CN103794721B - 一种相变存储单元及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变存储单元及其制备方法，包括自下而上依次设置的衬底、下电极、下绝热层、相变材料层、上绝热层和上电极，所述上电极还与所述相变材料膜电连接，其中，所述下绝热层具有主要由复数个四棱台状单元，特别是二氧化硅四棱台组成的周期性结构，所述相变材料层连续覆设在所述周期性结构上，并形成复数个凹槽结构。本发明易于制备，成本低廉，并且存储密度高，可充分满足相变存储器的应用需求。

Description

一种相变存储单元及其制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种相变存储单元及其制备方法，属于半导体制备技术领域。

背景技术

相变存储器（phase-change memory，PCM）以其优异的特性，包括快速读写速度、优异的尺寸缩放性能、多位元存储能力、抗辐射、制造成本低等，被认为是取代FLASH、SRAM及DRAM等常规存储器的下一代主流存储器。随着技术的发展，人们设计与制备出了多种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存储密度同时降低制备成本是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，这一结构在未来更进一步的发展中会大幅度地增加工艺成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变存储单元及其制备方法，以克服现有技术的缺点。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种相变存储单元，包括自下而上依次设置的衬底、下电极、下绝热层、相变材料层、上绝热层和上电极，所述上电极还与所述相变材料膜电连接，其中，所述下绝热层具有主要由复数个四棱台状单元组成的周期性结构，所述相变材料层连续覆设在所述周期性结构上，并形成复数个凹槽结构。

进一步的，所述周期性结构的周期为10-100nm。

进一步的，所述四棱台状单元顶边尺寸为15-100nm，底边尺寸为30-150nm。

进一步的，所述下绝热层的厚度为10-100nm。

进一步的，所述上绝热层的厚度为10-200nm。

进一步的，所述相变材料层的厚度为10-100nm。

进一步的，所述上电极的宽度小于或等于覆设在每一四棱台型单元顶部的相变材料层或每一凹槽结构槽底面的宽度的三分之二。

进一步的，每一上电极与一引出电极一端连接，所述引出电极另一端穿过上绝热层，并与所述相变材料层电性接触。

进一步的，所述上电极与引出电极一体设置。

进一步的，所述下电极包括钨膜和氮化钛/钨双层膜中的任一种。

进一步的，前述相变材料可选自但不限于Ge₂Sb₂Te₅、N掺杂Ge₂Sb₂Te₅、O掺杂Ge₂Sb₂Te₅、GeSb₂Te₅中的任一种或多种。

进一步的，前述上绝热层的材料可选自但不限于二氧化硅、氮化硅中的任意一种或多种。

进一步的，前述下绝热层的材料可选自但不限于二氧化硅，亦即，所述下绝热层可具有主要由复数个二氧化硅四棱台组成的周期性结构。

进一步的，前述上电极的材料可选用但不限于铝。

一种相变存储单元的制备方法，包括：

（1）依次在衬底表面沉积下电极层以及绝热材料前体层；

（2）采用光刻技术在该绝热材料前体层表面制作周期性图形结构，并利用湿法腐蚀技术腐蚀上述绝热材料前体层，获得主要由复数个四棱台状单元组成的周期性结构；

（3）采用氧化工艺处理前述周期性结构，氧化形成下绝热层；

（4）在下绝热层上沉积相变存储材料（亦称“相变材料”），形成连续覆设在所述周期性结构上的、并具有复数个凹槽结构的相变材料层；

（5）在相变材料层上沉积上绝热层，并在上绝热层开通孔，而后在通孔内沉积导电材料，形成与相变材料层电性接触的上电极。

进一步的，所述绝热材料前体层为硅层。

在一典型实施方案中，前述下绝热层的制备方法包括：首先采用湿法腐蚀工艺获得由硅形成的前述周期性结构，继而采用热氧化工艺获得二氧化硅绝热层。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

（1）该相变存储单元中，下绝热层结构易于制备，与传统光刻结合刻蚀工艺相比显著降低了制造成本；

（2）该相变存储单元中，基于下绝热层的周期性结构，使由相变材料沉积形成的相变材料层（膜层）具有凹槽型结构，该膜层连续，与传统分立的相变存储材料区域相比，减少了光刻与刻蚀工艺步骤，从而进一步降低制造成本，并且，在凹槽结构的顶端与底部均可构建接触电极，因此能够提高器件的存储密度，满足相变存储器的应用需求。

附图说明

图1是本发明一较佳实施方案中一种相变存储单元的结构示意图；

图2是图1所示相变存储单元的制备工艺流程图；

附图标记说明：衬底100、下电极层200、绝热材料前体层300、周期性图形结构400、相变材料层500、上绝热层600、上电极700、下绝热层800。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将对本发明的技术方案进行进一步详细说明。

