高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元及制備方法。根據(jù)本發(fā)明的制備方法，先在已形成第一電極的結(jié)構(gòu)表面制備具有容置空間的過渡材料層，其中，該容置空間對(duì)應(yīng)于第一電極；隨后在形成過渡材料層的結(jié)構(gòu)上制備相變材料層，并使所述相變材料層處于所述容置空間內(nèi)；接著在已制備相變材料層的結(jié)構(gòu)表面制備第二電極材料層，以制備出相變存儲(chǔ)器單元；其中，所述過渡材料層將所述相變材料層與第一電極隔離，所述第二電極材料層與所述相變材料層電氣連通。
【專利說明】高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及相變存儲(chǔ)器領(lǐng)域，特別是涉及一種高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體市場(chǎng)中，存儲(chǔ)器占有非常重要的地位，目前，存儲(chǔ)器的種類主要包括:靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)、磁盤、閃存(Flash)、鐵電存儲(chǔ)器等。而其他存儲(chǔ)器，例如相變存儲(chǔ)器(PCRAM)、電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)作為下一代存儲(chǔ)器的候選者也受到了廣泛的關(guān)注。業(yè)界認(rèn)為在不久的將來FLASH將遭遇尺寸縮小限制，在當(dāng)前眾多的可能替代現(xiàn)有的存儲(chǔ)技術(shù)而成為商業(yè)化的新型存儲(chǔ)技術(shù)中，PCRAM被認(rèn)為是下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)的最佳解決方案之一，其具有存儲(chǔ)單元尺寸小、非揮發(fā)性、循環(huán)壽命長、穩(wěn)定性好、功耗低和可嵌入功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別是在器件特征尺寸的縮小方面優(yōu)勢(shì)以及在45nm節(jié)點(diǎn)后的技術(shù)優(yōu)勢(shì)尤為突出。因此，英特爾、三星、意法半導(dǎo)體、飛利浦、國際商業(yè)機(jī)器公司和艾必達(dá)等國際知名半導(dǎo)體公司花費(fèi)了大量的人力物力來對(duì)此技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，目前三星已經(jīng)研制出容量達(dá)到8Gb的相變存儲(chǔ)試驗(yàn)芯片。
[0003]目前相變存儲(chǔ)器的研究熱點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器的低功耗、高速、高密度和高循環(huán)壽命。傳統(tǒng)的T型結(jié)構(gòu)器件中有60-72%的熱量會(huì)通過底電極擴(kuò)散而損失，加熱效率不高，導(dǎo)致需要很大的操作電壓/電流才能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)操作，而相變存儲(chǔ)器需要和金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)器件集成，工作電壓由MOSFET管提供，過高的操作電壓將會(huì)使相變材料器件與MOSFET不兼容。此外，T型結(jié)構(gòu)器件尺寸偏大，制約的相變存儲(chǔ)器陣列的密度，而器件單元的尺寸也是影響其操作功耗的另一重要因素，器件單元尺寸的減小可以有效減小相變單元的區(qū)域，降低操作功耗 。另一方面，傳統(tǒng)的T型結(jié)構(gòu)器件操作速度有限，很難進(jìn)行高速操作。由于相變存儲(chǔ)器在操作過程中相變材料會(huì)向底電極和周圍擴(kuò)散，這樣會(huì)使器件單元在進(jìn)行了一定次數(shù)的擦寫操作后材料成分有所偏析，影響器件操作的可靠性，從而導(dǎo)致循環(huán)次數(shù)降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元及制備方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其至少包括步驟:
[0006]Α、在已形成第一電極的結(jié)構(gòu)表面制備具有容置空間的過渡材料層，其中，該容置空間對(duì)應(yīng)于第一電極；
[0007]B、在形成過渡材料層的結(jié)構(gòu)上制備相變材料層，并使所述相變材料層處于所述容置空間內(nèi)；
