CN103219462B

CN103219462B - 环形垂直结构相变存储器的制备方法

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Publication number: CN103219462B
Application number: CN201310101003.XA
Authority: CN
Inventors: 付英春; 王晓峰; 杨富华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN103219462A

Abstract

一种环形垂直结构相变存储器的制备方法，包括：在衬底上依次淀积第一电热绝缘材料层和下电极材料层；在下电极材料层上淀积第二电热绝缘材料层，在下电极材料层上开孔；在第二电热绝缘材料层上依次淀积插塞电极材料层和第三电热绝缘材料层；在第三电热绝缘材料层上形成圆柱形的电热绝缘材料层掩模；干法刻蚀插塞电极材料层至第二电热绝缘材料层上表面；在其上依次淀积第一低热导率材料层、相变材料层、第二低热导率材料层；形成第一低热导率材料层、相变材料层、第二低热导率材料层构成的侧墙；在第二电热绝缘材料层的上表面、侧墙的外表面以及电热绝缘材料层掩模的上表面，制备上电极材料层；在下电极材料层上引出下测试电极，在上电极材料层上引出上测试电极，完成器件的制备。

Description

环形垂直结构相变存储器的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳技术领域，特别涉及一种环形垂直结构相变存储器的制备方法。本发明提出了一种采用光刻、刻蚀(剥离)制备插塞电极、上电极和环形夹层相变材料层的方法。该方法能够制备出具有环形局限性相变材料层的相变存储器垂直结构。由于该结构中相变材料被夹在两层低热导率材料中间，电脉冲加热过程中热量的在电极上的消耗可以大大减少，而且局限性的相变材料的体积可以通过淀积薄膜的厚度得到精确控制。该方法制备出的器件结构不仅具有加热效率高、相变速度快、功耗低的特点，而且对应的工艺流程难度小，与CMOS工艺兼容、可靠性高、重复性和均一性好的优点，能够很好地适用于当前存储器的主流发展趋势。

背景技术

高新技术产业和基础服务设施的加速发展对于快速计算和高效存储的要求越来越高，而CPU处理能力的提升对存储芯片的速度和功耗的依赖性越来越显著，因此如何发展高效存储成为未来急需突破的关键技术之一。与目前大多数的存储器相比，相变存储器(Phase Change Random AccessMemory，PCRAM)具有非挥发性、器件尺寸小、功耗低、读取速度快、抗辐照、能实现多级存储以及与现有的CMOS工艺兼容等诸多优点，被认为是最有可能成为未来主流存储的半导体存储器之一。

PCRAM以硫系化合物为存储介质，依靠电流的热效应控制相变材料在晶态(低阻)和非晶态(高阻)之间转化实现信息的写入与擦除，依靠探测存储区域电阻的变化实现信息的读出。2012年国际固态电路会议(ISSCC)上三星电子发表采用20nm工艺制程的8Gbit PCRAM元件。2011年中科院上海微系统所成功开发出中国首款具有自主知识产权的8Mbit的PCRAM芯片。目前，相变存储器要实现大规模商用化还面临着许多问题，其中最主要问题是操作电流过大，对驱动电路的要求较高，限制了存储功耗的降低、存储速度的提升和存储密度的提高。对于PCRAM操作电流过大的技术瓶颈，解决的方法多集中在研发具备更优相变特性的相变材料、设计具有更小有效相变体积的器件结构，以及研发更高效率、更低成本的高精度制备工艺等三个方面。目前，PCRAM的垂直结构由于具有更高集成度的优点而成为目前市场的主流结构。具有垂直结构的PCRAM性能和存储密度的提升主要依靠减小有效的相变体积。减小有效的相变体积通常可分为两种情况，一是发展相变材料局限性结构；二是减小插塞电极和相变材料的接触面积。而制备更小尺寸插塞电极和填充更小局域化相变材料都需要突破材料的填孔可靠性差的瓶颈。因此，为了实现更高加热效率、更低RESET电流、更小功耗、更可靠的制备技术、更经济的方法，我们提出本发明构思。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种采用光刻、刻蚀(剥离)制备插塞电极、上电极和环形相变材料层的方法。该方法能够制备出具有环形局限性夹层相变材料层的相变存储器垂直结构。由于相变材料被夹在两层低热导率材料中间，加热过程中热量的在电极上的消耗可以得到大幅度减少，而且局限性的相变材料的厚度取决于淀积的相变薄膜的厚度，因此局域化的相变材料体积能够得到精确控制。该方法制备出的器件结构不仅加热效率高、相变速度快、功耗低，而且对应的工艺兼容性好、可靠性高，能够很好地适用于当前存储器的主流发展趋势。

