CN104779349A - 一种相变存储单元及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种相变存储单元及其制作方法，所述相变存储单元包括：镶嵌于衬底中的至少一个下电极；连接于所述下电极上方的刀片状加热电极；连接于所述刀片状加热电极上方的刀片状相变材料结构；连接于所述相变材料结构上方的上电极。本发明的相变存储单元中采用刀片状加热电极及刀片状相变材料结构，所述刀片状加热电极及刀片状相变材料结构相互交叉接触。由于刀片状加热电极和刀片状相变材料结构的厚度尺寸非常小且容易控制，二者交叉接触可实现接触面最小化，达到进一步缩小相变存储单元的相变区域的目的，从而大大降低器件功耗。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，涉及一种相变存储单元及其制作方法。
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 Conference Proceedings ofInternational 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)，但上述结构的缺点是主要靠减小电极尺寸实现低功耗，而相变材料的尺寸都比较大。
因此，提出一种新的纳米器件单元结构以解决上述技术问题实属必要。
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相变存储单元及其制作方法，用于解决现有技术中相变材料的相变区域较大，导致器件功耗较大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种相变存储单元的制作方法，包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底中形成镶嵌于其中且暴露出上表面的至少一个下电极；
S2：在位于所述下电极一侧的所述衬底上形成第一支撑结构；
S3：在所述第一支撑结构侧壁表面及所述下电极上方形成加热电极层，其中，所述第一支撑结构一面侧壁表面的加热电极层与所述下电极上方的加热电极层相连，构成刀片状加热电极；然后在所述第一支撑结构及所述刀片状加热电极周围形成上表面与所述第一支撑结构上表面齐平的绝缘层；
S4：在所述刀片状加热电极上方形成与其顶端一侧相接触的第二支撑结构；
S5：在所述第二支撑结构侧壁表面形成相变材料层，其中，所述第二支撑结构一面侧壁表面的相变材料层与所述刀片状加热电极顶部接触，构成刀片状相变材料结构；然后在所述第二支撑结构及所述刀片状相变材料结构周围形成上表面与所述第二支撑结构上表面齐平的绝缘层；
S6：在所述刀片状相变材料结构上方形成与其接触的上电极。
可选地，于所述步骤S5中，仅在所述第二支撑结构侧壁表面形成所述相变材料层，得到“|”字型刀片状相变材料结构；或者在所述第二支撑结构侧壁表面形成相变材料层时，在所述刀片状加热电极上方也形成相变材料层，其中，所述第二支撑结构侧壁表面的相变材料层与所述刀片状加热电极上方的相变材料层相连，构成“L”型刀片状相变材料结构，所述“L”型刀片状相变材料结构的底部宽度范围是5～50纳米。
可选地，所述刀片状相变材料结构上部及所述刀片状加热电极上部在水平面上的投影呈预设角度交叉，所述预设角度为直角、锐角或钝角。
可选地，于所述步骤S1中，在所述衬底中形成至少四个下电极，各下电极之间呈至少两行及至少两列的点阵式分布；
于所述步骤S2中，在所述衬底上每隔两列下电极形成一条所述第一支撑结构；
于所述步骤S3中，包括如下步骤：
S3-1：在所述第一支撑结构侧壁及所述下电极上沉积所述加热电极层；
S3-2：在位于相邻两条所述第一支撑结构之间的两列下电极之间形成贯穿所述加热电极层的第一隔离槽，在相邻两行下电极之间形成贯穿所述加热电极层的第二隔离槽；所述第一隔离槽与第二隔离槽将所述加热电极层分割为若干分立的刀片状加热电极，每个刀片状加热电极分别与一个下电极连接；
于所述步骤S4中，每隔两行所述刀片状加热电极形成一条所述第二支撑结构；所述第二支撑结构与其两侧的刀片状加热电极均接触；
于所述步骤S5中，包括如下步骤：
S5-1：在所述第二支撑结构侧壁及所述刀片状加热电极上沉积所述相变材料层；
S5-2：在位于相邻两条所述第二支撑结构之间的两行刀片状加热电极之间形成贯穿所述相变材料层的第三隔离槽，在相邻两列刀片状加热电极之间形成贯穿所述相变材料层的第四隔离槽；所述第三隔离槽与第四隔离槽将所述相变材料层分割为若干分立的刀片状相变材料结构，每个刀片状相变材料结构分别与一个刀片状加热电极连接。
可选地，于所述步骤S3-2中，形成所述第一隔离槽后，在所述第一隔离槽中沉积第一绝缘层并平坦化；然后形成贯穿所述第一绝缘层及所述加热电极层的所述第二隔离槽，在所述第二隔离槽中沉积第二绝缘层并平坦化，使得所述第二绝缘层上表面与所述第一支撑结构上表面齐平。
