CN114678468B - 相变存储器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变存储器及其制作方法，器件包括衬底、衬底表面设有沟槽结构，在衬底表面设有隧穿层，隧穿层表面设有俘获层，俘获层为相变材料纳米晶粒化结构，俘获层上形成阻挡层，阻挡层将相变材料纳米晶粒化结构包裹住并相互隔开，阻挡层表面设有半导体层，半导体层表面设有上电极，衬底背面设有下电极。本发明将相变材料纳米晶粒化和沟槽结构组合，实现了增加相变存储器的工作使用寿命和存储容量。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体存储器及其制作方法，尤其涉及一种相变存储器及其制作方法。
背景技术
随着信息时代的到来，便携数码产品极大地丰富了我们的生活，用户携带容量数据的机会大大增加，海量数据的存储需求推动着存储技术的不断发展。存储器从最初的磁盘、光盘发展到如今的半导体存储器，存储器的体积在不断减小，存储数据容量却实现了量级的提升。目前，闪存是半导体存储技术中的主流，但随着器件尺寸的不断减小，闪存有着不可逾越的技术瓶颈。闪存尺寸的减小是以牺牲自身的数据保持力为代价的，且闪存的浮栅厚度并不能随着器件尺寸的减小而不断减薄。
相变存储器，作为非易失性半导体存储器，具有非易失性、可高速读取、循环寿命长、低功耗和与传统CMOS工艺相兼容等优点，是目前最有可能取代 SRAM、DRAM、FLASH 等主流存储器的下一代半导体存储器。
相变存储器的基本原理在于：相变材料可以在晶态与非晶态之间进行可逆转换，利用材料的不同状态之间呈现的巨大阻值差异来实现“1”和“0”数据存储。数据存储时的“0”态和“1”态主要是根据材料在无序和有序两种不同状态下差异明显的电阻值来转变。相变存储材料在非晶态时为半导体性质，电阻值较高；在晶态时表现为半金属性质，电阻值较低。
在目前所有新型存储器技术中，相变存储器的定位是取代DRAM，虽然目前其速度已达到了DRAM速度的量级，但是相变材料在晶态和非晶态之间长期的进行互相转换，使得相变材料不同状态间的阻值差异缩小导致无法进行数据存储，直至最后失效，同时希望在同样的相变存储器件的尺寸下，能够进一步增加存储容量。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种相变存储器及其制作方法，增加相变存储器的工作使用寿命和存储容量。
技术方案：一种相变存储器，包括衬底，所述衬底表面设有沟槽结构，在所述衬底表面以及沟槽结构内表面设有隧穿层，所述隧穿层表面设有俘获层，所述俘获层为相变材料纳米晶粒化结构，所述俘获层上形成阻挡层，所述阻挡层将相变材料纳米晶粒化结构包裹住并相互隔开，所述阻挡层表面设有半导体层，所述半导体层表面设有上电极，所述衬底背面设有下电极。
进一步的，所述俘获层中，相变材料纳米晶粒化结构均匀间隔分布，且为单层结构，粒径取值范围为1-100nm之间。
进一步的，所述半导体层是与所述衬底反型掺杂的硅层、氧化铟镓锌层、砷化镓层、碳化硅层、锗化硅层中的一种。
进一步的，所述相变材料纳米晶粒化结构为锗-锑-碲材料体系添加非金属元素的硅、碳、氮、氧、硼中至少一种，或添加金属元素的钛、银、铝、镓、镍、锌、锡、铋、钇中至少一种进行晶粒化得到。
进一步的，所述相变材料纳米晶粒化结构为锗-硫-碲材料体系添加碳、氮、氧、铜、铬、钪、钛中至少一种进行晶粒化得到。
一种相变存储器的制作方法，包括：
步骤1：对衬底进行P型或N型导电类型的掺杂，在衬底表面刻蚀形成沟槽结构；
步骤2：在衬底表面以及沟槽结构内表面沉积形成隧穿层；
