CN101226990A

CN101226990A - 用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层及实现方法

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Publication number: CN101226990A
Application number: CNA2008100335194A
Authority: CN
Inventors: 宋志棠; 徐成; 刘波; 封松林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2008-07-23

Abstract

本发明涉及一种氧化物隔热层可被用于降低相变存储器功耗的材料上的发现与单元器件结构上的改进及其实现方法，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氧化物隔热层，隔热层厚度控制在10nm以下。可选择的氧化物隔热层用材料包括TiO₂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。由于氧化物隔热层的良好热稳定性、远低于底加热W电极的热导率、与CMOS标准制造工艺相兼容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

用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层及实现方法

技术领域

本发明涉及用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层及实现的方法，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))。另外，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W底电极与硫系材料层之间插入隔热层的方法来改善器件的热效应，例如：1.插入无定型碳隔热层(J.Appl.Phys.94，3536～3542，2003)；或2.插入多晶锗硅隔热层(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隔热层来达到更好的热效应。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层及实现的方法，本发明旨在提出一种氧化物隔热层，被用来降低相变存储器单元功耗及其实现的方法。

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隔热层，隔热层材料不仅需要具有良好的热稳定性以保证在加热过程中隔热层材料的性质不会发生较大改变，以及具有比底加热W电极小很多的热导率保证热量不会通过底加热W电极大量散失，与CMOS标准制造工艺相兼容，而且需要与相变材料、W电极以及SiO₂绝热包裹层具有很好的黏附力。

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。所选择的氧化物材料不存在此类现象，能有效阻止高温情况下相变材料中的元素扩散，不会引起底W电极高温情况下的氧化，且与CMOS标准制造工艺相兼容，而且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，除此之外隔热层氧化物材料具有比底加热W电极低很多的热导率，从而有效的抑制了热量通过底加热W电极大量散失，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。

所用的氧化物隔热层厚度控制在10nm以下，以便使氧化物隔热层的植入不会导致整个存储器电阻的明显增加，所采用的氧化物隔热层的材料为TiO₂等，在隔热层制备的过程中不会导致底加热W电极发生氧化反应。且10nm以下的厚的氧化物隔热层已能有效的抑制硫系化合物中各元素向衬底方向扩散的趋势。

本发明提出的具有氧化物隔热层PCM结构的具体实现步骤为：

(1)使用丙酮与酒精溶液，超声波作用下清洗衬底，然后在衬底上使用溅射法、蒸发法、原子层沉积法、化学汽相沉积法、金属有机物热分解法或激光辅助沉积法中任意一种制备隔热层氧化物材料，其厚度为10nm以下；

(2)在步骤(1)沉积的隔热层上使用溅射法、蒸发法、原子层沉积法、化学汽相沉积法、金属有机物热分解法或激光辅助沉积法中任意一种制备硫系化合物薄膜层与TiN薄膜层；

(3)使用微纳加工技术，形成TiN/硫系化合物/隔热层氧化物柱状结构；

(4)再在其上使用溅射法、蒸发法、原子层沉积法、化学汽相沉积法、金属有机物热分解法或激光辅助沉积法中任意一种制备一层SiO₂薄膜，使用微纳加工技术，在SiO₂覆盖层内制备出柱状孔洞；

(5)然后再在其上使用溅射法、蒸发法、原子层沉积法、化学汽相沉积法、金属有机物热分解法或激光辅助沉积法中任意一种制备Al电极，使Al进入SiO₂覆盖层内柱状孔洞与TiN完好接触，使用微纳加工技术刻蚀Al层，引出上、下电极，即完成了相变存储器器件单元的制备。

所述的衬底其特征在于：在单晶Si片上覆盖有下电极层；在下电极层上覆盖有SiO₂绝热包裹层，SiO₂绝热层中存在孔洞；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；

