CN107819070B - 一种1d1r超导电极材料结构的相变存储器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1D1R超导电极材料结构的相变存储器的制备方法，采用超导材料铌作为电极材料制备相变存储器。本发明的技术方案，使得电极材料层、加热电极层、第一电极以及第二电极均采用超导材料制备，使得相变存储器的电极材料在临界温度时电极材料可以实现无损耗地传输电能，减小相变存储器的工作电流，进而有效降低相变材料的低阻态阻值，加大高低阻态的的差异，使相变材料在非晶态和晶态的变化更为显著，提高了存储效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种1D1R超导电极材料结构的相变存储器的制备方法
背景技术
相变存储器(PCM)是新一代的存储器中最为成熟的存储技术，相变存储器是一种非易失性存储设备，存储容量大，耐久性更强，读写速度快，因此，相变存储器在逐渐取代现有的存储器市场。随着集成电路技术不断进步，集成密度以及存储性能的要求越来越高。超导材料是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。由于超导材料的超导性能，可以大大减小电信号的损耗。
但是由于现有的超导材料需要在一定的超导条件下才能实现超导性能，存在较大的运用限制，同时，现有的相变存储器中没有采用超导材料提高存储性能的方案。因此，如何将超导材料与相变存储器进行结合，得到性能更佳的相变存储器，越来越得到技术开发人员的重视。
发明内容
针对现有技术中半导体制造领域存在的上述问题，现提供一种1D1R超导电极材料结构的相变存储器的制备方法。
具体技术方案如下：
一种1D1R超导电极材料结构的相变存储器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供一单晶硅晶圆作为衬底，并于所述衬底上依次沉积一第一绝缘层和一电极材料层，以形成一存储器胚体，所述电极材料层采用超导电极材料形成；
步骤S2：在所述存储器胚体上沉积一结晶材料生长辅助层；
步骤S3：采用曝光刻蚀从所述存储器胚体的最顶层刻蚀至所述绝缘层，以在所述存储器胚体的内部形成一第一凹槽；
步骤S4：在所述第一凹槽的上表面至所述存储器胚体的上表面沉积一铝材料层；
步骤S5：在所述铝材料层上表面依次沉积一相变材料层和一加热电极层，所述加热电极层采用所述超导电极材料形成；
步骤S6：在所述存储器胚体的上表面沉积绝缘材料并填满所述第一凹槽以形成一第二绝缘层，随后对所述存储器胚体表面进行抛光；
步骤S7：在所述存储器胚体的侧边进行刻蚀，刻蚀至所述电极材料层，以得到第二凹槽，在所述第二凹槽内沉积所述绝缘材料以形成一第三绝缘层，随后对所述存储器胚体进行抛光；
步骤S8：对所述存储器胚体相对于所述第三绝缘层的另一侧边进行刻蚀直至所述加热电极层，以形成一第一电极槽；对所述第三绝缘层进行刻蚀直至所述电极材料层为止，以形成一第二电极槽，
步骤S9：在所述第一电极槽和第二电极槽内沉积超导电极材料，以形成第一电极和第二电极，并对所述存储器胚体进行抛光，从而得到实时相变存储器。
优选的，所述步骤S1中，所述衬底上预制有功能区域和多个选通管，所述功能区域包括：CMOS电路区域、双极型晶体管电路区域、二极管电路区域。
优选的，所述超导电极材料为铌材料。
优选的，采用物理气相沉积法进行沉积。
优选的，所述步骤S2中，采用物理气相沉积法或化学气相沉积法或原子层沉积法进行沉积。
优选的，所述第一绝缘层、所述第二绝缘层和所述第三绝缘层分别由二氧化硅和/或氮化硅形成。
优选的，所述结晶材料生长辅助层由氮化硅形成。
优选的，所述第一凹槽呈V形结构。
优选的，所述铝材料层由铝和/或氧化铝形成。
优选的，所述相变材料层的材质为锗锑碲材料及其掺杂物或者钛锑碲材料及其掺杂物。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
采用上述步骤使得电极材料层、加热电极层、上电极以及下电极均采用超导材料铌制备，使得相变存储器的电极材料在临界温度时电极材料可以实现无损耗地传输电能，减小相变存储器的工作电流，进而有效降低相变材料的低阻态阻值，加大高低阻态的的差异，使相变材料在非晶态和晶态的变化更为显著，提高了存储效率。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明一种1D1R超导电极材料结构的相变存储器的制备方法实施例的流程图；
