一种三维堆叠相变存储器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维堆叠相变存储器及其制备方法，其中制备方法具体是在衬底上制备彼此具有间距的第一水平电极；在第一水平电极间距间制备中央具有间隙的第一条状相变层；在第一条状相变层的间隙间制备第一选通管；制备第一绝缘层；在第一绝缘层上的相同垂直位置制备第二水平电极；然后制备第二条状相变层；接着制备第二选通管；然后，在水平电极间距间制备水平方向的绝缘孔；在相邻绝缘孔间制备垂直电极后形成垂直结构的多层堆叠的相变存储器。本发明专利技术通过对其关键制备方法的整体流程工艺设计，各个细节结构的形状设置等进行改进，能够有效解决三维堆叠相变存储器件在工艺制备中存在的多层堆叠步骤复杂，工艺实现难度大及单元尺寸微缩等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种三维堆叠相变存储器及其制备方法
本专利技术属于微电子器件及存储器
，更具体地，涉及一种三维堆叠相变存储器及其制备方法。
技术介绍
作为最可能发展成为未来主流存储器之一的新型存储器，相变存储器为了适应大数据时代对高容量存储的需求，逐渐向三维发展，形成多层堆叠的三维相变存储器。目前三维堆叠的相变存储器都是基于水平电极交叉点阵列结构进行简单的垂直向上堆叠，虽然结构简单，但随着堆叠层数的增加，工艺步骤繁琐，且表面不平坦现象加剧，带来了可靠性问题；另外，存储单元的特征尺寸大小受限于先进的光刻工艺，成本高昂。综合来说，不利于进一步的多层堆叠与高密度集成。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种三维堆叠相变存储器及其制备方法，其中通过对其关键制备方法的整体流程工艺设计，各个细节结构的形状设置等进行改进，与现有技术相比能够有效解决三维堆叠相变存储器件在工艺制备中存在的多层堆叠步骤复杂，工艺实现难度大以及单元尺寸微缩等的问题，本专利技术采用垂直电极结构建立三维相变存储阵列，相变单元特征尺寸的大小由薄膜厚度决定(例如，相变层的厚度可低至2nm，突破光刻工艺限制)，形成的三维堆叠相变存储器其中的相变单元位于水平电极与垂直电极的空间交叠区域，制备工艺可有效简化。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种三维堆叠相变存储器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)在衬底上制备N条平行于某一方向的、且彼此具有间距的第一水平电极；其中，N为预先设定的、且大于等于2的正整数；(2)在所述第一水平电极的各相邻两电极的间距对应区域中填充中央具有一定间隙的第一条状相变层；(3)在所述第一条状相变层的中央间隙中填充选通管材料，形成第一选通管；(4)在所述衬底上继续制备由绝缘材料构成的第一绝缘层，使该第一绝缘层覆盖所述第一水平电极、所述第一条状相变层及所述第一选通管；所述第一水平电极有部分区域不被覆盖，这部分裸露出的区域用于形成第一水平电极引脚；(5)在所述第一绝缘层上制备第二水平电极，所述第二水平电极具有与所述第一水平电极完全相同的间距分布，并且，所述第二水平电极在所述第一绝缘层上的投影完全被所述第一水平电极在所述第一绝缘层上的投影所覆盖；(6)在所述第二水平电极的各相邻两电极的间距对应区域中填充中央具有一定间隙的第二条状相变层，所述第二条状相变层具有与所述第一条状相变层完全相同的中央间隙分布，并且，所述第二条状相变层在所述第一绝缘层上的投影完全被所述第一条状相变层在所述第一绝缘层上的投影所覆盖；(7)在所述第二条状相变层的中央间隙中填充选通管材料，形成第二选通管；(8)在所述衬底上继续制备由绝缘材料构成的第二绝缘层，使该第二绝缘层覆盖所述第二水平电极、所述第二条状相变层及所述第二选通管；所述第二水平电极有部分区域不被覆盖，这部分裸露出的区域用于形成第二水平电极引脚；(9)对于位于顶层的顶层绝缘层，在该顶层绝缘层上、且投影与最上层水平电极各相邻两电极的间距对应区域相对应的位置制备出(N-1)×M个绝缘层阵列通孔，该绝缘层阵列通孔中的任意一个通孔其宽度大于与之对应的相邻两电极的间距，并且这些绝缘层阵列通孔的底面直达衬底；其中，M为预先设定的、且大于等于2的正整数；(10)在所述绝缘层阵列通孔中填充绝缘材料，用于水平方向上的电热隔离；(11)对于投影与同一最上层水平电极相邻两电极的间距对应区域相对应的绝缘层阵列通孔，在这些绝缘层阵列通孔的两相邻绝缘层阵列通孔之间制备垂直电极阵列通孔，这些垂直电极阵列通孔的底面直达衬底；(12)在所述垂直电极阵列通孔中填充电极材料制备垂直电极，从而形成多层堆叠的相变存储器。