应当理解，在本说明书中，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。

本发明的一个方面旨在提供一种相变存储单元，其包括自下而上依次设置的衬底、下电极、下绝热层、相变材料层、上绝热层和上电极，所述上电极还与所述相变材料膜电连接，所述下绝热层具有主要由复数个四棱台状单元组成的周期性结构，所述相变材料层连续覆设在所述周期性结构上，并形成复数个凹槽结构。进一步的，所述四棱台状单元优选为二氧化硅四棱台。

所述周期性结构的周期，四棱台状单元的尺寸，上绝热层、下绝热层与相变材料层的厚度，上电极的尺寸、材质等均可如前文所述，此处不再赘述。

本发明的另一个方面旨在提供一种制备前述相变存储单元的方法，其包括：依次在衬底表面沉积下电极层以及绝热材料前体层，再采用光刻技术在该绝热材料前体层表面制作周期性图形结构，而后利用湿法腐蚀技术腐蚀上述绝热材料前体层，获得主要由复数个四棱台状单元组成的周期性结构，其后，采用氧化工艺处理前述周期性结构，氧化形成下绝热层，之后下绝热层上沉积相变存储材料（亦称“相变材料”），形成连续覆设在所述周期性结构上的、并具有复数个凹槽结构的相变材料层，然后在相变材料层上沉积上绝热层，最后在上绝热层开通孔并在通孔内沉积导电材料，形成上电极，并与相变材料层电性接触。

前述相变存储单元的结构及其制备工艺流程可参考图1-图2。

在一较为优选的实施方案中，一种相变存储单元的制备工艺步骤如下：

参阅图1，首先在衬底表面沉积下电极层以及硅层，其中下电极层优选为钨、氮化钛/钨双层膜；硅层优选为单晶硅层。

然后利用光刻技术在该衬底表面制作周期性图形结构。

进一步地，利用湿法腐蚀技术，使用四甲基氢氧化铵腐蚀上述衬底，由于四甲基氢氧化铵对硅具有各项异性腐蚀特性，通过恰当地调节腐蚀时间和腐蚀温度，可以获得不同尺寸的硅四棱台结构。其中，硅湿法腐蚀，尤其是其中的各向异性腐蚀工艺，以其（通过合适的腐蚀液）CMOS兼容、工艺简单且通过控制反应条件（反应时间、温度）能够可控地实现尺寸的调控。

为了获得下绝热层，使用氧化工艺处理衬底，将硅四棱台结构氧化成二氧化硅结构。优选地，二氧化硅结构顶端尺寸为15-100nm，底部尺寸为30-150nm；绝热层厚度为10-100nm，周期10-100nm。

使用物理气相沉积设备在衬底表面沉积相变存储材料，相变存储材料呈现凹槽类型。优选地，相变存储材料为Ge₂Sb₂Te₅、N掺杂Ge₂Sb₂Te₅、O掺杂Ge₂Sb₂Te₅、GeSb₂Te₅中的任一种，厚度10-100nm。

使用化学气相沉积方法沉积上绝热层，优选地，上绝热层为二氧化硅、氮化硅中的任意一种，厚度10-200nm。

使用光刻技术，结合刻蚀技术与金属沉积技术在上绝热层开通孔并将上电极材料沉积到孔中与相变存储材料接触，优选地，上电极材料为铝，宽度为对应相变材料层顶端或底部宽度的2/3及以下，引出电极分别与相变材料层的顶部与底部接触。

基于该制备工艺，可使相变存储单元有效地获得更小的PCM电极尺寸，从而提高存储密度，同时降低制造成本。

以下通过若干具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于举例说明的目的，并没有限制本发明的范围。

实施例 1

选用沉积有钨下电极以及5nm厚单晶硅的衬底，使用光刻技术沉积间距10nm，宽度为35nm的光刻胶图形，随后置于75℃四甲基氢氧化铵溶液中10分钟，可以获得顶层6.5nm，底部尺寸13nm的硅四棱台结构，进一步通过氧化工艺处理该结构形成二氧化硅四棱台结构，由于氧化过程中伴随有硅体积膨胀，最终获得的二氧化硅四棱台结构厚度10nm，顶层宽度为15nm，底部宽度为30nm。利用物理气相沉积方法沉积10nm 的Ge₂Sb₂Te₅薄膜，继而利用化学气相沉积方法制备10nm二氧化硅上绝热层，进一步利用光刻技术、刻蚀技术以及金属沉积技术制备宽度为10nm铝上电极，且引出电极分别定位于相变材料层的顶部与底部。

