一种三维堆叠相变存储器及其制备方法技术

本发明专利技术属于微电子器件及存储器技术领域，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：先在衬底上制备水平电极层与绝缘层交叉堆叠设置的多层结构，然后刻蚀形成沟槽以及分立的三维条状电极，接着在沟槽内填充绝缘介质，接着再在三维条状电极与绝缘介质的交界区域形成小孔，依次在小孔壁上沉积相变材料、再在小孔内填充电极材料制备垂直电极，即可得到多层堆叠的三维堆叠相变存储器。本发明专利技术通过对制备方法的整体流程工艺进行改进，相应能够实现利用垂直电极结构建立三维相变存储阵列，与现有技术相比能够有效解决现有的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。

A three-dimensional stacked phase change memory and its preparation method

【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
数据总量的不断增长使得计算机对于内存的读写速度、总容量、工作能耗和稳定性都提出更高的要求。现有的DRAM尺寸已达到制造水平的工艺极限，在尺寸减小的过程中各种微观效应的影响会变得越来越明显，因此传统的DRAM技术在很多方面都面临着困境。为了扩展计算机内存，一种新型存储器——非易失存储器为之提供了新的途径。闪寸存储器作为如今市场上主流的非易失存储器，在突然断电情况下也不会丢失其中存储的数据。然而，闪寸的缺点也很明显，包括读写速度缓慢，重复擦写次数较少，制造成本高，此外，受CMOS工艺器物理极限的限制，器件尺寸缩小后，栅极氧化层过薄会产生隧穿漏电流。因为非易失存储器表现出来的优势以及现有FlashMemory表现出来的不足，业界内正致力于研发一种同时具有DRAM和闪存存储器优点的新一代非易失存储器NVM。一些新型的非易失存储器在最近几年逐渐发展，最受关注的下一代非易失存储器NVM技术主要包括：相变存储器PCRAM、磁性随机存储器MRAM、铁电随机存储器FeRAM、阻变随机存储器RRAM等。尤其是相变存储器，作为最重要的新一代存储器技术之一，其产品容量、存储密度、工艺尺寸、稳定性、读写性能、擦写寿命、器件功耗等多个方面展示出了巨大的优势。除了非破坏性读取、寿命、非挥发性、擦写速度之外，PCRAM还有多值存储、与现有工艺兼容、可以随着工艺技术的发展而等比例缩小等竞争优势。虽然相变存储器和阻变存储器一样利用材料的高低阻态差异来实现数据的存储，但与阻变存储器不同的是，相变存储器利用的是相变材料在晶态(低阻态)和非晶态(高阻态)的阻态差异，而阻变存储器多是依靠导电丝的形成和断裂产生的阻态差异，同时在操作方法上，相变存储器利用操作正向脉冲的幅值和脉宽来进行SET(低而长的脉冲)和RESET(高而短的脉冲)操作，而阻变存储器利用脉冲的正负来进行SET和RESET操作，因此相变存储器与阻变存储器有着本质上的差别，在器件结构的设计上也因此存在不同的标准，对相变存储器而言，为了抑制漏电流的影响，一般需要搭配额外的选通管器件。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。但是PCRAM作为一种新的技术不可避免的存在着许多亟待解决的问题。不像闪存和阻变存储器，经过多年的研究，在三维堆叠方面工艺结构已经很完善了，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，工艺成本由于光刻步骤的线性增加而急剧上升，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，单元大小受限的同时，将单元尺寸做小非常困难。综合来说，不利于进一步的多层堆叠与高密度集成，在垂直结构中，相变单元与选通管的串联是在水平方向上的，需要额外的多道工艺进行支持，同时相对于不含选通管的结构，在各项参数不变的情况下，存储密度会有一定程度减小。
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，其中通过对制备方法的整体流程工艺进行改进，相应能够实现利用垂直电极结构建立三维相变存储阵列，与现有技术相比能够有效解决现有的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，表面较为平坦，有利于更多层的堆叠；有利于减小单元相变的操作电流，降低功耗。简化了制备工艺，对光刻工艺的需求减少，降低了制作成本。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，包括以下步骤：(S1)准备衬底，以该衬底的上表面为基面，在衬底上沉积一整层电极材料作为第一水平电极层，然后，在该第一水平电极层上制备第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层在衬底表面所在平面上的投影位于所述第一水平电极层投影的内部，且至少在沿衬底表面所在平面内的某一直线方向上，所述第一绝缘层的投影长度要小于所述第一水平电极层的投影长度，使所述第一水平电极层能够裸露引脚、不完全被该第一绝缘层覆盖，由此形成第一水平电极层以及与该第一水平电极层配套设置的第一绝缘层；(S2)以最上层的绝缘层为基面，重复沉积电极材料与制备绝缘层的操作，由此形成由共计i个水平电极层以及分别与每个水平电极层配套设置的、共计i个的绝缘层组成的三维堆叠结构，记该三维堆叠结构整体为多层结构；其中，i≥2的正整数；(S3)对所述多层结构进行刻蚀，使衬底部分暴露并产生沟槽，由此得到彼此分立、且呈条状排列的若干个三维条状电极；任意一个三维条状电极均包括i个水平电极层和i个绝缘层，相邻的两个三维条状电极之间具有沟槽；(S4)在所述沟槽中填充绝缘介质，用于实现水平方向上的电热隔离；(S5)以所述三维条状电极与所述绝缘介质的交界面在衬底表面所在平面上的投影线为参考，对所述三维条状电极与所述绝缘介质交界的区域进行刻蚀，刻蚀出若干个分立的小孔；任意一个小孔的底部均位于衬底的上表面以下，每个小孔在衬底表面所在平面上的投影中心点则位于所述投影线上；(S6)在所述步骤(S5)得到的小孔的孔壁上沉积相变材料并使相变材料覆盖小孔底部，然后，在被相变材料包围的小孔区域内填充电极材料制备垂直电极，由此即可得到多层堆叠的三维堆叠相变存储器。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(S3)中，每一条三维条状电极的宽度均保持彼此相等，每一个沟槽的宽度也保持彼此相等，且任意一个沟槽的宽度与任意一个三维条状电极的宽度两者也相等。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(S5)中，在所述三维条状电极与所述绝缘介质的任意一个交界面上，均对应刻蚀有N个彼此均匀分布小孔；并且，对于任意两个交界面，一个交界面上的小孔位置与另一交界面上的小孔位置一一对应，同一对应位置的小孔在衬底表面所在平面上的投影中心点的连线与交界面在衬底表面所在平面上的投影线相互垂直。作为本专利技术的进一步优选，记所述步骤(S3)得到的三维条状电极的总个数为M个，则小孔的总个数为2×(M-1)×N。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(S6)中，沉积的所述相变材料具有自选通效应。作为本专利技术的进一步优选，所述水平电极层所采用的电极材料与所述垂直电极所采用的电极材料均为功函数低于相变材料的低功函数导电材料；优选的，是由以下的一种或多种材料构成：Cr、Ag、Al、Ti、W、Ni、Mo、Fe这些低功函数导电材料，以及它们的氧化物、氮化物导电材料，以及N型硅。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(S6)中，沉积的所述相变材料为GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、I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，包括以下步骤：/n(S1)准备衬底，以该衬底的上表面为基面，在衬底上沉积一整层电极材料作为第一水平电极层，然后，在该第一水平电极层上制备第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层在衬底表面所在平面上的投影位于所述第一水平电极层投影的内部，且至少在沿衬底表面所在平面内的某一直线方向上，所述第一绝缘层的投影长度要小于所述第一水平电极层的投影长度，使所述第一水平电极层能够裸露引脚、不完全被该第一绝缘层覆盖，由此形成第一水平电极层以及与该第一水平电极层配套设置的第一绝缘层；/n(S2)以最上层的绝缘层为基面，重复沉积电极材料与制备绝缘层的操作，由此形成由共计i个水平电极层以及分别与每个水平电极层配套设置的、共计i个的绝缘层组成的三维堆叠结构，记该三维堆叠结构整体为多层结构；/n其中，i≥2的正整数；/n(S3)对所述多层结构进行刻蚀，使衬底部分暴露并产生沟槽，由此得到彼此分立、且呈条状排列的若干个三维条状电极；任意一个三维条状电极均包括i个水平电极层和i个绝缘层，相邻的两个三维条状电极之间具有沟槽；/n(S4)在所述沟槽中填充绝缘介质，用于实现水平方向上的电热隔离；/n(S5)以所述三维条状电极与所述绝缘介质的交界面在衬底表面所在平面上的投影线为参考，对所述三维条状电极与所述绝缘介质交界的区域进行刻蚀，刻蚀出若干个分立的小孔；任意一个小孔的底部均位于衬底的上表面以下，每个小孔在衬底表面所在平面上的投影中心点则位于所述投影线上；/n(S6)在所述步骤(S5)得到的小孔的孔壁上沉积相变材料并使相变材料覆盖小孔底部，然后，在被相变材料包围的小孔区域内填充电极材料制备垂直电极，由此即可得到多层堆叠的三维堆叠相变存储器。/n...

