CN101969099A

CN101969099A - 相变存储单元和其加热层的制作方法

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Publication number: CN101969099A
Application number: CN2009100555127A
Authority: CN
Inventors: 王良咏; 向阳辉; 张复雄; 钟F; 林静; 冯永刚; 宋志棠
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-09

Abstract

本发明提供了一种相变存储单元的加热层的制作方法，包括：在基底上在基底上沉积氮化钛薄膜；在氮氧混合气体环境中，将所述氮化钛薄膜进行退火，形成氮氧化钛薄膜。还提供一种相变存储单元，包括：衬底、位于所述衬底上的绝缘层、贯穿所述绝缘层的相变单元，所述相变单元包括依次形成在所述衬底上的下电极、第一加热层、第一相变层、上电极，所述第一加热层的材料为氮氧化钛。所述加热层与相变层的粘附性很好、且有利于降低相变存储单元的功耗。

Description

相变存储单元和其加热层的制作方法

技术领域

本发明涉及相变存储器领域，尤其涉及一种相变存储单元和其加热层的制作方法。

背景技术

相变存储器是目前存储器件中具有广大发展前景的一种非挥发性存储器件。相变存储器所具有的高速读取、高重复性可擦写的次数、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射的优点都使得相变存储器备受存储器制造商的青睐。

相变存储器技术的基本原理是以硫系化合物为存储介质，利用电能(热量)使相变层在晶态(低阻)与非晶态(高阻)之间相互转换实现信息的写入与擦除，信息的读出则靠测量电阻的变化实现。

图1为现有的相变存储单元的结构示意图。如图1所示，相变存储单元10包括：衬底100、位于所述衬底100上的绝缘层104、贯穿所述绝缘层104的相变单元，所述相变单元包括依次形成在所述衬底100上的下电极110、加热层108、相变层106、上电极102。

所述衬底100的材料为硅，所述上电极102和所述下电极110的材料为铝，或所述上电极102的材料为铝、下电极110的材料为钨，所述加热层的材料为TiN。而钨、铝、TiN的电阻率均很低，不利于相变层106的加热以及操作电流、功耗的减少。

有鉴于此，有必要提出一种降低相变单元的操作电流解决的办法，即在相变材料和下电极之间添加一电阻率较高的薄层，添加高电阻率或接近相变材料薄膜电阻的薄层，有利于集中产生热量，减小热损失，从而能减小操作电流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变存储单元的加热层的制作方法及其相变单元，以解决现有技术中操作电流大、功耗高、相变层和加热层粘附性低等问题，从而进一步提高制作的相变存储单元器件的稳定性和可靠性。

为达到上述目的，本发明提供一种相变存储单元的加热层的制作方法，包括：

在基底上沉积氮化钛薄膜；

在氮氧混合气体环境中，将所述氮化钛薄膜进行退火，形成氮氧化钛薄膜。

可选的，所述在基底上沉积氮化钛薄膜的方法是原子层沉积法。

可选的，所述在基底上沉积氮化钛薄膜的方法是化学其相沉积法。

可选的，所述在基底上沉积氮化钛薄膜的方法是使用金属前驱体在基底上沉积氮化钛薄膜。

可选的，所述金属前驱体为二乙氨基四钛或二甲氨基四钛。

可选的，氮气在所述氮氧混合气体中所占的体积比大于等于50％。

可选的，所述退火的温度为大于等于150度小于等于350度。

可选的，所述退火的时间为60秒～3600秒。

可选的，形成的所述氮氧化钛薄膜的厚度为1nn至10nm、电阻率为10^-4～1Ω·m。

本发明还提供一种相变存储单元包括：衬底、位于所述衬底上的绝缘层、贯穿所述绝缘层的相变单元，所述相变单元包括依次形成在所述衬底上的下电极、第一加热层、第一相变层、上电极，所述第一加热层的材料为氮氧化钛。

可选的，所述下电极和所述第一加热层之间还包括第二相变层。

可选的，所述相变层和所述上电极之间还包括第二加热层。

可选的，所述衬底的材料为硅，绝缘层的材料为氧化硅、所述上电极的材料为铝和所述下电极的材料为氮化钛，所述第一相变层的材料为硫族化合物合金薄膜。

可选的，形成的所述氮氧化钛薄膜的厚度为1nm～10nm、电阻率为10^-4～1Ω·m。

本发明的相变存储单元的加热层制造工艺简单方便，本发明的相变存储单元的加热层能保证相变层和加热层之间有着良好的粘附性，以及相变存储单元的操作电流较小、功耗较低，这样可减小相变层和加热层之间的接触电阻的浮动，有利于提高相变存储器的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为现有的相变存储单元的结构示意图；

