CN203871380U - 加热电极以及相变存储结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种相变存储结构，包括相变材料层、上电极、下电极和加热电极，所述加热电极包括下加热电极以及连接在所述相变材料层和下加热电极之间的上加热电极，所述上加热电极的截面积小于所述下加热电极的截面积。本申请还公开了一种用于相变存储结构的加热电极。本实用新型的相变存储单元中，具有降低器件的功耗、提升良率的特点，满足相变存储器的应用需求。
Description
技术领域
本申请属于半导体制造技术领域，特别是涉及一种低功耗的相变存储结构。
背景技术
随着技术的发展，半导体存储器，如闪存（FLASH）、静态随机存储器（SRAM）及动态随机存储器（DRAM）等，正逐步面临其在更先进工艺技术节点下“技术瓶颈”问题。例如FLASH 在45 nm 工艺节点后，为维持一定的数据保持能力，浮栅厚度不能随器件尺寸的减小而无限制减薄，所需的工艺难度甚至达到FLASH 的物理极限。在这种情况下，发展新型存储技术，以克服当前半导体存储技术面临的限制，适应高容量、低功耗以及快速存取等应用需求具有重要的研发价值。
相变存储器(Phase Change Random Access Memory, PCRAM)技术是基于S. R. Ovshinsky在20世纪60年代末提出相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的。作为一种新兴的非易失性存储技术，相变存储器在读写速度、读写次数、数据保持时间、单元面积、多值实现等诸多方面对快闪存储器都具有较大的优越性，已成为目前非挥发存储技术研究的焦点。其基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，是相变材料在非晶态与多静态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态的高阻与多静态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。
随着半导体制造工艺的发展,器件的尺寸等比例缩小,相变存储器的优势越来越明显,然而随着器件尺寸的等比例缩小,其驱动电流也将等比例缩小,这难以满足相变存储器的存储功能的需求。为满足相变存储器的存储功能的需求，通常需要具有更高驱动电流能力的二极管，或者减小实现相变存储器存储功能所需的驱动电流。减小驱动电流的办法之一就是减小底部电极和相变层之间的接触面积。近年来，随着研发的不断深化，多种PCM单元结构，如经典的“蘑菇型”结构、侧墙结构、边缘接触结构、μ-Trench结构等，旨在减小电极与材料接触面积、降低读写操作电流以提高存储器工作性能。
目前提高PCM降低操作功耗,提升器件良率是PCM面向应用的进程中亟需解决的关键问题之一。当前主流的T-shape结构只能通过采用更先进的光刻工艺来获得更小的接触尺寸，因而,如何在给定的工艺水平下进一步降低所需底电极与相变材料的接触区域,已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型的目的提供一种相变存储结构，以减小相变存储器的底部电极和相变层的接触面积，降低器件的功耗，提升良率。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种相变存储结构的加热电极，所述加热电极包括上加热电极以及与所述上加热电极连接的下加热电极，所述上加热电极的截面积小于所述下加热电极的截面积。
优选的，在上述的相变存储结构的加热电极中，所述上加热电极的材质选自钨或钛化钨中的一种。
优选的，在上述的相变存储结构的加热电极中，所述下加热电极为导电薄膜，所述导电薄膜的材质选自TiN、TiSiN或TiON。
本申请实施例还公开了一种相变存储结构，包括相变材料层、上电极、下电极和加热电极，所述加热电极包括下加热电极以及连接在所述相变材料层和下加热电极之间的上加热电极，所述上加热电极的截面积小于所述下加热电极的截面积。
优选的，在上述的相变存储结构中，所述上加热电极的材质选自钨或钛化钨中的一种。
优选的，在上述的相变存储结构中，所述下加热电极为导电薄膜，所述导电薄膜的材质选自TiN、TiSiN或TiON。
优选的，在上述的相变存储结构中，所述上加热电极为圆柱体形状，其高度为50~200nm，直径为5~100nm。
优选的，在上述的相变存储结构中，所述导电薄膜层的厚度为10~50nm。
优选的，在上述的相变存储结构中，所述相变材料层的材质选自Ge2Sb2Te5、N掺杂Ge2Sb2Te5、GeSb2Te5中的一种。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型的相变存储结构中，引入了双加热电极，其中下加热电极的截面积小于上加热电极的截面积，因此减小了上加热电极与相变材料层的接触面积，与传统具有单一的下加热电极相比，本实用新型能够有效减小器件的功耗，满足相变存储器的应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本实用新型具体实施例中相变存储结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参图1所示，相变存储结构包括衬底1以及依次形成于衬底1上的第一绝缘层2、第二绝缘层3、第三绝缘层4和第四绝缘层5。