可选地，于所述步骤S5-2中，形成所述第三隔离槽后，在所述第三隔离槽中沉积第三绝缘层并平坦化；然后形成贯穿所述第三绝缘层及所述相变材料层的所述第四隔离槽，在所述第四隔离槽中沉积第四绝缘层并平坦化，使得所述第四绝缘层上表面与所述第二支撑结构上表面齐平。
可选地，所述第三隔离槽的宽度大于所述第二隔离槽的宽度。
可选地，所述加热电极层为导电的氮化物；所述绝缘层的材料为氮化物、氧化物、氮氧化物或碳化物；所述第一支撑结构及第二支撑结构的材料为绝缘的氮化物、氧化物、氮氧化物及碳化物中的任一种；所述相变材料层的材料为硫系化合物、GeSb、SiSb或金属氧化物。
可选地，所述刀片状加热电极的厚度范围1～30纳米，高度范围是10～200纳米；所述刀片状相变材料结构的厚度范围是1～30纳米，高度范围是10～200纳米。
本发明还提供一种相变存储单元，包括：
镶嵌于衬底中的至少一个下电极；
连接于所述下电极上方的刀片状加热电极；
连接于所述刀片状加热电极上方的刀片状相变材料结构；
连接于所述相变材料结构上方的上电极。
可选地，所述刀片状相变材料结构为“|”字型或“L”型；所述“L”型刀片状相变材料结构的底部宽度范围是5～50纳米。
可选地，所述刀片状相变材料结构上部及所述刀片状加热电极上部在水平面上的投影呈预设角度交叉，所述预设角度为直角、锐角或钝角。
可选地，所述刀片状加热电极外侧壁连接有第一支撑结构；所述刀片状相变材料结构外侧壁连接有第二支撑结构。
可选地，所述刀片状加热电极的厚度范围1～30纳米，高度范围是10～200纳米；所述刀片状相变材料结构的厚度范围是1～30纳米，高度范围是10～200纳米。
本发明还提供一种采用上述相变存储单元的相变存储器。
可选地，所述相变存储器中，相邻两个刀片状加热电极之间通过绝缘层隔离；相邻两个刀片状相变材料结构之间通过绝缘层隔离。
可选地，所述相变存储器中，相邻两个刀片状加热电极之间的距离为5～90纳米；相邻两个刀片状相变材料结构之间的距离为5～140纳米。
如上所述，本发明的相变存储单元及其制作方法，具有以下有益效果：本发明的相变存储单元中采用刀片状加热电极及刀片状相变材料结构，所述刀片状加热电极及刀片状相变材料结构相互交叉接触。由于刀片状加热电极和刀片状相变材料结构的厚度尺寸非常小且容易控制，二者交叉接触可实现接触面最小化，达到进一步缩小相变存储单元的相变区域的目的，从而大大降低器件功耗。
附图说明
图1显示为本发明的相变存储单元的制作方法在衬底中形成至少一个下电极的示意图。
图2显示为在位于所述下电极一侧的所述衬底上形成第一支撑结构的示意图。
图3显示为图2所示结构的俯视图。
图4显示为在所述第一支撑结构侧壁表面及所述下电极上方形成加热电极层的示意图。
图5显示为在位于相邻两条所述第一支撑结构的两列下电极之间形成贯穿所述加热电极层的第一隔离槽的示意图。
图6显示为在所述第一隔离槽中沉积第一绝缘层并平坦化的示意图。
图7显示为图6所示结构的A-A向剖视图。
图8显示为在相邻两行下电极之间形成贯穿所述加热电极层的第二隔离槽的示意图。
图9显示为在所述第二隔离槽中沉积第二绝缘层并平坦化的示意图。
图10显示为图9所示结构的B-B向剖视图。
图11显示为图10所示结构的C-C向剖视图。
图12a显示为在所述刀片状加热电极上方形成与其顶端一侧相接触的第二支撑结构的示意图。
图12b显示为图12a所示结构的俯视图。
图13显示为在所述第二支撑结构侧壁表面形成相变材料层的示意图。
图14显示为在位于相邻两条所述第二支撑结构之间的两行刀片状加热电极之间形成贯穿所述相变材料层的第三隔离槽的示意图。
图15显示为在所述第三隔离槽中沉积第三绝缘层并平坦化的示意图。
图16显示为图15所示结构的D-D向剖视图。
图17显示为在相邻两列刀片状加热电极之间形成贯穿所述相变材料层的第四隔离槽的示意图。
图18显示为在所述第四隔离槽中沉积第四绝缘层并平坦化的示意图。
图19显示为图18所示结构的E-E向剖视图。
图20显示为在所述刀片状相变材料结构上方形成与其接触的上电极的示意图。
图21显示为另一实施例中所述刀片状相变材料结构为“L”型的示意图。
元件标号说明
1 衬底
2 下电极
3 第一支撑结构
4 加热电极层
401 刀片状加热电极
5 第一隔离槽
6 第一绝缘层
7 第二隔离槽
8 第二绝缘层
9 第二支撑结构
10 相变材料层
101 刀片状相变材料结构
11 第三隔离槽
12 第三绝缘层
13 第四隔离槽
14 第四绝缘层
15 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21。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
本发明提供一种相变存储单元的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供一衬底，在所述衬底1中形成镶嵌于其中且暴露出上表面的至少一个下电极。
