CN101916822A - 一种相变储存器单元器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相变储存器单元器件及其制备方法。包括上电极、下电极、相变材料，加热电极材料；所述相变材料呈条型，条型区域的截面宽与高之比为1∶1，相变材料与下加热电极通过沟道连接，所述沟道的宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极为纳米级接触面积，相变材料上、下两面分别通过上加热电极材料、下加热电极材料与上电极、下电极达成电性连接。本发明还提供了上述相变储存器单元器件的制备方法。本发明与传统的存储单元结构相比，新的结构的特点是条型区域的相变材料在加热电极上方，由于相变材料和底电极接触面很小，所以很小的电流就可以产生很大的热量，使相变材料在很短时间内就可以发生相变。对于器件的性能有很大的提高。

Description

一种相变储存器单元器件及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种半导体器件，其它类不包括的固态器件，尤其是涉及一种相变储存器单元器件及其制备方法。

背景技术：

存储器是半导体产业的重要组成部分，近几年来随着消费电子市场的快速增长，存储器的市场越来越大。目前，市场上主流的存储器包括SRAM、DRAM和FLASH等，这些存储器在各个方面起着重要的作用，但目前还没有一种理想的既有DRAM的高容量低成本、SRAM的高速度、FLASH的数据非挥发性性能、又有可靠性高、操作电压低、功耗小的存储器。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。从2001年相变存储器的论文发表以来，相变存储器的发展十分迅猛。相变存储器由于具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐射、耐高低温、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单等优点，被认为最有可能取代目前的FLASH和DRAM而成为未来半导体存储器主流产品。特别是近几年，随着集成电路技术的发展及半导体工艺的突飞猛进，工艺线宽进入深亚微米甚至是纳米尺度后，特别是光刻等微纳加工技术水平的迅速提高，利用纳米尺度相变材料的电阻特性实现非挥发的存储技术引起了工业界的重视。

相变存储器器件尺寸小型化的研究主要集中在相变材料尺寸的小型化、电极尺寸的小型化两大方面，其基本思想就是尽可能地降低加热电极与相变材料之间的接触面积，使加热时热量更为集中，最终降低功耗和操作时间。其中电极尺寸小型化更具有典型代表性，这是由于缩小的是下部加热电极尺寸，所以只有与下电极接触的部分GST受热而产生相变，对周边其它材料或器件影响较小，可真正地实现大幅度降低相变操作电流的目的。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术不足之处而提供一种热效率更高的、且可控制加热电极材料与相变材料接触面积的、结构新颖的相变储存器单元器件。

本发明的另一个目的是提供一种上述相变储存器单元器件的制备方法。

本发明的目的是通过以下措施来实现：一种相变储存器单元器件，包括上电极，下电极，相变材料，上、下加热电极材料；所述相变材料呈条型，条型区域的截面宽与高之比为1∶1，相变材料下部通过下加热电极材料与下电极达成电性连接，相变材料上部通过上加热电极材料与上电极成电性连接。

所述相变材料与下加热电极通过沟道连接，所述沟道的宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极为纳米级接触面积。

所述下电极呈圆柱状位于硅衬底内，下加热电极材料与相变材料外侧壁为绝热材料层，所述硅衬底与绝热材料层之间设有衬底保护层，下加热电极材料与相变材料内侧壁为绝热材料层。

所述下电极下部连接有二极管。

所述上加热电极材料与上电极合为一体呈扁平状覆盖在相变材料上方。

所述上加热电极材料呈扁平状覆盖在相变材料上方，上加热电极材料的上方设还有电介质层、栅介质薄膜层、绝热材料层，所述上电极呈圆柱状位于电介质层、栅介质薄膜层、绝热材料层内，与加热电极材料电性连接。

所述呈圆柱状的两相邻上电极连接，其周围为金属覆盖层。

一种上述相变储存器单元器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在硅衬底材料上制备下电极通孔，孔内沉积W、TIN或硅化物形成下电极金属栓塞，在上述硅衬底材料下电极底部连接二极管，在硅衬底材料上表面沉积衬底保护层及绝热绝缘保护层；

步骤二，挖空中间部分的衬底保护层及绝热保护层，通过CVD法在挖空中间部分内侧壁上附加下加热电极材料，在挖空中间部分沉积绝热绝缘介质材料；通过化学或机械抛光所述绝热绝缘介质材料表面，与下加热电极材料及其上方形成浅狭缝沟道；

