CN101789491B - 相变存储单元结构、其制备方法及相变存储阵列制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及相变存储单元结构，该结构包括一对共面的、分开的电极；以及所述共面的电极之间的相变材料层，该相变材料层两端分别与电极接触，形成接触部，所述相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度。采用本发明的相变存储器采用三维结构，外围电路全部埋置于相变存储阵列下面，使得外围电路面积不会影响整个芯片的面积，相变存储器阵列位于外围电路的上方，布满整个芯片，最大程度利用了芯片的面积，提高器件密度。器件结构采用横向结构，比起纵向结构，在实现同样的结构图形的情况下，简化工艺。器件中相变材料在电极处分布薄，在中心区域分布厚，可以保证电极和相变材料接触面积小的同时，进一步提高电流密度，降低功耗。

Description

相变存储单元结构、其制备方法及相变存储阵列制备方法

技术领域

本发明属于微纳电子学技术领域。尤其是一种相变存储单元结构、制备方法以及相变存储阵列制备方法。

背景技术

相变存储器技术是基于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)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。

相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。

相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号：擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。

目前，从减小操作电流的目的出发，国际上的多数研究机构不断地尝试开发新型的相变存储器器件结构，一方面是在纵向结构中减少电极和相变材料的接触面积，提高电流密度，进而提高加热效率，降低功耗(如JJAP 48(2009)064505)，另一方面采用横向结构制造相变存储器器件(如Nat Mater，2005(4)347，CHIN.PHYS.LETT.Vol.25No.11(2008)4174)。其中横向相变单元阵列和现有OUM器件单元相比，在工艺上更简单，对电极材料的限制较少。但在横向结构中，横向尺寸较大，电极之间的宽度在5000nm以上，集成度不能做的很高，限制了器件的高密度发展。

鉴于此，有必要设计一种新的相变存储器单元结构以解决上述技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种相变存储单元结构、制备方法以及相变存储阵列制备方法，有助于制备新型的高密度低功耗相变存储器。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种相变存储单元结构，该结构包括一对共面的、分开的电极；以及所述共面的电极之间的相变材料层，该相变材料层两端分别与电极接触，形成接触部，所述相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度。

本发明进一步包括一种相变存储单元结构的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)在硅片上沉积SiO₂；

2)在SiO₂上刻蚀沟槽，形成电极图形；

3)填充电极；

4)在电极上沉积相变材料形成相变材料层；

5)然后采用RIE刻蚀形成相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度；

6)填充介质材料使相变存储单元之间隔离。

本发明还包括一种二极管驱动相变存储阵列的制备方法，其包括以下步骤：

A、在硅片上依次制备外围电路、字线以及位线；

B、将包含外围电路、字线以及位线的硅片表面平坦化；

C、制备含有PN结的外延片；

D、将表面平坦化的硅片和含有PN结的外延片键合；

E、之后在步骤D获得的结构上沉积SiO₂，然后在SiO₂上刻蚀沟槽，然后填充金属电极；

F、在金属电极上沉积相变材料，然后采用RIE刻蚀形成相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度；

G、接着填充介质材料使相变存储单元之间隔离；

H、用化学机械抛光将在步骤G之后获得的结构表面平坦化，然后重复前述C-E步骤n次，n大于2，形成二极管驱动相变存储阵列。

本发明的相变存储单元采用三维结构，外围电路全部埋置于相变存储阵列下面，使得外围电路面积不会影响整个芯片的面积，相变存储阵列位于外围电路的上方，布满整个芯片，最大程度利用了芯片的面积，提高器件密度。器件结构采用横向结构，比起纵向结构，在实现同样的结构图形的情况下，简化工艺。器件中相变材料在电极处分布薄，在中心区域分布厚，可以保证电极和相变材料接触面积小的同时，进一步提高电流密度，降低功耗。

附图说明：

图1a是现有横向结构的相变存储器的三维图；1b是现有横向结构的相变存储器沿着II’线在yz平面上的剖面图；

图2a是实施例一中本发明中的横向结构的相变存储器的三维图；图2b是实施例一中本发明中的横向结构的相变存储器沿着II’线在yz平面上的剖面图。

图3是实施例一相变存储器的结构示意图。

图4a是在现有横向结构中施加1.02mA使得器件最高温度Tmax在950K时等分温度20份的等温线图；图4b在实施例一的结构中，施加0.75mA使得器件最高温度Tmax在950K等分温度20份的等温线图。