步骤3：在隧穿层表面形成一层相变材料，然后将器件放入快速退火系统中进行退火处理，使相变材料形成纳米晶粒化结构，单层的相变材料纳米晶粒化结构即为俘获层，而隧穿层保持非晶粒化；
步骤4：在俘获层表面形成阻挡层，阻挡层将相变材料纳米晶粒化结构包裹住并相互隔开；
步骤5：在阻挡层表面形成半导体层；
步骤6：在半导体层表面淀积金属形成上电极；
步骤7：在衬底背面涂银胶，形成下电极。
进一步的，所述步骤3中，所述相变材料纳米晶粒化结构为锗-锑-碲材料体系添加非金属元素的硅、碳、氮、氧、硼中至少一种，或添加金属元素的钛、银、铝、镓、镍、锌、锡、铋、钇中至少一种进行晶粒化得到，并在所述隧穿层表面均匀间隔分布，粒径取值范围为1-100nm之间。
进一步的，所述步骤3中，所述相变材料纳米晶粒化结构为锗-硫-碲材料体系添加碳、氮、氧、铜、铬、钪、钛中至少一种进行晶粒化得到，并在所述隧穿层表面均匀间隔分布，粒径取值范围为1-100nm之间。
进一步的，所述半导体层是与所述衬底反型掺杂的硅层、氧化铟镓锌层、砷化镓层、碳化硅层、锗化硅层中的一种。
进一步的，所述步骤3中，在真空氛围中进行25分钟退火处理，退火温度为410℃。
有益效果：本发明提供了一种相变存储器及其制作方法，将相变材料纳米晶粒化和沟槽结构组合，相变材料晶粒化可以使数据被独立保存在相变材料纳米晶粒化结构中，即使部分相变材料纳米晶粒化结构中的数据丢失，也不会影响到其他相变材料纳米晶粒化结构中的数据；沟槽结构可以在不增加相变存储器件的尺寸下，增加相变材料纳米晶粒化结构的数量，即增加相变存储器的存储数据容量，通过上述设计可以增加相变存储器的工作使用寿命和存储容量。
附图说明
图1为本发明的相变存储器剖面结构示意图；
图2-图8为本发明相变存储器制作方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种相变存储器，包括衬底100、衬底100表面设有沟槽结构101，在衬底100表面以及沟槽结构101内表面设有隧穿层102，隧穿层102表面设有俘获层103，俘获层103为相变材料纳米晶粒化结构，俘获层103上形成阻挡层104，阻挡层104将相变材料纳米晶粒化结构包裹住并相互隔开，阻挡层104表面设有半导体层105，半导体层105表面设有上电极106，衬底100背面设有下电极107。
以上结构中，衬底100可选用硅Si、锗Ge、锗化硅SiGe、砷化镓GaAs、锑化镓GaSb、砷化铝AlAs、砷化铟InAs、磷化铟InP、氮化镓GaN、碳化硅SiC、铟镓砷InGaAs、锑化铟InSb或铟镓锑InGaSb材料制作。
沟槽结构101可以增加相变存储器件结构的存储长度，进而增加存储容量。
隧穿层102可以有效阻碍电荷流通，且由于电子空穴通过F-N隧穿该层时，需要能够在较低的偏压下能进行F-N隧穿，所以一般选用高k材料，如氧化铝Al2O3、二氧化铪HfO2、二氧化锆ZrO2 、二氧化硅SiO2 。隧穿层102可以实现更大的等效氧化层厚度，从而减小漏电流，同时增强器件的电流驱动能力。
俘获层103为在隧穿层102表面均匀间隔分布的相变材料纳米晶粒化结构，且为单层结构，粒径取值范围为1-100nm之间。相变材料纳米晶粒化结构为非硫系的锗Ge-锑Sb-碲Te材料体系添加非金属元素的硅Si、碳C、氮N、氧O、硼B中至少一种，或添加金属元素的钛Ti、银Ag、铝Al、镓Ga、镍Ni、锌Zn、锡Sn、铋Bi、钇Y中至少一种进行晶粒化得到。相变材料纳米晶粒化结构还可以为硫系的锗Ge-硫S-碲Te材料体系添加碳C，氮N，氧O，铜Cu，铬Cr，钪Sc，钛Ti中至少一种进行晶粒化得到。相变材料纳米晶粒化结构的俘获层103可以将数据被独立保存在各个相变材料纳米晶粒化结构中，即使部分相变材料纳米晶粒化结构中的数据丢失，也不会影响到其他相变材料纳米晶粒化结构中的数据，延长数据的保存时间和增强了相变存储器件的工作使用寿命。
