CN103427022A - 包含三明治型电极的相变存储结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三明治型电极的相变存储结构及其制备方法，在设置有下电极的衬底上表面形成暴露出所述下电极上表面的第一绝缘材料层；接着制备与所述下电极接触的加热电极；继续沉积绝缘材料层；利用第一分隔槽分割相邻所述下电极，形成三明治型电极结构；在所述绝缘材料层上表面、第一分隔槽内壁上依次形成相变材料层、上电极；利用第二分隔槽分割相邻的三明治型电极结构；平坦化并暴露出第四绝缘层下方的上电极。本发明克服因加热电极被氧化导致电阻稳定性差，三明治型纳米电极包覆的氮化物有助于阻止电极被氧化，从而避免电极阻值的不稳定，克服了相变存储器器件的失效，提高器件的成品率。

Description

包含三明治型电极的相变存储结构及其制备方法
技术领域
本发明属于微纳电子技术领域。特别涉及一种包含三明治型电极的相变存储结构及其制备方法。
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。
存储器的研究一直朝着高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向发展。目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，他们关注的焦点之一是如何减小相变存储器的加热电极尺寸，目前比较普遍采用的是三星公司的侧壁接触型加热电极（Proc.Symp.Very Large Scale Integr.(VLSI)Technol.,2003:175-176）、环形加热电极（Jpn.J.Appl.Phys.,2006,45(4B):3233-3237）与刀片状加热电极（IEEE ConferenceProceedings of International Electron Devices Meeting,2011,3.1.1-3.1.4）和意法半导体公司的μ型加热电极（Proc.Symp.Very Large Scale Integr.(VLSI)Technol.,2004,3.1:18-19），但上述结构中的电极周围都以氧化物介质层为主，其缺点是在进行相变存储器的RESET操作时，所流过的电流密度很高，加热电极的温度很高，经过多次操作循环后，加热电极很容易因氧化物介质中的氧扩散被氧化，致使加热电极的电阻升高，在加热电极上的分压过多，使得相变材料的压降减少，最终导致无法使相变材料进行正常的写擦操作而失效。究其原因，主要是因加热电极的氧化导致其阻值变化较大造成的。
为此，本发明提出一种三明治型纳米加热电极结构，电极两侧的氮化物绝缘材料有助于避免加热电极的氧化，进而提高器件单元的成品率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三明治型电极结构的相变存储结构及其制备方法，用于解决现有技术中加热电极很容易因氧化物介质中的氧扩散被氧化，致使加热电极的电阻升高，在加热电极上的分压过多，使得相变材料的压降减少，最终导致无法使相变材料进行正常的写擦操作而失效的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三明治型电极结构的相变存储结构制备方法，该方法包括以下步骤：
一种包含三明治型电极的相变存储结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）提供一衬底，在该衬底内制备嵌于其中的若干下电极；在设置有下电极的衬底上表面形成第一绝缘材料层；
2）刻蚀所述第一绝缘层，暴露出所述下电极的上表面；接着制备加热电极层，所述加热电极层与所述下电极接触；
3）继续依次沉积第二绝缘材料层、第三绝缘材料层；
4）利用第一分隔槽相邻所述下电极，形成三明治型电极结构；
5）在所述第三绝缘材料层上表面、第一分隔槽内壁上形成相变材料层；
6）在所述相变材料层上形成上电极；
7）利用与所述第一分隔槽垂直的第二分隔槽分割相邻的三明治型电极结构；
8）在所述相变材料层上、第二分隔槽内壁形成第四绝缘层；
9）平坦化并暴露出该第四绝缘层下方的上电极。
优选地，所述加热电极层材料为导电的氮化物；所述第一、第二绝缘材料层的材料为绝缘的氮化物。
优选地，所述支撑结构材料为绝缘的氮化物、氧化物、氮氧化物、碳化物中的任一种。
优选地，所述第一、第二绝缘材料层选自氮化硅、氮化钽或氮化锗；所述第一、第二绝缘材料层的厚度为1-50纳米。
优选地，所述加热电极层选自氮化钛、氮化硅钛或氮化铝钛；所述加热电极层的厚度为2-30纳米。
优选地，所述加热电极的材料为TiN或TiSiN。
优选地，所述第一、第二绝缘材料层的材料为SiN或TaN。
本发明还提供一种包含三明治型电极的相变存储结构，其特征在于，该相变存储结构包括制备有若干下电极的衬底；
所述衬底上表面形成有若干三明治型电极结构；
所述三明治型电极结构包括位于所述衬底上的第一绝缘材料层；位于所述第一绝缘材料层上、通过该第一绝缘材料层上的通孔与下电极接触的加热电极层；位于所述加热电极层上表面的第二绝缘材料层；位于所述第二绝缘层上表面的第三绝缘材料层；
相邻两个三明治型电极结构采用相互垂直的第一、第二分隔槽隔离；所述第三绝缘材料层上表面及第一分隔槽内壁形成与三明治型电极结构接触的相变材料层；
所述相变材料层上形成有上电极；
平坦化直至暴露出所述第三绝缘材料层。