图2为本发明实施例中沉积结晶材料生长辅助层后的示意图；
图3为本发明实施例中沉积铝材料层后的示意图
图4为本发明实施例中沉积第二绝缘层后的示意图；
图5为本发明实施例中沉积第三绝缘层后的示意图；
图6为本发明实施例中刻蚀第一电极槽和第二电极槽后的示意图；
图7为本发明实施例中相变存储器的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明一种较佳的实施例中，根据图1所示，一种1D1R超导电极材料结构的相变存储器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供一单晶硅晶圆作为衬底1，并于衬底1上依次沉积一第一绝缘层2和一电极材料层3，以形成一存储器胚体，电极材料层3采用超导电极材料形成；
步骤S2：在存储器胚体上沉积一结晶材料生长辅助层4；
步骤S3：采用曝光刻蚀从存储器胚体的最顶层刻蚀至绝缘层，以在存储器胚体的内部形成一第一凹槽；
步骤S4：在第一凹槽的上表面至存储器胚体的上表面沉积一铝材料层5；
步骤S5：在铝材料层5上表面依次沉积一相变材料层6和一加热电极层7，加热电极层7采用超导电极材料形成；
步骤S6：在存储器胚体的上表面沉积绝缘材料并填满第一凹槽以形成一第二绝缘层8，随后对存储器胚体表面进行抛光；
步骤S7：在存储器胚体的侧边进行刻蚀，刻蚀至电极材料层3，以得到第二凹槽，在第二凹槽内沉积绝缘材料以形成一第三绝缘层9，随后对存储器胚体进行抛光；
步骤S8：对存储器胚体相对于第三绝缘层9的另一侧边进行刻蚀直至加热电极层7，以形成一第一电极槽；对第三绝缘层9进行刻蚀直至电极材料层3为止，以形成一第二电极槽；
步骤S9：在第一电极槽和第二电极槽内沉积超导电极材料，以形成第一电极10和第二电极11，并对存储器胚体进行抛光，从而得到实时相变存储器。
具体的，本实施例中，采用上述步骤使得相变存储器的电极材料层3、加热电极层7、第一电极10、第二电极11均设置为超导材料。使得相变存储器的电极材料在临界温度时电极材料可以实现无损耗地传输电能，进而有效降低相变材料的低阻态阻值，加大高低阻态的的差异，使相变材料在非晶态和晶态的变化更为显著，加快读写速度，提高了存储效率。同时，采用超导材料铌可以减小相变存储器的电流，降低相变材料损耗。
根据图2所示，通过步骤S1和步骤S2，在存储器胚体上沉积依次第一绝缘层2、电极材料层3、沉积结晶材料生长辅助层4。采用上述步骤可以使得电极材料层3的厚度很薄，在超导条件下电流也可达到30A至100A。
根据图3所示，通过步骤S3和步骤S4，在刻蚀出的第一凹槽上沉积一层铝材料层5。采用上述步骤获取的相变存储器由于设置了铝材料层5，使得相变存储器的结构具有不对称性，使得相变存储器具有不对称的电流导通特性，即单向导通的特性，即一个二极管器件和一个相变材料器件组合的存储效果，实现了1D1R存储单元的使用效果。
根据图4和图5所示，通过步骤S5至步骤S7，使得存储器胚体上继续沉积相变材料层6和加热电极层7；为第一电极10的设置准备了第二绝缘层8，第二电极11的设置准备了第三绝缘层9。
相变材料层6的上部和下部的加热电极层7和电极材料层3的厚度不同形成应力，使相变材料层6能够实现超导性。
在沉积第二绝缘层8时需要将第二凹槽彻底覆盖，因此，第二绝缘层8完成沉积后的表面极为不平整，影响下一步刻蚀的精准，采用对第二绝缘层8进行化学机械抛光操作，确保了刻蚀第二凹槽时的精准度。
根据图6和图7所示，通过在第二绝缘层8和第三绝缘层9上进行刻蚀和材料沉积，最终得到由超导电极材料构成的两个电极。
采用上述步骤可以得到运用超导材料和相变材料构成的1D1R相变存储器，具有提高存储效率的效果。
本发明一种较佳的实施例中，步骤S1中，衬底1上预制有功能区域和多个选通管，选通管采用二极管、三极管、金氧半场效晶体管等器件，用于选中对应的相变存储单元。
本发明一种较佳的实施例中，超导电极材料为铌材料。
