CN103682094B

CN103682094B - 一种相变存储器结构及其制备方法

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Publication number: CN103682094B
Application number: CN201310673872.XA
Authority: CN
Inventors: 闫未霞; 王良咏; 刘卫丽; 宋志棠
Original assignee: Shanghai Xin'anna Electronic Technology Co ltd; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Xin'anna Electronic Technology Co ltd; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103682094A

Abstract

本发明涉及一种相变存储器结构及其制备方法，制备的相变存储结构包括基底和位于所述基底上的若干相邻的相变存储单元；相变存储单元包括相变材料层、位于相变材料层两侧的第一电介质层、位于相变材料层及其两侧第一电介质层上表面上的上电极层、以及第二电介质层，所述第二电介质层包覆于所述第一电介质层和上电极层外且填充于相邻的相变存储单元之间；相邻两个相变存储单元的第一电介质层之间形成有空气间隔，且所述空气间隔位于第二电介质层之内；所述空气间隔能够增大相变单元间的热阻、减少器件操作中的热损失从而降低操作功耗，同时也可减少存储单元间的热串扰；另一方面具有空气间隔的存储器件可以降低导线间的寄生电容，以提高操作速度。

Description

一种相变存储器结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种相变存储器结构及其制备方法，属于相变存储器或高密度相变存储器件领域。

背景技术

相变存储器是一种新型的非易失性数据存储器件，利用相变合金材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性或光学特性差异来实现数据存储。相变存储器具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、器件尺寸小、功耗低和制造工艺简单等优点，可取代多种传统的存储器，并广泛应用于移动通讯、移动数据终端、移动多媒体等消费类电子等领域。

在相变存储器的商品化过程中仍然面对诸多可靠性，功耗，速度等挑战。在相变存储器单元的操作过程中，采用产生焦耳热对相变单元进行晶态与非晶态的转换，其中伴随着复杂的热学过程。上述过程中产生的焦耳热中，一部分用于对相变单元的操作，其它的热量则通过周围的电介质与金属散失。在T型结构的相变单元中，约四分之一的热量散失中周边的电介质中。通过减少存储器中的热散失以提高热效率是降低相变存储器的功耗的有效途径之一。常用集成电路中常用材料的热导率如表1所示，空气的热导率远小于常规的电介质如二氧化硅。采用空气间隔结构可有效地增大相变单元之间的热阻，从而降低相变存储器的功耗。与此同时，通过空气间隔结构增大相变单元之间的热阻也对存储单元之间的热串扰提供了一个解决方案。

表1：常用集成电路中常用材料的热导率

与此同时，随着存储器密度的不断提高，金属连线间的时间延迟(τ)对存储器运行速度也不断增大。金属连线的时间延迟可用金属导线的电阻值(R)与金属导线间的寄生电容(C)的乘积来表达。目前为了降低金属电线的电阻已大量采用电阻率较低的铜导线，与此同时，采用较低介电常数(k)的电介质以降低金属导线间的寄生电容则是降低时间延迟的另一选择。目前主要使用的低介电常数材料主要有FSG、HSQ、SiLK^TM、BD、CDO、NDC等。上述低介电常数材料基本上同时具有低介电常数，低表面导电性等性能，然而仍然面临诸如可靠性、机械强度低或与金属整合差等问题。由于空气的理想介电常数接近于1，因此使用空气作为金属间的绝缘物质也是一种有效地降低金属导线间寄生电容的解决方案之一。

鉴于此，一种高效可行的具有空气间隔的相变存储结构及制作方法具有重大意义。本发明可以提供一完整的解决方案，可达到量产规模。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种相变存储结构及制作方法，通过在相变存储单元之间形成大量的空气间隔，进而有效地增大相变单元之间的热阻，从而降低相变存储器的功耗。同时，具有大量空气间隔也可以达到减少集成电路中的时间延迟的功效。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种相变存储器结构，包括基底和位于所述基底上的若干相邻的相变存储单元；

所述相变存储单元包括相变材料层、位于所述相变材料层两侧的第一电介质层、位于所述相变材料层及其两侧第一电介质层上表面上的上电极层、以及第二电介质层，所述第二电介质层包覆于所述第一电介质层和上电极层外且填充于相邻的相变存储单元之间；

相邻两个相变存储单元的第一电介质层之间形成有空气间隔，且所述空气间隔位于第二电介质层之内；

所述相变材料层的纵截面为倒梯形；

所述上电极层的纵截面为梯形。

所述基底为半导体衬底，例如单晶硅的半导体衬底或其他材料的半导体衬底。

所述基底上还设有已经制作完成的半导体器件，如MOS晶体管、二极管、BJT、电极、电阻、电容等。

所述相变材料层材料选自锑-碲化合物和锗-碲化合物。

优选的，所述相变材料层材料选自锗-锑-碲、硅-锑-碲、钛-锑-碲和铝-锑-碲化合物。

所述第一电介质层材料选自氧化硅、氮化硅或氮氧硅。

所述第二电介质层材料为氧化硅、氮化硅或氮氧硅。

所述上电极层材料为钛、氮化钛、钛铝氮或者钛硅氮。

本发明进一步提供所述相变存储结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）提供一基底，在所述基底上形成第一电介质层；

