CN108630806A - 相变存储器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种相变存储器及其形成方法，其中，相变存储器的形成方法包括：提供基底；在所述基底上形成加热层；在所述加热层侧壁表面形成相变层，所述加热层仅侧壁与所述相变层接触。在所述加热层侧壁表面形成相变层，由于在加热层的形成工艺中，能够使加热层的厚度较小，小于加热层表面的最小尺寸。由于加热层的厚度较小，所述相变层位于所述加热层侧壁表面，则可以使所述相变层与所述加热层的接触面积较小。所述相变层与所述加热层的接触面积小，在读写数据时发生相变的相变层材料较少，从而能够缩短相变时间，进而增加相变存储器的读写速度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种相变存储器及其形成方法。
背景技术
随着信息技术的发展，存储信息量急剧增加。存储信息量的增加促进了相变存储器的飞速发展，同时也对相变存储器的读写效率提出了更高的要求。
相变存储器(phase change memory)，缩略表示为PCM，是利用特殊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差异来存储数据的存储装置。
PCM的存储单元的基本结构包括相变层。相变层材料是一种极小的硫族合金，通过在电脉冲集中加热的情况下，它能够从有序的晶态快速转变为无序的非晶态，非晶态比晶态的电阻率高得多。相变存储器通过相变层的晶态和非晶态电阻率大小的差异存储二进制数据，具体的，高电阻的非晶态用于表示二进制“0”，低电阻的晶态表示“1”。相变存储器的相变层从晶态到非晶态的反复转换过程是由熔化和快速冷却机制触发的。
然而，现有的相变存储器存在读写速率慢、读写效率低的缺点。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种相变存储器及其形成方法，能够提高读写速率，改善相变存储器性能。
为解决上述问题，本发明提供一种相变存储器的形成方法，包括：提供基底；在所述基底上形成加热层；在所述加热层侧壁表面形成相变层，所述加热层仅侧壁与所述相变层接触。
可选的，形成所述相变层之前，所述形成方法还包括：在所述基底上形成隔热层，所述隔热层位于所述加热层上，且所述隔热层暴露出所述加热层侧壁，所述相变层还位于所述隔热层上。
可选的，形成所述相变层的步骤包括：在所述隔热层上和所述加热层侧壁表面形成初始相变层；对所述初始相变层进行刻蚀，去除所述加热层侧壁表面的部分初始相变层。
可选的，去除所述加热层侧壁表面的部分初始相变层的步骤包括：形成覆盖所述初始相变层的图形层，所述图形层暴露出加热层侧壁表面的部分初始相变层，且所述图形层与加热层在基底上的投影图形仅部分重合；以所述图形层为掩膜对所述初始相变层进行刻蚀，形成相变层。
可选的，对所述初始相变层进行刻蚀的工艺包括干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
可选的，所述隔热层的材料为氮化硅。
可选的，形成所述隔热层的工艺包括化学气相沉积工艺。
可选的，所述隔热层的厚度为600埃～800埃。
可选的，所述加热层的材料为氮化钛、氮化钽、钛或钨；形成所述加热层的工艺包括：物理气相沉积工艺。
可选的，所述相变层的材料为GeSbTe；形成所述相变层的工艺包括物理气相沉积工艺。
可选的，所述加热层的厚度为60nm～80nm。
可选的，所述加热层在所述基底表面的投影图形为矩形或圆形。
可选的，所述加热层在所述基底表面的投影图形为正方形，所述加热层在所述基底表面的投影图形的边长为270nm～330nm。
可选的，所述基底包括：第一插塞，所述第一插塞与所述加热层连接；所述形成方法还包括：形成连接所述相变层的第二插塞。
相应的，本发明还退提供一种相变存储器，包括：基底；位于所述基底上的加热层；位于所述加热层侧壁表面的相变层，所述加热层仅侧壁与所述相变层接触。
可选的，还包括位于所述加热层上的隔热层，所述相变层还位于所述隔热层上。
可选的，所述隔热层的材料为氮化硅。
可选的，所述隔热层的厚度为600埃～800埃。
可选的，所述加热层的厚度为60nm～80nm。
