專利名稱：一種雙軌相變存儲(chǔ)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，尤其涉及一種雙軌相變存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
存儲(chǔ)器是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，近幾年來隨著消費(fèi)電子市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)， 存儲(chǔ)器的市場(chǎng)越來越大。目前，市場(chǎng)上主流的存儲(chǔ)器包括SRAM、DRAM和FLASH等，這些存 儲(chǔ)器在各個(gè)方面起著重要的作用，但目前還沒有一種理想的存儲(chǔ)器，既有DRAM的高容量低 成本、SRAM的高速度、FLASH的數(shù)據(jù)非揮發(fā)性性能，又有可靠性高、操作電壓低、功耗小的特 點(diǎn)。而這些特性恰恰是新一代消費(fèi)類電子工業(yè)、計(jì)算機(jī)工業(yè)等領(lǐng)域所需要的存儲(chǔ)技術(shù)。從 2001年相變存儲(chǔ)器的論文發(fā)表以來，相變存儲(chǔ)器的發(fā)展十分迅猛。相變存儲(chǔ)器由于具有非 易失性、循環(huán)壽命長(zhǎng)、元件尺寸小、功耗低、可多級(jí)存儲(chǔ)、高速讀取、抗輻射、耐高低溫、抗振 動(dòng)、抗電子干擾和制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為最有可能取代目前的FLASH和DRAM而成為 未來半導(dǎo)體存儲(chǔ)器主流產(chǎn)品。特別是近幾年，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展及半導(dǎo)體工藝的突 飛猛進(jìn)，工藝線寬進(jìn)入深亞微米甚至是納米尺度后，特別是光刻等微納加工技術(shù)水平的迅 速提高，利用納米尺度相變材料的電阻特性實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)的存儲(chǔ)技術(shù)引起了工業(yè)界的重視。相變存儲(chǔ)器器件尺寸小型化的研究主要集中在相變材料尺寸的小型化、電極尺寸 的小型化兩大方面，其基本思想就是盡可能地降低加熱電極與相變材料之間的接觸面積， 使加熱時(shí)熱量更為集中，最終降低功耗和操作時(shí)間。其中電極尺寸小型化更具有典型代表 性，這是由于縮小的是下部加熱電極尺寸，所以只有與下加熱電極接觸的部分GST受熱而 產(chǎn)生相變，對(duì)周邊其它材料或器件影響較小，可真正地實(shí)現(xiàn)大幅度降低相變操作電流的目 的。本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)小電極工藝制造難、蘑菇頭形狀的相變材料受熱不均勻等缺 陷，提供一種雙軌相變存儲(chǔ)器及其制備方法，具有的制備工藝能更有效地使相變材料上方 跟金屬材料(即上電極)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)接觸。新的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是條型區(qū)域的相變材料在加熱電 極上方，單元器件成對(duì)構(gòu)成，兩種材料的接觸點(diǎn)能最小化，并且能做到多個(gè)存儲(chǔ)單元同等尺 寸，單元與單元間的間隔等同的有益效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種熱效率更高的、且可控制加熱電極材料與相變材料接觸 面積的、結(jié)構(gòu)新穎的雙軌相變存儲(chǔ)器單元器件及其制備方法。本發(fā)明提供一種雙軌相變存儲(chǔ)器，包括下電極、下加熱電極、相變材料層和上電 極。下電極為栓狀，下加熱電極、相變材料層和上電極自下而上地設(shè)置在下電極上，下加熱 電極與相變材料層構(gòu)成軌道，軌道成對(duì)出現(xiàn)。