具体的，本实施例中，采用铌材料可以使得相变材料可以更好的结晶，低阻态阻值更低，有效的使非晶态和晶态的高低阻值分布开来。超导材料和相变材料层6接触面积更小。通过增加超薄的铌超导电极材料加热电极，相变存储器可以实现纳秒级别的读写速度。
本发明一种较佳的实施例中，步骤S2中，采用物理气相沉积法或化学气相沉积法或原子层沉积法进行沉积。
具体的，本实施例中，根据铝材质的物理化学属性，使得多种沉积方法同时适用，可根据实时生产对沉积方法进行选用。
本发明一种较佳的实施例中，第一绝缘层2、第二绝缘层8和第三绝缘层9分别由二氧化硅和/或氮化硅形成。
具体的，本实施例中，二氧化硅和/或氮化硅形成均具有较好的绝缘隔离效果。
本发明一种较佳的实施例中，步骤S2中，结晶材料生长辅助层4由氮化硅形成。
具体的，本实施例中，氮化硅形成对于相变材料层6的结晶具有较好的促进作用。
本发明一种较佳的实施例中，第一凹槽呈V形结构。
具体的，本实施例中，采用V形结构可有效地减小第一凹槽的刻蚀难度。
本发明一种较佳的实施例中，相变材料层6的材质为锗锑碲材料及其惨杂物或者钛锑碲材料以及惨杂物。
锗锑碲材料在20Gpa的应力下可以实现超导现象，能够使得相变材料层6在低阻态时具有超导性。上述步骤中采用的超导材料和相变材料层6仅需要较小的接触面积，即可实现超导效果。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种1D1R超导电极材料结构的相变存储器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供一单晶硅晶圆作为衬底，并于所述衬底上依次沉积一第一绝缘层和一电极材料层，以形成一存储器胚体，所述电极材料层采用超导电极材料形成；
步骤S2：在所述存储器胚体上沉积一结晶材料生长辅助层；
步骤S3：采用曝光刻蚀从所述存储器胚体的最顶层刻蚀至所述绝缘层，以在所述存储器胚体的内部形成一第一凹槽；
步骤S4：在所述第一凹槽的上表面至所述存储器胚体的上表面沉积一铝材料层；
步骤S5：在所述铝材料层上表面依次沉积一相变材料层和一加热电极层，所述加热电极层采用所述超导电极材料形成；
步骤S6：在所述存储器胚体的上表面沉积绝缘材料并填满所述第一凹槽以形成一第二绝缘层，随后对所述存储器胚体表面进行抛光；
步骤S7：在所述存储器胚体的侧边进行刻蚀，刻蚀至所述电极材料层，以得到第二凹槽，在所述第二凹槽内沉积所述绝缘材料以形成一第三绝缘层，随后对所述存储器胚体进行抛光；
步骤S8：对所述存储器胚体相对于所述第三绝缘层的另一侧边进行刻蚀直至所述加热电极层，以形成一第一电极槽；对所述第三绝缘层进行刻蚀直至所述电极材料层为止，以形成一第二电极槽；
步骤S9：在所述第一电极槽和第二电极槽内沉积超导电极材料，以形成第一电极和第二电极，并对所述存储器胚体进行抛光，从而得到实时相变存储器。
2.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述衬底上预制有功能区域和多个选通管。
3.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，所述超导电极材料为铌材料。
4.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用物理气相沉积法或化学气相沉积法或原子层沉积法进行沉积。
5.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘层、所述第二绝缘层和所述第三绝缘层分别由二氧化硅和/或氮化硅形成。
6.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，所述结晶材料生长辅助层由氮化硅形成。
7.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，所述第一凹槽呈V形结构。
8.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，所述相变材料层的材质为锗锑碲材料及其掺杂物或者钛锑碲材料及其掺杂物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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