（2）非等向性蚀刻所述第一电介质层，在所述基底上形成若干倒梯形第一沟槽用于形成限制型相变存储单元；

（3）在所述第一沟槽内沉积相变材料层并覆盖于所述第一电介质层的上表面上；

（4）采用化学机械抛光的方法对相变材料层进行平整化处理，直至相变材料层与第一电介质层的上表面齐平；

（5）在相变材料层与第一电介质层的上表面上沉积一上电极层；

（6）对位于第一电介质层上的上电极层进行图案化，然后非等向性刻蚀所述上电极层，并以上电极层为硬掩膜对第一电介质层进行过刻蚀形成第二沟槽；

（7）采用湿法刻蚀并在短时间内各向同性刻蚀所述第二沟槽，在第一电介质层内形成中空结构；

（8）在上述形成的整体结构上沉积第二电介质层用于封盖各中空结构，形成空气间隔；

（9）采用化学机械抛光的方法对第二电介质层表面进行平整化。

其中，

所述相变材料层的沉积工艺可以采用物理气相沉积，化学气体沉积，原子层沉积等技术。

所述第二电介质层的沉积工艺可以采用化学气相沉积法(CVD)或等离子体增强化学气体沉积等方法。

步骤（4）所述的化学机械抛光所用的抛光液为酸性相变材料抛光液。

步骤（9）所述的化学机械抛光所用的抛光液为碱性二氧化硅抛光液。

本发明的技术效果及优点在于：在相变单元之间形成了空气间隔，一方面可以增大相变单元间的热阻，减少器件操作中的热损失从而降低操作功耗，同时也可减少存储单元间的热串扰；另一方面具有空气间隔结构的存储器件可以降低导线间的寄生电容，以提高操作速度。

附图说明

图1基底和第一电介质层示意图（刻蚀前）；

图2第一沟槽示意图；

图3相变材料层示意图（抛光前）；

图4相变材料层示意图（抛光后）；

图5上电极层示意图（刻蚀前）；

图6第二沟槽示意图；

图7中空结构示意图；

图8第二电介质层和空气间隔示意图（抛光前）；

图9第二电介质层和空气间隔示意图（抛光后）

附图标记：

210-基底；

220-第一电介质层；

221-第一沟槽；

230-相变材料层；

231-化学机械抛光处理后填充在第一沟槽里的相变材料层；

240-上电极层；

241-刻蚀图形化后的上电极层；

242-第二沟槽；

243-中空结构；

250-第二电介质层；

251-空气间隔；

252-化学机械抛光处理后的第二电介质层；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

一种相变存储器结构，如图9所示，包括基底210和位于所述基底210上的若干相邻的相变存储单元；

所述相变存储单元包括相变材料层、位于所述相变材料层230两侧的第一电介质层220、位于所述相变材料层230及其两侧第一电介质层上220表面上的上电极层241、以及第二电介质层252，所述第二电介质层252包覆于所述第一电介质层220和上电极层241外且填充于相邻的相变存储单元之间；

相邻两个相变存储单元的第一电介质层220之间形成有空气间隔251，且所述空气间隔251位于第二电介质层252之内；

所述相变材料层230的纵截面为倒梯形；

所述上电极层241的纵截面为梯形。

所述相变存储结构通过以下方法步骤制得：

步骤（1）：如图1所示，提供一基底210，在所述基底上形成第一电介质层220，所述第一电介质层220布置于基底（半导体衬底）210表面。在基底210的表面可以包含有已经制作完成的半导体组件，例如MOS晶体管、二极管、BJT、电极、电阻、电容等等。由于这些组件并非本发明的重点，因此并未显示在图标之中。所述半导体衬底210可以是单晶硅的半导体衬底或其他材料的半导体衬底。所述第一电介质层220可以是氧化硅、氮化硅或氮氧硅或其形成的组合。

步骤（2）：如图2所示，非等向性蚀刻所述第一电介质层220，形成倒梯形第一沟槽221用于形成限制型相变存储单元；

步骤（3）：如图3所示，在第一沟槽221内沉积相变材料层230并覆盖于所述第一电介质层220的上表面上，该相变材料层230的材料为锗-锑-碲、硅-锑-碲、钛-锑-碲、铝-锑-碲、或其它锑-碲化合物以及锗-碲化合物等。相变材料形成于基底上可以采用物理气相沉积，化学气体沉积或原子层沉积等技术。

