CN101335328B

CN101335328B - 一种相变存储器器件单元结构及其制作方法

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Publication number: CN101335328B
Application number: CN2008100413935A
Authority: CN
Inventors: 吴良才; 宋志棠; 饶峰; 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: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: CN101335328A

Abstract

本发明涉及一种相变存储器器件单元结构及其制作方法，其特征在于将器件单元中的相变材料和加热电极的横向尺度控制在同一纳米区域范围，构成小加热电极操作小相变材料的结构。其制作方法是首先在衬底上制备介质材料层，然后通过标准的深亚微米工艺或FIB技术在介质材料层中制作出相变存储单元的加热电极，接着进行化学机械抛光，形成镶嵌在介质材料中的纳米加热电极，最后将加热电极顶部刻蚀掉一定厚度，从而在电极上端形成介质孔洞，在孔洞中填充相变材料，引出上电极，最终形成同时具有小电极和小相变材料的存储单元结构。优点是将相变材料限制在加热电极上端的介质孔洞里，阻止了相变材料在反复擦写过程中的扩散，更有利于降低存储单元的功耗。

Description

一种相变存储器器件单元结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种相变存储器器件单元结构及其制作方法，具体地说是一种同时实现小加热电极和小相变材料区域的存储单元结构及其制作方法。属于微电子学中纳米器件与制备工艺领域。

背景技术

动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)和闪速存储器(FLASH)等在各个方面起着重要作用，但目前还没有一种兼具DRAM的高容量低成本、SRAM的高速度、FLASH的数据非挥发性，同时又具有可靠性高、操作电压低、功耗又小的存储器，而这些特性恰恰是新一代消费类电子工业、计算机工业等领域所需要的存储技术。相变存储器(PCRAM)具有存储单元尺寸小、非挥发性、循环寿命长、稳定性好、功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸的微缩方面的优势尤为突出，业界认为在不久的将来FLASH将遭遇尺寸缩小限制，而PCRAM在65nm节点后会有越来越大的技术优势。因此，PCRAM被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商用前景。

国际知名半导体公司如英特尔、三星、意法半导体、飞利浦、国际商业机器公司和艾必达等均在花大量人力和物力对此技术进行开发，目前已研制出最大容量为512Mb的PCRAM试验芯片。我国从2003年开始进行PCRAM的研究，国家对该技术非常重视。目前PCRAM在国际上正处于产业化的前期，我国在新材料的研究和纳米加工方面与国际处于同步发展的水平，现在面临着大力发展和推广PCRAM技术的绝好机会。

目前相变存储器器件单元结构基本上都是蘑菇状结构，即利用小的加热电极操纵可逆相变材料(见图1a)；或者将相变材料填充在介质孔洞里，孔洞底部连接底电极(见图1b)。

发明内容

本发明提出一种相变存储器器件单元结构及其制作方法，提供的相变存储器器件单元中的可逆相变材料和加热电极的横向尺度控制在同一纳米区域范围，构成纳米尺度的小加热电极操作纳米尺度的小相变材料的结构。首先在衬底上制备介质材料层，然后通过标准的深亚微米工艺(比如90nm工艺)或聚焦离子束(FIB)技术在介质材料层中制作出相变存储单元的加热电极，接着进行化学机械抛光，形成镶嵌在介质材料中的纳米加热电极，最后将加热电极顶部刻蚀掉一定厚度的加热电极，从而在加热电极的上端形成介质孔洞，在所形成的介质孔洞中填充相变材料。最终形成同时具有小电极和小相变材料的存储单元结构，相变材料限制在加热电极上端的介质孔洞里，阻止了相变材料在反复擦写过程中的扩散，同时小加热电极操作小可逆相变区域的结构引出上电极，更加有利于降低存储单元的功耗，同时可靠性也大大提高。