图5现有结构和实施例一横向结构的器件电阻和电流的关系曲线图。

图6本发明实施例一中相变存储单元工艺过程图。

图中主要标记说明：

11现有横向结构三维图中的电极W

12现有横向结构三维图中的相变材料GST

13现有横向结构三维图中的电极W

14，16现有横向结构II‘截面中的电极W

15现有横向结构II‘截面中的电极相变材料GST

17现有横向结构II‘截面中的介质材料SiO₂

21实施例一中的电极W

22实施例一中的相变材料GST

23实施例一中的电极W

24，46实施例一中的电极W

25，47实施例一中的相变材料GST

26，48实施例一中的电极W

27，49实施例一中的介质材料SiO₂

31实施例二中的电极W

32实施例二中的相变材料GST

33实施例二中的电极W

34实施例二中的介质材料SiO₂

35实施例二中的介质材料SiO₂

36实施例二中的二极管

37实施例二中的外围电路

38实施例二中的技术材料位线

39实施例二中的技术材料字线

41，43现有横向结构中的电极W

42现有横向结构中的相变材料GST

44现有横向结构中的介质材料SiO₂

45现有横向结构中的等温线

50实施例一中的等温线

具体实施方式

请参照图2a至2b所示，一种相变存储单元结构，其特征在于：该结构包括一对共面的、分开的电极；以及所述共面的电极之间的相变材料层，该相变材料层两端分别与电极接触，形成接触部，所述相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度。该厚度是指相变材料层在图1(a)所述的z方向上的高度。即中间的高度大于两边的高度。

在本发明中优选的一个实施例为所述相变材料层为三棱柱，其沿z方向的截面(图1a或2a中沿II’方向剖开)为等腰三角形或等边三角形。

所述的相变存储结构和现有的横向结构图1a至1b相比，相变材料层表现为中间部分和边缘部分(和两电极接触部分)的厚度不一致。相变材料层在z方向上的截面采用一个等腰三角形的图像，这样的结构能够在电极接触部分很好的限制电流，所以在相同的电流操作中，电极接触部分的电流密度远远比现有结构(如图1)的电流密度要大。电流密度直接影响器件的加热情况。电流密度越大，产生的热量越多，在相同电流操作中，熔融的相变材料越多，越容易实现RESET。另一方面，接触面积小，能够很好的控制热量扩散，保证器件中的加热效率。

从图4a中可以看出，现有结构中相变材料中的等温线分布较新结构(图4b)的等温线密集，也就是说新结构中相变材料部分的温度一致性好，这样对材料的稳定性有益。

而且，相变材料中稀疏的等温线说明在器件达到相同的温度情况下，新结构能包含更多的熔融区域，从而更容易实现RESET操作。

本发明还涉及一种上述相变存储单元结构的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)在硅片上沉积SiO₂；

2)在SiO₂上刻蚀沟槽，形成电极图形；我们可以使用混合曝光的方法制备，电子束曝光制备电极间距以及混合光刻的标记层，该层曝光使用PMMA抗蚀剂

3)填充金属电极。可以用电子束曝光制备与相变材料接触的电极部分，该层曝光使用SU8作为抗蚀剂；

4)在电极上沉积相变材料。可以使用电子束曝光制备相变材料横向图像，形成纳米线，使用SU8作为抗蚀剂。

5)然后采用RIE刻蚀形成相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度；该厚度是指相变材料层在图1(a)所述的z方向上的高度。即中间的高度大于两边的高度。请参照图2a至2b所示；

6)填充介质材料使存储单元之间实验隔离；

本发明还包括一种二极管驱动相变存储阵列的制备方法，其包括以下步骤

A、采用常规工艺在硅片上依次制备外围电路、字线以及位线；

B、将包含外围电路、字线以及位线的硅片表面平坦化；

C、制备含有PN结的外延片；

D、将表面平坦化的硅片和含有PN结的外延片键合；

E、之后在步骤D获得的结构上沉积SiO₂，然后在SiO₂上刻蚀沟槽，然后填充金属电极；

F、在金属电极上沉积相变材料，然后采用RIE刻蚀形成相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度；该厚度是指相变材料层在图1(a)所述的z方向上的高度。即中间的高度大于两边的高度。请参照图2a至2b所示；