具体的，所述衬底为常规半导体衬底，如Si、Ge等。制备所述下电极的方法可以为溅射法、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的任意一种。所述下电极2的材料可以为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu和Ni中的任意一种，或由其中至少两种单金属材料组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。
作为示例，本实施例中采用CVD法制备W下电极层，W电极的直径为70nm，高度为200nm。在其它实施例中，所述下电极也可以采用其它尺寸。
作为示例，本实施例中，在所述衬底1中形成至少四个下电极2，各下电极2之间呈至少两行及至少两列的点阵式分布。
步骤S2：在位于所述下电极2一侧的所述衬底1上形成第一支撑结构。
作为示例，如图2所示，在所述衬底1上每隔两列下电极2形成一条所述第一支撑结构3，从而每一条所述第一支撑结构3均为其两侧的下电极2所共用。图3显示为图2所示结构的俯视图。
具体的，所述第一支撑结构3用于刀片状加热电极成型，其位于所述下电极1的边缘，且二者并不重叠。所述第一支撑结构3的材料可以为绝缘的氮化物、氧化物、氮氧化物、碳化物中的任意一种。本实施例中，在W下电极层上采用CVD法制备所述第一支撑结构3，该第一支撑结构的材料为SiN，高度大致为50-200nm，最好为100nm，宽度大致为20-100nm，最好为70nm。
步骤S3：在所述第一支撑结构侧壁表面及所述下电极上方形成加热电极层，其中，所述第一支撑结构一面侧壁表面的加热电极层与所述下电极上方的加热电极层相连，构成刀片状加热电极；然后在所述第一支撑结构及所述刀片状加热电极周围形成上表面与所述第一支撑结构上表面齐平的绝缘层。
具体的，如图4所示，沉积加热电极层4之后，所述加热电极层4覆盖于多个所述第一支撑结构3侧壁及多个所述下电极2上。为了将各个相变存储单元的加热电极层隔离开，本实施例中，进一步在位于相邻两条所述第一支撑结构之间的两列下电极之间形成贯穿所述加热电极层的第一隔离槽，在相邻两行下电极之间形成贯穿所述加热电极层的第二隔离槽；所述第一隔离槽与第二隔离槽将所述加热电极层分割为若干分立的刀片状加热电极，每个刀片状加热电极分别与一个下电极连接。
具体的，如图5所示，显示为在位于相邻两条所述第一支撑结构3之间的两列下电极2之间形成贯穿所述加热电极层4的第一隔离槽5的示意图。所述第一隔离槽5将位于不同列的各个所述下电极3上的加热电极层4分隔开。
如图6所示，形成所述第一隔离槽5后，进一步在所述第一隔离槽5中沉积第一绝缘层6并平坦化。图7显示为图6所示结构的A-A向剖视图。可见，位于不同行的各个所述下电极3上的加热电极层4仍然相连。沉积所述第一绝缘层6并平坦化的目的是为了后续进一步形成所述第二隔离槽。其中，平坦化后的第一绝缘层高度不低于所述第一支撑结构上表面。
如图8所示，显示为形成贯穿所述第一绝缘层6及所述加热电极层4的所述第二隔离槽7的示意图。所述第二隔离槽7将位于不同行的各个所述下电极3上的加热电极层4分隔开。
如图9所示，进一步在所述第二隔离槽7中沉积第二绝缘层8并平坦化，使得所述第二绝缘层8上表面与所述第一支撑结构6上表面齐平。图10显示为图9所示结构的B-B向剖视图。
至此，通过所述第一隔离槽5与第二隔离槽6将所述加热电极层分割为若干分立的刀片状加热电极401，每个刀片状加热电极401分别与一个下电极2连接。
具体的，所述加热电极层4的材料为导电的氮化物，优选为氮化钛(TiN)、氮化硅钛(TiSiN)、或氮化铝钛。所述加热电极层4的厚度范围是1-30纳米。制备所述加热电极层4的方法可以为溅射法、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的任意一种，使得所述加热电极层4与所述下电极2之间形成良好的欧姆连接。
作为示例，采用ALD法在SiN第一支撑结构上制备10nm厚的TiN加热电极层，并使TiN加热电极层与W下电极之间形成良好的欧姆连接；采用曝光和反应离子刻蚀法形成相互垂直的所述第一分隔槽5及第二分隔槽7，分隔开相邻下电极之间的TiN膜。所述第一分隔槽5及第二分隔槽7的宽度范围均为5-90纳米，均优选为70纳米。所述刀片状加热电极401的顶端长度范围是5～90纳米，优选为40纳米。所述刀片状加热电极401的高度范围是10～200纳米，优选为70纳米。所述刀片状加热电极401的厚度范围1～30纳米，优选为10纳米。所述第一绝缘层6、第二绝缘层8包括但不限于绝缘的单质材料、氧化物、氮化物、碳化物、氮氧化物，优选为SiN或TaN。制备所述第一绝缘层及第二绝缘层的方法为溅射法、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的任意一种。