步骤三，采用PVD磁控溅射方法在所述步骤二的沟道内沉积相变材料，所述磁控溅射本底真空为10^-7Torr以下，溅射真空为0.18Pa，衬底温度为70℃。

步骤四，在形成有相变材料的绝热绝缘介质材料表面沉积上电极加热材料及上电极材料，完成制备。

所述步骤二通过CVD法在挖空中间内侧壁上附加下加热电极材料为直接在挖空的内壁上附加下加热电极材料。

所述步骤二通过CVD法在挖空中间内侧壁上附加下加热电极材料为先在挖空的内壁附上一层绝缘层，然后附加下加热电极材料后再附上一层绝缘层。

所述步骤二下加热电极材料上方形成的沟道采用干法刻蚀得到浅狭缝沟道，所述沟道宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极接触面积极小。

所述步骤二下加热电极材料上方形成的沟道采用BHF溶液表面湿法刻蚀得到浅狭缝沟道，所述沟道宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极接触面积极小。

所述步骤四相变材料表面沉积上电极加热材料及上电极材料为上电极加热材料及上电极材料合为一体呈扁平状沉积覆盖在相变材料上方。

所述步骤四相变材料表面沉积上电极加热材料及上电极材料为在含相变材料的绝热绝缘介质材料表面上依次沉积上电极加热材料、电介质层，涂光刻胶层，并沿相变材料横向光刻至衬底保护层，刻除部分再沉积绝热绝缘介质材料至电介质层，并通过化学机械抛光所述含电介质层的绝热绝缘介质材料表面，再次在所述表面沉积栅介质层和绝热绝缘介质层。

所述上述步骤的栅介质层和绝热绝缘介质层刻蚀形成圆柱孔，通过等离子化学气相沉积或原子层沉积填充金属材料形成呈圆柱状的上电极材料，上电极材料与上加热电极材料电性连接。

所述上述步骤的上电极材料上部呈圆柱状的两相邻上电极上端部连接，其周围用金属覆盖。

与现有技术相比，采用了本发明提出的一种相变储存器单元器件及其制备方法具有如下优点：本发明与传统的存储单元结构相比，单元器件通常成对构成，形成双轨浅狭缝沟道，效率高。新的结构的特点是条型区域的相变材料在加热电极上方，两种材料的接触点能最小化，并且能做到多个存储单元同等尺寸，单元与单元间的间隔等同。保证了器件工作的正常稳定。由于相变材料和底电极接触面很小，所以很小的电流就可以产生很大的热量，使相变材料在很短时间内就可以发生相变。所以，用本发明提供的方法制备的器件具有较小的功耗，很短的响应时间，对于器件的性能有很大的提高。

附图说明：

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明另一个实施例的结构示意图。

图3为图2实施例形成下电极结构示意图。

图4～图8为步聚二工序示意图。

图9、～图14步骤四工序示意图。

图中：1电极材料、如W，2加热电极材料、如TIN，3二极管，4相变材料、如GST等，5绝热材料、如SiN、SiO₂，6电介质层、如SiN，7栅介质薄膜层、如SiON，8金属覆盖层，9衬底保护层、如SiN，10光刻胶。

具体实施方式：

下面结合附图对具体实施方式作详细说明：

图1是本发明一个实施例的结构示意图。图中仅表示本发明的核心结构，其包括：上电极、下电极1、相变材料4、上、下加热电极材料2。所述相变材料区域截面宽与高之比为1∶1，相变材料4下部通过下加热电极材料2与下电极1达成电性连接，相变材料与下加热电极通过沟道连接，所述沟道的宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极接触面积极小，上加热电极材料与上电极合成一体呈扁平状覆盖在相变材料上方。

图2是本发明另一个实施例的结构示意图。图中，一种相变储存器单元器件，包括：上电极、下电极、相变材料、上、下加热电极材料。所述相变材料区域截面宽与高之比为1∶1，相变材料上、下两面分别通过上加热电极材料、下加热电极材料与上电极、下电极达成电性连接。上、下电极1材料如W，上、下加热电极2材料如TIN，相变材料4如GST。所述相变材料与下加热电极通过沟道连接，所述沟道的宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极接触面积极小。电极材料1的上方为通过CVD工艺方法所形成的加热电极材料2的薄壁，与薄壁及其正上方通过刻蚀后做成的沟道，通常制作时两单元器伯成对制作，中间挖空一次可得到浅狭缝双轨沟道，沟道内是经过PVD工艺方法形成的相变材料4条型区域。所述下电极1呈圆柱状位于硅衬底内，下加热电极2材料与相变材料4外侧壁为绝热材料层5，所述硅衬底与绝热材料层5之间设有衬底保护层9，下加热电极1材料与相变材料4内侧壁为绝热材料层5。绝热材料层为SiN、SiO₂，衬底保护层为SiN。所述下电极1下部连接有二极管3。所述上加热电极材料2上方设有电介质层6、栅介质薄膜层7、绝热材料层5，所述上电极1呈圆柱状位于电介质层6、栅介质薄膜层7、绝热材料层5内与加热电极材料2电性连接。所述呈圆柱状的两相邻上电极1连接，其周围为金属覆盖层8，可以是W或AL等金属材料。