可选的，所述加热层在所述基底表面的投影图形为矩形或圆形。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案提供的相变存储器的形成方法中，在所述加热层侧壁表面形成相变层，由于在加热层的形成工艺中，能够使加热层的厚度较小，小于加热层表面的最小尺寸。由于加热层的厚度较小，所述相变层位于所述加热层侧壁表面，且所述加热层仅侧壁与所述相变层接触，则可以使所述相变层与所述加热层的接触面积较小。所述相变层与所述加热层的接触面积小，在读写数据时发生相变的相变层材料较少，从而能够缩短相变时间，进而增加相变存储器的读写速度。
进一步，去除所述加热层侧壁表面的部分初始相变层能够进一步减小加热层与相变层之间的接触面积，从而进一步提高读写速度。
本发明技术方案提供的相变存储器中，由于加热层的厚度较小，所述相变层位于所述加热层侧壁表面，且所述加热层仅侧壁与所述相变层接触，则所述相变层与所述加热层的接触面积较小。所述相变层与所述加热层的接触面积小，在读写数据时发生相变的相变层材料较少，从而能够缩短相变时间，进而增加相变存储器的读写速度。
附图说明
图1是一种相变存储器的形成方法的结构示意图；
图2至图10是本发明的相变存储器的形成方法一实施例各个步骤的结构示意图。
具体实施方式
相变存储器存在读写速率慢、读写效率低的缺点。
现结合一相变存储器的形成方法分析所形成的相变存储器读写速率慢、读写效率低的原因：
图1是一种相变存储器的形成方法的结构示意图。
请参考图1，形成所述相变存储器的步骤包括：提供基底10；在所述基底10上形成介质层11；在所述介质层11中形成加热结构12，所述介质层11暴露出所述加热结构12；在所述加热结构12上形成相变层13。
其中，所述加热结构12与所述相变层13的接触面与所述基底10表面平行。所述介质层11和加热结构12的形成步骤包括：在所述基底10上形成初始介质层；对所述初始介质层进行刻蚀，形成介质层11和位于所述介质层11中的开口；在所述开口中形成加热结构12。对所述初始介质层进行刻蚀的过程中，由于工艺精度的限制，所述开口在平行于所述基底10表面方向上的尺寸很难减小，从而导致所形成的加热结构12在平行于所述基底10表面方向上的尺寸较大。同样由于工艺精度的限制所述相变材料在平行于所述基底10表面方向上的尺寸也难以减小，进而导致加热结构12与相变层13之间的接触面积较大。加热结构12与相变层13之间的接触面积较大，在读取数据时发生相变的相变层12材料较多，容易使相变层13与加热结构12的接触面积附近的相变层13相变时间较长，从而使相变存储器的读写速度较慢。
为解决所述技术问题，本发明提供了一种相变存储器的形成方法，包括：提供基底；在所述基底上形成加热层；在所述加热层侧壁表面形成相变层，所述加热层仅侧壁与所述相变层接触。
其中，在所述加热层侧壁表面形成相变层，由于在加热层的形成工艺中，能够使加热层的厚度较小，小于加热层表面的最小尺寸。由于加热层的厚度较小，所述相变层位于所述加热层侧壁表面，且所述加热层仅侧壁与所述相变层接触，则可以使所述相变层与所述加热层的接触面积较小。所述相变层与所述加热层的接触面积小，在读写数据时发生相变的相变层材料较少，从而能够缩短相变时间，进而增加相变存储器的读写速度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2至图10是本发明的相变存储器的形成方法一实施例各个步骤的结构示意图。
请参考图2，提供基底。
本实施例中，所述基底包括：第一介质层100和位于所述第一介质层100中的第一插塞101，所述第一插塞101在垂于所述第一介质层100表面方向上贯穿所述第一介质层100。
所述第一插塞101用于实现后续形成的加热层与外部电路的电连接；所述第一介质层100用于实现第一插塞101与外部电路之间的电隔离。
本实施例中，所述第一介质层100的材料为氧化硅。在其他实施例中，所述第一介质层的材料还可以为氮氧化硅。
本实施例中，所述第一插塞101的材料为钨。在其他实施例中，所述第一插塞的材料还可以为铜。
后续在所述基底上形成加热层。
本实施例中，所述形成方法还包括：在所述基底上形成隔热层，所述隔热层位于所述加热层上，且所述隔热层暴露出所述加热层侧壁。
具体的，本实施例中，形成所述加热层和隔热层的步骤如图3至图6所示。
请参考图3，在所述基底上形成初始加热层110。
所述初始加热层110用于后续形成加热层，对后续形成的相变层进行加热，从而使相变层发生相变，使相变层的电阻发生改变，进而用于存储数据。
所述初始加热层110与所述第一插塞101接触。
本实施例中，所述初始加热层110的材料为氮化钛、钛、钨、钽或氮化钽。
本实施例中，形成所述初始加热层110的工艺包括：物理气相沉积工艺。