步骤S4：在所述刀片状加热电极上方形成与其顶端一侧相接触的第二支撑结构。
图11显示为图10所示结构的C-C向剖视图。作为示例，如图12a所示，每隔两行所述刀片状加热电极401形成一条所述第二支撑结构9；所述第二支撑结构9与其两侧的刀片状加热电极401均接触，即每一条所述第二支撑结构9均为其两侧的刀片状加热电极401所共用。图12b显示为图12a所示结构的俯视图，其中，断线虚线框示出了所述下电极2的相对位置，点线虚线框示出了所述刀片状加热电极401被所述第一绝缘测管6及所述第二支撑结构9所覆盖区域的相对位置。
具体的，所述第二支撑结构9用于刀片状相变材料结构成型，其位于所述刀片状加热电极401边缘，且二者部分重叠。所述第二支撑结构9的材料可以为绝缘的氮化物、氧化物、氮氧化物和碳化物中的任意一种。作为示例，在TiN刀片状加热电极上采用CVD法制备第二支撑结构，本实施例中，所述第二支撑结构的材料优选为SiN，高度范围为50-200nm，最好为80nm，宽度范围为20-100nm，最好为70nm。
步骤S5：在所述第二支撑结构侧壁表面形成相变材料层，其中，所述第二支撑结构一面侧壁表面的相变材料层与所述刀片状加热电极顶部接触，构成刀片状相变材料结构；然后在所述第二支撑结构及所述刀片状相变材料结构周围形成上表面与所述第二支撑结构上表面齐平的绝缘层。
具体的，如图13所示，沉积相变材料层10之后，所述相变材料层10覆盖于多个所述第二支撑结构9侧壁及多个刀片状加热电极401上。为了将各个相变存储单元的相变材料层隔离开，本实施例中，在位于相邻两条所述第二支撑结构9之间的两行刀片状加热电极401之间形成贯穿所述相变材料层10的第三隔离槽11，在相邻两列刀片状加热电极401之间形成贯穿所述相变材料层10的第四隔离槽13；所述第三隔离槽11与第四隔离槽13将所述相变材料层10分割为若干分立的刀片状相变材料结构101，每个刀片状相变材料结构101分别与一个刀片状加热电极401连接。
具体的，如图14所示，显示为在位于相邻两条所述第二支撑结构9之间的两行刀片状加热电极401之间形成贯穿所述相变材料层10的第三隔离槽11的示意图。所述第三隔离槽11将位于不同行的各个所述刀片状加热电极401上的相变材料层10分隔开。所述第三隔离槽11的宽度优选为大于所述第二隔离槽7的宽度。本实施例中，所述第三隔离槽11的宽度较大，使得仅在所述第二支撑结构10侧壁表面形成所述相变材料层10，从而得到“|”字型刀片状相变材料结构(去除顶部多余相变材料之后)。
如图15所示，形成所述第三隔离槽11后，进一步在所述第三隔离槽11中沉积第三绝缘层12并平坦化。图16显示为图15所示结构的D-D向剖视图。可见，位于不同列的各个所述刀片状加热电极401上的相变材料层10仍然相连。沉积所述第三绝缘层12并平坦化的目的是为了后续形成所述第四隔离槽。其中，平坦化后的第三绝缘层高度不低于所述第二支撑结构上表面。
如图17所示，显示为形成贯穿所述第三绝缘层12及所述相变材料层10的所述第四隔离槽13的示意图。所述第四隔离槽13将位于不同列的各个所述刀片状加热电极401上的下年材料层10分隔开。
如图18所示，进一步在所述第四隔离槽13中沉积第四绝缘层14并平坦化，使得所述第四绝缘层14上表面与所述第二支撑结构9上表面齐平。图19显示为图18所示结构的E-E向剖视图。
至此，通过所述第三隔离槽11与第四隔离槽13将所述相变材料层10分割为若干分立的刀片状相变材料结构101，每个刀片状相变材料结构101分别与一个刀片状加热电极401连接。需要指出的是，本实施例中，所述刀片状相变材料结构上部及所述刀片状加热电极上部在水平面上的投影呈直角交叉，在其它实施例中，通过改变所述第二支撑结构的方向，可使所述刀片状相变材料结构上部及所述刀片状加热电极上部在水平面上的投影呈其它预设角度交叉，如锐角或钝角，此处不应过分限制本发明的保护范围。
具体的，所述相变材料层10的材料为硫系化合物、GeSb、SiSb和金属氧化物中的任意一种，制备所述相变材料层10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的任意一种。
作为示例，采用磁控溅射法在SiN第二支撑结构上利用Ge2Sb2Te5合金靶制备Ge2Sb2Te5相变材料层，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10nm。
作为示例，采用曝光和反应离子刻蚀法形成所述第三分隔槽及第四分隔槽，分隔开相邻刀片状加热电极之间的Ge2Sb2Te5膜。所述刀片状相变材料结构101的厚度范围是1～30纳米，优选为10纳米；高度范围是10～200纳米，优选为60纳米。
所述第三绝缘层、第四绝缘层包括但不限于绝缘的单质材料、氧化物、氮化物、碳化物、氮氧化物，优选为SiN或TaN。制备所述第三绝缘层及第四绝缘层的方法为溅射法、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的任意一种。