本发明的相变储存器单元器件的核心结构：由相变材料、加热电极材料、电极材料构成。通过刻蚀工艺在加热电极上形成条型沟道，加热电极上的沟道通过PVD工艺方法溅射入相变材料，相变材料呈条型，条型区域的横截面宽与高之比为1∶1的比例，同时相变材料与下加热电极通过沟道连接，所述沟道的宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极接触面积极小。这样的结构可实现降低功耗和操作时间。

上述两个实施例前期的制备步骤是相同的，不同的是上电极加热材料与上电极不同的设计，其核心部分的制作是相同的，为简化下面以第二个实施例的制备作一详细说明：一种上述相变储存器单元器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，在硅衬底材料上制备下电极通孔，孔内沉积W、TIN或硅化物形成下电极1金属栓塞，在上述硅衬底材料下电极底部连接二极管3，在硅衬底材料上表面沉积衬底保护层9及绝热绝缘介质保护层5，如图3所示。

步骤二，挖空中间部分的衬底保护层9及绝热保护层5，如图4；通过CVD法在挖空中间内侧壁上附加下加热电极材料2，该步骤中附加下加热电极材料2可为直接在挖空的内壁上附加下加热电极材料2，如图5；其也可采用先在挖空的内壁附上一层绝缘层SiO₂，然后附加下加热电极材料2后再附上一层绝缘层SiO₂。其后在挖空部分沉积绝热绝缘介质材料5，如图6所示。通过化学或机械抛光所述绝热绝缘介质材料表面，在下加热电极材料上方形成沟道，下加热电极材料上方形成的沟道可采用干法刻蚀法得到浅狭缝双轨沟道，所述沟道宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极接触面积极小，如图7、图8所示。对于下加热电极材料两侧附加一层绝缘层SiO₂的方式用于采用BHF溶液表面湿法刻蚀得到浅狭缝双轨沟道，沟道情况与前述相同。

步骤三，采用PVD磁控溅射方法在所述步骤二的沟道内沉积相变材料4，所述磁控溅射本底真空为10^-7Torr以下，溅射真空为0.18Pa，衬底温度为70℃。

步骤四，在形成有相变材料4的绝热绝缘介质材料表面5依次沉积上电极加热材料2、电介质层6，然后涂光刻胶层10，如图9所示；并沿相变材料横向光刻至衬底保护层9，如图10所示，刻除部分再沉积绝热绝缘介质材料5至电介质层6，如图11所示，并通过化学机械抛光所述含电介质层的绝热绝缘介质材料表面，再次在所述表面沉积栅介质层7和绝热绝缘介质层5，如图12所示。

在前述步骤四所述的栅介质层7和绝热绝缘介质层5刻蚀形成圆柱孔，通过等离子化学气相沉积或原子层沉积填充金属材料形成呈圆柱状的上电极1，如图13所示，上电极1与上加热电极材料2电性连接。

在前述的步骤中上电极1上部呈圆柱状的两上电极上端部连接，如图14所示，其周围用金属层8覆盖，完成制备，得到如图2所示产品。

在本发明的步骤中，为了提高加热效率，要求电流产生的焦耳热都尽可能的集中在相变材料区域。在本发明的这种结构中，加热电极材料与相变材料之间的接触面积减小降低器件功耗，一个有效的办法就是减小相变区域。通过刻蚀工艺在加热电极上形成宽度为20～50埃的沟道，再经过刻蚀使相变区域形成条型区域。相变材料中通过电流，由于加热电极材料与相变材料之间的接触面积集中，大部分电流流向接触点，电流密度很大，通过电流的焦耳加热，相变区域最先达到熔点。继续通过电流，使得整个的相变材料达到熔融状态。

加热电极的大小跟相变材料接触也有最佳匹配的关系。对于不同的工艺标准，加热电极的变化都不同，本发明通过CVD工艺方法形成加热电极，使得相变材料在最低的功耗下达到熔融状态，同时在擦和写过程中的散热和保温要求能够得到满足，因而使得器件功耗最小，其优化规律通过热传导方程和电场方程的祸合求解得到。要降低器件功耗的另一个参考标准是器件中的电场分布是否均匀。保持器件中电场均匀，使条型区域里的相变材料的相变具有一致性，便能有效降低器件功耗。

上面结合附图描述了本发明的实施方式，实施例给出的结构并不构成对本发明的限制，本领域内熟练的技术人员在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护范围内。

Claims (16)

1.一种相变储存器单元器件，包括上电极、下电极、相变材料，其特征在于：还有上、下加热电极材料；所述相变材料呈条型，条型区域的截面宽与高之比为1∶1，相变材料下部通过下加热电极材料与下电极达成电性连接，相变材料上部通过上加热电极材料与上电极达成电性连接。