【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，包括以下步骤：
(S1)准备衬底，以该衬底的上表面为基面，在衬底上沉积一整层电极材料作为第一水平电极层，然后，在该第一水平电极层上制备第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层在衬底表面所在平面上的投影位于所述第一水平电极层投影的内部，且至少在沿衬底表面所在平面内的某一直线方向上，所述第一绝缘层的投影长度要小于所述第一水平电极层的投影长度，使所述第一水平电极层能够裸露引脚、不完全被该第一绝缘层覆盖，由此形成第一水平电极层以及与该第一水平电极层配套设置的第一绝缘层；
(S2)以最上层的绝缘层为基面，重复沉积电极材料与制备绝缘层的操作，由此形成由共计i个水平电极层以及分别与每个水平电极层配套设置的、共计i个的绝缘层组成的三维堆叠结构，记该三维堆叠结构整体为多层结构；
其中，i≥2的正整数；
(S3)对所述多层结构进行刻蚀，使衬底部分暴露并产生沟槽，由此得到彼此分立、且呈条状排列的若干个三维条状电极；任意一个三维条状电极均包括i个水平电极层和i个绝缘层，相邻的两个三维条状电极之间具有沟槽；
(S4)在所述沟槽中填充绝缘介质，用于实现水平方向上的电热隔离；
(S5)以所述三维条状电极与所述绝缘介质的交界面在衬底表面所在平面上的投影线为参考，对所述三维条状电极与所述绝缘介质交界的区域进行刻蚀，刻蚀出若干个分立的小孔；任意一个小孔的底部均位于衬底的上表面以下，每个小孔在衬底表面所在平面上的投影中心点则位于所述投影线上；
(S6)在所述步骤(S5)得到的小孔的孔壁上沉积相变材料并使相变材料覆盖小孔底部，然后，在被相变材料包围的小孔区域内填充电极材料制备垂直电极，由此即可得到多层堆叠的三维堆叠相变存储器。


2.如权利要求1所述三维堆叠相变存储器的制备方法，其特征在于，所述步骤(S3)中，每一条三维条状电极的宽度均保持彼此相等，每一个沟槽...

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