步骤S6：在所述刀片状相变材料结构上方形成与其接触的上电极。
如图20所示，显示为在所述刀片状相变材料结构101上方形成与其接触的上电极15的示意图。
具体的，所述上电极15的材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu和Ni中的任一种，或其组合成的合金材料，或所述电极单金属材料的氮化物或氧化物。制备所述上电极15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的任意一种。
作为示例，在Ge2Sb2Te5相变材料层上采用磁控溅射法制备TiN上电极层，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上电极高度为80nm。
后续可进一步采用标准半导体工艺引出上下电极，与器件单元的控制开关、驱动电路和外围电路集成，从而制备出完整的相变存储器器件单元。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。
本实施例中，所述刀片状相变材料结构101为“|”字型(如图20所示)；在另一实施例中，在形成所述第三隔离槽时，可以降低所述第三隔离槽的宽度，从而保留所述刀片状加热电极上的部分相变材料层，即在所述第二支撑结构侧壁表面形成相变材料层时，在所述刀片状加热电极上方也形成相变材料层，其中，所述第二支撑结构侧壁表面的相变材料层与所述刀片状加热电极上方的相变材料层相连，构成“L”型刀片状相变材料结构(如图21所示)。作为示例，所述“L”型刀片状相变材料结构的底部宽度范围是5～50纳米。
本发明的相变存储单元的制作方法利用第一支撑结构使得刀片状加热电极成型，利用第二支撑结构使得刀片状相变材料结构成型，并使刀片状加热电极与刀片状相变材料结构呈一定角度交叉接触，通过控制两种刀片状结构的厚度实现接触面最小化，达到减小器件单元的相变区域目的，从而大大降低功耗。
实施例二
本发明还提供一种相变存储单元，如图20或图21中的虚线框区域所示，所述相变存储单元包括：
镶嵌于衬底1中的至少一个下电极2(图20及图21所示剖面看不见所述下电极2，可参见另一剖面的图18)；
连接于所述下电极2上方的刀片状加热电极401；
连接于所述刀片状加热电极401上方的刀片状相变材料结构101；
连接于所述相变材料结构101上方的上电极15。
具体的，所述刀片状相变材料结构为“|”字型(图20)或“L”型(图21)；所述“L”型刀片状相变材料结构的底部宽度范围是5～50纳米。
具体的，所述刀片状相变材料结构101上部及所述刀片状加热电极401上部在水平面上的投影呈预设角度交叉，所述预设角度为直角、锐角或钝角。
具体的，所述刀片状加热电极401外侧壁连接有第一支撑结构3(图20及图21所示剖面看不见所述第一支撑结构3，可参见另一剖面的图18)；所述刀片状相变材料结构101外侧壁连接有第二支撑结构9。
具体的，所述刀片状加热电极401的厚度范围1～30纳米，高度范围是10～200纳米；所述刀片状相变材料结构101的厚度范围是1～30纳米，高度范围是10～200纳米。
本发明的相变存储单元中采用刀片状加热电极及刀片状相变材料结构，所述刀片状加热电极及刀片状相变材料结构相互交叉接触。由于刀片状加热电极和刀片状相变材料结构的厚度尺寸非常小且容易控制，二者交叉接触可实现接触面最小化，达到进一步缩小相变存储单元的相变区域的目的，从而大大降低器件功耗。
实施例三
本发明还提供一种采用实施例二中所述相变存储单元的相变存储器。
具体的，所述相变存储器中，相邻两个刀片状加热电极之间通过绝缘层隔离；相邻两个刀片状相变材料结构之间通过绝缘层隔离。
具体的，所述相变存储器中，相邻两个刀片状加热电极之间的距离为5～90纳米；相邻两个刀片状相变材料结构之间的距离为5～140纳米。
本发明的相变存储器中，相变存储单元采用刀片状加热电极及刀片状相变材料结构，所述刀片状加热电极及刀片状相变材料结构相互交叉接触，可以有效减小器件单元的相变区域目的，从而大大降低器件功耗。
综上所述，本发明的相变存储单元及其制作方法，具有以下有益效果：本发明的相变存储单元中采用刀片状加热电极及刀片状相变材料结构，所述刀片状加热电极及刀片状相变材料结构相互交叉接触。由于刀片状加热电极和刀片状相变材料结构的厚度尺寸非常小且容易控制，二者交叉接触可实现接触面最小化，达到进一步缩小相变存储单元的相变区域的目的，从而大大降低器件功耗。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 (17)
1.一种相变存储单元的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底中形成镶嵌于其中且暴露出上表面的至少一个下电极；
