CN110581218A - 一种相变存储单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变存储单元，所述相变存储单元自下而上包括衬底、底电极、加热电极、石墨烯层、相变材料层和顶电极，所述相变材料层和加热电极不接触。本发明提供的一种相变存储单元及其制备方法，使用石墨烯层作为加热电极和相变材料层之间的隔离层，能避免相变材料层中的Ge、Te等元素扩散到加热电极，导致加热电极失效，还可以提高相变层的加热效率，降低器件功耗，同时能提升相变存储器单元的可靠性，降低器件功耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造工艺领域，具体涉及一种相变存储单元及其制备方法。
背景技术
随着大数据、物联网、云计算和人工智能等一系列的新型信息技术的出现，对存储器提出了高读写速度、低功耗、高存储密度、长使用寿命和高可靠性等要求。目前内存的存储方式主要是DRAM(Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器)+Flash，NANDFlash(闪存)的集成度高、成本低，但是速度慢、寿命短。DRAM虽然速度快，寿命长，但是掉电后会丢失数据且成本高。因此研发出一种新型的存储技术成为业界近年来的研究热点，该类新型存储技术须同时拥有DRAM和NAND Flash的优点，即读写速度可与DRAM相匹敌，在成本和非易失性方面与NAND Flash相似，而相变存储器正是这类新型存储技术中的一员。近年来，相变存储器单元在人工智能和存算一体芯片的应用上前景广阔。
现有的相变存储器单元自下而上由底电极、加热电极、相变材料、顶电极组成。加热电极和相变层的接触面积直接影响器件功耗，因此为了减小功耗，加热电极的尺寸要小于底电极直径。靠近加热电极的相变材料中的可逆相变区域在反复操作过程中，相变合金材料中的Ge或Te等元素会向与加热电极的界面扩散，与加热电极发生反应，导致加热电极的失效。从而影响相变存储单元的性能和可靠性。因此，如何将防止相变材料中的元素扩散至与加热电极的界面，制备出高可靠性的相变存储器单元是急待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种相变存储单元及其制备方法，使用石墨烯层作为加热电极和相变材料层之间的隔离层，能避免相变材料层中的Ge、Te等元素扩散到加热电极，导致加热电极失效，还可以提高相变层的加热效率，降低器件功耗，同时能提升相变存储器单元的可靠性，降低器件功耗。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种相变存储单元，所述相变存储单元自下而上包括衬底、底电极、加热电极、石墨烯层、相变材料层和顶电极，所述相变材料层和加热电极不接触。
进一步地，所述相变材料层覆盖所述石墨烯层的上表面和侧壁。
进一步地，所述相变材料层位于所述石墨烯层的上表面，且在石墨烯层和相变材料层的接触面上，所述相变材料层在各个方向上的长度小于等于石墨烯层在对应方向上的长度。
进一步地，所述加热电极为有利于石墨烯层沉积生长的金属电极。
进一步地，所述相变材料层为GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系、Sb掺杂体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的GeTe-Sb2Te3体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的GeTe-SnTe体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的Sb2Te体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的In3SbTe2体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的Sb掺杂体系中的至少一种。
进一步地，在底电极和加热电极的接触面上，所述加热电极在各个方向上的长度小于等于底电极在对应方向上的长度。
进一步地，所述石墨烯层的层数为1-30层。
一种制备高可靠性的相变存储单元的方法，包括如下步骤：
S01：在衬底上沉积介质层，在衬底和介质层中形成底电极；
S02：在底电极上沉积介质层，在介质层中位于底电极上表面的位置形成加热电极，且底电极和加热电极连通；
S03：在加热电极上自对准生长石墨烯层；
S04：在石墨烯层上沉积相变材料层，且所述相变材料层和加热电极不接触；
S05：在相变材料层上形成顶电极。
进一步地，所述步骤S04具体为：在石墨烯层上沉积相变材料层，且所述相变材料层覆盖所述石墨烯层的上表面和侧壁。