下電極的材料是W、TIN或硅化物；下加熱電極的材料是TIN ；相變材料層的材料是 GST、SST ；上電極的材料是AL、CU。其中，下電極下部連接有二極管或晶體管；相變材料層呈條狀，條型區(qū)域的截面寬與高之比為1 :1，上電極淀積在相變材料層和絕熱材料層的上方。相變材料層下部通過下 加熱電極與下電極達(dá)成電性連接，相變材料層上部與上電極達(dá)成電性連接。下加熱電極的 厚度小于100埃，相變材料與下加熱電極為納米級(jí)接觸面積。本發(fā)明還可包括硅襯底和絕熱材料層。硅襯底內(nèi)設(shè)有下電極，絕熱材料層設(shè)置 在硅襯底上表面以及下加熱電極與相變材料層的外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁。絕熱材料層的材料是 Si02、Si3N40本發(fā)明還提供一種雙軌相變存儲(chǔ)器的制備方法，包括如下步驟
步驟一，在硅襯底上制備圓孔，孔內(nèi)淀積下電極材料形成下電極，在下電極底部連接二 極管或晶體管，在硅襯底上表面淀積絕熱材料層；
步驟二，刻除其中一部分的絕熱材料層至下電極止，在下電極上方沉淀下加熱電極材 料，并刻除除了絕熱材料層內(nèi)側(cè)壁上的下加熱電極外的所有電極材料，然后再淀積絕熱材 料層，通過化學(xué)機(jī)械拋光所述絕熱材料層表面，然后在下加熱電極上方采用BHF溶液表面 濕法刻蝕得到雙軌溝道，所述溝道寬度為20 50埃；
步驟三，在雙軌溝道內(nèi)淀積相變材料形成條形的相變材料層，相變材料層與下加熱電 極形成雙軌結(jié)構(gòu)；
步驟四，在相變材料層和絕熱材料層的上方表面淀積上電極材料，并在相變材料層正 上方刻出上電極。其中，步驟二中淀積下加熱電極是通過CVD化學(xué)氣象沉積完成的，用CVD工藝方法 直接在內(nèi)壁上淀積下加熱電極材料；或先在內(nèi)壁附上一層氧化層，然后在淀積下加熱電極 材料后再淀積上一層氧化層。氧化層的材料是SiN、Si02。步驟三中淀積相變材料層是通過采用PVD磁控濺射方法得到的。下電極的上方為通過CVD工藝方法所形成的下加熱電極薄壁，這里的薄壁就是淺 狹縫，薄壁正上方通過刻蝕后形成溝道，再與薄壁電性相連的整體稱為雙軌，溝道內(nèi)是經(jīng)過 PVD工藝方法形成的相變材料層。下加熱電極和相變材料層這兩個(gè)看作的整體稱雙軌。下 加熱電極材料上方形成的溝道采用BHF溶液表面濕法刻蝕得到雙軌溝道，所述溝道寬度為 2(Γ50埃，相變材料與下加熱電極接觸面積極小。本發(fā)明還可以在相變材料與絕熱材料層表面淀積上電極，沿相變材料層及下加熱 電極方向刻出所需上電極，上電極材料刻蝕出呈扁平狀淀積覆蓋在相變材料正上方。本發(fā)明在工藝制作時(shí)可同時(shí)生成兩塊區(qū)域，如下加熱電極，在做成相變存儲(chǔ)器的 結(jié)構(gòu)時(shí)就會(huì)成對(duì)出現(xiàn)，相比現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，效率必定提高?，F(xiàn)在相變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)都為上下 (也有左右)電極中間相變材料，結(jié)構(gòu)上說不上創(chuàng)新，但是在制造此種結(jié)構(gòu)時(shí)本發(fā)明可同時(shí) 形成兩條相變溝道，為成對(duì)出現(xiàn)，相比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)制造過程中穩(wěn)定性和效率提高不少。與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用了本發(fā)明提出的一種相變存儲(chǔ)器單元器件及其制備方法具 有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)相比，單元器件成對(duì)構(gòu)成，效率高。與原有淺軌 結(jié)構(gòu)相比較，此結(jié)構(gòu)的制備工藝能更有效地使相變材料上方跟金屬材料(即上電極)準(zhǔn)確對(duì) 準(zhǔn)接觸。