作为本专利技术的进一步优选，在所述步骤(8)完成后、所述步骤(9)开始前，还包括依次重复所述步骤(4)至所述步骤(8)若干次以形成多层水平电极、条状相变层、选通管及绝缘层的步骤。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(11)中，所述垂直电极阵列通孔的总个数为(N-1)×(M-1)个。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，对于所述第一水平电极的任意相邻两电极，所述中央具有一定间隙的第一条状相变层的宽度大于该第一水平电极中相邻两电极的间距0～4um。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(3)中，对应于所述第一水平电极的任意相邻两电极，所述第一选通管的宽度大于所述第一条状相变层的中央间隙宽度0～4um。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述第一水平电极的线宽为2μm～30μm，间距为8μm～60μm。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，对于所述第一水平电极的任意相邻两电极，所述中央具有一定间隙的第一条状相变层的宽度大于该第一水平电极中相邻两电极的间距0～2um，优选的，该第一条状相变层的外边缘位于第一水平电极上。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(3)中，对应于所述第一水平电极的任意相邻两电极，所述第一选通管的宽度大于所述第一条状相变层的中央间隙宽度0～2um，优选的，该第一选通管的边缘位于所述第一条状相变层上。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述彼此具有间距的第一水平电极为具有同等间距的第一水平电极；所述步骤(2)中，对于填充得到的中央具有一定间隙的第一条状相变层，任意两个相邻两电极间距对应区域中填充的具有一定间隙的第一条状相变层它们的线宽相同、且中央间隙的宽度也相同。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了利用上述制备方法制备得到的三维堆叠相变存储器。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，现有的3DXPoint存储器主要采用平面三维堆叠方式，下电极(字线)、绝缘层、选通层、相变存储层、上电极(位线)等逐层沉积，再重复上述步骤实现多层堆叠，该方法可沿用原有平面相变存储器的制备方法，选通管与相变存储材料可通过简单连续沉积实现集成，但是其光刻的次数与三维堆叠的层数成正比，多层堆叠时因光刻制程的增加带来成本的急剧提升，并且每一层电极的制备均引起一定的表面不平整度，多层堆叠时将带来严重的器件可靠性问题。尽管在部分资料(例如本课题组的硕士学位论文《3DXPoint存储器制备工艺研究》)中虽提及“基于垂直电极的3DXPoint存储器”，但仅提供了一个简单的电极结构示意图，没有3DXPoint存储器具体各层的结构设计以及工艺实现方案，更没有考虑实际3DXPoint器件所必须的选通管,而本专利技术涉及的各层尺寸的设计、套刻的实现以及选通管和存储单元的有效集成正是垂直三维堆叠相比于水平堆叠方式的难点所在。本专利技术中的三维堆叠相变存储器单元结构及其制备方法，相较于现有的3DXpoint结构都是基于水平电极的结构，本专利技术采用了垂直电极结构，所有位线通过刻蚀后的通孔沉积一次形成，大大减小了多层堆叠时的光刻次数，有效降低成本；制备工艺上，各功能材料面内几乎等高，多余材料可通过刻蚀去除，有效缓解多层堆叠带来的表面不平整问题；此外，本专利技术提出的存储单元的特征尺寸由薄膜厚度决定，而非工艺线宽，这一方面利于提高存储密度，建立大容量的三维存储阵列，另一方面，可减小相变区域尺寸(可低至2nm)，有利于减小操作电流，降低功耗。