进一步地，所述步骤S04具体包括：
S041：在石墨烯层上沉积介质层，并形成位于石墨烯层上的通孔，在石墨烯层和通孔的接触面上，所述通孔在各个方向上的长度小于等于石墨烯层在对应方向上的长度，且所述通孔的底部连通所述石墨烯层；
S042：在通孔中沉积相变材料层。
本发明的有益效果为：本发明公开了一种具有高可靠性的相变存储器单元，自下而上包括底电极、加热电极、石墨烯层、相变材料层和顶电极。其中，加热电极为有利于石墨烯层的沉积生长的金属材料如Cu、Ni等，在加热电极上可以自对准生长石墨烯层，避免了传统的石墨烯转移的方式造成的无法大规模生产。并且，石墨烯层作为加热电极和相变材料层之间的隔离层，能避免相变材料层中的Ge、Te等元素扩散到加热电极，导致加热电极失效。另外，石墨烯具有非常好的热传导性能，可以提高相变层的加热效率，降低器件功耗。并且，石墨烯化学性质稳定，不会与相变材料层发生反应，能提升相变存储器单元的可靠性。石墨烯层被相变材料层包覆，能增加了相变材料层垂直方向上电流密度和热量分布，提高热量利用率，从而降低器件功耗。本专利的制备方法和工艺较为简单，与现有的标准CMOS工艺兼容，易于大规模生产。
附图说明
附图1为实施例1中形成底电极的示意图；
附图2为实施例1中形成加热电极的示意图；
附图3为实施例1中形成石墨烯层的示意图；
附图4为实施例1中形成相变材料层的示意图；
附图5为实施例1中形成顶电极的示意图；
附图6为实施例2中形成底电极的示意图；
附图7为实施例2中形成加热电极的示意图；
附图8为实施例2中形成石墨烯层的示意图；
附图9为实施例2中形成通孔的示意图；
附图10为实施例2中形成相变材料层的示意图；
附图11为实施例2中形成顶电极的示意图；
图中：101衬底，102介质层，103底电极，105加热电极，106石墨烯层，107相变材料层，109顶电极，201衬底，202介质层，203底电极，204加热电极，205石墨烯层，206通孔，207相变材料层，208顶电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明公开了一种相变存储单元，多个相变存储单元构成相变存储器，其中，本发明中相变存储单元自下而上包括衬底、底电极、加热电极、石墨烯层、相变材料层和顶电极，且在相变存储器中相邻两个相变存储单元之间通过介质层隔离。
本发明中衬底可以包括半导体材料，如硅衬底、砷化镓衬底、锗衬底、锗硅衬底、全耗尽型绝缘层上硅(FDSOI)衬底。衬底也可以是集成电路，包括具有选通管如三极管、二极管等。加热电极材料为金属，并且有利于石墨烯层的沉积生长；在底电极和加热电极的接触面上，加热电极在各个方向上的长度小于等于底电极在对应方向上的长度；；石墨烯层自对准生长在加热电极上，石墨烯层的沉积层数在1-30层；由于为自对准生长，因此，在加热电极和石墨烯层的接触面上，石墨烯层在各个方向上的长度等于加热电极在对应方向上的长度；在相变材料层和顶电极的接触面上，顶电极在各个方向上的长度大于等于相变材料层在对应方向上的长度。
本发明中石墨烯层的存在是为了隔离加热电极和相变材料层，因此，石墨烯层要确保相变材料层和加热电极不接触。为了实现上述目的，本发明具体可以采用如下两种技术方案：一种是相变材料层覆盖石墨烯层的上表面和侧壁，由于在加热电极和石墨烯层的接触面上，石墨烯层在各个方向上的长度等于加热电极在对应方向上的长度，因此，相变材料层和加热电极不会接触；另外一种是相变材料层位于石墨烯层的上表面，且在石墨烯层和相变材料层的接触面上，相变材料层在各个方向上的长度小于等于石墨烯层在对应方向上的长度；即相变材料层与石墨烯层的上表面接触，加热电极与石墨烯层的下表面接触，石墨烯层的四周填充介质层，此时，相变材料层和石墨烯层并不会接触。
本发明中相变材料层为GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系、Sb掺杂体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的GeTe-Sb2Te3体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的GeTe-SnTe体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的Sb2Te体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的In3SbTe2体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的Sb掺杂体系中的至少一种。其中，GeTe-Sb2Te3体系指的是x(GeTe)+y(Sb2Te3)组成的化合物，x和y为正整数；例如Ge2Sb2Te5，GeSb2Te4等等。Sb2Te体系指的是m(Sb2Te)，m为正整数；其余体系也表示相同含义。