阻挡层104通过其材料将俘获层103中的相变材料纳米晶粒化结构包裹住并相互隔开，这样使得即使其中一个相变材料纳米晶粒发生电荷泄露，也不会影响其他相变材料纳米晶粒的数据丢失。阻挡层104的材料是绝缘介质，可以是氮化硅、二氧化硅其中的一种，也可以是其他的高k绝缘物质，厚度为300nm-1000nm。
半导体层105是与衬底100反型掺杂的硅层、氧化铟镓锌层、砷化镓层、碳化硅层、锗化硅层中的一种。
上电极106采用金属材料为铜、铝、铂、金、钨或钛中的一种，厚度为200nm-400nm。下电极107
以上相变存储器的制作方法，包括：
步骤1：对衬底100进行P型或N型导电类型的掺杂，在衬底100表面刻蚀形成沟槽结构101，如图2所示。
本步骤中，在对衬底100掺杂前，需要对衬底100进行清洗，步骤包括：1、使用高纯丙酮、乙醇和去离子水对基片振荡清洗，溶解去除表面的有机杂质与颗粒；2、按摩尔浓度为氨水: H2O2 : H2O =1:1:5配置1号溶液，加热至60-80℃后，将基片放入，浸煮10min，去除基片表面的有机物以及I族、II族金属化合物，随后采用去离子水清洗基片，去除残留1号溶液；3、按摩尔浓度为盐酸: H2O2 : H2O =1:1:6配置2号溶液，加热至75-80℃，放入基片浸煮，通过酸性溶液的氧化性与络合性，去除基片表面的碱性杂质与金属离子污染物，10min后再用去离子水清洗去2号溶液；4、最后，将基片放入稀释后的HF溶液，溶液的摩尔浓度为H2O:HF = 50:1，浸泡2min，利用HF除去基片表面自然氧化形成的氧化层，使得基片呈现良好的憎水性，使用去离子水反复清洗，除去剩余HF溶液。进行后续薄膜制备前，使用高纯N2吹干，待用。
步骤2：在衬底100表面以及沟槽结构101内表面表面沉积形成隧穿层102，如图3所示。
隧穿层102可以通过物理气相沉积、化学气相沉积、原子层气相沉积或磁控溅射薄膜沉积制备，随后使用等离子体处理隧穿层102物质，达到改善隧穿层102薄膜质量效果。
步骤3：在隧穿层102表面形成一层相变材料薄膜，然后将器件放入快速退火系统中，设定退火温度及时间，在真空氛围中进行25分钟退火处理，退火温度为410℃，使相变材料形成纳米晶粒化结构，单层的相变材料纳米晶粒化结构即为俘获层103，而隧穿层102保持非晶粒化，如图4所示。
具体的，采用磁控溅射法、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法、物理气相沉积法、激光脉冲沉积法、蒸发法、电化学生长法、离子注入法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法形成该相变材料薄膜。退火处理形成纳米晶粒化结构的原理是相变材料的成核生长机制。
步骤4：在俘获层103表面形成阻挡层104，阻挡层104将相变材料纳米晶粒化结构包裹住并相互隔开，如图5所示。
步骤5：在阻挡层104表面形成半导体层105，如图6所示。
步骤6：利用脉冲激光沉积在半导体层105表面淀积一层200nm-400nm的金属形成上电极106，如图7所示；然后在N2氛围下对器件进行300℃-600℃温度下20min的金属化退火，形成欧姆接触，改善电极与半导体层的导电性。
