加熱電極以及相變存儲結構的制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種相變存儲結構，包括相變材料層、上電極、下電極和加熱電極，所述加熱電極包括下加熱電極以及連接在所述相變材料層和下加熱電極之間的上加熱電極，所述上加熱電極的截面積小于所述下加熱電極的截面積。本申請還公開了一種用于相變存儲結構的加熱電極。本實用新型的相變存儲單元中，具有降低器件的功耗、提升良率的特點，滿足相變存儲器的應用需求。
【專利說明】加熱電極以及相變存儲結構

【技術領域】
[0001] 本申請屬于半導體制造【技術領域】，特別是涉及一種低功耗的相變存儲結構。

【背景技術】
[0002] 隨著技術的發(fā)展，半導體存儲器，如閃存（FLASH)、靜態(tài)隨機存儲器（SRAM)及動 態(tài)隨機存儲器（DRAM)等，正逐步面臨其在更先進工藝技術節(jié)點下"技術瓶頸"問題。例如 FLASH在45 nm工藝節(jié)點后，為維持一定的數(shù)據(jù)保持能力，浮柵厚度不能隨器件尺寸的減小 而無限制減薄，所需的工藝難度甚至達到FLASH的物理極限。在這種情況下，發(fā)展新型存儲 技術，以克服當前半導體存儲技術面臨的限制，適應高容量、低功耗以及快速存取等應用需 求具有重要的研發(fā)價值。
[0003] 相變存儲器（Phase Change Random Access Memory, PCRAM)技術是基于 S. R. Ovshinsky在20世紀60年代末提出相變薄膜可以應用于相變存儲介質的構想建立起來的。 作為一種新興的非易失性存儲技術，相變存儲器在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時間、單 元面積、多值實現(xiàn)等諸多方面對快閃存儲器都具有較大的優(yōu)越性，已成為目前非揮發(fā)存儲 技術研究的焦點。其基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，是相變材料在非晶態(tài) 與多靜態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)的高阻與多靜態(tài)時的低阻，可以實現(xiàn)信息的 寫入、擦除和讀出操作。
[0004] 隨著半導體制造工藝的發(fā)展，器件的尺寸等比例縮小，相變存儲器的優(yōu)勢越來越 明顯，然而隨著器件尺寸的等比例縮小，其驅動電流也將等比例縮小，這難以滿足相變 存儲器的存儲功能的需求。為滿足相變存儲器的存儲功能的需求，通常需要具有更高驅動 電流能力的二極管，或者減小實現(xiàn)相變存儲器存儲功能所需的驅動電流。減小驅動電流的 辦法之一就是減小底部電極和相變層之間的接觸面積。近年來，隨著研發(fā)的不斷深化，多種 PCM單元結構，如經(jīng)典的"蘑菇型"結構、側墻結構、邊緣接觸結構、μ -Trench結構等，旨在 減小電極與材料接觸面積、降低讀寫操作電流以提高存儲器工作性能。
[0005] 目前提高PCM降低操作功耗，提升器件良率是PCM面向應用的進程中亟需解決的 關鍵問題之一。當前主流的T-shape結構只能通過采用更先進的光刻工藝來獲得更小的接 觸尺寸，因而，如何在給定的工藝水平下進一步降低所需底電極與相變材料的接觸區(qū)域， 已成為本領域從業(yè)者亟待解決的技術問題。 實用新型內容
[0006] 本實用新型的目的提供一種相變存儲結構，以減小相變存儲器的底部電極和相變 層的接觸面積，降低器件的功耗，提升良率。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供如下技術方案：
[0008] 本申請實施例公開一種相變存儲結構的加熱電極，所述加熱電極包括上加熱電極 以及與所述上加熱電極連接的下加熱電極，所述上加熱電極的截面積小于所述下加熱電極 的截面積。
[0009] 優(yōu)選的，在上述的相變存儲結構的加熱電極中，所述上加熱電極的材質選自鎢或 鈦化鎢中的一種。
[0010] 優(yōu)選的，在上述的相變存儲結構的加熱電極中，所述下加熱電極為導電薄膜，所述 導電薄膜的材質選自TiN、TiSiN或TiON。
[0011] 本申請實施例還公開了一種相變存儲結構，包括相變材料層、上電極、下電極和加 熱電極，所述加熱電極包括下加熱電極以及連接在所述相變材料層和下加熱電極之間的上 加熱電極，所述上加熱電極的截面積小于所述下加熱電極的截面積。