以下通过两个具体实施方式对本发明制备相变存储单元的方法进行进一步解释：值得注意的是，本发明中在底电极和加热电极的接触面上、在底电极和加热电极的接触面内、在底电极和加热电极相接触的平面内均表示相同的平面。
实施例1
本发明提供的一种制备相变存储单元的方法，包括如下步骤：
S01：如附图1所示，在衬底101上沉积介质层102，在衬底和介质层中形成底电极103。衬底可以包括半导体材料，如硅衬底、砷化镓衬底、锗衬底、锗硅衬底、全耗尽型绝缘层上硅(FDSOI)衬底。衬底也可以是集成电路，包括具有选通管如三极管、二极管等。在衬底101上沉积介质层102，在介质层102中形成底电极103，且底电极的下半部分位于衬底101中。具体地，底电极可以为钨电极。
S02：如附图2所示，在底电极103上沉积介质层，在介质层中位于底电极103上表面的位置形成加热电极105，且底电极103和加热电极105连通。其中，在底电极103上沉积介质材料，并在介质材料中形成加热电极。加热电极均匀覆盖在之前的介质层和底电极上，再通过刻蚀填充的方式在底电极上方的介质层中形成加热电极105。其中，在底电极和加热电极的接触面内，加热电极105在各个方向上的长度小于底电极103在对应方向上的长度，在本实施例中，即加热电极在水平面内各个方向上的长度小于底电极在对应方向上的长度。加热电极105的材料为金属，并且有利于石墨烯层的沉积。其中，在底电极和加热电极的接触面内，加热电极在各个方向上的长度小于底电极在对应方向上的长度，有助于降低后续石墨烯层和相变材料层的接触面积，减小器件功耗。在本实施例中，底电极在水平面内的尺寸为70nm，加热电极在水平面内的尺寸为10nm，加热电极优选的材料为镍。
S03：如附图3所示，在加热电极105上自对准生长石墨烯层106，由于是自对准生长，在加热电极和石墨烯层的接触面内，石墨烯层在各个方向上的长度等于加热电极在对应方向上的长度；石墨烯层的沉积层数在1-30层。在本实施例中，石墨烯层的沉积层数是为25层。
S04：如附图4所示，在石墨烯层106上沉积相变材料，且相变材料层和加热电极不接触；在石墨烯层106上沉积相变材料，并通过光刻、刻蚀工艺形成相变材料层107，并且在相变材料层107上沉积介质材料，并通过CMP平坦化表面，使得介质层的上表面与相变材料层上表面齐平。石墨烯层106被相变材料层107所包覆，即相变材料层覆盖石墨烯层的上表面和侧壁；同时在石墨烯层和相变材料层的接触面内，相变材料层在各个方向上的长度大于石墨烯层在对应方向上的长度。在本实施例中，石墨烯层在水平面内的尺寸与加热电极相同，为10nm，相变材料层在水平面内的尺寸为100nm。本实施例中石墨烯层被相变材料包覆，增加了相变材料层垂直方向上电流密度和热量分布，提高热量利用率，从而降低器件功耗。值得说明的是，本实施例中所有介质层在相变存储单元之外区域叠加在一起，各个介质层的材质可以相同或不同，具体材质可以为现有技术中的介质层材质。
S05：如附图5所示，在相变材料层上形成顶电极。在介质层上沉积顶电极金属，并通过光刻、刻蚀工艺形成顶电极109。在相变材料层和顶电极的接触面内，顶电极在各个方向上的长度大于相变材料层在对应方向上的长度，保证相变材料层不会暴露造成铜互连设备的沾污。在本实施例中，顶电极为钨电极，在水平面内的尺寸为120nm。
实施例2
本发明提供的一种制备相变存储单元的方法，包括如下步骤：
S01：如附图6所示，在衬底201上沉积介质层202，在衬底201和介质层202中形成底电极203；衬底可采用具有晶体管的衬底201，在衬底201上沉积介质层202，在介质层202中形成底电极203。在本实施例中，底电极203为钨电极。
S02：如附图7所示，在底电极203上沉积介质层，在介质层中位于底电极上表面的位置形成加热电极204，且底电极和加热电极连通。在底电极上沉积介质材料，并在介质材料中形成加热电极204。加热电极204与底电极203连通，并且在底电极和加热电极相接触的平面内，加热电极204在各个方向上的长度等于底电极203在对应方向上的长度。在本实施例中，加热电极204为铜，加热电极204在水平面内的尺寸为70nm，底电极203在水平面内的尺寸为70nm。
S03：如附图8所示，在加热电极204上自对准生长石墨烯层205，在加热电极和石墨烯层相接触的平面内，石墨烯层在各个方向上的长度等于加热电极在对应方向上的长度；在加热电极上自对准沉积石墨烯层205，石墨烯层的沉积层数在1-30层。在本实施例中，石墨烯层的沉积层数是为5层。