需要说明的是，本实施例中，所述初始加热层110的厚度决定后续形成的加热层的厚度，从而决定后续形成的相变层与加热层的接触面积，进而影响所形成相变存储器的读取速率。具体的，所述初始加热层110的厚度越小，后续形成的相变层与加热层的接触面积越小，则在存取数据时发生相变的相变层材料越少，从而使相变速度越快，相变存储器读写数据的速度越快。
如果所述初始加热层110的厚度过大，容易导致后续形成的相变层与加热层的接触面积较大，不利于增加相变存储器读写数据的速度；如果所述初始加热层110的厚度过小，容易增加工艺难度。具体的，本实施例中，所述初始加热层110的厚度为60nm～80nm。
请参考图4，在所述初始加热层110上形成初始隔热层120。
所述初始隔热层120用于后续形成隔热层。
本实施例中，所述初始隔热层120的材料为氮化硅。在其他实施例中，所述初始隔热层的材料还可以为氮氧化硅。
本实施例中，形成所述初始隔热层120的工艺包括化学气相沉积工艺。在其他实施例中，形成所述初始隔热层的工艺还可以包括物理气相沉积工艺。
如果所述初始隔热层120的厚度过大，容易增加后续刻蚀所述初始隔热层120的难度；如果所述初始隔热层120的厚度过小，不容易使后续形成的加热层与相变层隔离。具体的，所述初始隔热层120的厚度为600埃～800埃。
请参考图5和图6，图5是图6沿切割线1-2的剖面图，对所述初始隔热层120(如图4所示)和初始加热层110(如图4所示)进行图形化，形成加热层111和位于所述加热层111上的隔热层121。
所述加热层111用于对后续形成的相变层进行加热，从而使相变层发生相变，使相变层的电阻发生改变，进而用于存储数据。所述隔热层121用于实现所述加热层111与后续形成的相变层之间的热隔离。
对所述初始隔热层120和初始加热层110进行图形化的步骤包括：在所述初始隔热层120上形成图形化的掩膜层；以所述掩膜层为掩膜对所述初始隔热层120和初始加热层110进行刻蚀，形成加热层111和位于所述加热层111上的隔热层121。
本实施例中，所述掩膜层的材料为光刻胶。
本实施例中，对所述初始隔热层120和初始加热层110进行刻蚀的工艺包括干法刻蚀工艺。在其他实施例中，对所述初始隔热层和初始加热层进行刻蚀的工艺包括湿法刻蚀。
需要说明的是，由于刻蚀工艺精度的限制，所形成的隔热层121和加热层111的宽度不容易减小，所述初始加热层111的厚度小于所述隔热层121和加热层111的宽度。
本实施例中，所述隔热层121和加热层111在所述基底表面的投影图形为正方形，所述隔热层121和加热层111在所述基底表面的投影图形的宽度为250nm～350nm。在其他实施例中，所述隔热层和加热层在所述基底表面的投影图形还可以为长方形或圆形。
后续在所述加热层111侧壁表面形成相变层，所述加热层111仅侧壁与所述相变层接触。
本实施例中，形成所述相变层的步骤如图7和图8所示。
请参考图7，在所述隔热层121上和所述加热层111侧壁表面形成初始相变层130。
所述初始相变层130用于后续形成相变层。
本实施例中，所述初始相变层130的材料为GST(GeSbTe)。
本实施例中，GST具有晶态和非晶态两种晶相。当GST的温度高于再结晶温度，且小于熔点温度时，GST容易结晶形成晶态。晶态的GST具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，从而具有较低的电阻率。当使GST的温度大于熔点，并突然对GST淬火冷却，容易使GST变为非晶态。非晶态的GST具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，使得其具有较高的电阻率。因此，通过加热层对后续形成的相变层的温度进行控制，能够使GST在晶态和非晶态之间变换，从而存储二进制数据“1”或“0”。
本实施例中，形成所述初始相变层130的工艺为物理气相沉积工艺。
如果所述初始相变层130的厚度过小，容易增加形成所述初始相变层130的工艺难度；如果所述初始相变层130的厚度过大，容易增加后续的刻蚀工艺的难度。具体的，所述初始相变层130的厚度为700埃～1000埃。
请参考图8，对所述初始相变层130(如图7所示)进行刻蚀，去除所述加热层111侧壁表面的部分初始相变层130，形成相变层131。
所述相变层131用于存储二进制数据。
