CN101872839B - 稳定阈值电压的低功耗相变存储器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稳定阈值电压的低功耗的相变存储器及其制造方法，该相变存储器包括：上电极、下电极、位于上、下电极之间的相变材料层以及与所述相变材料层接触的保温层；所述相变材料层的厚度大于3nm，并且小于等于d，d为擦操作时在所述相变材料层底面从下电极边缘到非晶区域边缘的最小距离。本发明提出了最佳的相变材料层厚度，一方面能够有效的限制相变区域，保证器件操作时获得稳定的阈值电压，另一方面有效地控制热量分布，提高器件操作的热效率，降低器件功耗。

Description

稳定阈值电压的低功耗相变存储器及其制造方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种相变存储器及其制造方法，尤其是指一种稳定阈值电压的低功耗的相变存储器及其制造方法。

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。

人们对降低器件功耗做了许多工作，包括提出各种改良结构，像环形电极(Ahn，S.J.et al.，Highly reliable 50nm contact cell technology for256Mb PRAM，Symposium on VLSI Technology，2005.page 98-99)，或者通过相变材料和加热电极的横向电极尺度控制在同一纳米区域范围(申请号：200810041393.5)；如生长直径和高度可以控制在50nm左右相变纳米点(申请号：200510030637.6)；如相变材料中填充绝缘绝热材料(申请号：200810034940.7)，(申请号：200610028107.2)，(申请号：200810033601.7)或者直接做成环形相变材料结构(申请号：200710043924.X(已授权))；如通过绝热层的排挤发生相变区域的尺寸大约在2到200nm范围(申请号：200410053752.0)；或者直接把相变材料层做成形成两头粗、中间细的形状，可以通过不同腐蚀速率腐蚀液腐蚀上下电极和合金(申请号：200310109372.X)；还有可以制作出“倒塔”型纳米级相变存储单元凹孔阵列倒塔内可填充相变材料和电极材料(申请号：200710044609.9)；或者采用横向器件结构，在碳纳米管上沉积相变材料，横向直径可以控制在100nm(申请号：200910045816.5)；或者添加如加热层材料为ZrO₂，HfO₂，Ta₂O₅(申请号200710044476.5)，TiO₂(申请号：200810033519.4)、Ti(申请号200910045929.5)的保温层，这些工作有效地降低了器件操作的功耗，但是各个研究中没有提到对相变材料厚度的限制。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器及其制作方法，提出最佳相变材料厚度，一方面保证器件提供稳定的阈值电压，另一方面实现降低功耗。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器，包括：上电极、下电极、位于上、下电极之间的相变材料层以及与所述相变材料层接触的保温层；所述相变材料层的厚度大于3nm，并且小于等于d，d为擦操作时在所述相变材料层底面从下电极边缘到非晶区域边缘的最小距离。

其中，所述保温层采用电导率要比所述相变材料层的电导率低的材料，可以是其他相变材料，也可以是多晶锗(poly_Ge)、氧化钨(WO₃)、氧化钛(TiO₂)中的一种或多种。所述保温层位于所述相变材料层与下电极之间，或所述相变材料层与上电极之间。在下电极上可以沉积过渡层，如ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂、Pt、Ti、TiN、LaNiO₃、LaSrCoO₃、LaSrMnO₃、SrRuO₃、CaRuO₃或者GeSiN。

由于非晶区域会随施加电流的大小而变化，因此d也会随施加电流的大小而变化，另外器件的尺寸、材料等对d的值也有影响。因此为了找到具体器件的相变材料厚度的上限值，使其小于等于d，则需要通过对具体器件进行计算模拟。

因此本发明还提供一种确定相变存储器中相变材料层厚度上限的方法，其特征在于：计算电热耦合温度场，模拟相变存储器的擦操作过程，通过调整相变材料的厚度，找到当相变材料中的非晶区域刚达到相变材料顶端时，在相变材料底面从下电极边缘到非晶区域边缘的最短距离d与该相变材料厚度相等的情况，此时相变材料的厚度值即为相变材料层厚度的上限x。

