CN103904214B - 一种二维相变存储器单元结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维相变存储器单元结构，包括：一衬底晶圆；设置于所述衬底晶圆上方的第一绝缘层，所述第一绝缘层内设有下电极，所述下电极的下表面连接所述衬底晶圆；设置于所述第一绝缘层和所述下电极上方的第二绝缘层；设置于所述第二绝缘层内并覆盖所述下电极上表面的相变结构，且该相变结构包括依次设置于下电极上方的第一相变辅助层、相变材料层和第二相变辅助层。本发明还提供了制备该结构的方法，所得的二维相变存储器单元结构具有极薄的相变材料层，工作时，在电场和热场的作用下，相变材料层无需达到熔融状态，可以通过和相变辅助层之间交换原子或自身发生相变，从而改变自身的电阻值，实现低能耗的非易失性存储。

Description

一种二维相变存储器单元结构及其制造方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种二维相变存储器单元结构及其制造方法。

背景技术

相变存储器是一种新兴的非易失性存储器技术，它是通过电脉冲使相变材料在有序的晶态(电阻低)和无序的非晶态(电阻高)进行快速的转化从而实现数据的存储。相变存储器具有速度快，更容易缩小到较小尺寸，可靠性高等特点，很可能是闪存技术的替代者。目前美国的Micron公司已经宣布了45nm相变存储器的量产。

为了实现高容量、低功耗、快速的相变存储器，目前主要是通过减小相变材料体积或减小加热电极尺寸的方法来实现，例如Samsung公司的Confine结构主要是减小相变材料的体积，Micron公司的utrench狭缝加热电极结构主要是减小加热电极的尺寸。但是目前基于相变材料的相变存储器均是基于三维的体单元结构，且相变时都是通过电加热相变材料到熔化状态(500～600℃)然后再使其晶化或非晶化，因此此物理过程决定了不可能实现超低能量的操作。通过上述方法虽然操作电流可以降低到200uA的量级，但仍然不能满足未来手持系统对存储器超低功耗的要求。同时现有技术中随着存储器单元尺寸的进一步缩小，例如在32nm、22nm、16nm工艺节点，操作电流虽然也在缩小，但是电流密度却越来越大，使得相变存储器的稳定性变差。

中国专利(公开号：CN103325940A)提供了一种相变存储器单元及其制造方法，在不增加工艺复杂度的情况下，巧妙简单地在第一下电极与相变材料层之间形成具有真空孔洞的第二下电极，提高器件的加热效率促使恰好能够实现RESET操作的有效操作区域减小，不仅降低功耗，减低操作电流，尤其是减小多晶向非晶转化时的操作电流，还可以提高器件的热稳定性，其中，一方面减小器件操作对周围存储单元的串扰，提高器件密度，另一方面减小多晶向非晶转化造成成分偏析的程度，有效地提升器件良率和读写次数。从而，应用本发明相变存储器单元的相变存储器具有低功耗、高密度和高热稳定性等特点，是一种可实现对信息的写入、擦除和读出功能的非易失性半导体存储器。

中国专利(公开号：CN101931049A)本发明公开了一种低功耗抗疲劳的相变存储器单元，包括：下电极，位于下电极之上的介质材料过渡层，位于介质材料过渡层之上的复合相变材料层以及复合相变材料层之上的上电极；介质材料过渡层采用第一介质材料,为Ta₂O₅、TiO₂、CeO₂中的一种或多种；复合相变材料层为相变材料和第二介质材料构成的复合材料；第二介质材料为SiO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂、CeO₂中的一种或多种。该发明还提供了制备该低功耗抗疲劳的相变存储器单元的方法，所得相变存储器单元可减小热量损失，防止相变材料挥发，提高热稳定性，优化界面，减小相变前后应力变化，有利于器件性能的稳定，一方面降低了器件功耗，另一方面提高了器件的抗疲劳特性。

上述两件专利都提出了低功耗的相变存储器单元结构及其制造方法，但是其采取的技术方案与本发明所采取的相变存储器单元的制造方法并不相同。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出了二维相变存储器单元及其制造方法，以克服现有技术中相变存储技术中必须将相变材料加热到熔融状态，无法实现能耗低同时又具有较高稳定性的相变存储器单元的问题。