新的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是條型區(qū)域的相變材料在加熱電極上方，兩種材料的接觸點(diǎn)能最 小化，并且能做到多個(gè)存儲(chǔ)單元同等尺寸，單元與單元間的間隔等同。保證了器件工作的正 常穩(wěn)定。由于相變材料和底電極接觸面很小，所以很小的電流就可以產(chǎn)生很大的熱量，使相 變材料在很短時(shí)間內(nèi)就可以發(fā)生相變。所以，用本發(fā)明提供的方法制備的器件具有較小的功耗，很短的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于器件的性能有很大的提高。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的制備結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是刻蝕硅襯底上方絕熱材料層的示意圖； 圖4是淀積氧化層的示意圖； 圖5是刻蝕淀積氧化層的示意圖； 圖6是淀積電極材料與氧化層的示意圖； 圖7是刻蝕淀積下加熱電極與氧化層的示意圖； 圖8是淀積保護(hù)層的示意圖； 圖9是刻蝕淺狹縫的示意圖； 圖10是淀積絕熱材料層的示意圖； 圖11是刻蝕相變材料溝道的示意圖； 圖12是填入相變材料的示意圖； 圖13是淀積金屬層示意圖； 圖14是刻出上電極示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明
參考圖1、圖2、圖3、圖8可見，1是硅襯底，2是下電極，3是絕熱材料層，4是下加熱電 極，5是氧化層，6是相變材料層，7是上電極，8是保護(hù)層。其中，下電極2的材料是W ；絕熱材料層3的材料是S^2 ；下加熱電極4的材料是 TIN ；氧化層5的材料是SiN ；相變材料層6的材料是GST ；上電極7的材料是AL ；保護(hù)層8 的材料是SiO2。下電極2的材料可以是W、TIN或硅化物；絕熱材料層3的材料可以是Si02、Si3N4 ； 氧化層5的材料可以是SiN、SiO2 ；相變材料層6的材料可以是GST、SST ；上電極7的材料 可以是AL、⑶；保護(hù)層8的材料可以是SW2、Si3N4。參考圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中僅表示本發(fā)明的核心結(jié)構(gòu)，其 包括下電極2、下加熱電極4、相變材料層6和上電極7。如圖所示，下電極2為栓狀，下加 熱電極4、相變材料層6和上電極7自下而上地設(shè)置在下電極2上。參考圖2為本發(fā)明的制備結(jié)構(gòu)示意圖，包括硅襯底1、下電極2、絕熱材料層3、下 加熱電極4、相變材料層6和上電極7。硅襯底1內(nèi)設(shè)有栓狀的下電極2，下加熱電極4、相 變材料層6和上電極7自下而上地依次設(shè)置在下電極2上；在硅襯底材料1上表面設(shè)有絕 熱材料層3。相變材料層6下部通過下加熱電極4與下電極2達(dá)成電性連接。相變材料層 6與下加熱電極4是通過溝道連接，通過刻蝕工藝在下加熱電極4上形成溝道，下加熱電極 4上的溝道通過PVD工藝方法濺射入相變材料，相變材料層6呈條型，條型區(qū)域的橫截面寬 與高之比為1 :1的比例，相變材料層6與下加熱電極4的接觸面積極小，這樣的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn) 降低功耗和操作時(shí)間。上電極材料與相變材料上方正對(duì)準(zhǔn)連接。本實(shí)施例中，下電極2材料為W，下加熱電極4材料為TIN，相變材料層6的材料為
5GST或SST ；溝道的寬度約為40埃，下加熱電極4的厚度約為80埃。溝道的寬度可以是20 - 50埃之間，下加熱電極4的厚度為小于100埃。下電極2的上方為通過CVD工藝方法所形成的下加熱電極4薄壁，這里的薄壁就 是淺狹縫，薄壁正上方通過刻蝕后形成溝道，再與薄壁電性相連的整體稱為雙軌，溝道內(nèi)是 經(jīng)過PVD工藝方法形成的相變材料層6區(qū)域。下加熱電極4和相變材料層6這兩個(gè)看作的 整體稱雙軌。所述下電極2呈栓柱狀位于硅襯底內(nèi)，下加熱電極4與相變材料層6外側(cè)壁 和內(nèi)側(cè)壁均為為絕熱材料層3，絕熱材料層3為SiN。絕熱材料層3還可以是Si02。下電極 2下部連接有二極管。圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)制備工序示意圖。以下就本發(fā)明雙軌相變存儲(chǔ)器的制備過程進(jìn)行詳細(xì)說明，包括如下步驟