优选地。所述第一、第二分割槽的宽度为5-90纳米。
如上所述，本发明的相变存储器单元包含三明治型纳米电极，包覆加热电极的绝缘的氮化物有助于阻止电极被氧化，从而避免电极阻值的不稳定，克服了相变存储器器件的失效，提高器件的成品率。
附图说明
图1显示为本发明在设有若干下电极的衬底上制第一绝缘材料层的结构示意图。
图2显示为本发明在所述第一绝缘材料层上刻蚀通孔，制备与所述下电极接触的加热电极层的结构示意图。
图3显示为本发明在所述加热电极层上制备第二绝缘材料层的结构示意图。
图4显示为本发明在所述第二绝缘材料层上制备第三绝缘材料层的结构示意图。
图5显示为本发明在利用第一分隔槽分隔开加热电极层/第二绝缘材料层/第三绝缘材料层多层结构的示意图。
图6显示为本发明在第一分隔槽内壁制备相变材料层的结构示意图。
图7显示为本发明在相变材料层上制备上电极的结构示意图。
图8显示为本发明平坦化上电极层的结构示意图
图9显示为本发明沿图8A-A方向的剖面图；即利用与第一分隔槽相垂直的第二分隔槽隔开三明治型电极结构的结构示意图。
图10显示为本发明在第二分隔槽内制备第四绝缘层的结构示意图。
图11显示为本发明平坦化，暴露出上电极层的结构示意图。
元件标号说明
1          衬底
11         下电极
12         第一分隔槽
13         第二分隔槽
30         第一绝缘材料层
40         加热电极层
50         第二绝缘材料层
60         第三绝缘材料层
70         第四绝缘材料层
80         相变材料层
90         上电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图11所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
横向型包含三明治型纳米加热电极的相变存储器单元的制备过程具体如下：
步骤1：采用CVD法在衬底1上制备W下电极层11，W电极的直径为80nm，高度为150nm，如图1所示。制备下电极层11所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种；下电极材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu和Ni中的任一种，或其组合成合金材料，或由所述电极单金属材料的氮化物或氧化物。在W下电极层上采用CVD法制备第一绝缘材料层（本实施例中即包覆SiN材料层），厚度为30nm，制备下电极层10所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种；下电极材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu和Ni中的任一种，或其组合成合金材料，或由所述电极单金属材料的氮化物或氧化物。
步骤2：在第一绝缘材料层上采用PVD法制备TiN加热电极层，厚度为7nm，且制备加热电极之前预先去除W下电极上的SiN，使TiN加热电极层与W下电极之间形成良好的欧姆连接，如图2所示。包覆材料层30上制备加热电极层40所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种；加热电极材料为导电的氮化物，优选氮化钛、氮化硅钛、或氮化铝钛，加热电极层的厚度为2-30纳米，且制备加热电极之前预先去除下电极上的包覆材料层30，使加热电极层与下电极之间形成良好的欧姆连接。
步骤3：在TiN加热电极上采用CVD法制备第二绝缘材料层，本实施例中选用SiN材料，厚度为30nm，如图3所示。加热电极层40上制备加热电极的第二绝缘材料层50，所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种；包覆材料层50为绝缘的氮化物，优选氮化硅、氮化钽、或氮化锗，包覆材料层50的厚度为1-50纳米。
步骤4：在SiN包覆材料层上采用CVD法制备第三绝缘材料层60；本实施例中，选用SiO2绝缘材料，厚度为400nm，如图4所示。包覆材料层50上制备第三绝缘材料层60，所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种；绝缘材料为绝缘的单质材料、氧化物、氮化物、碳化物、氮氧化物。
步骤5：采用曝光和反应离子刻蚀法分隔开相邻下电极之间的SiN/TiN/SiN/SiO2多层膜结构，形成第一分隔槽12，分隔槽宽度为200nm，该分隔槽的底部可以凹至衬底1内，如图5所示。采用光刻方法分隔开相邻下电极之间的第一绝缘材料层/加热电极/第二绝缘材料层包覆材料/第三绝缘材料层的多层膜结构，形成分割槽结构。
步骤6：在第一分隔槽内SiN/TiN/SiN三明治型刀片状加热电极侧壁上采用磁控溅射法、Ge2Sb2Te5合金靶制备Ge2Sb2Te5相变材料层80，工艺参数为：本底气压为1×10-5Pa，溅射时Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为200W，衬底温度为25℃，薄膜厚度为50nm，如图6所示。