实施例 2

选用沉积有钨下电极以及10nm厚单晶硅的衬底，使用光刻技术沉积间距20nm，宽度为40nm的光刻胶图形，随后置于75℃四甲基氢氧化铵溶液中15分钟，可以获得顶层13nm，底部尺寸25nm的硅四棱台结构，进一步通过氧化工艺处理该结构形成二氧化硅四棱台结构，由于氧化过程中伴随有硅体积膨胀，最终获得的二氧化硅四棱台结构厚度20nm，顶层宽度为30nm，底部宽度为60nm。利用物理气相沉积方法沉积50nm 的N掺杂 Ge₂Sb₂Te₅薄膜，继而利用化学气相沉积方法制备60nm二氧化硅上绝热层，进一步利用光刻技术、刻蚀技术以及金属沉积技术制备宽度为15nm铝上电极，且引出电极分别定位于相变材料层的顶部与底部。

实施例 3

选用沉积有氮化钛/钨双层膜下电极以及42nm厚单晶硅的衬底，使用光刻技术沉积间距100nm，宽度为40nm的光刻胶图形，随后置于75℃四甲基氢氧化铵溶液中15分钟，可以获得顶层42nm，底部尺寸60nm的硅四棱台结构，进一步通过氧化工艺处理该结构形成二氧化硅四棱台结构，由于氧化过程中伴随有硅体积膨胀，最终获得的二氧化硅四棱台结构厚度100nm，顶层宽度为100nm，底部宽度为150nm。利用物理气相沉积方法沉积100nm 的O掺杂 Ge₂Sb₂Te₅薄膜，继而利用化学气相沉积方法制备200nm二氧化硅上绝热层，进一步利用光刻技术、刻蚀技术以及金属沉积技术制备宽度为50nm铝上电极，且引出电极分别定位于相变材料层的顶部与底部。

实施例 4

选用沉积有钨下电极以及10nm厚单晶硅的衬底，使用光刻技术沉积间距20nm，宽度为40nm的光刻胶图形，随后置于75℃四甲基氢氧化铵溶液中15分钟，可以获得顶层13nm，底部尺寸25nm的硅四棱台结构，进一步通过氧化工艺处理该结构形成二氧化硅四棱台结构，由于氧化过程中伴随有硅体积膨胀，最终获得的二氧化硅四棱台结构厚度20nm，顶层宽度为30nm，底部宽度为60nm。利用物理气相沉积方法沉积50nm 的GeSb₂Te₅薄膜，继而利用化学气相沉积方法制备60nm二氧化硅上绝热层，进一步利用光刻技术、刻蚀技术以及金属沉积技术制备宽度为15nm铝上电极，且引出电极分别定位于相变材料层的顶部与底部。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种相变存储单元，包括自下而上依次设置的衬底、下电极、下绝热层、相变材料层、上绝热层和上电极，所述上电极还与所述相变材料层电连接，其特征在于，所述下绝热层具有主要由复数个四棱台状单元组成的周期性结构，所述相变材料层连续覆设在所述周期性结构上，并形成复数个凹槽结构，每一上电极与一引出电极一端连接，所述引出电极另一端穿过上绝热层，并与所述相变材料层电性接触。

2.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述下绝热层具有主要由复数个二氧化硅四棱台组成的周期性结构，并且所述周期性结构的周期为10-100nm。

3.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述四棱台状单元顶边尺寸为15-100nm，底边尺寸为30-150nm。

4.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述下绝热层的厚度为10-100nm，所述上绝热层的厚度为10-200nm。

5.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变材料层的厚度为10-100nm。

6.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述上电极的宽度小于或等于覆设在每一四棱台型单元顶部的相变材料层或每一凹槽结构槽底面的宽度的三分之二。

7.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述下电极包括钨膜和氮化钛/钨双层膜中的任一种。

8.一种相变存储单元的制备方法，其特征在于包括：

(1)依次在衬底表面沉积下电极层以及绝热材料前体层；

(2)采用光刻技术在该绝热材料前体层表面制作周期性图形结构，并利用湿法腐蚀技术腐蚀上述绝热材料前体层，获得主要由复数个四棱台状单元组成的周期性结构；

(3)采用氧化工艺处理前述周期性结构，氧化形成下绝热层；

(4)在下绝热层上沉积相变存储材料，形成连续覆设在所述周期性结构上的、并具有复数个凹槽结构的相变材料层，所述相变存储材料包括Ge₂Sb₂Te₅、N掺杂Ge₂Sb₂Te₅、O掺杂Ge₂Sb₂Te₅、GeSb₂Te₅中的任一种或多种的组合；

(5)在相变材料层上沉积上绝热层，并在上绝热层开通孔，而后在通孔内沉积导电材料，形成与相变材料层电性接触的上电极。

9.根据权利要求8所述的相变存储单元的制备方法，其特征在于，所述绝热材料前体层为硅层，而所述下绝热层具有主要由复数个二氧化硅四棱台组成的周期性结构，任一四棱台的顶边尺寸为15-100nm，底边尺寸为30-150nm，并且所述周期性结构的周期为10-100nm。