2.根据权利要求1所述的相变储存器单元器件，其特征在于所述相变材料与下加热电极通过浅狭缝沟道连接，所述沟道的宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极为纳米级接触面积。

3.根据权利要求1或2所述的相变储存器单元器件，其特征在于所述下电极呈圆柱状位于硅衬底内，下加热电极材料与相变材料外侧壁为绝热材料层，所述硅衬底与绝热层之间设有衬底保护层，下加热电极材料与相变材料内侧壁为绝热材料层。

4.根据权利要求3所述的相变储存器单元器件，其特征在于所述下电极下部连接有二极管。

5.根据权利要求1或2所述的相变储存器单元器件，其特征在于所述上加热电极材料与上电极合为一体呈扁平状覆盖在相变材料上方。

6.根据权利要求1或2所述的相变储存器单元器件，其特征在于所述上加热电极材料呈扁平状覆盖在相变材料上方，上加热电极材料的上方设还有电介质层、栅介质薄膜层、绝热材料层，所述上电极呈圆柱状位于电介质层、栅介质薄膜层、绝热材料层内，与加热电极材料电性连接。

7.根据权利要求6所述的相变储存器单元器件，其特征在于所述呈圆柱状的两相邻上电极连接，其周围为金属覆盖层。

8.一种根据权利要求1所述的相变储存器单元器件的制备方法，其特征在 于，包括如下步骤：

步骤一，在硅衬底材料上制备下电极通孔，孔内沉积W、TIN或硅化物形成下电极金属栓塞，在上述硅衬底材料下电极底部连接二极管，在硅衬底材料上表面沉积衬底保护层及绝热绝缘保护层；

步骤二，挖空中间部分的衬底保护层及绝热保护层，通过CVD法在中间内侧壁上附加下加热电极材料，在挖空部分沉积绝热绝缘介质材料；通过化学机械抛光所述绝热绝缘介质材料表面，与下加热电极材料及其上方形成浅狭缝沟道；

步骤三，采用PVD磁控溅射方法在所述步骤二的沟道内沉积变相材料，所述磁控溅射本底真空为10^-7Torr以下，溅射真空为0.18Pa，衬底温度为70℃。

步骤四，在形成有相变材料的绝热绝缘介质材料表面沉积上电极加热材料及上电极材料，完成制备。

9.根据权利要求8所述的相变储存器单元器件的制备方法，其特征在于所述步骤二通过CVD法在挖空中间内侧壁上附加下加热电极材料为直接在挖空的内壁上附加下加热电极材料。

10.根据权利要求8所述的相变储存器单元器件的制备方法，其特征在于所述步骤二通过CVD法在挖空中间内侧壁上附加下加热电极材料为先在挖空的内壁附上一层绝缘层，然后附加下加热电极材料后再附上一层绝缘层。

11.根据权利要求8或9所述的相变储存器单元器件的制备方法，其特征在于所述步骤二下加热电极材料上方采用干法刻蚀得到浅狭缝沟道，所述沟道宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极为极小面积接触。

12.根据权利要求8或10所述的相变储存器单元器件的制备方法，其特征 在于所述步骤二下加热电极材料上方采用BHF溶液表面湿法刻蚀得到浅狭缝沟道，所述沟道宽度为20～50埃，相变材料与下加热电极为极小面积接触。

13.根据权利要求8所述的相变储存器单元器件的制备方法，其特征在于所述步骤四相变材料表面沉积上电极加热材料及上电极材料为上电极加热材料及上电极材料合为一体呈扁平状沉积覆盖在相变材料上方。

14.根据权利要求8所述的相变储存器单元器件的制备方法，其特征在于所述步骤四相变材料表面沉积上电极加热材料及上电极材料为在含相变材料的绝热绝缘介质材料表面上依次沉积上电极加热材料、电介质层，涂光刻胶层，并沿相变材料横向光刻至衬底保护层，刻除部分再沉积绝热绝缘介质材料至电介质层，并通过化学机械抛光所述含电介质层的绝热绝缘介质材料表面，再次在所述表面沉积栅介质层和绝热绝缘介质层。

15.根据权利要求14所述的相变储存器单元器件的制备方法，其特征在于所述的栅介质层和绝热绝缘介质层刻蚀形成圆柱孔，通过等离子化学气相沉积或原子层沉积填充金属材料形成呈圆柱状的上电极材料，上电极材料与上加热电极材料电性连接。

16.根据权利要求15所述的相变储存器单元器件的制备方法，其特征在于所述上电极材料上部呈圆柱状的两相邻上电极上端部连接，其周围用金属覆盖。 

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