通过上述的方法，当下电极直径为100nm时，所述相变材料层的厚度在3nm-50nm之间；当下电极直径为50nm时，所述相变材料层的厚度在3nm-37nm之间。

一种所述稳定阈值电压的低功耗相变存储器的制造方法包括如下步骤：

a)对衬底用光刻工艺刻蚀出第一窗口，在第一窗口中填充电极材料，形成下电极；

b)在下电极上沉积介质材料，并用光刻工艺刻蚀出第二窗口，露出所述下电极；

c)在第二窗口中沉积相变材料，使其厚度在3nm-xnm之间，其中，相变材料层厚度的上限x根据上述方法确定；

d)在所述相变材料上沉积保温层；

e)在所述保温层上覆盖一层电极材料，并刻蚀形成上电极；

f)填充介质材料，并制备位线。

其中，所述保温层的材料可以采用电导率比所述相变材料层低的其他相变材料，或者可以采用多晶锗、氧化钨、氧化钛中的一种或多种。所述相变材料层与下电极之间可以沉积有过渡层，所述过渡层的材料选自ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂、Pt、Ti、TiN、LaNiO₃、LaSrCoO₃、LaSrMnO₃、SrRuO₃、CaRuO₃、GeSiN中的一种或多种。

本发明的有益效果在于：

在本发明中，通过限制相变材料厚度，能够有效地控制非晶区域，得到稳定的非晶厚度值，从而得到稳定的阈值电压，这点对于器件稳定性有很大作用。

但是另一方面，降低相变材料厚度造成热散失增加，要实现操作就需要更高的功耗，因此在本发明中提出添加电导率比相变材料低的材料作为保温层，因为降低保温层材料电导率能够有效提高保温层的加热效率，有效地控制热量分布，提高器件操作的热效率，降低器件功耗。

同时，对相变材料的最佳厚度做出了规定，控制相变材料的厚度下限为3nm。相变材料厚度上限需要通过电热耦合温度场计算，在RESET操作(低阻到高阻)中，模拟相变材料中的非晶区域刚好接触到上层材料，比较相变材料垂直厚度和下电极边缘到非晶区域边缘的最小距离d，从而找到该上限值。这种确定上限的方法使相变材料的厚度保持为擦操作时非晶区域的边缘到下电极的最短距离，即非晶区域的最薄厚度，从而在进行SET操作时获得稳定的阈值电压。

附图说明

图1是传统相变存储器结构的剖面轴对称示意图；

图2是本发明一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器结构的剖面轴对称示意图；

图3是本发明的变存储器擦操作时相变材料中非晶区域的分布示意图；

图4是是在工艺特征尺寸90nm下制造的，下电极直径为100nm时，用(a)传统结构GST厚度为250nm结构、(b)传统结构GST厚度为50nm结构、(c)改进结构保温层材料为WO₃，GST厚度为50nm结构、(d)改进结构保温层为TiO₂，GST厚度为50nm结构，分别实现RESET操作下的电流电阻曲线图；

图5是在工艺特征尺寸90nm下制造的，下电极直径为100nm时，用(a)传统结构GST厚度为250nm结构、(b)传统结构GST厚度为50nm结构、(c)改进结构保温层材料为WO₃，GST厚度为50nm结构、(d)改进结构保温层为TiO₂，GST厚度为50nm结构，分别在不同电流脉冲实现RESET操作进行SET操作时的阈值电压V_th特性图；

