CN103682089A - 高速、高密度、低功耗的相变存储器单元及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高速、高密度、低功耗的相变存储器单元及制备方法。根据本发明的制备方法，先在已形成第一电极的结构表面制备具有容置空间的过渡材料层，其中，该容置空间对应于第一电极；随后在形成过渡材料层的结构上制备相变材料层，并使所述相变材料层处于所述容置空间内；接着在已制备相变材料层的结构表面制备第二电极材料层，以制备出相变存储器单元；其中，所述过渡材料层将所述相变材料层与第一电极隔离，所述第二电极材料层与所述相变材料层电气连通。
Description
技术领域
本发明涉及相变存储器领域，特别是涉及一种高速、高密度、低功耗的相变存储器单元及制备方法。
背景技术
在半导体市场中，存储器占有非常重要的地位，目前，存储器的种类主要包括：静态存储器（SRAM）、动态存储器（DRAM）、磁盘、闪存（Flash）、铁电存储器等。而其他存储器，例如相变存储器（PCRAM）、电阻随机存储器（RRAM）作为下一代存储器的候选者也受到了广泛的关注。业界认为在不久的将来FLASH将遭遇尺寸缩小限制，在当前众多的可能替代现有的存储技术而成为商业化的新型存储技术中，PCRAM被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，其具有存储单元尺寸小、非挥发性、循环寿命长、稳定性好、功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸的缩小方面优势以及在45nm节点后的技术优势尤为突出。因此，英特尔、三星、意法半导体、飞利浦、国际商业机器公司和艾必达等国际知名半导体公司花费了大量的人力物力来对此技术进行开发，目前三星已经研制出容量达到8Gb的相变存储试验芯片。
目前相变存储器的研究热点在于实现相变存储器的低功耗、高速、高密度和高循环寿命。传统的T型结构器件中有60~72%的热量会通过底电极扩散而损失，加热效率不高，导致需要很大的操作电压/电流才能实现存储操作，而相变存储器需要和金属氧化物场效应管(MOSFET)器件集成，工作电压由MOSFET管提供，过高的操作电压将会使相变材料器件与MOSFET不兼容。此外，T型结构器件尺寸偏大，制约的相变存储器阵列的密度，而器件单元的尺寸也是影响其操作功耗的另一重要因素，器件单元尺寸的减小可以有效减小相变单元的区域，降低操作功耗。另一方面，传统的T型结构器件操作速度有限，很难进行高速操作。由于相变存储器在操作过程中相变材料会向底电极和周围扩散，这样会使器件单元在进行了一定次数的擦写操作后材料成分有所偏析，影响器件操作的可靠性，从而导致循环次数降低。
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高速、高密度、低功耗的相变存储器单元及制备方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高速、高密度、低功耗的相变存储器单元的制备方法，其至少包括步骤：
A、在已形成第一电极的结构表面制备具有容置空间的过渡材料层，其中，该容置空间对应于第一电极；
B、在形成过渡材料层的结构上制备相变材料层，并使所述相变材料层处于所述容置空间内；
C、在已制备相变材料层的结构表面制备第二电极材料层，以制备出相变存储器单元；
其中，所述过渡材料层将所述相变材料层与第一电极隔离，所述第二电极材料层与所述相变材料层电气连通。
优选地，所述步骤A包括步骤：在已形成第一电极的结构表面制备具有凹槽的过渡材料层，该凹槽覆盖第一电极；相应地，所述步骤B至少包括步骤：在具有凹槽的过渡材料层制备相变材料层，使所述相变材料层处于所述凹槽内。
优选地，所述步骤A采用原子层沉积工艺来制备所述具有容置空间的过渡材料层。
本发明提供一种高速、高密度、低功耗的相变存储器单元，其至少包括：
衬底、形成在所述衬底的第一电极、覆盖所述第一电极且具有容置空间的过渡材料层、处于所述容置空间内的相变材料层、及形成在所述过渡材料层表面且包含第二电极的材料层，其中，所述过渡材料层将所述相变材料层与第一电极隔离，所述第二电极与所述相变材料层电气连通。
优选地，所述容置空间呈凹槽状。
优选地，所述过渡材料层的厚度范围在1~10 nm之间。
优选地，所述过渡材料层所采用的材料包括利于相变材料的成核生长、具有良好热稳定性、低热导率、良好粘附性的材料，例如，包括GeN、SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5或Si3N4等。