需要说明的是，由于加热层111的厚度较小，所述相变层131位于所述加热层111侧壁表面，则所述相变层131与所述加热层111的接触面积较小。所述相变层131与所述加热层111的接触面积小，在读写数据时发生相变的相变层131材料较少，从而能够缩短相变时间，进而增加相变存储器的读写速度。
本实施例中，所述相变层131的材料与初始相变层130的材料相同。具体的，所述相变层131的材料为GST(GeSbTe)。
本实施例中，去除所述加热层111侧壁表面的部分初始相变层130的步骤包括：形成覆盖所述初始相变层130的图形层103，所述图形层103暴露出加热层111侧壁表面的部分初始相变层130，且所述图形层103与加热层111在基底上的投影图形仅部分重合；以所述图形层103为掩膜对所述初始相变层130进行刻蚀；对所述初始相变层130进行刻蚀之后，去除所述图形层103。
需要说明的是，对所述初始相变层130进行刻蚀，去除所述加热层111侧壁表面的部分初始相变层130能够进一步减小相变层131与加热层111之间的接触面积，从而进一步提高相变存储器的读写速度。在其他实施例中，形成所述相变层的步骤还可以不包括：去除加热层侧壁表面的部分初始相变层的步骤。所述相变层还可以位于所述加热层全部侧壁表面。
具体的，本实施例中，所述图形层103覆盖所述加热层111三条侧壁表面的初始相变层130，暴露出加热层111一条侧壁表面的初始相变层130。因此，所述相变层131位于所述加热层111三条侧壁表面及所述隔热层121上。在其他实施例中，所述相变层还可以位于所述加热层一条或两条侧壁表面。
本实施例中，对所述初始相变层130进行刻蚀的工艺包括干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
后续形成连接所述相变层131的第二插塞。本实施例中，形成所述第二插塞的步骤如图9和图10所示。
请参考图9，在所述相变层131和基底上形成第二介质层140。
所述第二介质层140用于实现后续形成的第二插塞与外部电路的电绝缘。
本实施例中，所述第二介质层140的材料为氧化硅或氮氧化硅。
本实施例中，形成所述第二介质层140的工艺包括化学气相沉积工艺。在其他实施例中，形成所述第二介质层的工艺还可以为物理气相沉积工艺或原子层沉积工艺。
请参考图10，在所述第二介质层140中形成第二插塞102，所述第二插塞102与所述相变层131连接。
所述第二插塞102用于实现相变层131与外部电路的电连接。
本实施例中，在所述第二介质层140中形成第二插塞102的步骤包括：在所述第二介质层140中形成插塞孔，所述插塞孔暴露出所述相变层131；在所述插塞孔中形成第二插塞102。
本实施例中，所述第二插塞102的材料为钨。在其他实施例中，所述第二插塞的材料还可以为铝。
本实施例中，形成所述第二插塞102的工艺包括：化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺。
综上，本实施例提供的相变存储器的形成方法中，在所述加热层侧壁表面形成相变层，由于在加热层的形成工艺中，能够使加热层的厚度较小，小于加热层表面的最小尺寸。由于加热层的厚度较小，所述相变层位于所述加热层侧壁表面，则可以使所述相变层与所述加热层的接触面积较小。所述相变层与所述加热层的接触面积小，在读写数据时发生相变的相变层材料较少，从而能够缩短相变时间，进而增加相变存储器的读写速度。
进一步，去除所述加热层侧壁表面的部分初始相变层能够进一步减小加热层与相变层之间的接触面积，从而进一步提高读写速度。
继续参考图10，本发明的实施例还提供一种相变存储器，包括：基底；位于所述基底上的加热层111；位于所述加热层111侧壁表面的相变层131，所述加热层111仅侧壁与所述相变层131接触。
所述基底包括：第一介质层100和位于所述第一介质层100中的第一插塞101，所述第一插塞101与所述加热层111连接。
所述相变存储器还包括：位于所述加热层111上的隔热层121。所述相变层131还位于所述隔热层121上；位于所述隔热层121和基底上的第二介质层140；位于所述第二介质层140中的第二插塞102，所述第二插塞102与所述相变层131连接。
本实施例中，所述相变存储器与图2至图10所述的相变存储器的形成方法形成的相变存储器的结构相同，在此不多做赘述。
综上，本实施例提供的相变存储器中，由于加热层的厚度较小，所述相变层位于所述加热层侧壁表面，则所述相变层与所述加热层的接触面积较小。所述相变层与所述加热层的接触面积小，在读写数据时发生相变的相变层材料较少，从而能够缩短相变时间，进而增加相变存储器的读写速度。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (20)
