專利名稱：一種減小寫操作電流的相變存儲器單元的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種相變存儲器單元的制備方法。
背景技術(shù)：
存儲器在半導(dǎo)體市場中占有重要地位，僅DRAM(Dynamnic Randam Access Memory)和FLASH兩種就占有整個市場的15％，隨著便攜式電子設(shè)備的逐步普及，不揮發(fā)存儲器的市場也越來越大，目前FLASH占不揮發(fā)存儲器的主流，約占90％。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)LASH遇到了越來越多的技術(shù)瓶頸，首先存儲電荷的浮柵不能隨著集成電路工藝的發(fā)展無限制地減薄，此外，F(xiàn)LASH技術(shù)的其它一些缺點(diǎn)也限制了它的應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)寫入慢、寫數(shù)據(jù)時需要高電壓因而功耗大，需要特殊的電壓提升結(jié)構(gòu)增加了電路和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，可擦寫次數(shù)低，必須對指定的單元塊而不能對指定的單元進(jìn)寫操作等。鑒于這種情況，目前世界上幾乎所有電子和半導(dǎo)體行業(yè)巨頭及其它相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)都在競相研發(fā)新一代不揮發(fā)存儲器技術(shù)，以期在未來激烈的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭中保有技術(shù)和市場優(yōu)勢.PCM(PhaseChange Memory)--相變存儲器作為一種新興的不揮發(fā)存儲技術(shù)，在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時間、單元面積、多值實(shí)現(xiàn)等諸多方面都具有極大的優(yōu)越性，成為未來不揮發(fā)存儲技術(shù)市場主流產(chǎn)品最有力的競爭者之一(1)。
相變存儲器采用硫系化合物材料，目前應(yīng)用最廣泛的是GeSbTe的合金(以下簡稱GST)，在電等形式的能量作用下，該材料可在多晶和非晶兩相間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變，相應(yīng)地，電阻在低阻和高阻間發(fā)生可逆變化，從而用于信息1或0的存儲。
在當(dāng)前的相變存儲器研究領(lǐng)域中，寫操作電流過大(接近納米量級)成為了一個關(guān)鍵問題(1)。減小電極面積可以有效的降低寫操作電流，圖1是用matlab熱分析模型計(jì)算得出寫操作電流隨電極面積的減小而減小的關(guān)系.對用于使相變材料發(fā)生相變的熱量和電流進(jìn)行限制，提高熱量的利用率和電流密度，也可以有效的降低寫操作電流，圖2是寫操作電流在經(jīng)過熱限制和未經(jīng)過熱限制大小的比較。目前報道的較高密度的相變存儲器測試芯片中，SAMSUNG采用先進(jìn)的光刻技術(shù)和傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)獲得64M相變存儲器(2)；STMICROELECTRICS公司利用傳統(tǒng)的工藝技術(shù)和U形槽結(jié)構(gòu)構(gòu)建成2D結(jié)構(gòu)(3)。但均未突破完全光刻限制和較好的實(shí)現(xiàn)熱限制和電限制。本發(fā)明提出的方法利用相變材料或包含相變材料的復(fù)合層自身的厚度控制電極尺寸，使之不依賴于光刻條件，而且可以較好的實(shí)現(xiàn)熱限制和電限制，從而可有效的解決寫操作電流過大問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可擺脫光刻條件限制的制備相變存儲器單元的方法，以使減小器件的寫操作電流，并實(shí)現(xiàn)器件的熱限制和電限制。
本發(fā)明中提出的制備相變存儲器單元的方法，是通過控制相變材料自身厚度來減小電極面積的方法，其步驟是，在基片襯底上淀積電極材料，然后在電極材料層上形成有孔洞介質(zhì)層；在介質(zhì)層的孔洞中淀積相變材料或包含相變材料的復(fù)合層；最后淀積電極材料層。
上述方法中，形成有空洞介質(zhì)層可以采用光刻技術(shù)，或者采用FIB技術(shù)，或者采用機(jī)械壓印技術(shù)。
本發(fā)明中，把相變材料或包含相變材料的復(fù)合層淀積于電極材料上方介質(zhì)層孔洞中，如圖2所示，光刻最小尺寸為d，相變材料厚度為t，有效電極尺寸為rr＝d-2×t (1)通過(1)式可以看出在一定的光刻條件下，有效電極尺寸r可以通過相變材料或包含相變材料的復(fù)合層厚度t來控制，而不再受光刻條件限制。電極尺寸r可以達(dá)到納米量級。此外，用于使相變材料發(fā)生相變的熱量通過兩邊的介質(zhì)層進(jìn)行限制，減少熱量損耗，使更多的熱量用于增大相變材料的溫度，提高了熱量的利用率；而且這種結(jié)構(gòu)也可以對電流進(jìn)行限制，如圖4所示，提高電流密度，從而增大發(fā)熱率。


圖1為RESET電流和電極面積大小關(guān)系。
圖2為經(jīng)過熱限制和未經(jīng)過熱限制RESET電流大小比較。
圖3為經(jīng)過電流限制a和未經(jīng)過電流限制b的單元示意圖。
圖4為淀積電極材料于襯底之上。
圖5為在電極材料上面形成有孔介質(zhì)。
圖6為淀積相變材料或包含相變材料的復(fù)合層。
圖7為淀積上淀積材料。
圖中標(biāo)號1-基片襯底；2-電極材料；3-有孔介質(zhì)層；4-相變材料或包含相變材料的復(fù)合層；5-電極材料。
具體實(shí)施例方式
圖4～圖7給出了本發(fā)明的工藝流程圖。下面結(jié)合附圖，介紹制備相變存儲器單元的操作步驟a.清洗基片襯底1；
b.在基片襯底1上淀積電極材料2；(如圖4)。
c.在電極材料上形成有孔介質(zhì)層3；(如圖5)。
d.淀積相變材料或包含相變材料的復(fù)合層4；(如圖6)。
e.淀積上電極材料5；(如圖7)。