为了实现上述目的，本申请记载了一种二维相变存储器单元结构，包括：

一衬底晶圆；

设置于所述衬底晶圆上方的第一绝缘层，所述第一绝缘层内设有下电极，所述下电极下表面连接所述衬底晶圆；

设置于所述第一绝缘层和所述下电极上方的第二绝缘层；

设置于所述第二绝缘层内并覆盖所述下电极上表面的相变结构。

其中，所述相变结构包括依次设置于所述下电极上方的第一相变辅助层、相变材料层和第二相变辅助层。

上述的二维相变存储器单元结构，其中，所述相变材料层的长度大于或等于其厚度的5倍，且所述相变材料层的厚度取值范围为0.1～10nm。

上述的二维相变存储器单元结构，其中，所述相变材料层的材质为GeTe、掺N的GeTe、GeSbTe、掺N的GeSbTe中的一种或几种；所述第一相变辅助层和第二相变辅助层的材质均为氮锗化合物。

本申请还记载了另一种二维相变存储器单元结构，包括：

一衬底晶圆；

设置于所述衬底晶圆上方的第一绝缘层，所述第一绝缘层内设有下电极，所述下电极下表面连接所述衬底晶圆；

设置于所述第一绝缘层和所述下电极上方的第二绝缘层；

设置于所述第二绝缘层内的相变结构，所述相变结构覆盖所述下电极上表面；

设置于所述相变结构上方的上电极。

其中，所述相变结构包括依次设置于所述下电极上方的第一相变辅助层、相变材料层和第二相变辅助层。

上述的二维相变存储器单元结构，其中，所述相变材料层的长度大于或等于其厚度的5倍，且所述相变材料层的厚度取值范围为0.1～10nm。

上述的二维相变存储器单元结构，其中，所述相变材料层的材质为GeTe、掺N的GeTe、GeSbTe、掺N的GeSbTe中的一种或几种；所述第一相变辅助层和第二相变辅助层的材质均为氮锗化合物。

本申请还记载了一种二维相变存储器单元结构的制造方法，包括如下步骤：

S1，提供一衬底晶圆，于所述衬底晶圆上制备第一绝缘层，并刻蚀所述第一绝缘层形成通孔，填充电极材料至所述通孔中形成下电极；

S2，于所述第一绝缘层和所述下电极上方沉积一复合相变层，部分刻蚀所述复合相变层形成覆盖所述下电极上表面的一相变结构；

S3，于所述相变结构和所述第一绝缘层的上方制备第二绝缘层。

上述的二维相变存储器单元的制造方法，其中，所述步骤S2具体为：

S201，于所述第一绝缘层和所述下电极上方依次沉积第一相变辅助层、相变材料层、第二相变辅助层，形成所述复合相变层；

S202，部分刻蚀所述复合相变层形成覆盖所述下电极上表面的所述相变结构。

上述的二维相变存储器单元的制造方法，其中，所述步骤S201中，于所述第一相变辅助层上沉积所述相变材料层之后，于所述相变材料层上方注入离子，再于所述相变材料层上沉积第二相变辅助层。

本申请还记载了另一种二维相变存储器单元的制造方法，其中，包括如下步骤；

S1，提供一衬底晶圆，于所述衬底晶圆上制备第一绝缘层，并刻蚀所述第一绝缘层形成通孔，填充电极材料至所述通孔中形成下电极；

S2，于所述第一绝缘层和所述下电极的上方制备第二绝缘层，刻蚀所述第二绝缘层形成一开口，并且在所述开口中至少暴露出各所述下电极的顶部区域；

S3，于所述开口中沉积一复合相变层，所述复合相变层覆盖所述开口的底部及侧壁，部分刻蚀所述复合相变层形成位于所述下电极上方的一相变结构；

S4，部分刻蚀所述相变结构，于所述相变结构的中间部分形成另一开口，于所述相变结构和所述第一绝缘层的上方制备第三绝缘层。

上述的二维相变存储器单元的制造方法，其中，所述步骤S3具体为：

S301，于所述开口的底部及侧壁依次沉积第一相变辅助层、相变材料层、第二相变辅助层，形成所述复合相变层，所述复合相变层覆盖所述开口的底部及侧壁；

S302，部分刻蚀所述复合相变层形成覆盖所述下电极上表面的一相变结构。

上述的相变存储器单元的制造方法，其中，还包括：S5，抛光所述第二绝缘层，在露出的相变材料和相变辅助层材料上方制备上电极。

上述发明具有如下优点或者有益效果：

本发明提出的二维相变存储器单元结构及其制造方法，通过制备极薄的相变材料层和相变辅助材料层将相变行为限制在几个分子或原子层的尺度内，在电场和热场的作用下相变材料层无需达到熔融状态，即可以通过和相变辅助材料层之间交换原子或自身发生相变，从而改变自身的电阻值，实现超低能耗的非易失信息存储。