S2：在位于所述下电极一侧的所述衬底上形成第一支撑结构；
S3：在所述第一支撑结构侧壁表面及所述下电极上方形成加热电极层，其中，所述第一支撑结构一面侧壁表面的加热电极层与所述下电极上方的加热电极层相连，构成刀片状加热电极；然后在所述第一支撑结构及所述刀片状加热电极周围形成上表面与所述第一支撑结构上表面齐平的绝缘层；
S4：在所述刀片状加热电极上方形成与其顶端一侧相接触的第二支撑结构；
S5：在所述第二支撑结构侧壁表面形成相变材料层，其中，所述第二支撑结构一面侧壁表面的相变材料层与所述刀片状加热电极顶部接触，构成刀片状相变材料结构；然后在所述第二支撑结构及所述刀片状相变材料结构周围形成上表面与所述第二支撑结构上表面齐平的绝缘层；
S6：在所述刀片状相变材料结构上方形成与其接触的上电极。
2.根据权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于：于所述步骤S5中，仅在所述第二支撑结构侧壁表面形成所述相变材料层，得到“|”字型刀片状相变材料结构；或者在所述第二支撑结构侧壁表面形成相变材料层时，在所述刀片状加热电极上方也形成相变材料层，其中，所述第二支撑结构侧壁表面的相变材料层与所述刀片状加热电极上方的相变材料层相连，构成“L”型刀片状相变材料结构，所述“L”型刀片状相变材料结构的底部宽度范围是5～50纳米。
3.根据权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于：所述刀片状相变材料结构上部及所述刀片状加热电极上部在水平面上的投影呈预设角度交叉，所述预设角度为直角、锐角或钝角。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于：
于所述步骤S1中，在所述衬底中形成至少四个下电极，各下电极之间呈至少两行及至少两列的点阵式分布；
于所述步骤S2中，在所述衬底上每隔两列下电极形成一条所述第一支撑结构；
于所述步骤S3中，包括如下步骤：
S3-1：在所述第一支撑结构侧壁及所述下电极上沉积所述加热电极层；
S3-2：在位于相邻两条所述第一支撑结构之间的两列下电极之间形成贯穿所述加热电极层的第一隔离槽，在相邻两行下电极之间形成贯穿所述加热电极层的第二隔离槽；所述第一隔离槽与第二隔离槽将所述加热电极层分割为若干分立的刀片状加热电极，每个刀片状加热电极分别与一个下电极连接；
于所述步骤S4中，每隔两行所述刀片状加热电极形成一条所述第二支撑结构；所述第二支撑结构与其两侧的刀片状加热电极均接触；
于所述步骤S5中，包括如下步骤：
S5-1：在所述第二支撑结构侧壁及所述刀片状加热电极上沉积所述相变材料层；
S5-2：在位于相邻两条所述第二支撑结构之间的两行刀片状加热电极之间形成贯穿所述相变材料层的第三隔离槽，在相邻两列刀片状加热电极之间形成贯穿所述相变材料层的第四隔离槽；所述第三隔离槽与第四隔离槽将所述相变材料层分割为若干分立的刀片状相变材料结构，每个刀片状相变材料结构分别与一个刀片状加热电极连接。
5.根据权利要求4所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于：于所述步骤S3-2中，形成所述第一隔离槽后，在所述第一隔离槽中沉积第一绝缘层并平坦化；然后形成贯穿所述第一绝缘层及所述加热电极层的所述第二隔离槽，在所述第二隔离槽中沉积第二绝缘层并平坦化，使得所述第二绝缘层上表面与所述第一支撑结构上表面齐平。
6.根据权利要求4所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于：于所述步骤S5-2中，形成所述第三隔离槽后，在所述第三隔离槽中沉积第三绝缘层并平坦化；然后形成贯穿所述第三绝缘层及所述相变材料层的所述第四隔离槽，在所述第四隔离槽中沉积第四绝缘层并平坦化，使得所述第四绝缘层上表面与所述第二支撑结构上表面齐平。
7.根据权利要求4所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于：所述第三隔离槽的宽度大于所述第二隔离槽的宽度。
8.根据权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于：所述加热电极层为导电的氮化物；所述绝缘层的材料为氮化物、氧化物、氮氧化物或碳化物；所述第一支撑结构及第二支撑结构的材料为绝缘的氮化物、氧化物、氮氧化物及碳化物中的任一种；所述相变材料层的材料为硫系化合物、GeSb、SiSb或金属氧化物。
9.根据权利要求1所述的相变存储单元的制作方法，其特征在于：所述刀片状加热电极的厚度范围1～30纳米，高度范围是10～200纳米；所述刀片状相变材料结构的厚度范围是1～30纳米，高度范围是10～200纳米。
10.一种相变存储单元，其特征在于，包括：
镶嵌于衬底中的至少一个下电极；
连接于所述下电极上方的刀片状加热电极；
连接于所述刀片状加热电极上方的刀片状相变材料结构；