步骤（4）：如图4所示，采用酸性相变材料抛光工艺对相变材料层230进行平整化处理，，直至剩余的相变材料层231与第一电介质层220的上表面齐平，处理后相变材料表面的尺寸为d；

步骤（5）：如图5所示，在所述平整化处理后的相变材料层2表面覆盖上电极层240；本实施例中，所述刻蚀阻挡层240的材料是氮化钛。氮化钛作为刻蚀阻挡层的优点在与相变材料粘合性好，导电性及导热性满足性能需求。所述刻蚀阻挡层240的材料也可以是钛、钛铝氮、钛硅氮等本领域内常见的材料。

步骤（6），如图6所示，对位于第一电介质层220上的上电极层240进行图案化，然后非等向性刻蚀所述上电极层240以使预设部分暴露出来，继而以剩余的上电极层作为刻蚀阻挡层，并以该阻挡层为硬掩膜，对第一电介质层220进行过刻蚀形成第二沟槽242；所述刻蚀阻挡层上表面尺寸为h，下表面尺寸为H，H＞h且H＞d；即剩余上电极层240为梯形且完全覆盖在相变材料层上；

步骤（7），如图7所示，采用湿法刻蚀并在短时间内各向同性刻蚀所述第二沟槽242，在第一电介质层220形成中空结构243；

步骤（8），如图8所示，在步骤（7）形成的整体结构上沉积第二电介质层250用于封盖各中空结构，形成空气间隔251；所述第二电介质层250的材料可以为氧化硅、氮化硅或氮氧硅；所述第二电介质层的沉积工艺可以采用化学气相沉积法(CVD)或等离子体增强化学气体沉积等方法。

步骤（9），如图9所示，采用碱性二氧化硅抛光液对第二电介质层250表面进行平整化，处理后得到第二电介质层252。

本发明的优点在于在相变单元之间形成了空气间隔，一方面可以增大相变单元间的热阻，减少器件操作中的热损失从而降低操作功耗，同时也可减少存储单元间的热串扰；另一方面具有空气间隔结构的存储器件可以降低导线间的寄生电容，以提高操作速度。

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

1.一种相变存储器结构，包括基底和位于所述基底上的若干相邻的相变存储单元；

所述相变材料层的纵截面为倒梯形；

所述上电极层的纵截面为梯形；

所述基底为半导体衬底。

2.如权利要求1所述的相变存储器结构，其特征在于，所述基底上还设有已经制作完成的半导体器件。

3.如权利要求2所述的相变存储器结构，其特征在于，所述半导体器件为MOS晶体管、二极管、BJT、电极、电阻或电容。

4.如权利要求1所述的相变存储器结构，其特征在于，所述相变材料层材料选自锑-碲化合物和锗-碲化合物。

5.如权利要求4所述的相变存储器结构，其特征在于，所述相变材料层材料选自锗-锑-碲、硅-锑-碲、钛-锑-碲和铝-锑-碲化合物。

6.如权利要求1所述的相变存储器结构，其特征在于，所述第一电介质层材料选自氧化硅、氮化硅或氮氧硅。

7.如权利要求1所述的相变存储器结构，其特征在于，所述第二电介质层材料为氧化硅、氮化硅或氮氧硅。

8.如权利要求1所述的相变存储器结构，其特征在于，所述上电极层材料为钛、氮化钛、钛铝氮或者钛硅氮。

9.如权利要求1-8任一所述的相变存储器结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)提供一基底，在所述基底上形成第一电介质层；

(2)非等向性蚀刻所述第一电介质层，在所述基底上形成若干倒梯形第一沟槽用于形成限制型相变存储单元；

(3)在所述第一沟槽内沉积相变材料层并覆盖于所述第一电介质层的上表面上；

(4)采用化学机械抛光的方法对相变材料层进行平整化处理，直至相变材料层与第一电介质层的上表面齐平；

(5)在相变材料层与第一电介质层的上表面上沉积一上电极层；

(6)对位于第一电介质层上的上电极层进行图案化，然后非等向性刻蚀所述上电极层，并以上电极层为硬掩膜对第一电介质层进行过刻蚀形成第二沟槽；

(7)采用湿法刻蚀并在短时间内各向同性刻蚀所述第二沟槽，在第一电介质层内形成中空结构；

(8)在上述形成的整体结构上沉积第二电介质层用于封盖各中空结构，形成空气间隔；

(9)采用化学机械抛光的方法对第二电介质层表面进行平整化。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述相变材料层的沉积工艺为物理气相沉积，化学气体沉积或原子层沉积。

11.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第二电介质层的沉积工艺为化学气相沉积法或等离子体增强化学气体沉积。

12.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的化学机械抛光所用的抛光液为酸性相变材料抛光液；步骤(9)所述的化学机械抛光所用的抛光液为碱性二氧化硅抛光液。