G、接着填充介质材料使相变存储单元之间隔离；

H、用化学机械抛光将在步骤G之后获得的结构表面平坦化；

I、然后重复前述C-H步骤n次，n大于2，形成二极管驱动相变存储阵列。

通过重前述C-H步骤，可以实现二极管驱动相变存储阵列的叠加，提高存储密度。

如图3所示，字线，位线和外围电路(只要包括选址器电路，译码器电路和字线，位线驱动电路等)可以全部埋置于相变存储阵列下面，这样使得外围电路的面积不会影响到整体芯片的面积。相变存储单元阵列位于外围电路上方，布满整个芯片，最大程度的利用了芯片面积。

对于某个条件下最优结构尺寸，在大规模集成电路中，随着集成电路密度的增加，该发明单元结构尺寸可以等比缩小。

在材料的选取上，要考虑到材料的电导率，热导率，热容，介电常数等材料性质。介质材料可以是SiO₂，ZrO₂，TiO₂，、Y₂O₃、Hf₂O、Ta₂O₅、非晶Si，C等低电导率低热导率的材料。相变材料可是GeSbTe，SiSbTe，SiSe，，SiSb等材料。

本发明结合了纵向结构中减少电极和相变材料接触面积能够提高电流密度的优点，同时采用三维结构制造器件，能够在较简单的工艺中，提高器件密度，降低器件功耗。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种相变存储单元结构，其特征在于：该结构包括一对共面并且分开的电极以及位于所述共面的电极之间的相变材料层，该相变材料层两端分别与电极接触，形成接触部，所述相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度。

2.如权利要求1所述的一种相变存储单元结构，其特征在于：所述相变材料层沿z方向的截面为等腰三角形，所述z方向为相变材料层的厚度方向。

3.如权利要求1所述的一种相变存储单元结构，其特征在于：所述相变材料层沿z方向的截面为等边三角形，所述z方向为相变材料层的厚度方向。

4.如权利要求1所述的一种相变存储单元结构，其特征在于：所述电极的材料为W、TiN、Ta、Pt中的一种。

5.一种如权利要求1所述的相变存储单元结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在硅片上沉积SiO₂；

2)在SiO₂上刻蚀沟槽，形成电极图形；

3)填充电极；

4)在电极上沉积相变材料形成相变材料层；

5)然后采用RIE刻蚀形成相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度；

6)填充介质材料使相变存储单元之间隔离。

6.如权利要求5所述的相变存储单元结构的制备方法，其特征在于，所述步骤5)采用RIE刻蚀形成相变材料层沿z方向的截面为等腰三角形，所述z方向为相变材料层的厚度方向。

7.如权利要求5所述的相变存储单元结构的制备方法，其特征在于，所述步骤5)采用RIE刻蚀形成相变材料层沿z方向的截面为等边三角形，所述z方向为相变材料层的厚度方向。

8.如权利要求5所述的相变存储单元结构的制备方法，其特征在于，所述电极的材料为W、TiN、Ta、Pt中的一种。

9.一种包括权利要求1所述的相变存储单元结构的二极管驱动相变存储阵列的制备方法，其包括以下步骤：

A、在硅片上依次制备外围电路、字线以及位线；

B、将包含外围电路、字线以及位线的硅片表面平坦化；

C、制备含有PN结的外延片；

D、将表面平坦化的硅片和含有PN结的外延片键合；

E、之后在步骤D获得的结构上沉积SiO₂，然后在SiO₂上刻蚀沟槽，然后填充金属电极；

F、在金属电极上沉积相变材料，然后采用RIE刻蚀形成相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度；

G、接着填充介质材料使相变存储单元之间隔离；

H、用化学机械抛光将在步骤G之后获得的结构表面平坦化，然后重复前述C-E步骤n次，n大于2，形成二极管驱动相变存储阵列。

10.如权利要求9所述的二极管驱动相变存储阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤F中采用RIE刻蚀形成相变材料层沿z方向的截面为等腰三角形，所述z方向为相变材料层的厚度方向。

Images