1.一种相变存储器的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底上形成加热层；
在所述加热层侧壁表面形成相变层，所述加热层仅侧壁与所述相变层接触。
2.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，形成所述相变层之前，所述形成方法还包括：在所述基底上形成隔热层，所述隔热层位于所述加热层上，且所述隔热层暴露出所述加热层侧壁，所述相变层还位于所述隔热层上。
3.如权利要求2所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，形成所述相变层的步骤包括：在所述隔热层上和所述加热层侧壁表面形成初始相变层；对所述初始相变层进行刻蚀，去除所述加热层侧壁表面的部分初始相变层。
4.如权利要求3所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，去除所述加热层侧壁表面的部分初始相变层的步骤包括：形成覆盖所述初始相变层的图形层，所述图形层暴露出加热层侧壁表面的部分初始相变层，且所述图形层与加热层在基底上的投影图形仅部分重合；以所述图形层为掩膜对所述初始相变层进行刻蚀，形成相变层。
5.如权利要求4所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，对所述初始相变层进行刻蚀的工艺包括干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
6.如权利要求2所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述隔热层的材料为氮化硅。
7.如权利要求6所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，形成所述隔热层的工艺包括化学气相沉积工艺。
8.如权利要求2所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述隔热层的厚度为600埃～800埃。
9.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述加热层的材料为氮化钛、氮化钽、钛或钨；
形成所述加热层的工艺包括：物理气相沉积工艺。
10.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述相变层的材料为GeSbTe；形成所述相变层的工艺包括物理气相沉积工艺。
11.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述加热层的厚度为60nm～80nm。
12.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述加热层在所述基底表面的投影图形为矩形或圆形。
13.如权利要求12所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述加热层在所述基底表面的投影图形为正方形，所述加热层在所述基底表面的投影图形的边长为270nm～330nm。
14.如权利要求1所述的相变存储器的形成方法，其特征在于，所述基底包括：
第一插塞，所述第一插塞与所述加热层连接；
所述形成方法还包括：形成连接所述相变层的第二插塞。
15.一种相变存储器，其特征在于，包括：
基底；
位于所述基底上的加热层；
位于所述加热层侧壁表面的相变层，所述加热层仅侧壁与所述相变层接触。
16.如权利要求15所述的相变存储器，其特征在于，还包括位于所述加热层上的隔热层，所述相变层还位于所述隔热层上。
17.如权利要求16所述的相变存储器，其特征在于，所述隔热层的材料为氮化硅。
18.如权利要求16所述的相变存储器，其特征在于，所述隔热层的厚度为600埃～800埃。
19.如权利要求15所述的相变存储器，其特征在于，所述加热层的厚度为60nm～80nm。
20.如权利要求15所述的相变存储器，其特征在于，所述加热层在所述基底表面的投影图形为矩形或圆形。
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