以上步驟中，也可以在電極材料2和介質(zhì)層3之間插入高電阻率薄層(比如含炭層或含硅層)，當(dāng)作發(fā)熱層；下面通過實(shí)施例子給予進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1a.選擇低阻型的(111)硅片，先用丙酮超聲去掉表面有機(jī)物，再用濃H2SO4∶H2O21∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之后用去離子水沖干甩干，再將將硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20+2秒，去除表面氧化物，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號液煮沸5分鐘，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號液煮沸10分鐘，之后用去離子水沖干甩干。
b.在襯底上磁控濺射下電極材料，如TiN，W，Pt等；(如圖4)。
c.在電極材料上淀積介質(zhì)層。
d.光刻孔洞形狀。
e.干法刻蝕或濕法腐蝕形成有孔介質(zhì)；(如圖5)。
f.淀積相變材料或包含相變材料的復(fù)合層；(如圖6)。
g.淀積上電極材料；(如圖7)。
實(shí)施例2a.選擇低阻型的(111)硅片，先用丙酮超聲去掉表面有機(jī)物，再用濃H2SO4∶H2O21∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之后用去離子水沖干甩干，再將將硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20+2秒，去除表面氧化物，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號液煮沸5分鐘，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號液煮沸10分鐘，之后用去離子水沖干甩干。
b.在襯底上磁控濺射下電極材料，如TiN，W，Pt等；(如圖4)。
c.在電極材料上淀積介質(zhì)層。
d.用FIB技術(shù)在介質(zhì)層上開孔，形成有孔介質(zhì)層；(如圖5)。
e.淀積相變材料或包含相變材料的復(fù)合層；(如圖6)。
f.淀積上電極材料；(如圖7)。
實(shí)施例3a.選擇低阻型的(111)硅片，先用丙酮超聲去掉表面有機(jī)物，再用濃H2SO4∶H2O21∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之后用去離子水沖干甩干，再將將硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20±2秒，去除表面氧化物，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號液煮沸5分鐘，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號液煮沸10分鐘，之后用去離子水沖干甩干。
b.在襯底上磁控濺射下電極材料，如TiN，W，Pt等；(如圖4)。
c.在電極材料上淀積介質(zhì)層。
d.用機(jī)械壓印技術(shù)在介質(zhì)層上開孔，形成有孔介質(zhì)層；(如圖5)。
e.淀積相變材料或包含相變材料的復(fù)合層；(如圖6)。
f.淀積上電極材料；(如圖7)。
實(shí)施例4在電極材料2和有孔介質(zhì)3之間插入高電阻率薄層，作為發(fā)熱層，其余同實(shí)施例1，2，3。
參考文獻(xiàn)(1)Stefan Lai，Current status of the phase change memory and its future，in IEEE IEDM2003-255(2)S.H.Lee，Y.N.Hwang，et al，F(xiàn)ull Integration and Cell Characteristics for 64MbNonvolatile PRAM，in Symposium an VLS1 Technology Digest of Technical Papers，2004，20～21(3)F.Pellzzer etal.Novel μTrench Phase-Change Memory Cell for Embedded andStand-Alone Non-Volatile Memory Applications，Symposium on VLSI TechnologyDigest ofTechnical Papers，2004，18.
權(quán)利要求
1.一種用于減小寫操作電流的相變存儲器單元的制備方法，其特征在于通過控制相變材料自身厚度來減小電極面積，其步驟是在基片襯底上淀積電極材料，然后在電極材料層上形成有孔洞介質(zhì)層；在介質(zhì)層的孔洞中淀積相變材料或含相變材料的復(fù)合層；最后淀積電極材料層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的制備方法，其特征在于在電極材料和有孔洞介質(zhì)層之間插入高電阻率薄層，當(dāng)作發(fā)熱層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相變存儲器單元的制備方法，其特征在于形成有孔洞介質(zhì)層是采用光刻技術(shù)，或者FIB技術(shù)，或者機(jī)械壓印技術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種能夠減小寫操作電流的相變存儲器的制備方法。它通過控制相變材料自身厚度來減小電極面積，同時實(shí)現(xiàn)熱限制和電限制，提高熱量的利用率和增大電流密度。利用本發(fā)明制備的器件具有低功耗、高速度、小操作電流等特點(diǎn)，極大的提高了器件性能。
文檔編號H01L21/00GK1773743SQ20051002824
公開日2006年5月17日 申請日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者呂杭炳, 林殷茵, 湯庭鰲, 陳邦明 申請人:復(fù)旦大學(xué), 硅存儲技術(shù)公司