图6a是在工艺特征尺寸90nm下制造的，下电极直径为100nm时，用传统结构GST厚度为250nm结构实现RESET操作时，非晶区域的分布情况示意图；

图6b是在工艺特征尺寸90nm下制造的，下电极直径为100nm时，用传统结构GST厚度为50nm结构实现RESET操作时，非晶区域的分布情况示意图；

图7a是在工艺特征尺寸45nm下制造的，下电极直径为50nm时，相变材料厚度为50nm时，非晶区域的分布情况示意图；

图7b在工艺特征尺寸45nm下制造的，下电极直径为50nm时，相变材料厚度为37nm时，非晶区域的分布情况示意图；

图8-11是实施例1中个步骤的示意图；

图12是实施例2制备的稳定阈值电压的低功耗相变存储器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施方式。

图1是传统相变存储器结构的剖面轴对称示意图，其中，11为上电极、12为相变材料层、13为下电极、14为介质材料，在这种传统的结构中，相变材料层一般比较厚。图2是本发明一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器结构的剖面轴对称示意图，其包括：上电极21、下电极23、位于上电极21和下电极23之间的相变材料层22以及与所述相变材料层22接触的保温层26；其中，所述相变材料层的厚度h大于3nm，并且小于等于d，d为擦操作时相变材料层底面下电极边缘到非晶区域边缘的最小距离，如图3所示。通过图1与图2的对比，可见本发明限制了相变材料的厚度，能够有效地控制非晶区域，使擦操作时相变材料层的厚度h作为非晶区域的最薄厚度，从而得到稳定的阈值电压。

其中，所述保温层采用电导率比所述相变材料层的电导率低的材料，可以是其他相变材料，也可以是多晶锗(poly_Ge)、氧化钨(WO₃)、氧化钛(TiO₂)中的一种或多种。所述保温层位于所述相变材料层与下电极之间，或所述相变材料层与上电极之间。在下电极上可以沉积过渡层，如ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂、Pt、Ti、TiN、LaNiO₃、LaSrCoO₃、LaSrMnO₃、SrRuO₃、CaRuO₃或者GeSiN。所述相变材料层可以采用如GeSbTe(GST)、SiSbTe、SiSe或SiSb等材料。所述上电极和下电极的材料可以是W、TiN、Ta、Pt等。

由于非晶区域会随施加电流的大小而变化，因此d也会随施加电流的大小而变化，另外器件的尺寸、材料等对d的值也有影响。因此为了找到具体器件的相变材料层厚度的上限值，使其小于等于d，则需要通过对具体器件进行计算模拟：计算电热耦合温度场，模拟相变存储器的擦操作过程，通过调整相变材料的厚度，找到当相变材料中的非晶区域刚好达到相变材料顶端时，d与该相变材料厚度相等的情况，此时相变材料的厚度值即为相变材料层厚度的上限x。即相变材料层的最佳厚度在3nm-xnm之间。也就是说，当相变材料中的非晶区域刚接触到上层材料时比较相变材料厚度和d，如果相变材料厚度小于d，说明该厚度符合产生稳定阈值电压的要求；如果相变材料厚度大于d，则将相变材料厚度减薄，直至相变材料厚度等于或小于d，该器件即可产生稳定的阈值电压。

通过上述的方法计算模拟得到，在工艺特征尺寸90nm下制造的器件，相变材料为GST，下电极直径为100nm时，所述相变材料层的厚度在3nm-50nm之间；在工艺特征尺寸45nm下制造的器件，相变材料为GST，下电极直径为50nm时，所述相变材料的厚度在3nm-37nm之间。

图4中可以看到采用相同的器件结构，相变材料GST越薄，RESET电流越大，器件功耗越大。但是另一方面，从图5中可以看出相变材料厚度为50nm的器件在不同电流脉冲实现RESET操作再进行SET操作时的阈值电压V_th都很稳定。这是因为根据计算最小阈值电压的公式(见参考文献Karpov，V.G.et al.，Applied Physics Letters，90，123504(2007))

$V_{\mathrm{th},\min }=l*\sqrt{\frac{2\mathrm{KT}}{{R_0}^3\mathrm{\ϵ}}}=l*\sqrt{\frac{2*0.03}{{\left(3.0\right)}^3*10}}=0.0149*l$