衬底的材质优选自Si/SiO2。
第一绝缘层2的材质优选为SiO2或氮化硅，第一绝缘层2上沿竖直方向开设有圆形或方形的柱状的结构，该圆形或方形的孔内填充有Al以形成下电极7。所述下电极7的横向尺寸范围为500-700nm,下电极7还可以为Cu、TiN、W、Ta、Ti、和Pt等其他材质。第一绝缘层的厚度优选为50-200 nm。
第二绝缘层3的材质优选为SiO2或氮化硅，第二绝缘层3上于对应下电极7的位置开设有沟槽，沟槽上下贯通，沟槽内设有导电薄膜作为下加热电极8。沟槽的形状优选为与下电极直径相同的圆柱形孔。下加热电极8的材质优选自TiN、TiSiN或TiON。第二绝缘层3的厚度优选为10-50 nm，导电薄膜的厚度与第二绝缘层3的厚度相同，且导电薄膜的电导率为1×103 Ω-1·m-1~1×106 Ω-1·m-1。
第三绝缘层4的材质优选为SiO2或氮化硅，第三绝缘层4上沿竖直方向开设有通孔，通孔的直径为5~100nm，通孔的截面积小于下加热电极8的截面积，通孔内填充有钨以形成上加热电极9。上加热电极9的材质还可以为钛化钨。第三绝缘层4的厚度优选为50~200nm，上加热电极9的高度与第三绝缘层4的厚度相同，上加热电极9的底部表面与下加热电极8的上表面电性接触。
第四绝缘层5的材质优选为SiO2或氮化硅，第四绝缘层5上沿竖直方向开设有上下贯穿的通孔，该通孔内填充有相变材料以形成相变材料层10，相变材料层10的材质优选自Ge2Sb2Te5、N掺杂Ge2Sb2Te5、GeSb2Te5中的一种。相变材料层10的直径为500-1000nm，第四绝缘层5的厚度优选为50-200nm，相变材料层10的厚度与第四绝缘层5的厚度相同。相变材料层10的底部与上加热电极9电性接触。
第四绝缘层5上还设有上电极6，上电极6与相变材料层10的顶端电性接触，上电极6的材质优选自铝、金或铂。
上述相变存储结构的制作方法包括如下步骤：
(1) 在半导体衬底上生长第一绝缘层；
(2) 通过光刻和刻蚀的方法在第一绝缘层内形成纵横均匀分布的圆形或方形的柱状孔，然后通过磁控溅射工艺向孔内填充铝材料并覆盖于第一绝缘层上，然后通过化学机械抛光去除孔外的铝材料，形成下电极；
(3) 在第一绝缘层上生长第二绝缘层,然后通过光刻和刻蚀工艺对第二绝缘层进行刻蚀形成沟槽,且沟槽位于孔的中心线上;
(4) 在第二绝缘层上的沟槽内生长导电薄膜并覆盖第二绝缘层上,然后通过化学机械抛光去除孔外的导电薄膜材料, 形成下加热电极，导电薄膜层由化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积工艺中的任意一种方法生长而成，生长温度小于400℃；
(5) 在导电薄膜层上生长第三绝缘层,通过光刻和刻蚀的方法在第三绝缘层内形成纵横均匀分布的通孔, 然后在通过磁控溅射工艺向通孔内填充钨材料并覆盖第三绝缘层上,然后通过化学机械抛光去除孔外的钨材料,形成上加热电极；
(6) 在步骤(5)形成的整体结构上面生长第四绝缘层然后采用光刻和刻蚀的方法对第四绝缘层进行刻蚀，形成通孔，并使上加热电极钨材料层的上表面暴露于所述通孔的底部；
(7) 然后通过磁控溅射工艺向沟槽内填充相变材料并覆盖第四绝缘层上,然后通过化学机械抛光去除沟槽外的相变材料；
(8) 在上述步骤(7)所形成的整体结构上生长金属导电层,然后沿横向方向,通过光刻和干法刻蚀工艺去除多余的导电层,最终形成两个与相变材料层上表面相连的横向金属条，作为上电极。
基于上述制备工艺，引入了双加热电极，可有效减小存储器功耗，同时提高样品良率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种相变存储结构的加热电极，其特征在于：所述加热电极包括上加热电极以及与所述上加热电极连接的下加热电极，所述上加热电极的截面积小于所述下加热电极的截面积。
2.根据权利要求1所述的相变存储结构的加热电极，其特征在于：所述上加热电极的材质选自钨、氮化钛/钨双层膜中的一种。
3.根据权利要求1所述的相变存储结构的加热电极，其特征在于：所述下加热电极为导电薄膜，所述导电薄膜的材质选自TiN、TiSiN或TiON。
4.一种相变存储结构，包括相变材料层、上电极、下电极和加热电极，其特征在于：所述加热电极包括下加热电极以及连接在所述相变材料层和下加热电极之间的上加热电极，所述上加热电极的截面积小于所述下加热电极的截面积。
5.根据权利要求4所述的相变存储结构，其特征在于：所述上加热电极的材质选自钨、氮化钛/钨双层膜中的一种。
6.根据权利要求4所述的相变存储结构，其特征在于：所述下加热电极为导电薄膜，所述导电薄膜的材质选自TiN、TiSiN或TiON。
7.根据权利要求4所述的相变存储结构，其特征在于：所述上加热电极为圆柱体形状，其高度为50~200nm，直径为5~100nm。
8.根据权利要求4所述的相变存储结构，其特征在于：所述导电薄膜层的厚度为10~50nm。
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2014
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