综上，本专利技术采用水平电极与垂直电极的交叉结构，能够实现垂直方向上的多层堆叠，相变单元的特征尺寸小，表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维堆叠相变存储器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)在衬底上制备N条平行于某一方向的、且彼此具有间距的第一水平电极；其中，N为预先设定的、且大于等于2的正整数；(2)在所述第一水平电极的各相邻两电极的间距对应区域中填充中央具有一定间隙的第一条状相变层；(3)在所述第一条状相变层的中央间隙中填充选通管材料，形成第一选通管；(4)在所述衬底上继续制备由绝缘材料构成的第一绝缘层，使该第一绝缘层覆盖所述第一水平电极、所述第一条状相变层及所述第一选通管；所述第一水平电极有部分区域不被覆盖，这部分裸露出的区域用于形成第一水平电极引脚；(5)在所述第一绝缘层上制备第二水平电极，所述第二水平电极具有与所述第一水平电极完全相同的间距分布，并且，所述第二水平电极在所述第一绝缘层上的投影完全被所述第一水平电极在所述第一绝缘层上的投影所覆盖；(6)在所述第二水平电极的各相邻两电极的间距对应区域中填充中央具有一定间隙的第二条状相变层，所述第二条状相变层具有与所述第一条状相变层完全相同的中央间隙分布，并且，所述第二条状相变层在所述第一绝缘层上的投影完全被所述第一条状相变层在所述第一绝缘层上的投影所覆盖；(7)在所述第二条状相变层的中央间隙中填充选通管材料，形成第二选通管；(8)在所述衬底上继续制备由绝缘材料构成的第二绝缘层，使该第二绝缘层覆盖所述第二水平电极、所述第二条状相变层及所述第二选通管；所述第二水平电极有部分区域不被覆盖，这部分裸露出的区域用于形成第二水平电极引脚；(9)对于位于顶层的顶层绝缘层，在该顶层绝缘层上、且投影与最上层水平电极各相邻两电极的间距对应区域相对应的位置制备出(N‑1)×M个绝缘层阵列通孔，该绝缘层阵列通孔中的任意一个通孔其宽度大于与之对应的相邻两电极的间距，并且这些绝缘层阵列通孔的底面直达衬底；其中，M为预先设定的、且大于等于2的正整数；(10)在所述绝缘层阵列通孔中填充绝缘材料，用于水平方向上的电热隔离；(11)对于投影与同一最上层水平电极相邻两电极的间距对应区域相对应的绝缘层阵列通孔，在这些绝缘层阵列通孔的两相邻绝缘层阵列通孔之间制备垂直电极阵列通孔，这些垂直电极阵列通孔的底面直达衬底；(12)在所述垂直电极阵列通孔中填充电极材料制备垂直电极，从而形成多层堆叠的相变存储器。...

【技术特征摘要】
1.一种三维堆叠相变存储器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)在衬底上制备N条平行于某一方向的、且彼此具有间距的第一水平电极；其中，N为预先设定的、且大于等于2的正整数；(2)在所述第一水平电极的各相邻两电极的间距对应区域中填充中央具有一定间隙的第一条状相变层；(3)在所述第一条状相变层的中央间隙中填充选通管材料，形成第一选通管；(4)在所述衬底上继续制备由绝缘材料构成的第一绝缘层，使该第一绝缘层覆盖所述第一水平电极、所述第一条状相变层及所述第一选通管；所述第一水平电极有部分区域不被覆盖，这部分裸露出的区域用于形成第一水平电极引脚；(5)在所述第一绝缘层上制备第二水平电极，所述第二水平电极具有与所述第一水平电极完全相同的间距分布，并且，所述第二水平电极在所述第一绝缘层上的投影完全被所述第一水平电极在所述第一绝缘层上的投影所覆盖；(6)在所述第二水平电极的各相邻两电极的间距对应区域中填充中央具有一定间隙的第二条状相变层，所述第二条状相变层具有与所述第一条状相变层完全相同的中央间隙分布，并且，所述第二条状相变层在所述第一绝缘层上的投影完全被所述第一条状相变层在所述第一绝缘层上的投影所覆盖；(7)在所述第二条状相变层的中央间隙中填充选通管材料，形成第二选通管；(8)在所述衬底上继续制备由绝缘材料构成的第二绝缘层，使该第二绝缘层覆盖所述第二水平电极、所述第二条状相变层及所述第二选通管；所述第二水平电极有部分区域不被覆盖，这部分裸露出的区域用于形成第二水平电极引脚；(9)对于位于顶层的顶层绝缘层，在该顶层绝缘层上、且投影与最上层水平电极各相邻两电极的间距对应区域相对应的位置制备出(N-1)×M个绝缘层阵列通孔，该绝缘层阵列通孔中的任意一个通孔其宽度大于与之对应的相邻两电极的间距，并且这些绝缘层阵列通孔的底面直达衬底；其中，M为预先设定的、且大于等于2的正整数；(10)在所述绝缘层阵列通孔中填充绝缘材料，用于水平方向上的电热隔离；(11)对于投影与同一最上层水平电极相邻两电极的间距对应区域相对应的绝缘层阵列通孔，在这些绝缘层阵列通孔的两相邻绝缘层阵列通孔之间制备垂直电极阵列通孔，这些垂直电极阵列通孔的底面直达衬底；(12)在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：童浩，缪向水，沈裕山，蔡旺，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42