连接于所述相变材料结构上方的上电极。
11.根据权利要求10所述的相变存储单元，其特征在于：所述刀片状相变材料结构为“|”字型或“L”型；所述“L”型刀片状相变材料结构的底部宽度范围是5～50纳米。
12.根据权利要求10所述的相变存储单元，其特征在于：所述刀片状相变材料结构上部及所述刀片状加热电极上部在水平面上的投影呈预设角度交叉，所述预设角度为直角、锐角或钝角。
13.根据权利要求10所述的相变存储单元，其特征在于：所述刀片状加热电极外侧壁连接有第一支撑结构；所述刀片状相变材料结构外侧壁连接有第二支撑结构。
14.根据权利要求10所述的相变存储单元，其特征在于：所述刀片状加热电极的厚度范围1～30纳米，高度范围是10～200纳米；所述刀片状相变材料结构的厚度范围是1～30纳米，高度范围是10～200纳米。
15.一种采用权利要求10～14任意一项所述相变存储单元的相变存储器。
16.根据权利要求15所述的相变存储器，其特征在于：所述相变存储器中，相邻两个刀片状加热电极之间通过绝缘层隔离；相邻两个刀片状相变材料结构之间通过绝缘层隔离。
17.根据权利要求15所述的相变存储器，其特征在于：所述相变存储器中，相邻两个刀片状加热电极之间的距离为5～90纳米；相邻两个刀片状相变材料结构之间的距离为5～140纳米。
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Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101101961A (zh) * | 2007-07-17 | 2008-01-09 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 相变材料呈环形的相变存储器器件单元及制备方法 |
| CN101330092A (zh) * | 2007-06-19 | 2008-12-24 | 财团法人工业技术研究院 | 相变化存储器装置及其制造方法 |
| US20090267044A1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-10-29 | Heon Yong Chang | Phase change memory device having a bent heater and method for manufacturing the same |
| US20090294750A1 (en) * | 2008-06-03 | 2009-12-03 | Industrial Technology Research Institute | Phase change memory devices and methods for fabricating the same |
| CN101604728A (zh) * | 2008-06-13 | 2009-12-16 | 财团法人工业技术研究院 | 相变化存储器装置及其制造方法 |
| US20100207095A1 (en) * | 2006-05-30 | 2010-08-19 | Macronix International Co., Ltd. | Resistor random access memory cell with l-shaped electrode |
| CN102237488A (zh) * | 2010-04-20 | 2011-11-09 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种相变存储器器件单元及制备方法 |
| CN102332530A (zh) * | 2010-07-13 | 2012-01-25 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 具有侧壁加热电极与相变材料的存储器单元及制备方法 |
| CN103022348A (zh) * | 2011-09-27 | 2013-04-03 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 相变存储器及其形成方法 |
| CN103187523A (zh) * | 2011-12-31 | 2013-07-03 | 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 | 半导体器件及其制造方法 |
| CN103427022A (zh) * | 2013-08-22 | 2013-12-04 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 包含三明治型电极的相变存储结构及其制备方法 |