[0012] 優(yōu)選的，在上述的相變存儲結構中，所述上加熱電極的材質選自鎢或鈦化鎢中的 一種。
[0013] 優(yōu)選的，在上述的相變存儲結構中，所述下加熱電極為導電薄膜，所述導電薄膜的 材質選自TiN、TiSiN或TiON。
[0014] 優(yōu)選的，在上述的相變存儲結構中，所述上加熱電極為圓柱體形狀，其高度為 50?200nm，直徑為5?100nm。
[0015] 優(yōu)選的，在上述的相變存儲結構中，所述導電薄膜層的厚度為l(T50nm。
[0016] 優(yōu)選的，在上述的相變存儲結構中，所述相變材料層的材質選自Ge2Sb2Te 5、N摻雜 Ge2Sb2Te5、GeSb2Te5 中的一種。
[0017] 與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點在于：本實用新型的相變存儲結構中，引入了 雙加熱電極，其中下加熱電極的截面積小于上加熱電極的截面積，因此減小了上加熱電極 與相變材料層的接觸面積，與傳統(tǒng)具有單一的下加熱電極相比，本實用新型能夠有效減小 器件的功耗，滿足相變存儲器的應用需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019] 圖1所示為本實用新型具體實施例中相變存儲結構的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行 詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施 例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所 獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0021] 參圖1所示，相變存儲結構包括襯底1以及依次形成于襯底1上的第一絕緣層2、 第二絕緣層3、第三絕緣層4和第四絕緣層5。
[0022] 襯底的材質優(yōu)選自Si/Si02。
[0023] 第一絕緣層2的材質優(yōu)選為Si02或氮化硅，第一絕緣層2上沿堅直方向開設有圓 形或方形的柱狀的結構，該圓形或方形的孔內填充有A1以形成下電極7。所述下電極7的 橫向尺寸范圍為500-700nm，下電極7還可以為&1、11隊1、了 &、11、和？七等其他材質。第一 絕緣層的厚度優(yōu)選為50-200 nm。
[0024] 第二絕緣層3的材質優(yōu)選為Si02或氮化硅，第二絕緣層3上于對應下電極7的位 置開設有溝槽，溝槽上下貫通，溝槽內設有導電薄膜作為下加熱電極8。溝槽的形狀優(yōu)選為 與下電極直徑相同的圓柱形孔。下加熱電極8的材質優(yōu)選自TiN、TiSiN或TiON。第二絕 緣層3的厚度優(yōu)選為10-50 nm，導電薄膜的厚度與第二絕緣層3的厚度相同，且導電薄膜的 電導率為 1 X ΙΟ3 Ω -1 · πΓ1?1 X 1〇6 Ω -1 · πΓ1。
[0025] 第三絕緣層4的材質優(yōu)選為Si02或氮化硅，第三絕緣層4上沿堅直方向開設有 通孔，通孔的直徑為5~100nm，通孔的截面積小于下加熱電極8的截面積，通孔內填充有鎢 以形成上加熱電極9。上加熱電極9的材質還可以為鈦化鎢。第三絕緣層4的厚度優(yōu)選為 5(T200nm，上加熱電極9的高度與第三絕緣層4的厚度相同，上加熱電極9的底部表面與下 加熱電極8的上表面電性接觸。
[0026] 第四絕緣層5的材質優(yōu)選為Si02或氮化硅，第四絕緣層5上沿堅直方向開設有上 下貫穿的通孔，該通孔內填充有相變材料以形成相變材料層10,相變材料層10的材質優(yōu)選 自Ge 2Sb2Te5、N摻雜Ge2Sb2Te 5、GeSb2Te5中的一種。相變材料層10的直徑為500-1000nm， 第四絕緣層5的厚度優(yōu)選為50-200nm，相變材料層10的厚度與第四絕緣層5的厚度相同。 相變材料層10的底部與上加熱電極9電性接觸。
[0027] 第四絕緣層5上還設有上電極6,上電極6與相變材料層10的頂端電性接觸，上電 極6的材質優(yōu)選自錯、金或鉬。
[0028] 上述相變存儲結構的制作方法包括如下步驟：
[0029] (1)在半導體襯底上生長第一絕緣層；