所述的微纳加工技术其特征在于：通过紫外曝光、显影，剥离法或反应离子刻蚀的方法来实现；

所述的硫系化合物其特征在于：是Sb₂Te₃、Ge₁Sb₄Te₇、Ge₁Sb₂Te₄或Ge₂Sb₂Te₅中的一种，或其通过掺杂N、O、Si、Sn、Ag或In中一种或两种元素改性后得到的化合物。

由于氧化物隔热层的良好热稳定性、远低于底加热W电极的热导率、与CMOS标准制造工艺相兼容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。

附图说明

图1为本发明提供的相变存储器单元制备过程示意图

(a)在衬底上制备氧化物隔热层

(b)在氧化物隔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：

1.Si片基底；2.Ti/TiN/Al层；3.W底电极；4.SiO₂介质层

5.氧化物层；6.硫系化合物层；7.TiN层

8.SiO₂覆盖层；9.Al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隔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，然后在衬底上，使用磁控溅射的方法沉积隔热层氧化物材料的金属元素材料，厚度为4～5nm，溅射时本底真空为4×10^-6Torr，溅射时真空为0.18Pa，然后在高纯氧气(＞99.995％)气氛下580℃氧化10分钟，氧化后隔热层氧化物材料的厚度为10nm以下(图1，a)，使用的隔热层材料为TiO₂等；

(2)在氧化物隔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/隔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薄膜，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，本发明主要集中于在传统PCM结构中，于相变硫系化合物与底W电极之间植入一层7～8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，而且氧化物与上下薄膜层都由很好的黏附力，没有热扩散现象发生，与CMOS标准制造工艺相兼容，且具有较底加热W电极低很多的热导率，从而有效地抑制热量通过底加热W电极大量散失，具有提高器件热效应，降低功耗的显著作用。

Claims

1.用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层，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氧化物隔热层材料，与CMOS标准制造工艺相兼容，而且与相变材料、W电极以及SiO₂绝热包裹层具有很好的黏附力。

2.按权利要求1所述的氧化物隔热层用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层，其特征在于所述的氧化物隔热层的厚度控制在10nm以下，以便使氧化物隔热层的植入不会导致整个存储器电阻的明显增加。

3.按权利要求1所述的氧化物隔热层用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层，其特征在于所述的氧化物隔热层的材料为TiO₂，有效的抑制硫系化合物中各元素向衬底方向的扩散。

4.实现权利要求1-3中任一项所述的用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层的方法，其特征在于其具体步骤是：

(1)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，使用溅射法、蒸发法、原子层沉积法、化学汽相沉积法、金属有机物热分解法或激光辅助沉积法中任意一种制备隔热层氧化物材料，其厚度为10nm以下；

(2)在步骤1沉积的隔热层上使用溅射法、蒸发法、原子层沉积法、化学汽相沉积法、金属有机物热分解法或激光辅助沉积法中任意一种制备硫系化合物薄膜层与TiN薄膜；

(5)再在其上使用溅射法、蒸发法、原子层沉积法、化学汽相沉积法、金属有机物热分解法或激光辅助沉积法中任意一种制备Al电极，使Al进入SiO₂覆盖层内柱状孔洞与TiN完好接触，使用微纳加工技术刻蚀Al层，引出上、下电极，即完成了相变存储器器件单元阵列的制备。

5.按权利要求4所述的用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层的实现方法，其特征在于所述的衬底为在单晶Si片上覆盖有下电极层；在下电极层上覆盖有SiO₂绝热包裹层，SiO₂绝热层中存在孔洞；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。

6.按权利要求4所述的用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层的实现方法，其特征在于所述的微纳加工技术是通过紫外曝光、显影，剥离法或反应离子刻蚀的方法来实现。

7.按权利要求4所述的用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层的实现方法，其特征在于所述的硫系化合物薄膜层为Sb₂Te₃、Ge₁Sb₄Te₇、Ge₁Sb₂Te₄或Ge₂Sb₂Te₅中的一种，或其通过掺杂N、O、Si、Sn、Ag或In中一种或两种元素改性后得到的化合物。

8.按权利要求4所述的用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层的实现方法，其特征在于所述的硫系化合物薄膜层厚度为200nm。