| CN103441215A (zh) * | 2013-08-22 | 2013-12-11 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 三明治型刀片状电极的相变存储结构及其制备方法 |
| CN103531710A (zh) * | 2013-10-22 | 2014-01-22 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种高速低功耗相变存储器单元及其制备方法 |
-
2015
- 2015-04-15 CN CN201510177956.3A patent/CN104779349B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100207095A1 (en) * | 2006-05-30 | 2010-08-19 | Macronix International Co., Ltd. | Resistor random access memory cell with l-shaped electrode |
| CN101330092A (zh) * | 2007-06-19 | 2008-12-24 | 财团法人工业技术研究院 | 相变化存储器装置及其制造方法 |
| CN101101961A (zh) * | 2007-07-17 | 2008-01-09 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 相变材料呈环形的相变存储器器件单元及制备方法 |
| US20090267044A1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-10-29 | Heon Yong Chang | Phase change memory device having a bent heater and method for manufacturing the same |
| US20090294750A1 (en) * | 2008-06-03 | 2009-12-03 | Industrial Technology Research Institute | Phase change memory devices and methods for fabricating the same |
| CN101604728A (zh) * | 2008-06-13 | 2009-12-16 | 财团法人工业技术研究院 | 相变化存储器装置及其制造方法 |
| CN102237488A (zh) * | 2010-04-20 | 2011-11-09 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种相变存储器器件单元及制备方法 |
| CN102332530A (zh) * | 2010-07-13 | 2012-01-25 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 具有侧壁加热电极与相变材料的存储器单元及制备方法 |
| CN103022348A (zh) * | 2011-09-27 | 2013-04-03 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 相变存储器及其形成方法 |
| CN103187523A (zh) * | 2011-12-31 | 2013-07-03 | 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 | 半导体器件及其制造方法 |
| CN103427022A (zh) * | 2013-08-22 | 2013-12-04 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 包含三明治型电极的相变存储结构及其制备方法 |
| CN103441215A (zh) * | 2013-08-22 | 2013-12-11 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 三明治型刀片状电极的相变存储结构及其制备方法 |
| CN103531710A (zh) * | 2013-10-22 | 2014-01-22 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种高速低功耗相变存储器单元及其制备方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104779349B (zh) | 2017-04-19 |
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