[0030] (2)通過光刻和刻蝕的方法在第一絕緣層內形成縱橫均勻分布的圓形或方形的 柱狀孔，然后通過磁控濺射工藝向孔內填充鋁材料并覆蓋于第一絕緣層上，然后通過化學 機械拋光去除孔外的鋁材料，形成下電極；
[0031] (3)在第一絕緣層上生長第二絕緣層，然后通過光刻和刻蝕工藝對第二絕緣層進 行刻蝕形成溝槽，且溝槽位于孔的中心線上；
[0032] (4)在第二絕緣層上的溝槽內生長導電薄膜并覆蓋第二絕緣層上，然后通過化學 機械拋光去除孔外的導電薄膜材料，形成下加熱電極，導電薄膜層由化學氣相沉積、物理 氣相沉積或原子層沉積工藝中的任意一種方法生長而成，生長溫度小于400°C ;
[0033] (5)在導電薄膜層上生長第三絕緣層，通過光刻和刻蝕的方法在第三絕緣層內形 成縱橫均勻分布的通孔，然后在通過磁控濺射工藝向通孔內填充鎢材料并覆蓋第三絕緣 層上，然后通過化學機械拋光去除孔外的鎢材料，形成上加熱電極；
[0034] (6)在步驟（5)形成的整體結構上面生長第四絕緣層然后采用光刻和刻蝕的方法 對第四絕緣層進行刻蝕，形成通孔，并使上加熱電極鎢材料層的上表面暴露于所述通孔的 底部；
[0035] (7)然后通過磁控濺射工藝向溝槽內填充相變材料并覆蓋第四絕緣層上，然后通 過化學機械拋光去除溝槽外的相變材料；
[0036] (8)在上述步驟（7)所形成的整體結構上生長金屬導電層，然后沿橫向方向，通 過光刻和干法刻蝕工藝去除多余的導電層，最終形成兩個與相變材料層上表面相連的橫 向金屬條，作為上電極。
[0037] 基于上述制備工藝，引入了雙加熱電極，可有效減小存儲器功耗，同時提1?樣品良 率。
[0038] 需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實 體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存 在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵 蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要 素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備 所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0039] 以上所述僅是本申請的【具體實施方式】，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本申請的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種相變存儲結構的加熱電極，其特征在于：所述加熱電極包括上加熱電極以及與 所述上加熱電極連接的下加熱電極，所述上加熱電極的截面積小于所述下加熱電極的截面 積。
2. 根據(jù)權利要求1所述的相變存儲結構的加熱電極，其特征在于：所述上加熱電極的 材質選自鎢、氮化鈦/鎢雙層膜中的一種。
3. 根據(jù)權利要求1所述的相變存儲結構的加熱電極，其特征在于：所述下加熱電極為 導電薄膜，所述導電薄膜的材質選自TiN、TiSiN或TiON。
4. 一種相變存儲結構，包括相變材料層、上電極、下電極和加熱電極，其特征在于：所 述加熱電極包括下加熱電極以及連接在所述相變材料層和下加熱電極之間的上加熱電極， 所述上加熱電極的截面積小于所述下加熱電極的截面積。
5. 根據(jù)權利要求4所述的相變存儲結構，其特征在于：所述上加熱電極的材質選自鎢、 氣化欽/鶴雙層I旲中的一種。
6. 根據(jù)權利要求4所述的相變存儲結構，其特征在于：所述下加熱電極為導電薄膜，所 述導電薄膜的材質選自TiN、TiSiN或TiON。
7. 根據(jù)權利要求4所述的相變存儲結構，其特征在于：所述上加熱電極為圓柱體形狀， 其高度為5(T200nm，直徑為5?100nm。
8. 根據(jù)權利要求4所述的相變存儲結構，其特征在于：所述導電薄膜層的厚度為 10?50nm。
【文檔編號】H01L45/00GK203871380SQ201420182126
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權日:2014年4月16日
【發(fā)明者】程國勝, 衛(wèi)芬芬, 孔濤, 張 杰, 黃榮 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所