一種減小寫操作電流的相變存儲器單元的製備方法
2023-09-21 19:59:05
專利名稱：一種減小寫操作電流的相變存儲器單元的製備方法
技術領域：
本發明屬於微電子技術領域，具體涉及一種相變存儲器單元的製備方法。
背景技術：
存儲器在半導體市場中佔有重要地位，僅DRAM(Dynamnic Randam Access Memory)和FLASH兩種就佔有整個市場的15％，隨著可攜式電子設備的逐步普及，不揮發存儲器的市場也越來越大，目前FLASH佔不揮發存儲器的主流，約佔90％。但隨著半導體技術的進步，FLASH遇到了越來越多的技術瓶頸，首先存儲電荷的浮柵不能隨著集成電路工藝的發展無限制地減薄，此外，FLASH技術的其它一些缺點也限制了它的應用，例如數據寫入慢、寫數據時需要高電壓因而功耗大，需要特殊的電壓提升結構增加了電路和設計的複雜度，可擦寫次數低，必須對指定的單元塊而不能對指定的單元進寫操作等。鑑於這種情況，目前世界上幾乎所有電子和半導體行業巨頭及其它相關研發機構都在競相研發新一代不揮發存儲器技術，以期在未來激烈的半導體產業競爭中保有技術和市場優勢.PCM(PhaseChange Memory)--相變存儲器作為一種新興的不揮發存儲技術，在讀寫速度、讀寫次數、數據保持時間、單元面積、多值實現等諸多方面都具有極大的優越性，成為未來不揮發存儲技術市場主流產品最有力的競爭者之一(1)。
相變存儲器採用硫系化合物材料，目前應用最廣泛的是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生可逆轉變，相應地，電阻在低阻和高阻間發生可逆變化，從而用於信息1或0的存儲。
在當前的相變存儲器研究領域中，寫操作電流過大(接近納米量級)成為了一個關鍵問題(1)。減小電極面積可以有效的降低寫操作電流，圖1是用matlab熱分析模型計算得出寫操作電流隨電極面積的減小而減小的關係.對用於使相變材料發生相變的熱量和電流進行限制，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是寫操作電流在經過熱限制和未經過熱限制大小的比較。目前報導的較高密度的相變存儲器測試晶片中，SAMSUNG採用先進的光刻技術和傳統的器件結構獲得64M相變存儲器(2)；STMICROELECTRICS公司利用傳統的工藝技術和U形槽結構構建成2D結構(3)。但均未突破完全光刻限制和較好的實現熱限制和電限制。本發明提出的方法利用相變材料或包含相變材料的複合層自身的厚度控制電極尺寸，使之不依賴於光刻條件，而且可以較好的實現熱限制和電限制，從而可有效的解決寫操作電流過大問題。
發明內容
本發明的目的在於提出一種可擺脫光刻條件限制的製備相變存儲器單元的方法，以使減小器件的寫操作電流，並實現器件的熱限制和電限制。
本發明中提出的製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，在基片襯底上澱積電極材料，然後在電極材料層上形成有孔洞介質層；在介質層的孔洞中澱積相變材料或包含相變材料的複合層；最後澱積電極材料層。
上述方法中，形成有空洞介質層可以採用光刻技術，或者採用FIB技術，或者採用機械壓印技術。
本發明中，把相變材料或包含相變材料的複合層澱積於電極材料上方介質層孔洞中，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複合層厚度t來控制，而不再受光刻條件限制。電極尺寸r可以達到納米量級。此外，用於使相變材料發生相變的熱量通過兩邊的介質層進行限制，減少熱量損耗，使更多的熱量用於增大相變材料的溫度，提高了熱量的利用率；而且這種結構也可以對電流進行限制，如圖4所示，提高電流密度，從而增大發熱率。
圖1為RESET電流和電極面積大小關係。
圖2為經過熱限制和未經過熱限制RESET電流大小比較。
圖3為經過電流限制a和未經過電流限制b的單元示意圖。
圖4為澱積電極材料於襯底之上。
圖5為在電極材料上面形成有孔介質。
圖6為澱積相變材料或包含相變材料的複合層。
圖7為澱積上澱積材料。
圖中標號1-基片襯底；2-電極材料；3-有孔介質層；4-相變材料或包含相變材料的複合層；5-電極材料。
具體實施例方式
圖4～圖7給出了本發明的工藝流程圖。下面結合附圖，介紹製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上澱積電極材料2；(如圖4)。
c.在電極材料上形成有孔介質層3；(如圖5)。
d.澱積相變材料或包含相變材料的複合層4；(如圖6)。
e.澱積上電極材料5；(如圖7)。
以上步驟中，也可以在電極材料2和介質層3之間插入高電阻率薄層(比如含炭層或含矽層)，當作發熱層；下面通過實施例子給予進一步描述。