如上所述，本发明的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元，具有以下有益效果：（1）过渡材料层的引入一方面减小了热量散失与原子的扩散，提高了加热效率，有效地降低了操作功耗；另一方面其界面效应使得相变材料的成核生长更加容易，有效地提高了器件的速度。（2）这种存储单元结构比较简单，有利于器件等比例的缩小，使得高密度成为可能。（3）小尺寸的器件单元可以抑制晶粒的生长，抑制原子扩散，有利于近程相变材料的可逆相变，而促进成核生长的多界面的过渡材料层有利于相变材料的成核生长，有效地提高了相变速度。（4）过渡材料层抑制了相变材料向电极材料的扩散，确保了器件单元中的材料在多次操作后的一致性，均匀电场可导致较小的操作电流与功耗，可以有效地抑制多晶到非晶转化时成份偏析，有利于器件寿命的延长，同时可以减少串扰，有利于高密度集成。
附图说明
图1至图10显示为本发明的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元的制备方法流程图。
元件标号说明
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10。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。
本发明的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元的制备方法包括以下步骤：
(1)选择一包含第一电极的基底结构。
例如，如图1所示，该基底结构包括Si衬底1、倒T状的底电极3（即第一电极）及SiO2层2，其中，该底电极3采用材料为w。
(2)在该基底上用超高真空电子束蒸发的方法沉积介质材料层。优选地，介质材料层厚度为20~100 nm。
例如，分别使用丙酮与酒精溶液，在超声波作用下各清洗该基底结构3分钟，再在80oC下烘烤20分钟后，随后在该基底结构上使用超高真空电子束蒸发的方法沉积SiO2层（即介质材料层）4，厚度为20~100 nm，如图2所示，蒸发时采用的真空为2×10-5 Pa。
(3)利用微纳加工技术，在介质材料层制备出直至第一电极的孔洞，。其中，所述微纳加工技术包括紫外线曝光、显影、反应离子刻蚀和聚焦离子束刻蚀。优选地，孔洞为长方体或者圆柱体，其侧壁与第一电极垂直，其中，长方体的长和宽为5nm~100nm，圆柱体直径为5~100nm，高度与介质材料层厚度相同。
例如，使用聚焦离子束在SiO2层4上刻蚀制备出一系列孔洞直至底电极3，孔洞的俯视图为边长为20~100 nm的正方形，如图3所示。
(4)利用原子层沉积系统(ALD)在具有孔洞的介质材料层上沉积一层具有容置空间的过渡材料层，其中，该容置空间对应于第一电极。
例如，利用原子层沉积系统(ALD) 在具有孔洞的SiO2层4上沉积一层具有容置空间的过渡材料层5，该容置空间呈凹槽状，底部与底电极3接触。优选地，所述过渡材料层5所采用的材料包括利于相变材料的成核生长、具有良好热稳定性、低热导率、良好粘附性的材料，例如，为TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、SiO2和Si3N4中一种，厚度优选为1~10 nm，如图4所示。
(5)利用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或者原子层沉积系统(ALD) 在过渡材料层5上再沉积一层相变材料层。优选地，相变材料层厚度为20~100 nm。
例如，利用物理气相沉积(PVD)在过渡材料层5上再沉积一层相变材料层6，厚度优选为20~100 nm，如图5所示。其中，所述相变材料层5所采用的材料可包括Ge-Sb-Te、Si-Sb-Te、Sb-Te、Al-Sb-Te和Ti-Sb-Te中的一种，还可是通过掺杂N、O、Sn、Ag和In中一种或两种元素改性后得到的化合物等。
(6)利用抛光技术去除介质材料层上的相变材料和过渡材料层5，直至露出介质材料层。
例如，利用化学机械抛光法去除SiO2层4上的相变材料和过渡材料层5，使剩余的相变材料层6全部处于容置空间（即凹槽）内，随后在丙酮和酒精溶液中浸泡清洗抛光后的结构，如图6所示。
(7)利用物理气相沉积(PVD)或者原子层沉积系统(ALD) 在凹槽状的过渡材料层5上沉积一层TiN电极层，并使用微纳加工技术刻蚀TiN电极层。优选地，TiN电极层也与过渡材料层5的侧壁垂直。
例如，利用物理气相沉积(PVD) 在凹槽状的过渡材料层5表面沉积一层TiN电极材料层7，厚度为5~20 nm，形成的TiN电极单元俯视图为边长5~100 μm的正方形，采用的真空为2×10-4 Pa，溅射真空为2.1 Pa，功率为直流200W，如图7所示。随后再使用紫外线曝光在TiN电极材料层7上光刻出边长为3~5 μm的正方形，使用反应离子刻蚀的方法刻蚀TiN电极材料层7，形成TiN柱状结构，其俯视图为边长3~5 μm的正方形，如图8所示。
(8)使用超高真空电子束蒸发的方法在TiN柱状结构上沉积一层电极层8，例如Al电极，厚度为200~300 nm，形成的Al电极单元俯视图为边长5~100 μm的正方形，如图9所示。
(9)采用微纳加工技术来腐蚀Al电极层，并引出上下电极引脚。
例如，使用紫外线曝光在Al电极层上光刻出边长为3~5 μm的正方形，120 oC烘烤20分钟，然后采用60 oC水浴的磷酸作用下湿法刻蚀Al电极层，同时引出上下电极，此即完成了相变存储器单元的制备，如图10所示。