步骤7：在衬底100背面涂银胶，形成下电极107，如图8所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种相变存储器，其特征在于，包括衬底（100），所述衬底（100）表面设有沟槽结构（101），在所述衬底（100）表面以及沟槽结构（101）内表面设有隧穿层（102），所述隧穿层（102）表面设有俘获层（103），所述俘获层（103）为相变材料纳米晶粒化结构，所述俘获层（103）上形成阻挡层（104），所述阻挡层（104）将相变材料纳米晶粒化结构包裹住并相互隔开，所述阻挡层（104）表面设有半导体层（105），所述半导体层（105）表面设有上电极（106），所述衬底（100）背面设有下电极（107）。
2.根据权利要求1所述的相变存储器，其特征在于，所述俘获层（103）中，相变材料纳米晶粒化结构均匀间隔分布，且为单层结构，粒径取值范围为1-100nm之间。
3.根据权利要求1所述的相变存储器，其特征在于，所述半导体层（105）是与所述衬底（100）反型掺杂的硅层、氧化铟镓锌层、砷化镓层、碳化硅层、锗化硅层中的一种。
4.根据权利要求2所述的相变存储器，其特征在于，所述相变材料纳米晶粒化结构为锗-锑-碲材料体系添加非金属元素的硅、碳、氮、氧、硼中至少一种，或添加金属元素的钛、银、铝、镓、镍、锌、锡、铋、钇中至少一种进行晶粒化得到。
5.根据权利要求2所述的相变存储器，其特征在于，所述相变材料纳米晶粒化结构为锗-硫-碲材料体系添加碳、氮、氧、铜、铬、钪、钛中至少一种进行晶粒化得到。
6.一种相变存储器的制作方法，其特征在于，包括：
步骤1：对衬底（100）进行P型或N型导电类型的掺杂，在衬底（100）表面刻蚀形成沟槽结构（101）；
步骤2：在衬底（100）表面以及沟槽结构（101）内表面沉积形成隧穿层（102）；
步骤3：在隧穿层（102）表面形成一层相变材料，然后将器件放入快速退火系统中进行退火处理，使相变材料形成纳米晶粒化结构，单层的相变材料纳米晶粒化结构即为俘获层（103），而隧穿层（102）保持非晶粒化；
步骤4：在俘获层（103）表面形成阻挡层（104），阻挡层（104）将相变材料纳米晶粒化结构包裹住并相互隔开；
步骤5：在阻挡层（104）表面形成半导体层（105）；
步骤6：在半导体层（105）表面淀积金属形成上电极（106）；
步骤7：在衬底（100）背面涂银胶，形成下电极（107）。
7.根据权利要求6所述的相变存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤3中，所述相变材料纳米晶粒化结构为锗-锑-碲材料体系添加非金属元素的硅、碳、氮、氧、硼中至少一种，或添加金属元素的钛、银、铝、镓、镍、锌、锡、铋、钇中至少一种进行晶粒化得到，并在所述隧穿层（102）表面均匀间隔分布，粒径取值范围为1-100nm之间。
8.根据权利要求6所述的相变存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤3中，所述相变材料纳米晶粒化结构为锗-硫-碲材料体系添加碳、氮、氧、铜、铬、钪、钛中至少一种进行晶粒化得到，并在所述隧穿层（102）表面均匀间隔分布，粒径取值范围为1-100nm之间。
9.根据权利要求6所述的相变存储器的制作方法，其特征在于，所述半导体层（105）是与所述衬底（100）反型掺杂的硅层、氧化铟镓锌层、砷化镓层、碳化硅层、锗化硅层中的一种。
10.根据权利要求6-9任一所述的相变存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤3中，在真空氛围中进行25分钟退火处理，退火温度为410℃。
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