图2为实施例1的相变存储单元的加热层的制作方法流程图；

图3为实施例2的相变存储单元的结构图；

图4为实施例3的相变存储单元的结构图；

图5为实施例4的相变存储单元的结构图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明的相变存储单元及其加热层的制作方法作进一步详细具体地说明。

实施例1

如图2所示，本实施例中，所述相变存储单元的加热层的制作方法包括：

首先，在基底上沉积氮化钛(TiN)薄膜；

其中，所述在基底上沉积氮化钛薄膜的方法可以是原子层沉积法(ALD)，所述原子层沉积法具有薄膜厚度控制精确、成分控制容易，优秀的表面覆盖率和沉积均匀性好等优点，对于在小面积内沉积超薄薄膜，所述的原子层沉积法具有非常好的优越性，所述基底是指相变存储单元中需要形成加热层的结构；

其中，所述在基底上沉积氮化钛薄膜的方法可以是化学其相沉积法(CVD)，所述的化学气相沉积法具有沉积速率快的优点，有利于提高生产速率；

其中，所述沉积氮化钛(TiN)薄膜是使用金属前驱体沉积氮化钛(TiN)薄膜；所述金属前驱体为二乙氨基四钛(TDEAT)或二甲氨基四钛(TDMAT)，所述金属前躯体可以在小于300度的较低温度下进行沉积，获得电阻率小于1000μΩ·cm的TiN薄膜；所述的TiN薄膜多空易氧化，电阻率随暴露在空气中的时间的增加而增大，这一特性有利于后续退火氧化步骤，从而获得高电阻率的TiON薄膜，适合做相变存储单元的加热层；

然后，在氮氧混合气体环境中，将所述氮化钛(TiN)薄膜进行退火，形成氮氧化钛(TiON)薄膜；

其中，氮气在所述氮氧混合气体中所占的体积比大于等于50％；

其中，所述退火的温度为大于等于150度小于等于350度；

其中，所述退火的时间为60秒～3600秒；

其中，形成的所述氮氧化钛薄膜的厚度为1nm至10nm、电阻率为10^-4～1Ω·m；

其中，形成的所述氮氧化钛薄膜中含有氧(O)、Ge、Sb、Te和O的成键，其强于氧(O)、Ge、Sb、Te和N的成键，相对于只使用TiN薄膜作为加热层而言，将有助于增强加热层和相变层之间界面的结合度，即增加二者的粘合性，从而可减小相变层和加热层之间的接触电阻及其浮动，提高相变存储器的稳定性和可靠性。

根据本实施例得到的不同情况下的实验数据如下表1：

表1

从表1可知，利用二乙氨基钛TDEAT进行沉积，分别采用CVD和ALD进行沉积。用ALD方法进行沉积的TiN薄膜厚度约在5nm，然后在退火温度为200℃，氮气所占体积比为90％的退火条件下进行退火，退火30分钟后测量形成的TiON薄膜的电阻率约为5×10⁵μΩ·cm。用CVD沉积的TiN薄膜厚度约在8nm，然后在退火温度为150℃，氮气所占体积比为50％的退火条件下进行退火，退火15分钟后测量形成的TiON薄膜的电阻率约为7×10⁷μΩ·cm。

利用二甲氨基钛TDMAT进行沉积，也分别采用CVD和ALD进行沉积。用ALD方法进行沉积的TiN薄膜厚度约在3nm，然后在退火温度为350℃，氮气所占体积比为98％的退火条件下进行退火，退火40分钟后测量形成的TiON薄膜的电阻率约为6×10⁴μΩ·cm。用CVD方法进行沉积的TiN薄膜厚度约在7nm，然后在退火温度为300℃，氮气所占体积比为70％的退火条件下进行退火，退火55分钟后测量形成的TiON薄膜的电阻率约为8×10⁶μΩ·cm。