本发明提供一种环形垂直结构相变存储器的制备方法，该方法包括：

步骤1：在衬底上依次淀积抗腐蚀的第一电热绝缘材料层和下电极材料层；

步骤2：在下电极材料层上，淀积第二电热绝缘材料层，并光刻，在下电极材料层上开孔；

步骤3：在第二电热绝缘材料层上，依次淀积插塞电极材料层和第三电热绝缘材料层，该插塞电极材料层覆盖下电极材料层上的开孔；

步骤4：在第三电热绝缘材料层上，光刻、刻蚀，形成圆柱形的电热绝缘材料层掩模；电热绝缘材料层掩模的直径大于第二电热绝缘材料层的开孔的直径；

步骤5：通过电热绝缘材料层掩模，干法刻蚀插塞电极材料层至第二电热绝缘材料层上表面；

步骤6：采用光刻、淀积的方法，在第二电热绝缘材料层的上表面、电热绝缘材料层掩模和插塞电极材料层的外表面，依次淀积第一低热导率材料层、相变材料层、第二低热导率材料层；

步骤7：干法回刻，形成第一低热导率材料层、相变材料层、第二低热导率材料层构成的侧墙；

步骤8：光刻、剥离，在第二电热绝缘材料层的上表面、侧墙的外表面以及电热绝缘材料层掩模的上表面，制备上电极材料层；

步骤9：钝化，在下电极材料层上引出下测试电极，在上电极材料层上引出上测试电极，完成器件的制备。

本发明提供的环形垂直结构相变存储器的制备方法，采用旋涂工艺、薄膜工艺、干法刻蚀工艺、湿法腐蚀剥离工艺，制备出了具有局限性环形相变材料的垂直相变存储器。这种具有局限性环形相变材料的垂直相变存储器的制备方法的特点在于：制备难度低、可靠性高、制备良品率高、研发成本低、可移植性好、经济高效。

附图说明

为进一步描述本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明提供的环形垂直结构相变存储器的制备方法的流程图；

图2-图10是环形垂直结构相变存储器的制备方法的结构示意图，图3-10为了突出器件的核心结构，省略了101及102部分，图3-10中的(b)均是(a)的俯视图。

具体实施方式

请参阅图1至图10所示，本发明提供一种环形垂直结构相变存储器的制备方法，该方法包括：

步骤1：在衬底101上依次淀积抗腐蚀的第一电热绝缘材料层102和下电极材料层201；

其中衬底101的材料为硅、氮化镓、蓝宝石、碳化硅、砷化镓或玻璃；作用在于提供器件制备所需要的平坦化支撑。

所述第一电热绝缘材料层102的材料是氮氧化合物、氮化物或氧化物，或及其组合，作用在于提供器件工作的电热绝缘环境；所述第一电热绝缘材料层102，通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法或热氧化法或金属有机物热分解法中的一种制备。第一电热绝缘材料层102优选地采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法生长的氮化硅，热氧化生长的氧化硅及等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法生长的氮化硅和氧化硅。

所述下电极材料层201采用钨、氮化钛、镍、铝、钛、金、银、铜、铂或氮化钨，及其组合。所述下电极材料层201是通过溅射法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法或原子层淀积法中的一种制备。下电极材料层201优选地采用磁控溅射方法生长的氮化钛和钨，原因在于磁控溅射法生长的金属粒子具有较高的动能，能够较好地填充50nm以下的缝隙，与其它材料的接触特性优良。

步骤2：在下电极材料层201上，淀积第二电热绝缘材料层202，并光刻，在下电极材料层201上开孔2011；

其中第二电热绝缘材层202的材料、制备方法和优选项范围等同于第一电热绝缘材料层102。第二电热绝缘材料层202的作用是在下电极材料层201、插塞电极材料层203与上电极材料层207之间形成电热隔断。

步骤3：在第二电热绝缘材料层202上，依次淀积插塞电极材料层203和第三电热绝缘材料层204，该插塞电极材料层203覆盖下电极材料层201上的开孔2011；

其中插塞电极材料层203的材料、制备方法和优选项范围等同于下电极材料层201，其圆柱形的侧面积决定相变材料的受热面积，决定器件的电致热效率。

其中第三电热绝缘材层204的材料、制备方法和优选项范围等同于第一电热绝缘材料层102。第三电热绝缘材料层204的作用在于在插塞电极材料层203与上电极材料层207之间形成电热隔断。

步骤4：在第三电热绝缘材料层204上，光刻、刻蚀，形成圆柱形的电热绝缘材料层掩模2041；电热绝缘材料层掩模2041的直径大于第二电热绝缘材料层202的开孔2011的直径，保证第二电热绝缘层202能够在下电极材料层201、插塞电极材料层203与上电极材料层207之间形成有效的电热隔断。