式中KT为热起伏能，R₀为临介成核半径，ε为介电常数，l为非晶区域最薄部分的厚度。且根据参考文献给出的数值可设定热起伏能KT为0.03ev，临介成核半径R₀为3nm，介电常数ε取10。可见最小阈值电压取决于l。

如图6a和6b所示，对工艺特征尺寸90nm下制造的下电极直径为100nm的器件，当相变材料GST厚度为50nm时(图6b)，器件要实现RESET，分别给器件施加电流2.6mA、3mA和3.3mA，因为相变材料层很薄，熔融的GST维持在50nm，淬火结晶后，非晶区域最薄部分的厚度即为50nm；对于GST厚度为250nm的器件(图6a)，器件要实现RESET，分别给器件施加电流1.3mA、1.6mA和2mA，熔融区域不断在变大，非晶区域最薄部分的厚度也一直在变大，因此该器件阈值电压有如图4所示的一个随着RESET电流线性增加的关系。

将相变材料厚度最薄限制在3nm是因为根据文献报道(S.Raoux et al.，IBMJ.RES.&DEV.，Vol.52 No.4/5(2008))，相变材料只有在大于3nm的厚度下材料才能实现电阻突变。

将相变材料厚度最厚限制在50nm是因为通过模拟我们发现擦操作时相变材料层底面下电极边缘到非晶区域边缘的最小距离d与该相变材料厚度h相等时，取值为50nm，而当h＜d时，非晶区域受到相变材料厚度的限制，其最薄部分的厚度1应该取h的值；如果相变材料厚度h超过50nm，非晶区域不受限制，非晶区域最薄部分的厚度1的取值从纵向的相变材料厚度h变为横向的距离d，这样就增加了阈值电压的不稳定性。

不同的下电极对于相变材料厚度的限制不一样。如图7a和7b所示，在工艺特征尺寸45nm下制造的器件，下电极直径为50nm。擦操作时，在相变材料层底面下电极边缘到非晶区域边缘的最小距离d为37nm，图7a中显示，非晶区域最薄部分的厚度1分布在下电极边缘到非晶区域边缘，因此随着操作电流变大，非晶区域最薄部分的厚度1最终会变为50nm，1的变化造成了阈值电压(V_th)的变化。而如图7b，通过把相变材料层厚度减薄到37nm，同样能得到距离d为37nm，但随着操作电流变大，非晶区域最薄部分的厚度1最终维持在37nm，稳定的1形成稳定的阈值电压(V_th)。

这种稳定阈值电压的低功耗相变存储器的制造方法包括如下步骤：

a)对衬底用光刻工艺刻蚀出第一窗口，在第一窗口中填充电极材料，形成下电极；

b)在下电极上沉积介质材料，并用光刻工艺刻蚀出第二窗口，露出所述下电极；

c)在第二窗口中沉积相变材料，使其厚度在3nm-xnm之间，其中，相变材料层厚度的上限x根据前述的模拟方法确定；

d)在所述相变材料上沉积保温层；

e)在所述保温层上覆盖一层电极材料，并刻蚀形成上电极；

f)填充介质材料，并制备位线。

其中，所述保温层的材料可以采用电导率比所述相变材料层低的其他相变材料，或者可以采用多晶锗、氧化钨、氧化钛中的一种或多种。所述相变材料与下电极之间可以沉积有过渡层，所述过渡层的材料选自ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂、Pt、Ti、TiN、LaNiO₃、LaSrCoO₃、LaSrMnO₃、SrRuO₃、CaRuO₃、GeSiN中的一种或多种。在下电极上可以沉积过渡层，如ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂、Pt、Ti、TiN、LaNiO₃、LaSrCoO₃、LaSrMnO₃、SrRuO₃、CaRuO₃或者GeSiN。所述相变材料层可以采用如GeSbTe(GST)、SiSbTe、SiSe或SiSb等材料。所述上电极和下电极的材料可以是W、TiN、Ta、Pt等。所述介质材料可以是SiO₂、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、Hf₂O、Ta₂O₅、ZrO₂等介质材料，也可是高阻的非晶Si，C，GeSi等材料。