步驟一，在硅襯底1上制備圓孔，孔內(nèi)淀積W形成下電極2，在下電極2底部連接二極 管，在硅襯底1上表面淀積絕熱材料層3。步驟二，刻除絕熱材料層3到下電極2止，形成凹槽，通過CVD法在凹槽的內(nèi)側(cè)壁 上淀積下加熱電極4，該步驟中淀積下加熱電極4可為直接在凹槽的內(nèi)壁上附加下加熱電 極4 ；也可采用先在凹槽的內(nèi)壁附上一層易于刻蝕的氧化層5，然后附加下加熱電極材料4 后再淀積一層氧化層5，如圖6。步驟三，通過刻蝕后在絕熱材料層3內(nèi)側(cè)壁上形成如圖7所示形狀，然后在下加熱 電極4上方淀積保護(hù)層8，如圖8。步驟四，刻除下電極2上方間的下加熱電極4及氧化層5，然后淀積絕熱材料層3， 通過化學(xué)或機(jī)械拋光表面，如圖9、10。步驟五，通過化學(xué)或機(jī)械拋光絕熱材料層3表面，在下加熱電極4上方形成溝道， 下加熱電極4正上方形成的雙軌溝道可采用干法刻蝕法得到雙軌溝道，所述溝道寬度為40 埃，相變材料層6與下加熱電極4接觸面積極小，如圖11、12所示。對(duì)于下加熱電極4兩側(cè) 附加一層氧化層5的方式用于采用BHF溶液表面濕法刻蝕得到雙軌溝道，溝道情況與前述 相同。步驟六，采用PVD磁控濺射方法在所述步驟四的溝道內(nèi)淀積相變材料層6，如圖12 所示。所述磁控濺射本底真空為10 7 Torr以下，濺射真空為0. 18Pa，襯底溫度為70°C。步驟七，在形成有相變材料層6的絕熱材料層3表面依次淀積上電極7 ；并沿下加 熱電極4薄壁方向刻出所需上電極7，此結(jié)構(gòu)的制備工藝能更有效地使相變材料層6上方與 上電極7準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)接觸。如圖13、14所示完成制備。在本發(fā)明的步驟中，為了提高加熱效率，要求電流產(chǎn)生的焦耳熱都盡可能的集中 在相變材料層。在本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)中，下加熱電極4與相變材料層6之間的接觸面積減 小降低器件功耗，一個(gè)有效的辦法就是減小相變區(qū)域。通過刻蝕工藝在加熱電極上形成寬 度為2(Γ50埃的溝道，再經(jīng)過刻蝕使相變區(qū)域形成條型區(qū)域。相變材料層6中通過電流，由 于下加熱電極4與相變材料層6之間的接觸面積集中，大部分電流流向接觸點(diǎn)，電流密度很 大，通過電流的焦耳加熱，相變材料層6最先達(dá)到熔點(diǎn)。繼續(xù)通過電流，使得整個(gè)的相變材 料達(dá)到熔融狀態(tài)。下加熱電極4的大小跟相變材料接觸也有最佳匹配的關(guān)系。對(duì)于不同的工藝標(biāo) 準(zhǔn)，下加熱電極4的變化都不同，本發(fā)明通過CVD工藝方法形成加熱電極，使得相變材料層
67在最低的功耗下達(dá)到熔融狀態(tài)，同時(shí)在擦和寫過程中的散熱和保溫要求能夠得到滿足，因 而使得器件功耗最小，其優(yōu)化規(guī)律通過熱傳導(dǎo)方程和電場(chǎng)方程的禍合求解得到。要降低器 件功耗的另一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)是器件中的電場(chǎng)分布是否均勻。保持器件中電場(chǎng)均勻，使條型區(qū) 域里的相變材料層6的相變具有一致性，便能有效降低器件功耗。 