由上可见，所制备形成的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元至少包括：衬底1、形成在所述衬底1的第一电极3与Si SiO2层、覆盖所述第一电极3且具有容置空间的过渡材料层5、处于所述容置空间内的相变材料层6、及形成在所述过渡材料层6表面的第二电极材料层（在本实施例中，其由TiN电极层与Al电极层构成），由图10可见，呈凹槽状的过渡材料层5的底部将相变材料层6与第一电极3隔离，所述第二电极与所述相变材料层6电气连通。
综上所述，本发明的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元通过在底电极和相变材料之间使用过渡材料层，该过渡材料层在室温至相变材料熔点之上的温度区间内都具有稳定的物理特性(电阻率、薄膜厚度、薄膜粗糙度、热导率和比热等)，且与底电极、相变材料和四周的介质材料层均有良好的粘附性，由此可有效减少热量向底电极的扩散，并将热量保存在相变材料内部，从而达到降低功耗，提高加热效率的目的；此外，利用反应离子束刻蚀制备小尺寸孔洞，再用原子层沉积系统(ALD)沉积均匀的过渡层材料和相变材料，以此可减小器件单元尺寸，降低操作功耗；再有，过渡层材料能够有效地抑制相变材料向底电极W方向的扩散，而且过渡层材料不会和相变材料及底电极发生化学反应，保证了器件循环操作时操作的一致性，从而提高器件的可靠性和使用寿命。所以，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 (10)
1.一种高速、高密度、低功耗的相变存储器单元的制备方法，其特征在于，所述高速、高密度、低功耗的相变存储器单元的制备方法至少包括步骤：
A、在已形成第一电极的结构表面制备具有容置空间的过渡材料层，其中，该容置空间对应于第一电极；
B、在形成过渡材料层的结构上制备相变材料层，并使所述相变材料层处于所述容置空间内；
C、在已制备相变材料层的结构表面制备第二电极材料层，以制备出相变存储器单元；
其中，所述过渡材料层将所述相变材料层与第一电极隔离，所述第二电极材料层与所述相变材料层电气连通。
2.根据权利要求1所述的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元的制备方法，其特征在于，所述步骤A包括步骤：
在已形成第一电极的结构表面制备具有凹槽的过渡材料层，该凹槽覆盖第一电极；
所述步骤B至少包括步骤：
在具有凹槽的过渡材料层制备相变材料层，使所述相变材料层处于所述凹槽内。
3.根据权利要求1或2所述的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元的制备方法，其特征在于：所述步骤A采用原子层沉积工艺来制备所述具有容置空间的过渡材料层。
4.根据权利要求1或2所述的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元的制备方法，其特征在于：所述过渡材料层所采用的材料包括利于相变材料的成核生长、具有良好热稳定性、低热导率、良好粘附性的材料。
5.根据权利要求4所述的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元的制备方法，其特征在于：所述过渡材料层所采用的材料包括GeN、SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5和Si3N4中的一种。
6.一种高速、高密度、低功耗的相变存储器单元，其特征在于，所述高速、高密度、低功耗的相变存储器单元至少包括：
衬底、形成在所述衬底的第一电极、覆盖所述第一电极且具有容置空间的过渡材料层、处于所述容置空间内的相变材料层、及形成在所述过渡材料层表面的第二电极材料层，其中，所述过渡材料层将所述相变材料层与第一电极隔离，所述第二电极材料层与所述相变材料层电气连通。
7.根据权利要求6所述的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元，其特征在于：所述容置空间呈凹槽状。
8.根据权利要求6或7所述的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元，其特征在于：所述过渡材料层的厚度范围在1~10 nm之间。
9.根据权利要求6所述的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元，其特征在于：所述过渡材料层所采用的材料包括利于相变材料的成核生长、具有良好热稳定性、低热导率、良好粘附性的材料。
10.根据权利要求9所述的高速、高密度、低功耗的相变存储器单元，其特征在于：所述过渡材料层所采用的材料包括GeN、SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5和Si3N4中的一种。
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