S04：如附图9所示，在石墨烯层205上沉积介质层，并形成位于石墨烯层上的通孔206，在石墨烯层和通孔相接触的平面内，通孔在各个方向上的长度小于等于石墨烯层在对应方向上的长度，通孔的底部连通石墨烯层；保证通孔中的相变材料层的下表面只与石墨烯层接触。本实施例中通孔206在水平面内的尺寸等于石墨烯层205在水平面内的尺寸。通孔的底部连通石墨烯层。在本实施例中，介质材料为low-k材料黑钻石材料(blackdiamond)，通孔在水平面内的尺寸为70nm，等于石墨烯层在水平面内的尺寸。值得说明的是，本实施例中所有介质层在相变存储单元之外区域叠加在一起，各个介质层的材质可以相同或不同，具体材质可以为现有技术中的介质层材质。
S05：如附图10所示，在通孔206中沉积相变材料层207，并通过CMP工艺平坦化表面。在通孔206中沉积相变材料层，即在石墨烯层上沉积相变材料层207，并通过CMP平坦化表面。在本实施例中，相变材料层为掺C的GeSbTe。本实施例中石墨烯层上的相变材料层采用限定结构(confined)的通孔，使相变材料层的体积大大减小，可以实现相变材料层的全相变操作，有利于提高相变单元的集成密度，实现大容量高密度的相变存储单元。
S06：如附图11所示，在通孔上方形成顶电极208。具体的，在通孔上方沉积顶电极金属，并通过光刻、刻蚀工艺形成顶电极208。在通孔和顶电极相接触的平面内，顶电极208在各个方向上的长度大于等于通孔207在对应方向上的长度，保证相变材料层不会暴露造成铜互连设备的沾污。在本实施例中，顶电极为TiN，顶电极在水平面内的尺寸为80nm。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种相变存储单元，其特征在于，所述相变存储单元自下而上包括衬底、底电极、加热电极、石墨烯层、相变材料层和顶电极，所述相变材料层和加热电极不接触。
2.根据权利要求1所述的一种相变存储单元，其特征在于，所述相变材料层覆盖所述石墨烯层的上表面和侧壁。
3.根据权利要求1所述的一种相变存储单元，其特征在于，所述相变材料层位于所述石墨烯层的上表面，且在石墨烯层和相变材料层的接触面上，所述相变材料层在各个方向上的长度小于等于石墨烯层在对应方向上的长度。
4.根据权利要求1所述的一种相变存储单元，其特征在于，所述加热电极为有利于石墨烯层沉积生长的金属电极。
5.根据权利要求1所述的一种相变存储单元，其特征在于，所述相变材料层为GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系、Sb掺杂体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的GeTe-Sb2Te3体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的GeTe-SnTe体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的Sb2Te体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的In3SbTe2体系、掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的Sb掺杂体系中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种相变存储单元，其特征在于，在底电极和加热电极的接触面上，所述加热电极在各个方向上的长度小于等于底电极在对应方向上的长度。
7.根据权利要求1所述的一种相变存储单元，其特征在于，所述石墨烯层的层数为1-30层。
8.一种制备高可靠性的相变存储单元的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：在衬底上沉积介质层，在衬底和介质层中形成底电极；
S02：在底电极上沉积介质层，在介质层中位于底电极上表面的位置形成加热电极，且底电极和加热电极连通；
S03：在加热电极上自对准生长石墨烯层；
S04：在石墨烯层上沉积相变材料层，且所述相变材料层和加热电极不接触；
S05：在相变材料层上形成顶电极。
9.根据权利要求8所述的一种制备高可靠性的相变存储单元的方法，其特征在于，所述步骤S04具体为：在石墨烯层上沉积相变材料层，且所述相变材料层覆盖所述石墨烯层的上表面和侧壁。
10.根据权利要求8所述的一种制备高可靠性的相变存储单元的方法，其特征在于，所述步骤S04具体包括：
S041：在石墨烯层上沉积介质层，并形成位于石墨烯层上的通孔，在石墨烯层和通孔的接触面上，所述通孔在各个方向上的长度小于等于石墨烯层在对应方向上的长度，且所述通孔的底部连通所述石墨烯层；
S042：在通孔中沉积相变材料层。
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