本发明的具体工艺步骤如下：

(a)在Si衬底或其它衬底上淀积一层底电极，在底电极上生长100nm-900nn厚的SiO₂或SiN_x介质层；

(b)在上述介质层上利用电子束刻蚀技术或其它刻蚀技术制备纳米孔洞阵列，孔洞的直径在50nm-150nm，孔洞的底部与底电极相连；

(c)在孔洞内淀积加热电极材料，填满整个孔洞；

(d)采用化学机械抛光(CMP)将小孔外的介质材料(SiO₂或SiN_x等)和加热电极材料去除；

(e)刻蚀掉孔洞内一定厚度(几十纳米以上)的加热电极，从而在电极上端形成柱状加热电极顶端介质孔；

(f)在电极上端的柱状加热电极顶端介质孔中填充相变材料；

(g)通过刻蚀的方法形成T型相变材料的图形；

(h)制备上电极，形成可测试的相变存储单元。

所述的衬底材料无限制，可以是常用的Si片，GaAs等半导体材料，也可以是石英玻璃，陶瓷基片等介质材料或金属材料。金属材料作衬底时，直接作底电极(实施例2)。

所述的底电极不受限制，可以是铝、铜等常用的导体材料，其厚度为200-900nm。

所述的介质材料为常用的SiO₂、SiN_x等材料，厚度100nm-900nm。

所述的介质层上的孔洞可以用电子束光刻法、聚焦离子束刻蚀法、电子束曝光和反应离子刻蚀法等方法获得。

所述的加热电极的材料为W、Pt等具有一定电阻率的材料，甚至可以再在W、Pt等上沉积一层几个纳米厚的高电阻率的加热材料如TiW、TiN、Ge-Si-N、TiAlN等，具有一定电阻率的材料，从而提高加热效果，降低操作电流。

所述的相变材料无限制，可以为一切具有相变特性的材料，比如可以是Ge-Sb-Te系列，也可以是Si-Sb-Te系列，或Si-Sb等系列。

所述的上电极材料为Pt、Au或W等任何电极材料。

所述的刻蚀柱状加热电极顶端介质孔的方法可以用反应离子刻蚀，刻蚀气体为六氟化硫、四氟化碳、三氟甲烷等刻蚀气体。

所述的刻蚀掉一定厚度的加热电极，从而在电极上端形成介质孔洞的方法不限于反应离子刻蚀技术，可以是其它刻蚀技术，只要对加热电极和介质材料具有一定的刻蚀选择比。

所述的在孔洞中填充相变材料的方法可以是化学气相沉积(CVD)，原子层沉积(ALD)，或原子层气相沉积(AVD)方法，但不局限于这些方法。

本发明提供了一种相变存储器器件单元结构及其制作方法，器件单元中的相变材料和加热电极可以同时控制在纳米尺度，构成小加热电极操作小相变材料的结构。本发明同样适用于其它需要小电极和小有源区的器件。

具体地说，本发明提供一种相变存储器器件单元结构，其特征在于：

(a)可逆相变材料和加热电极的横向尺度控制在同一纳米尺度范围，更加有利于降低存储单元的功耗；所述的纳米尺度范围为50nm～150nm；

(b)只需采用刻蚀的方法，即利用加热电极和介质材料的不同刻蚀速率，刻蚀掉加热电极顶端部分即可形成填充相变材料的孔洞，不需要另外增加一块光刻版；

(c)实现加热电极和相变区域自对准，不存在后续工艺的对准问题；

(d)从图1(c)和图5可知将可逆相变材料限制在加热电极顶端的同一介质孔洞里，可逆相变材料呈T型结构，使发生相变的区域限制在孔洞中，最大可逆相变区域横向尺寸只能是介质孔洞直径大小，从而阻止了相变区域在反复擦写过程中的不断扩大，器件可靠性大大提高。

本发明提出一种相变存储器器件单元结构及其制作方法，同时实现小加热电极和小相变材料区域的存储单元结构(见图1c)，不需要另外增加一块光刻版，只需利用选择刻蚀的方法即可在加热电极上端形成填充相变材料的介质孔洞，实现加热电极和相变区域自对准。这样的存储单元结构的优点是将可逆相变区域限制在加热电极上端的介质孔洞里，阻止了相变材料在反复擦写过程中的扩散，同时更加有利于降低存储单元的功耗，可靠性也大大提高。

可对本发明提供的相变存储器器件单元进行写、擦、读操作，研究其存储特性和疲劳特性，以进一步提高性能和可靠性。

附图说明

图1(a)蘑菇状结构的存储单元结构示意图

(b)相变材料填充在介质孔洞中的存储单元结构示意图

(c)本发明提供的存储单元基本结构示意图

图2已制备好加热电极的器件结构

图3形成柱状加热电极顶端介质孔的器件结构

图4孔内填充相变材料后的器件结构

图5刻蚀相变材料后的器件结构

图6制备了绝热材料后的器件结构

图7形成上电极后的器件结构

其中，1.底电极；2.介质层；3.柱状加热电极；4.相变材料；5.上电极；6.柱状加热电极顶端介质孔；7.绝热层；8.上电极引出孔。

具体实施方式

下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于所述的实施例。

实施例1：

(1)在覆盖有SiO₂介质的Si衬底上利用磁控溅射或蒸镀的方法制备一层200nm厚的Al膜作为底电极；

(2)利用PECVD或溅射的方法在底电极Al膜上制备200nm厚的SiO₂；

(3)在上述200nm厚SiO₂上利用电子束刻蚀技术制备纳米孔洞，孔洞底部与底电极相连，孔洞直径在50nm-150nm范围；

(4)利用ALD技术在孔洞里淀积W薄膜，直至孔洞填满；

(5)利用CMP技术抛掉孔洞以外区域的W、SiO₂介质，形成SiO₂介质中镶嵌有柱状W加热电极的结构；(图2)