具体附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是相变材料说明图；

图10是本发明实施例一中相变存储器单元结构的结构示意图；

图2～9是本发明实施例一种相变存储器单元结构的制备方法的流程结构示意图；

图16是本发明实施例二中相变存储器单元结构的结构示意图；

图11～15是本发明实施例二中相变存储器单元结构的制备方法的流程结构示意图；

图17是是本发明实施例三中相变存储器单元结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

如图1所示，本发明中所述的相变材料层为：任意一块连续的相变材料的任一截面材料的长度L大于或等于其厚度D的5倍，且厚度D在0.1nm～10nm之间(例如0.1nm、5nm、6nm或者10nm)。

具体实施方式如下：

实施例一：

图10是本实施例的相变存储器单元结构的结构示意图；如图10所示，一种相变存储器单元结构，包括：衬底晶圆1；设置于衬底晶圆1上方的第一绝缘层21，第一绝缘层21内设有下电极3，下电极3下表面连接衬底晶圆1；设置于第一绝缘层21和下电极3上方的相变结构7；设置于相变结构7和第一绝缘层21上方的第二绝缘层22，相变结构7包括依次设置于下电极3上方的第一相变辅助层71、相变材料层72和第二相变辅助层73。

其中，衬底晶圆1选用制备好相变存储器电路的晶圆，衬底晶圆1可以是制备好各种晶体管前段工艺还未制备金属互连层的晶圆，或者是包括各种晶体管和部分金属互连层的晶圆；第一绝缘层21和第二绝缘层22采用的材料可以是SiO₂，Si₃N₄或二者组合，也可以是低介电常数材料；下电极3的电极材料可以是W，Cu，Ti，Al等金属材料或TiN，TiSiN等非金属材料或金属材料与非金属材料的组合；第一相变辅助层71和第二相变辅助层73为氮化物，优选为富锗的氮锗化合物，例如富锗的Ge_(3～8)N₄材料，其厚度为5nm～100nm(例如，50nm、60nm、80nm或者100nm)，相变材料层72为GeTe、掺N的GeTe、GeSbTe、掺N的GeSbTe材料中的一种或几种，其厚度在0.1nm～10nm之间(例如0.1nm、5nm、6nm或者10nm)，且其长度大于或者等于其厚度的5倍。

本实施例中的相变存储器单元的制备方法包括以下步骤：

步骤一：如图2所示，选用制备好相变存储器电路的衬底晶圆1，衬底晶圆1可以是制备好各种晶体管前段工艺还未制备金属互连层的晶圆，或者是包括各种晶体管和部分金属互连层的晶圆，在衬底晶圆1上制备第一绝缘层21，第一绝缘层采用的材料可以是SiO₂，Si₃N₄或二者组合或低介电常数材料，制备第一绝缘层的方法可以是物理沉积(PVD)，化学沉积(CVD)，原子层沉积(ALD)或旋涂法。

步骤二：如图3所示，在步骤一的基础上，通过光刻图形转移的方式在第一绝缘层21上制备掩模5，并通过干法刻蚀于第一绝缘层21内形成通孔。

步骤三：在步骤二制备好的通孔中填充电极材料，形成下电极3，去除多余的电极材料和掩模5后得到的结构如图4所示，去除多余的电极材料的过程可能包含化学机械抛光(CMP)，所述电极材料可以是W，Cu，Ti，Al等金属材料或TiN，TiSiN等非金属材料或金属材料与非金属材料的组合，所述下电极3下方直接连接晶体管或通过金属互连层连接晶体管。

步骤四：如图5所示，在制备好下电极3的图4的结构上沉积第一相变辅助层41，第一相变辅助层41为氮化物，优选为富锗的氮锗化合物，例如富锗的Ge_(3～8)N₄材料，其厚度为5nm～100nm(例如，50nm、60nm、80nm或者100nm)，沉积方法为物理沉积(PVD)，化学沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)。

步骤五：如图6所示，在制备好相变辅助层41的如图5所示的结构上使用原子层沉积(ALD)的方法沉积一层相变材料层42，相变材料层42为GeTe、掺N的GeTe、GeSbTe、掺N的GeSbTe中的一种或几种，其厚度为0.1nm～10nm(例如0.1nm、5nm、6nm或者10nm)，如图7所示，还可在此相变材料层42上制备离子注入掩膜6，对衬底晶圆上特定区域的相变材料层注入离子，从而对其进行改性，例如掩模区域的相变材料为GeTe，而在注入区域注入N离子，这样可以在同一芯片上实现不同性能的相变存储器单元。