制备过程中，通过纳米加工实现尺寸一致的高密度阵列，在制备工艺中通过CMP技术来实现平坦化。本发明所述的稳定阈值电压的低功耗相变存储器是一种可实现对信息的写入、擦除和读出功能的非易失性半导体存储器。其中，构成该相变存储器的存储单元的几何形状可以为上下电极的纵向结构，也可以为横向结构，即上电极和下电极在同一平面上。

以下是采用本发明制备方法的几个优选实施例：

实施例1：

制作下电极直径为100nm的稳定阈值电压的低功耗相变存储器，如图8-12：

a)对带有驱动电路63的本征硅61衬底用光刻工艺刻蚀出窗口62，如图8所示，然后在窗口中填充金属W，形成相变存储器的金属电极W71；

b)在金属电极W71上沉积氧化硅，并用光刻工艺刻蚀出窗口72，如图9所示；

c)在窗口中沉积相变材料GST 81，保证其厚度为50nm，如图10所示；

d)在相变材料层上沉积保温层材料WO₃82，如图10所示；

e)并在相变材料上覆盖金属，刻蚀金属，形成上电极；

f)并填充氧化硅，沉积金属W91，制备位线，如图11所示。

另外，在步骤c)之前可以沉积过渡层使之位于相变材料层与下电极之间，该过渡层的材料选自ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂、Pt、Ti、TiN、LaNiO₃、LaSrCoO₃、LaSrMnO₃、SrRuO₃、CaRuO₃、GeSiN中的一种或多种。

实施例2：

另一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器，如图12所示，制造方法如下：

a)对本征硅用光刻工艺刻蚀出窗口，在窗口中填充金属，形成相变存储器的金属电极W；

b)在金属电极W上沉积氧化硅，并用光刻工艺刻蚀出窗口；

c)在窗口中沉积相变材料GST，保证其厚度为50nm；

d)在相变材料层上沉积保温层材料TiO2 101；

e)并在相变材料上覆盖金属，刻蚀金属，形成上电极，并填充氧化硅；

f)沉积金属W，形成位线。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他基底、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (5)

1.一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)对衬底用光刻工艺刻蚀出第一窗口，在第一窗口中填充电极材料,形成下电极；

b)在下电极上沉积介质材料，并用光刻工艺刻蚀出第二窗口，露出所述下电极；

c)在第二窗口中沉积相变材料层，使其厚度在3nm-xnm之间，其中，相变材料层厚度的上限x采用如下方法：计算电热耦合温度场，模拟相变存储器的擦操作过程，通过调整相变材料的厚度，找到当相变材料中的非晶区域刚达到相变材料顶端时，在相变材料底面从下电极边缘到非晶区域边缘的最短距离d与该相变材料厚度相等的情况，此时相变材料的厚度值即为相变材料层厚度的上限x；

d)在所述相变材料上沉积保温层；

e)在所述保温层上覆盖一层电极材料，并刻蚀形成上电极；

f)填充介质材料，并制备位线。

2.根据权利要求1所述一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器的制造方法，其特征在于：所述保温层的材料采用电导率比所述相变材料层低的其他相变材料，或者采用多晶锗、氧化钨、氧化钛中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器的制造方法，其特征在于：所述相变材料层与下电极之间沉积有过渡层，所述过渡层的材料选自ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂、Pt、Ti、TiN、LaNiO₃、LaSrCoO₃、LaSrMnO₃、SrRuO₃、CaRuO₃、GeSiN中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器的制造方法，其特征在于：当下电极直径为100nm时，所述相变材料层的厚度在3nm-50nm之间。

5.根据权利要求1所述一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器的制造方法，其特征在于：当下电极直径为50nm时，所述相变材料层的厚度在3nm-37nm之间。

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