(6)利用W和SiO₂介质的不同刻蚀速率，利用RIE(反应离子刻蚀)方法刻蚀掉一定厚度(50-100nm)的W加热电极顶端，在W加热电极顶端形成介质孔，刻蚀气体为六氟化硫；(图3)

(7)利用ALD、PVD在W加热电极顶端的介质孔中填充相变材料Ge-Sb-Te；(图4)

(8)利用刻蚀技术制备出相变材料单元(图5)；

(9)制备绝热材料SiO₂，在SiO₂绝热材料上开孔；(图6)

(10)制备上电极，从而得到相变存储器器件单元；(图7)

(11)将该相变存储器器件单元连接到电学测量系统中，进行相变存储器器件单元的写、擦、读操作，研究其存储特性和疲劳特性等。

实施例2：

将实施例1的Si衬底换成金属衬底，如Al、Au等，金属衬底直接作为底电极，其它同实施例1的第2至第11步，可得到与实施例1类似的结果。

Claims

1.一种相变存储器器件单元结构，所述的相变存储器器件单元中的可逆相变材料和加热电极的横向尺度控制在同一纳米尺度范围，构成纳米尺度的小加热电极操作纳米尺度的小相变材料的结构；其特征在于可逆相变材料限制在柱状加热电极顶端的同一介质孔洞里，可逆相变材料呈T型结构，使发生相变的区域限制在孔洞中。

2.按权利要求1所述的相变存储器器件单元结构，其特征在于加热电极和相变材料区域自对准。

3.按权利要求1所述的相变存储器器件单元结构，其特征在于所述的同一纳米尺度范围为50nm～150nm。

4.制作如权利要求1所述的相变存储器器件单元结构的方法，其特征在于首先在衬底上制备介质材料层，然后在介质材料层中制作出相变存储单元的加热电极，接着进行化学机械抛光，形成镶嵌在介质材料中的纳米加热电极，最后刻蚀掉一定厚度的加热电极，从而在加热电极上端形成介质孔洞，在所形成的介质孔洞中填充相变材料，通过刻蚀方法形成T型相变材料的图形，最终形成同时具有纳米尺度小电极和纳米尺度小相变材料的存储单元结构。

5.按权利要求4所述的相变存储器器件单元结构的制作方法，其特征在于具体工艺步骤为：

(a)在衬底材料上淀积一层底电极，在底电极上生长SiO₂或SiN_x介质层；

(b)在步骤a制成的介质层上利用电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、电子束曝光或反应离子刻蚀方法制备纳米孔洞阵列，孔洞的直径在50nm-150nm，孔洞的底部与底电极相连；

(c)在步骤b形成的纳米孔洞内淀积加热电极材料，填满整个孔洞；

(d)采用化学机械抛光方法将孔洞外的介质材料和加热电极材料去除；

(e)刻蚀掉孔洞内50-100纳米厚度的加热电极，从而在加热电极的上端形成柱状加热电极顶端介质孔；

(f)在加热电极上端的柱状加热电极顶端介质孔中填充相变材料；

(g)刻蚀相变材料，形成相变材料阵列；

(h)制备上电极，形成可测试的相变存储单元。

6.按权利要求5所述的相变存储器器件单元结构的制作方法，其特征在于所述的衬底材料为半导体材料、介质材料或金属材料；所述的半导体材料为Si或GaAs；所述的介质材料为石英玻璃或陶瓷基片；金属材料为衬底材料时直接作为底电极。

7.按权利要求5所述的相变存储器器件单元结构的制作方法，其特征在于在衬底材料上淀积的底电极厚度为200nm～400nm。

8.按权利要求5所述的相变存储器器件单元结构的制作方法，其特征在于所述的介质材料为SiO₂或SiN_x，厚度为100nm～900nm。

9.按权利要求5所述的相变存储器器件单元结构的制作方法，其特征在于纳米孔洞内淀积的加热电极材料为W或Pt；或在W或Pt上沉积一层几个纳米厚的高电阻率的加热材料TiW、TiN、Ge-Si-N或TiAlN。

10.按权利要求4或5所述的相变存储器器件单元结构的制作方法，其特征在于：

(a)用反应离子刻蚀方法在加热电极上端形成孔洞，刻蚀气体为六氟化硫、四氟化碳或三氯甲烷；

(b)在步骤a形成的孔洞中填充相变材料的方法为CVD、ALD或AVD。