步骤六：如图8所示，在制备好相变材料层42的图6的结构上或者是在图7的去除离子注入掩膜的结构上再沉积第二相变辅助层43，第二相变辅助层43为氮化物，优选为富锗的氮锗化合物，例如富锗的Ge_(3～8)N₄材料，其厚度为5nm～100nm(例如，50nm、60nm、80nm或者100nm)，沉积方法为物理沉积(PVD)，化学沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)，第一相变辅助层41、第二相变辅助层42和第三相变辅助层43构成复合相变层4。

步骤七：利用光刻和刻蚀的方法来定义相变存储器单元区域，去除不需要的相变辅助层材料和相变材料，即图案化所述复合相变层4形成相变结构7，如图9所示。

步骤八：在步骤七形成的相变存储器单元上方沉积第二绝缘层22，将相变结构保护起来既实现电学隔离作用，也实现热隔离作用，如图10所示。此后可再此衬底晶圆基础上按标准CMOS工艺继续制备其他金属互连层。

实施例二：

图16是本实施例的相变存储器单元结构的结构示意图；如图16所示，一种相变存储器单元结构，包括：衬底晶圆1；设置于衬底晶圆1上方的第一绝缘层21，第一绝缘层21内设有2个下电极3，下电极3下方连接衬底晶圆1，设置于所述第一绝缘层21和下电极3上方的第二绝缘层22，设置于所述第二绝缘层22内的相变结构7，相变结构7位于所述下电极3上方，设置于相变结构7上方的上电极8，其中，相变结构7包括依次设置于下电极3上方的第一相变辅助层、相变材料层和第二相变辅助层。

本实施例中的相变存储器单元结构的制备方法包括以下步骤：

步骤一：如图11所示，选用制备好相变存储器电路的衬底晶圆1，衬底晶圆1可以是制备好各种晶体管前段工艺还未制备金属互连层的晶圆，或者是包括各种晶体管和部分金属互连层的衬底晶圆；在衬底晶圆1上制备第一绝缘层21，材料可以是SiO₂，Si₃N₄或二者组合或低介电常数材料，制备方法可以是物理沉积(PVD)，化学沉积(CVD)，原子层沉积(ALD)或旋涂法；并使用与实施例一相同的方法并制备下电极3，下电极3的电极材料可以是W，Cu，Ti，Al等金属材料或TiN，TiSiN等非金属材料或金属材料与非金属材料的组合，下电极3下方直接连接晶体管或通过金属互连层连接晶体管，在第一绝缘层21和下电极3上方制备第二绝缘材料层，然后用刻蚀的方法刻蚀第二绝缘材料层制备开口，此开口横跨相邻的两个电极，刻蚀深度停在下电极3的位置，即此开口至少暴露出下电极3的部分顶部区域。

步骤二：如图12所示，参照实施例一中步骤五到七，在步骤一制备的开口中依次沉积第一相变辅助层41，相变材料层42和第二相变辅助层43，形成复合相变层4，并刻蚀去除不需要的部分，即图案化复合相变层形成相变结构7，材料的制备方法和参数与第一实施例中的相同。

步骤三：如图13所示，用干法刻蚀的方法刻蚀相变结构7的中间部分形成另一开口，实现相邻两个单元的隔离。

步骤四：如图14所示，在步骤三的基础上，制备绝缘层23把开口以及另一开口中空隙填满，此材料可以是SiO₂，Si₃N₄或二者组合或低介电常数材料，制备方法可以是物理沉积(PVD)，化学沉积(CVD)，原子层沉积(ALD)或旋涂法。并采用化学机械抛光把绝缘材料表面抛平，在表面露出相变材料和相变辅助材料。

步骤五：如图15所示，在露出相变材料和相变辅助材料上方制备上电极8，上电极材料可以是W，Cu，Ti，Al等金属材料或TiN，TiSiN等非金属材料或金属材料与非金属材料的组合。此后可以使用标准CMOS工艺制备其他金属互连层。

实施例三：

如图16所示，本实施例的结构及其制备方法均与实施例二相近，区别在于其下电极3只有一个，且相变结构7为方形结构，在此便不予赘述。

综上所述，上述实施例中，相变存储器单元的相变材料层均夹在两个相变辅助层中间，且相变材料层极薄，厚度为0.1nm-10nm，在几个原子层到几十个原子层之间，相变材料层可以实现与相变材料比较好的晶格匹配和辅助相变作用，相变存储器工作时，在电场和热场的作用下，相变材料层无需达到熔融状态，可以通过和相变辅助层之间较好原子或自身发生相变，实现低能耗的非易失信息存储。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种二维相变存储器单元结构，其特征在于，包括：