[0008]C、在已制備相變材料層的結(jié)構(gòu)表面制備第二電極材料層，以制備出相變存儲(chǔ)器單元;
[0009]其中，所述過渡材料層將所述相變材料層與第一電極隔離，所述第二電極材料層與所述相變材料層電氣連通。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟A包括步驟:在已形成第一電極的結(jié)構(gòu)表面制備具有凹槽的過渡材料層，該凹槽覆蓋第一電極；相應(yīng)地，所述步驟B至少包括步驟:在具有凹槽的過渡材料層制備相變材料層，使所述相變材料層處于所述凹槽內(nèi)。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟A采用原子層沉積工藝來制備所述具有容置空間的過渡材料層。
[0012]本發(fā)明提供一種高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元，其至少包括:
[0013]襯底、形成在所述襯底的第一電極、覆蓋所述第一電極且具有容置空間的過渡材料層、處于所述容置空間內(nèi)的相變材料層、及形成在所述過渡材料層表面且包含第二電極的材料層，其中，所述過渡材料層將所述相變材料層與第一電極隔離，所述第二電極與所述相變材料層電氣連通。
[0014]優(yōu)選地，所述容置空間呈凹槽狀。
[0015]優(yōu)選地，所述過渡材料層的厚度范圍在f 10 nm之間。
[0016]優(yōu)選地，所述過渡材料層所采用的材料包括利于相變材料的成核生長、具有良好熱穩(wěn)定性、低熱導(dǎo)率、良好粘附性的材料，例如，包括GeN、SiO2, TiO2, A1203、HfO2, Ta2O5或Si3N4 等。
[0017]如上所述，本發(fā)明的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元，具有以下有益效果:
(I)過渡材料層的引入一方面減小了熱量散失與原子的擴(kuò)散，提高了加熱效率，有效地降低了操作功耗；另一方面其界面效應(yīng)使得相變材料的成核生長更加容易，有效地提高了器件的速度。(2)這種存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)比較簡單，有利于器件等比例的縮小，使得高密度成為可能。
(3)小尺寸的器件單元可以抑制晶粒的生長，抑制原子擴(kuò)散，有利于近程相變材料的可逆相變，而促進(jìn)成核生長的多界面的過渡材料層有利于相變材料的成核生長，有效地提高了相變速度。(4)過渡材料層抑制了相變材料向電極材料的擴(kuò)散，確保了器件單元中的材料在多次操作后的一致性，均勻電場(chǎng)可導(dǎo)致較小的操作電流與功耗，可以有效地抑制多晶到非晶轉(zhuǎn)化時(shí)成份偏析，有利于器件壽命的延長，同時(shí)可以減少串?dāng)_，有利于高密度集成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1至圖10顯示為本發(fā)明的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法流程圖。
[0019]元件標(biāo)號(hào)說明
[0020]1襯底
2S1O2 層
3底電《
4SiO2Ji
5過渡材料W
6相變材料層
7TiN 電 ftW
8Al電tR層
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0022]請(qǐng)參閱圖1至圖10。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0023]本發(fā)明的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法包括以下步驟:
[0024](I)選擇一包含第一電極的基底結(jié)構(gòu)。
[0025]例如，如圖1所示，該基底結(jié)構(gòu)包括Si襯底1、倒T狀的底電極3 (即第一電極)及SiO2層2，其中，該底電極3采用材料為W。
[0026](2)在該基底上用超高真空電子束蒸發(fā)的方法沉積介質(zhì)材料層。優(yōu)選地，介質(zhì)材料層厚度為20~100 nm。
[0027]例如，分別使用丙酮與酒精溶液，在超聲波作用下各清洗該基底結(jié)構(gòu)3分鐘，再在SO0C下烘烤20分鐘后，隨后在該基底結(jié)構(gòu)上使用超高真空電子束蒸發(fā)的方法沉積SiO2層(即介質(zhì)材料層)4，厚度為2(Tl00 nm，如圖2所示，蒸發(fā)時(shí)采用的真空為2X10_5Pa。