步骤5：通过电热绝缘材料层掩模2041，干法刻蚀插塞电极材料层203至第二电热绝缘材料层202上表面；

由于步骤6中要淀积的第一低热导率材料层2051、相变材料层206、第二低热导率材料层2052的厚度较小(通常小于10nm)，因此步骤5对电热绝缘材料层掩膜2041的边缘粗糙度有较高的要求，电热绝缘材料层掩膜2041边缘的形貌会直接影响到插塞电极材料层203的侧表面的形貌，而粗糙的插塞电极材料层203的侧表面不利于第一低热导率材料层2051、相变材料层206、第二低热导率材料层2052的包台。

步骤6：采用光刻、淀积的方法，在第二电热绝缘材料层202的上表面、电热绝缘材料层掩模2041和插塞电极材料层203的外表面，依次淀积第一低热导率材料层2051、相变材料层206、第二低热导率材料层2052；

其中第一低热导率材料层2051和第二低热导率材料层2052的材料是TiO₂、Ta₂O₅或CeO₂，或及其组合，通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种制备。第一低热导率材料层2051和第二低热导率材料层2052的作用在于尽可能大限度地将所加电脉冲产生的焦耳热限制在局域化的相变材料层206中，提高相变材料层206的加热效率，以达到降低整个器件功耗的目的。

步骤7：干法回刻，形成第一低热导率材料层2051、相变材料层206、第二低热导率材料层2052构成的侧墙；

在步骤7中第二低热导率材料层2052同时也起到了保护相变材料层206侧墙的作用。

步骤8：光刻、剥离，在第二电热绝缘材料层202的上表面、侧墙的外表面以及电热绝缘材料层掩模2041的上表面，制备上电极材料层207；

其中上电极材料层207的材料、制备方法和优选项范围等同于下电极材料层201。上电极材料层207的设计尺寸相对插塞电极材料层203要大，目的在于降低步骤8对套刻精度的要求，提高器件的成品率。

步骤9：钝化，在下电极材料层201上引出下测试电极2081，在上电极材料层207上引出上测试电极2082，完成器件的制备。

钝化的目的在于在器件的上表面形成电热绝缘保护层，避免热相变过程中相变材料层206氧化，提高局域化相变材料层206的加热效率和器件可靠性。钝化材料优选地采用PECVD方法生长的氧化硅和氮化硅。

下测试电极2081和上测试电极2082的引出是为了方便对单个分立器件进行加电测试，而量产的存储单元阵列则通过外围电路实现数据操纵。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种环形垂直结构相变存储器的制备方法，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的环形垂直结构相变存储器的制备方法，其中衬底的材料为硅、氮化镓、蓝宝石、碳化硅、砷化镓或玻璃。

3.根据权利要求1所述的环形垂直结构相变存储器的制备方法，其中第一电热绝缘材料层、第二电热绝缘材料层和第三电热绝缘材料层的材料是氮氧化合物、氮化物或氧化物，或氮氧化合物、氮化物和氧化物的组合。

4.根据权利要求1所述的环形垂直结构相变存储器的制备方法，其中第一电热绝缘材料层、第二电热绝缘材料层和第三电热绝缘材料层，是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种制备。

5.根据权利要求1所述的环形垂直结构相变存储器的制备方法，其中下电极材料层、插塞电极材料层、上电极材料层、下测试电极和上测试电极的材料，采用钨、氮化钛、镍、铝、钛、金、银、铜、铂或氮化钨，或钨、氮化钛、镍、铝、钛、金、银、铜、铂和氮化钨的组合。

6.根据权利要求1所述的环形垂直结构相变存储器的制备方法，其中下电极材料层、插塞电极材料层、上电极材料层、下测试电极和上测试电极，是通过通过溅射法、蒸发法、化学气相淀积、等离子体辅助淀积法、金属有机物热分解法或激光辅助淀积法中的一种制备。

7.根据权利要求1所述的一种环形垂直结构相变存储器的制备方法，其中第一低热导率材料层和第二低热导率材料层的材料是TiO₂、Ta₂O₅或CeO₂，或TiO₂、Ta₂O₅和CeO₂的组合。

8.根据权利要求1所述的环形垂直结构相变存储器的制备方法，其中第一低热导率材料层和第二低热导率材料层，是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种制备。

9.根据权利要求1所述的环形垂直结构相变存储器的制备方法，其中相变材料层的材料是GeSbTe系列合金、掺杂后的GeSbTe系列合金，以及以Ge、Sb、Te、In、As、Ag、Au、O、N、P中部分元素组成的相变材料。

10.根据权利要求1所述的环形垂直结构相变存储器的制备方法，其中相变材料层通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种制备。