一衬底晶圆；

设置于所述衬底晶圆上方的第一绝缘层，所述第一绝缘层内设有下电极，所述下电极的下表面连接所述衬底晶圆；

设置于所述第一绝缘层和所述下电极上方的第二绝缘层；

设置于所述第二绝缘层内并覆盖所述下电极上表面的相变结构；

其中，所述相变结构包括依次设置于所述下电极上方的第一相变辅助层、相变材料层和第二相变辅助层。

2.如权利要求1所述的二维相变存储器单元结构，其特征在于，所述相变材料层的长度大于或等于其厚度的5倍，且所述相变材料层的厚度取值范围为0.1～10nm。

3.如权利要求1所述的二维相变存储器单元结构，其特征在于，所述相变材料层的材质为GeTe、掺N的GeTe、GeSbTe、掺N的GeSbTe中的一种或几种；所述第一相变辅助层和第二相变辅助层的材质均为氮锗化合物。

4.一种二维相变存储器单元结构，其特征在于，包括：

一衬底晶圆；

设置于所述衬底晶圆上方的第一绝缘层，所述第一绝缘层内设有下电极，所述下电极下表面连接所述衬底晶圆；

设置于所述第一绝缘层和所述下电极上方的第二绝缘层；

设置于所述第二绝缘层内的相变结构，所述相变结构覆盖所述下电极上表面；

设置于所述相变结构上方的上电极；

其中，所述相变结构包括依次设置于所述下电极上方的第一相变辅助层、相变材料层和第二相变辅助层。

5.如权利要求4所述的二维相变存储器单元结构，其特征在于，所述相变材料层的长度大于或等于其厚度的5倍，且所述相变材料层的厚度取值范围为0.1～10nm。

6.如权利要求4所述的二维相变存储器单元结构，其特征在于，所述相变材料层的材质为GeTe、掺N的GeTe、GeSbTe、掺N的GeSbTe中的一种或几种；所述第一相变辅助层和第二相变辅助层的材质均为氮锗化合物。

7.一种二维相变存储器单元结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，提供一衬底晶圆，于所述衬底晶圆上制备第一绝缘层，并刻蚀所述第一绝缘层形成通孔，填充电极材料至所述通孔中形成下电极；

S2，于所述第一绝缘层和所述下电极上方沉积一复合相变层，图案化所述复合相变层形成覆盖所述下电极上表面的一相变结构；

S3，于所述相变结构和所述第一绝缘层的上方制备第二绝缘层。

8.如权利要求7所述的二维相变存储器单元结构的制造方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

S201，于所述第一绝缘层和所述下电极上方依次沉积第一相变辅助层、相变材料层、第二相变辅助层，形成所述复合相变层；

S202，图案化所述复合相变层形成覆盖所述下电极上表面的所述相变结构。

9.如权利要求8所述的二维相变存储器单元结构的制造方法，其特征在于，所述步骤S201中，于所述第一相变辅助层上沉积所述相变材料层之后，于所述相变材料层上方注入离子，再于所述相变材料层上沉积第二相变辅助层。

10.一种二维相变存储器单元结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤；

S1，提供一衬底晶圆，于所述衬底晶圆上制备第一绝缘层，并刻蚀所述第一绝缘层形成通孔，填充电极材料至所述通孔中形成下电极；

S2，于所述第一绝缘层和所述下电极的上方制备第二绝缘层，刻蚀所述第二绝缘层形成一开口，并且在所述开口中至少暴露出各所述下电极的顶部区域；

S3，于所述开口中沉积一复合相变层，所述复合相变层覆盖所述开口的底部及侧壁，图案化所述复合相变层形成位于所述下电极上方的一相变结构；

S4，部分刻蚀所述相变结构，于所述相变结构的中间部分形成另一开口，于所述相变结构和所述第一绝缘层的上方制备第三绝缘层。

11.如权利要求10所述的二维相变存储器单元结构的制造方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S301，于所述开口的底部及侧壁依次沉积第一相变辅助层、相变材料层、第二相变辅助层，形成所述复合相变层，所述复合相变层覆盖所述开口的底部及侧壁；

S302，图案化所述复合相变层形成覆盖所述下电极上表面的一相变结构。

12.如权利要求11所述的二维相变存储器单元结构的制造方法，其特征在于，还包括：S5，抛光所述第二绝缘层，在露出的相变材料和相变辅助层材料上方制备上电极。