[0028](3)利用微納加工技術(shù)，在介質(zhì)材料層制備出直至第一電極的孔洞，。其中，所述微納加工技術(shù)包括紫外線曝光、顯影、反應(yīng)離子刻蝕和聚焦離子束刻蝕。優(yōu)選地，孔洞為長方體或者圓柱體，其側(cè)壁與第一電極垂直，其中，長方體的長和寬為5nnTl00nm，圓柱體直徑為5^100nm,高度與介質(zhì)材料層厚度相同。
[0029]例如，使用聚焦離子束在SiO2層4上刻蝕制備出一系列孔洞直至底電極3，孔洞的俯視圖為邊長為2(Tl00 nm的正方形，如圖3所示。
[0030](4)利用原子層沉積系統(tǒng)(ALD)在具有孔洞的介質(zhì)材料層上沉積一層具有容置空間的過渡材料層，其中，該容置空間對(duì)應(yīng)于第一電極。
[0031]例如，利用原子層沉積系統(tǒng)(ALD)在具有孔洞的SiO2層4上沉積一層具有容置空間的過渡材料層5，該容置空間呈凹槽狀，底部與底電極3接觸。優(yōu)選地，所述過渡材料層5所采用的材料包括利于相變材料的成核生長、具有良好熱穩(wěn)定性、低熱導(dǎo)率、良好粘附性的材料，例如，為Ti02、Al203、Hf02、Ta205、Si02^P Si3N4中一種，厚度優(yōu)選為I~10 nm，如圖4所
/Jn ο
[0032](5)利用物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)或者原子層沉積系統(tǒng)(ALD)在過渡材料層5上再沉積一層相變材料層。優(yōu)選地，相變材料層厚度為2(Tl00 nm。
[0033]例如，利用物理氣相沉積(PVD)在過渡材料層5上再沉積一層相變材料層6，厚度優(yōu)選為2(Tl00 nm，如圖5所示。其中，所述相變材料層5所采用的材料可包括Ge-Sb-Te、S1-Sb-Te、Sb-Te、Al-Sb-Te 和 T1-Sb-Te 中的一種，還可是通過摻雜 N、O、Sn、Ag 和 In 中一種或兩種元素改性后得到的化合物等。
[0034](6)利用拋光技術(shù)去除介質(zhì)材料層上的相變材料和過渡材料層5，直至露出介質(zhì)材料層。 [0035]例如，利用化學(xué)機(jī)械拋光法去除SiO2層4上的相變材料和過渡材料層5，使剩余的相變材料層6全部處于容置空間(即凹槽)內(nèi)，隨后在丙酮和酒精溶液中浸泡清洗拋光后的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。
[0036](7)利用物理氣相沉積(PVD)或者原子層沉積系統(tǒng)(ALD)在凹槽狀的過渡材料層5上沉積一層TiN電極層，并使用微納加工技術(shù)刻蝕TiN電極層。優(yōu)選地，TiN電極層也與過渡材料層5的側(cè)壁垂直。
[0037]例如，利用物理氣相沉積(PVD)在凹槽狀的過渡材料層5表面沉積一層TiN電極材料層7，厚度為5~20 nm，形成的TiN電極單元俯視圖為邊長5~100 μ m的正方形，采用的真空為2X 10_4 Pa，濺射真空為2.1 Pa，功率為直流200W，如圖7所示。隨后再使用紫外線曝光在TiN電極材料層7上光刻出邊長為3~5 μ m的正方形，使用反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕TiN電極材料層7，形成TiN柱狀結(jié)構(gòu)，其俯視圖為邊長3~5 μ m的正方形，如圖8所示。
[0038](8)使用超高真空電子束蒸發(fā)的方法在TiN柱狀結(jié)構(gòu)上沉積一層電極層8，例如Al電極，厚度為20(T300 nm，形成的Al電極單元俯視圖為邊長5~100 μπι的正方形，如圖9所
/Jn ο
[0039](9)采用微納加工技術(shù)來腐蝕Al電極層，并引出上下電極引腳。
[0040]例如，使用紫外線曝光在Al電極層上光刻出邊長為:5 ym的正方形，120 °C烘烤20分鐘，然后采用60 °C水浴的磷酸作用下濕法刻蝕Al電極層，同時(shí)引出上下電極，此即完成了相變存儲(chǔ)器單元的制備，如圖10所示。
[0041]由上可見，所制備形成的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元至少包括:襯底
1、形成在所述襯底I的第一電極3與Si SiO2層、覆蓋所述第一電極3且具有容置空間的過渡材料層5、處于所述容置空間內(nèi)的相變材料層6、及形成在所述過渡材料層6表面的第二電極材料層(在本實(shí)施例中，其由TiN電極層與Al電極層構(gòu)成)，由圖10可見，呈凹槽狀的過渡材料層5的底部將相變材料層6與第一電極3隔離，所述第二電極與所述相變材料層6電氣連通。