以上結(jié)合附圖和實(shí)施例描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，實(shí)施例給出的結(jié)構(gòu)并不構(gòu)成對(duì) 本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改均在 保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙軌相變存儲(chǔ)器，其特征在于，包括下電極(2)、下加熱電極(4)、相變材料層(6)和上電極(7)；所述下電極(2)為栓狀，所述下加熱電極(4)、相變材料層(6)和上電極(7)自下而上地設(shè)置在下電極(2)上；所述下加熱電極(4)與相變材料層(6)構(gòu)成軌道，所 述軌道成對(duì)出現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的雙軌相變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述下電極(2)下部連接有二極管或晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的雙軌相變存儲(chǔ)器，其特征在于，還包括硅襯底(1)和絕熱材料層 (3)；所述硅襯底(1)內(nèi)設(shè)有下電極(2 )；所述絕熱材料層(3 )設(shè)置在所述硅襯底(1)上表面 以及下加熱電極(4)與相變材料層(6)的外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁。
4.如權(quán)利要求1所述的雙軌相變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述相變材料層(6)呈條狀，所 述上電極(7)淀積在相變材料層(6)和絕熱材料層(3)的上方。
5.如權(quán)利要求1所述的雙軌相變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述相變材料層(6)下部通過 下加熱電極(4)與下電極(2)達(dá)成電性連接，相變材料層(6)上部與上電極(7)達(dá)成電性連 接。
6.一種如權(quán)利要求1所述的雙軌相變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一，在硅襯底(1)上制備圓孔，孔內(nèi)淀積下電極材料形成下電極(2)，在所述下電極(2 )底部連接二極管或晶體管，在硅襯底(1)上表面淀積絕熱材料層(3 )；步驟二，刻除絕熱材料層(3)到下電極(2)止，在下電極(2)上方沉淀下加熱電極材料， 并刻除除了絕熱材料層(3)內(nèi)側(cè)壁上的下加熱電極(4)之外的全部電極材料，然后再淀積 絕熱材料層(3 ))，通過化學(xué)機(jī)械拋光所述絕熱材料層(3 )表面，然后在下加熱電極(4)上方 采用BHF溶液表面濕法刻蝕得到雙軌溝道，所述溝道寬度為20 50埃；步驟三，在所述雙軌溝道內(nèi)淀積相變材料形成條形的相變材料層(6)，所述相變材料層 (6)與下加熱電極(4)形成雙軌結(jié)構(gòu)；步驟四，在相變材料層(6)和絕熱材料層(3)的上方表面淀積上電極材料，并在所述相 變材料層(6)正上方刻出上電極(7)。
7.如權(quán)利要求6所述的雙軌相變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，所述步驟二中淀積 下加熱電極(4)是通過CVD化學(xué)氣象沉積完成的，用CVD工藝方法直接在內(nèi)壁上淀積下加 熱電極材料；或先在內(nèi)壁附上一層氧化層(5)，然后在淀積下加熱電極材料后再淀積上一 層氧化層(5)。
8.如權(quán)利要求6所述的雙軌相變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，所述步驟三中淀積 相變材料層(6)是通過采用PVD磁控濺射方法得到的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙軌相變儲(chǔ)存器，包括下電極、下加熱電極、相變材料層和上電極。下電極為栓狀，下加熱電極、相變材料層和上電極自下而上地設(shè)置在下電極上。本發(fā)明還提供一種雙軌相變儲(chǔ)存器的制備方法。本發(fā)明儲(chǔ)存器的熱效率更高、結(jié)構(gòu)新穎，且可控制加熱電極材料與相變材料接觸面積。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102122700SQ20111000152
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者萬旭東, 吳關(guān)平, 陳邦明 申請(qǐng)人:上海新儲(chǔ)集成電路有限公司