采用本发明相变存储单元加热层的制作方法，制作出的TiON薄膜的电阻率在10⁴～10⁷μΩ·cm，所制作的TiON薄膜的具体电阻率与N₂在混合气体所占的体积有关，N₂所占的体积比影响着最终退火后形成的TiON薄膜的成分，从而导致其电阻率也会有所变化。TiON薄膜的与相变材料硫族化物(GST)相媲美的电阻率，可使得作为加热层TiON薄膜对GST相变材料有较高的加热效率。同时，TiON薄膜中的氧与GST相变材料中Ge、Sb和Te有较强的成键能力，使TiON薄膜与GST材料的粘附性良好，从而减小GST材料和加热层之间的接触电阻的浮动，提高相变存储单元的稳定性和可靠性。

实施例2

如图3所示，本实施例中，所述相变存储单元20包括：衬底200、位于所述衬底200上的绝缘层204、贯穿所述绝缘层204的相变单元，所述相变单元包括依次形成在所述衬底200上的下电极210、第一加热层208、第一相变层206、上电极202，所述第一加热层208的材料为氮氧化钛。

其中，所述衬底200的材料为硅，绝缘层204的材料为氧化硅、所述上电极202为铝和所述下电极210的材料为TiN，所述第一相变层206的材料为硫族化合物合金薄膜；

其中，形成的所述氮氧化钛薄膜的厚度为1nm～10nm、电阻率为10^-4～1Ω·m；

实施例3

如图4所示，本实施例中，所述相变存储单元30包括：衬底300、位于所述衬底300上的绝缘层304、贯穿所述绝缘层304的相变单元，所述相变单元包括依次形成在所述衬底300上的下电极310、第一加热层308a、第一相变层306、第二加热层308b、上电极302，所述第一加热层308a和第二加热层308b的材料为氮氧化钛。

实施例4

如图5所示，本实施例中，所述相变存储单元40包括：衬底400、位于所述衬底400上的绝缘层404、贯穿所述绝缘层404的相变单元，所述相变单元包括依次形成在所述衬底400上的下电极410、第二相变层406a、第一加热层408、第

一相变层406b、上电极402，所述第一加热层408的材料为氮氧化钛。

Claims

1.一种相变存储单元的加热层的制作方法，包括：

在基底上沉积氮化钛薄膜；

2.如权利要求1所述的相变存储单元的加热层的制作方法，其特征在于，所述在基底上沉积氮化钛薄膜的方法是原子层沉积法。

3.如权利要求1所述的相变存储单元的加热层的制作方法，其特征在于，所述在基底上沉积氮化钛薄膜的方法是化学其相沉积法。

4.如权利要求1所述的相变存储单元的加热层的制作方法，其特征在于，所述在基底上沉积氮化钛薄膜的方法是使用金属前驱体在基底上沉积氮化钛薄膜。

5.如权利要求4所述的相变存储单元的加热层的制作方法，其特征在于，所述金属前驱体为二乙氨基四钛(TDEAT)或二甲氨基四钛(TDMAT)。

6.如权利要求1所述的相变存储单元的加热层的制作方法，其特征在于，氮气在所述氮氧混合气体中所占的体积比大于等于50％。

7.如权利要求1-6中任一项所述的相变存储单元的加热层的制作方法，其特征在于，所述退火的温度为大于等于150度小于等于350度。

8.如权利要求1-6中任一项所述的相变存储单元的加热层的制作方法，其特征在于，所述退火的时间为60秒～3600秒。

9.如权利要求1-6中任一项所述的相变存储单元的加热层的制作方法，其特征在于，形成的所述氮氧化钛薄膜的厚度为1nm至10nm、电阻率为10^-4～1Ω·m。

10.一种相变存储单元包括：衬底、位于所述衬底上的绝缘层、贯穿所述绝缘层的相变单元，所述相变单元包括依次形成在所述衬底上的下电极、第一加热层、第一相变层、上电极，所述第一加热层的材料为氮氧化钛。

11.如权利要求10所述相变存储单元，其特征在于，所述下电极和所述第一加热层之间还包括第二相变层。

12.如权利要求10所述相变存储单元，其特征在于，所述相变层和所述上电极之间还包括第二加热层。

13.如权利要求11或12所述相变存储单元，其特征在于，所述衬底的材料为硅，绝缘层的材料为氧化硅、所述上电极的材料为铝和所述下电极的材料为氮化钛，所述第一相变层的材料为硫族化合物合金薄膜。

14.如权利要求11或12所述相变存储单元，其特征在于，形成的所述氮氧化钛薄膜的厚度为1nm～10nm、电阻率为10^-4～1Ω·m。