种用于降低相变存储器器件单元功耗的加热层，其特征在于：在底加热W电极与硫系化合物相变材料结构之间加入一层厚度为2～3nm的ZrO2、HfO2和Ta2O5氧化物材料中的任意一种。
2、按权利要求1所述的用于降低相变存储器器件单元功耗的加热层，其特征在于所述的氧化物材料具有硫系化合物的热导率和比热。
3、按权利要求1所述的用于降低相变存储器器件单元功耗的加热层，其特征在于所采用的ZrO2、HfO2和Ta2O5氧化物材料中的任意一种，在操作过程中不会导致底加热W电极发生氧化反应。
4、制作具有氧化物加热层的相变存储器器件单元的方法，其特征在于具体步骤是：
(a)使用丙酮与酒精溶液，在超声波作用下清洗衬底，然后在衬底上，使用超高真空电子束蒸发的方法沉积氧化物材料，厚度为2-3nm的ZrO2、HfO2和Ta2O5氧化物材料中的任意一种，蒸发时本底真空为2×10-5Pa；
(b)在步骤(a)沉积的氧化物材料上使用磁控溅射的方法沉积的硫系化合物薄膜层与TiN薄膜层；溅射时本底真空为4×10-6Torr，溅射时真空分别为0.16与0.40Pa；
(c)使用微纳加工技术，形成TiN/硫系化合物/氧化物材料柱状结构；
(d)再在步骤(c)的形成的柱状结构上使用超高真空电子束蒸发的方法沉积一层SiO2覆盖层，使用微纳加工技术，在SiO2覆盖层内制备出柱状孔洞；
(e)再在步骤(d)形成的SiO2覆盖层上使用超高真空电子束蒸发的方法沉积Al电极，使金属Al进入SiO2覆盖层内柱状孔洞内，且与TiN完好接触，使用微纳加工技术，并且采用65℃水浴的磷酸介质作用下湿法刻蚀Al层，引出上、下电极，制备出具有氧化物材料的相变存储器器件单元；
所述的衬底是在单晶Si片上覆盖有下电极层；在下电极层上覆盖有SiO2绝热包裹介质层，SiO2绝热包裹介质层中存在孔洞；孔洞中包含与下电极相通的空心柱状W电极，W电极顶部与SiO2绝热层顶部平齐；衬底组成为Si/Ti/TiN/Al/SiO2。
5、按权利要求4所述的具有氧化物加热层的相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于具体步骤(b)中沉积的硫系化合物薄膜层为150-250nm，TiN薄膜为15-25nm。
6、按权利要求4所述的具有氧化物加热层的相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于具体步骤(c)形成的柱状TiN/硫系化合物/氧化物材料的截面为边长3-5μm的正方形。
7、按权利要求4所述的具有氧化物加热层的相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于具体步骤(d)形成的SiO2覆盖层厚度为150-250nm。
8、按权利要求4或7所述的具有氧化物加热层的相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于SiO2覆盖层内制备出的柱状孔洞的截面为边长1-2μm的正方形。
9、按权利要求4所述的具有氧化物加热层的相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于具体步骤(e)中沉积的Al电极厚度为250-350nm。
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