實施例1a.選擇低阻型的(111)矽片，先用丙酮超聲去掉表面有機物，再用濃H2SO4∶H2O21∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之後用去離子水衝幹甩幹，再將將矽片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20+2秒，去除表面氧化物，之後用去離子水衝幹甩幹，再將矽片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號液煮沸5分鐘，之後用去離子水衝幹甩幹，再將矽片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號液煮沸10分鐘，之後用去離子水衝幹甩幹。
b.在襯底上磁控濺射下電極材料，如TiN，W，Pt等；(如圖4)。
c.在電極材料上澱積介質層。
d.光刻孔洞形狀。
e.幹法刻蝕或溼法腐蝕形成有孔介質；(如圖5)。
f.澱積相變材料或包含相變材料的複合層；(如圖6)。
g.澱積上電極材料；(如圖7)。
實施例2a.選擇低阻型的(111)矽片，先用丙酮超聲去掉表面有機物，再用濃H2SO4∶H2O21∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之後用去離子水衝幹甩幹，再將將矽片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20+2秒，去除表面氧化物，之後用去離子水衝幹甩幹，再將矽片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號液煮沸5分鐘，之後用去離子水衝幹甩幹，再將矽片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號液煮沸10分鐘，之後用去離子水衝幹甩幹。
b.在襯底上磁控濺射下電極材料，如TiN，W，Pt等；(如圖4)。
c.在電極材料上澱積介質層。
d.用FIB技術在介質層上開孔，形成有孔介質層；(如圖5)。
e.澱積相變材料或包含相變材料的複合層；(如圖6)。
f.澱積上電極材料；(如圖7)。
實施例3a.選擇低阻型的(111)矽片，先用丙酮超聲去掉表面有機物，再用濃H2SO4∶H2O21∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之後用去離子水衝幹甩幹，再將將矽片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20±2秒，去除表面氧化物，之後用去離子水衝幹甩幹，再將矽片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號液煮沸5分鐘，之後用去離子水衝幹甩幹，再將矽片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號液煮沸10分鐘，之後用去離子水衝幹甩幹。
b.在襯底上磁控濺射下電極材料，如TiN，W，Pt等；(如圖4)。
c.在電極材料上澱積介質層。
d.用機械壓印技術在介質層上開孔，形成有孔介質層；(如圖5)。
e.澱積相變材料或包含相變材料的複合層；(如圖6)。
f.澱積上電極材料；(如圖7)。
實施例4在電極材料2和有孔介質3之間插入高電阻率薄層，作為發熱層，其餘同實施例1，2，3。
參考文獻(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，Full 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.
權利要求
1.一種用於減小寫操作電流的相變存儲器單元的製備方法，其特徵在於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澱積電極材料，然後在電極材料層上形成有孔洞介質層；在介質層的孔洞中澱積相變材料或含相變材料的複合層；最後澱積電極材料層。
2.根據權利要求1所述的相變存儲器單元的製備方法，其特徵在於在電極材料和有孔洞介質層之間插入高電阻率薄層，當作發熱層。
3.根據權利要求2所述的相變存儲器單元的製備方法，其特徵在於形成有孔洞介質層是採用光刻技術，或者FIB技術，或者機械壓印技術。
全文摘要
本發明屬於微電子技術領域，具體為一種能夠減小寫操作電流的相變存儲器的製備方法。它通過控制相變材料自身厚度來減小電極面積，同時實現熱限制和電限制，提高熱量的利用率和增大電流密度。利用本發明製備的器件具有低功耗、高速度、小操作電流等特點，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 優先權日2005年7月28日
發明者呂杭炳, 林殷茵, 湯庭鰲, 陳邦明 申請人:復旦大學, 矽存儲技術公司