[0042]綜上所述，本發(fā)明的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元通過在底電極和相變材料之間使用過渡材料層，該過渡材料層在室溫至相變材料熔點(diǎn)之上的溫度區(qū)間內(nèi)都具有穩(wěn)定的物理特性(電阻率、薄膜厚度、薄膜粗糙度、熱導(dǎo)率和比熱等)，且與底電極、相變材料和四周的介質(zhì)材料層均有良好的粘附性，由此可有效減少熱量向底電極的擴(kuò)散，并將熱量保存在相變材料內(nèi)部，從而達(dá)到降低功耗，提高加熱效率的目的；此外，利用反應(yīng)離子束刻蝕制備小尺寸孔洞，再用原子層沉積系統(tǒng)(ALD)沉積均勻的過渡層材料和相變材料，以此可減小器件單元尺寸，降低操作功耗；再有，過渡層材料能夠有效地抑制相變材料向底電極W方向的擴(kuò)散，而且過渡層材料不會(huì)和相變材料及底電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，保證了器件循環(huán)操作時(shí)操作的一致性，從而提高器件的可靠性和使用壽命。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0043]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于，所述高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法至少包括步驟: A、在已形成第一電極的結(jié)構(gòu)表面制備具有容置空間的過渡材料層，其中，該容置空間對(duì)應(yīng)于第一電極； B、在形成過渡材料層的結(jié)構(gòu)上制備相變材料層，并使所述相變材料層處于所述容置空間內(nèi)； C、在已制備相變材料層的結(jié)構(gòu)表面制備第二電極材料層，以制備出相變存儲(chǔ)器單元； 其中，所述過渡材料層將所述相變材料層與第一電極隔離，所述第二電極材料層與所述相變材料層電氣連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于，所述步驟A包括步驟: 在已形成第一電極的結(jié)構(gòu)表面制備具有凹槽的過渡材料層，該凹槽覆蓋第一電極； 所述步驟B至少包括步驟: 在具有凹槽的過渡材料層制備相變材料層，使所述相變材料層處于所述凹槽內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于:所述步驟A采用原子層沉積工藝來制備所述具有容置空間的過渡材料層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于:所述過渡材料層所采用的材料包括利于相變材料的成核生長、具有良好熱穩(wěn)定性、低熱導(dǎo)率、良好粘附性的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于:所述過渡材料層所采用的材料包括GeN、Si02、Ti02、Al203、Hf02、Ta2O5和Si3N4中的一種。
6.一種高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元，其特征在于，所述高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元至少包括: 襯底、形成在所述襯底的第一電極、覆蓋所述第一電極且具有容置空間的過渡材料層、處于所述容置空間內(nèi)的相變材料層、及形成在所述過渡材料層表面的第二電極材料層，其中，所述過渡材料層將所述相變材料層與第一電極隔離，所述第二電極材料層與所述相變材料層電氣連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元，其特征在于:所述容置空間呈凹槽狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元，其特征在于:所述過渡材料層的厚度范圍在廣10 nm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元，其特征在于:所述過渡材料層所采用的材料包括利于相變材料的成核生長、具有良好熱穩(wěn)定性、低熱導(dǎo)率、良好粘附性的材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高速、高密度、低功耗的相變存儲(chǔ)器單元，其特征在于:所述過渡材料層所采用的材料包括GeN、SiO2, TiO2, Al2O3^HfO2, Ta2O5和Si3N4中的一種。
【文檔編號(hào)】H01L45/00GK103682089SQ201210335325
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月11日
【發(fā)明者】宋志棠, 顧怡峰, 宋三年 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所