步骤7：在Ge2Sb2Te5相变材料层上采用磁控溅射法制备TiN上电极层90，工艺参数为：本底气压为1×10-5Pa，溅射时气压为0.2Pa，Ar/N2的气体流量比例为1：1，溅射功率为300W，衬底温度为25℃，TiN上电极厚度为150nm，如图7所示。在第一分割槽结构侧壁上制备相变材料层80，所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种；相变材料为硫系化合物、GeSb、SiSb和金属氧化物中的任一种步骤。
步骤8：在相变材料层80（含第一分隔槽内壁）制备上电极层90（本实施例中，选用TiN材料作为上电极），所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种；下电极材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu和Ni中的任一种，或其组合成合金材料，或由所述电极单金属材料的氮化物或氧化物采用化学机械抛光方法使Ge2Sb2Te5/TiN表面平坦化，直至暴露出第三绝缘材料层，所述第三绝缘材料层厚度保留280nm，如图8所示。
步骤9：采用曝光和反应离子刻蚀法沿与Ge2Sb2Te5/TiN第一分隔槽相垂直的方向分隔开SiN/TiN/SiN/SiO2多层膜结构，形成第二分隔槽13，SiN/TiN/SiN/SiO2多层膜结构的长度为50nm，第二分隔槽宽度为60nm，如图9所示。
步骤11：在第二分隔槽内采用CVD法制备第四绝缘材料层70（材料优选为SiO2），厚度为500nm，如图10所示。制备绝缘材料层70所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种；绝缘材料为绝缘的单质材料、氧化物、氮化物、碳化物、氮氧化物。
步骤12：采用化学机械抛光方法使SiO2绝缘材料层表面平坦化，使TiN上电极完全露出，SiO2厚度保留200nm，如图11所示。
最后将上述步骤制作的相变存储器器件单元的上、下电极与器件单元的控制开关及外围电路集成，制备出相变存储器器件单元，所采用的加工方法为常规的半导体工艺；作为引出电极的材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu和Ni中的任一种，或其组合成合金材料。
实施例二
把实施例一中的TiN加热电极材料层改为TiSiN，其余步骤与实施例一完全相同。
实施例三
把实施例一或二的第一、第二绝缘材料层（即包覆层）材料SiN改为TaN，其余步骤与实施例一或二完全相同。
本发明包含三明治型纳米加热电极结构相变存储器单元及其制备方法，包覆加热电极的绝缘的氮化物有助于阻止电极被氧化，从而避免电极阻值的不稳定，克服了相变存储器器件的失效，提高器件的成品率。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种包含三明治型电极的相变存储结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）提供一衬底，在该衬底内制备嵌于其中的若干下电极；在设置有下电极的衬底上表面形成第一绝缘材料层；
2）刻蚀所述第一绝缘层，暴露出所述下电极的上表面；接着制备加热电极层，所述加热电极层与所述下电极接触；
3）继续依次沉积第二绝缘材料层、第三绝缘材料层；
4）利用第一分隔槽分割相邻所述下电极，形成三明治型电极结构；
5）在所述第三绝缘材料层上表面、第一分隔槽内壁上形成相变材料层；
6）在所述相变材料层上形成上电极；
7）利用与所述第一分隔槽垂直的第二分隔槽分割相邻的三明治型电极结构；
8）在所述相变材料层上、第二分隔槽内壁形成第四绝缘层；
9）平坦化并暴露出该第四绝缘层下方的上电极。
2.根据权利要求1所述的包含三明治型电极的相变存储结构的制备方法，其特征在于，所述加热电极层材料为导电的氮化物；所述第一、第二绝缘材料层的材料为绝缘的氮化物。
3.根据权利要求1所述的三明治型电极的相变存储结构制备方法，其特征在于，所述支撑结构材料为绝缘的氮化物、氧化物、氮氧化物、碳化物中的任一种。
4.根据权利要求2所述的三明治型电极的相变存储结构制备方法，其特征在于，所述第一、第二绝缘材料层选自氮化硅、氮化钽或氮化锗；所述第一、第二绝缘材料层的厚度为1-50纳米。
5.根据权利要求1所述的三明治型电极的相变存储结构制备方法，其特征在于，所述加热电极层选自氮化钛、氮化硅钛或氮化铝钛；所述加热电极层的厚度为2-30纳米。
6.根据权利要求1所述的三明治型电极的相变存储结构制备方法，其特征在于，所述加热电极的材料为TiN或TiSiN。
7.根据权利要求1所述的三明治型电极的相变存储结构制备方法，其特征在于，所述第一、第二绝缘材料层的材料为SiN或TaN。
8.包含三明治型电极的相变存储结构，其特征在于，该相变存储结构包括
制备有若干下电极的衬底；
所述衬底上表面形成有若干三明治型电极结构；
所述三明治型电极结构包括位于所述衬底上的第一绝缘材料层；位于所述第一绝缘材料层上、通过该第一绝缘材料层上的通孔与下电极接触的加热电极层；位于所述加热电极层上表面的第二绝缘材料层；位于所述第二绝缘层上表面的第三绝缘材料层；
相邻两个三明治型电极结构采用相互垂直的第一、第二分隔槽隔离；所述第三绝缘材料层上表面及第一分隔槽内壁形成与三明治型电极结构接触的相变材料层；
所述相变材料层上形成有上电极；
平坦化直至暴露出所述第三绝缘材料层。
9.根据权利要求8所述的包含三明治型电极的相变存储结构，其特征在于，所述第一、第二分割槽的宽度为5-90纳米。
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