一种相变存储器器件单元及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种相变存储器的器件单元及其制备方法，该器件单元的加热电极材料为倒锥形，其底面面积小于顶面面积，且位于相变材料单元上方，并向下延伸与相变材料单元接触。本发明专利技术先制备好相变材料，然后采用先进半导体刻蚀技术制备出倒锥形的孔，填入加热电极材料并平坦化，使得相变区域发生在相变材料的上沿。由于采用先进的刻蚀技术，可以将倒锥形的孔下端的尺寸进一步缩小，减小加热电极材料与相变材料接触面积，从而达到降低器件单元操作电流、降低功耗和增加器件可靠性的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种相变存储器，尤其是一种相变存储器的器件单元及其制备方法。 本专利技术属于微纳电子学

技术介绍
相变存储器(Phase Change Random Access Memory, PCRAM)技术是基于 S. R. Ovshinsky 在 20 世纪 60 年代末(Phys. Rev. Lett.，21，1450-1453，1968)70 年代初 (App 1. Phys. Lett.，18，254-257，1971)提出相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的。相变存储器与目前的动态随机存储器(DRAM)、闪存(FLASH)相比有很明显的优势体积小、驱动电压低、功耗小、读写速度快以及非挥发特性。PCRAM不仅是非挥发性存储器，能抗高低温冲击，抗辐照、抗振动，因此不仅将被广泛应用到民用的日常便携电子产品，而且在航空航天等军事领域有巨大的潜在应用。国际上已有Ovonyx、Intel, Samsung, Hitachi,STMicroelectronics 和 British Aerpspace 等大公司在开展 PCM 存储器的研究， 正在进行技术的完善与可制造性等方面的研发工作。目前PCRAM研究的目标在于实现相变存储器操作时的低操作电流和低功耗。 PCRAM实现信息的写入和擦除的方式是利用焦耳热使微小区域的相变材料发生相变，相变区域的尺寸越小，发生相变所需的功耗就越低。当器件单元的尺寸越小甚至达到三维纳米尺度，PCRAM的优越性将越充分地体现。因此，对PCRAM器件结构的开发成为了研究的热点。目前已研究的PCRAM器件单元结构有很多种，包括“蘑菇型”器件结构(International Electron Devices Meeting, 2006)、边缘接角虫(Symposium on VLSI Technology Digest of TechnicalPapers，175,2003)、u 形结构(IEEE Solid-State Circuits，40，1557，2005)、环形电极结构(Jpn. J.Appl.Phys.，46，2007)、相变材料桥式结构(IEDM，2006)和垂直二极管与自对准下电极结构(ISSCC，472，2007)等等。然而，这些结构中，除了边缘接触的结构相变材料与加热电极接触在横向方向，其余结构中相变材料都位于加热电极的上方，相变区域为相变材料的下沿，在这些结构中，进一步缩小加热电极的尺寸存在技术瓶颈。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题在于提供。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案一种相变存储器器件单元，包括衬底、位于所述衬底上的第一绝缘层、位于所述第一绝缘层上的下电极层，位于所述下电极层上的第二绝缘层、位于所述第二绝缘层上的相变材料单元；在所述第二绝缘层中设有第一电极材料，分别与其下的下电极层和其上的相变材料单元接触；在所述相变材料单元上设有相变材料保护层将所述相变材料单元包裹；在所述相变材料单元及所述第二绝缘层上设有第三绝缘层，所述第三绝缘层中设有加热电极材料和第二电极材料；所述加热电极材料为倒锥形，其底面面积小于顶面面积，位于所述相变材料单元上方，并向下延伸与所述相变材料单元接触；所述第二电极材料向下延伸至所述下电极层，并与所述下电极层接触，而与所述相变材料单元不接触；在所述加热电极材料和第二电极材料上分别设有上电极；在所述第三绝缘层上和所述上电极周围设有第四绝缘层，仅露出所述上电极的上表面。其中，所述相变材料单元的横截面形状为环形、圆形、矩形、椭圆形和多边形中的任意一种；所述相变材料单元的高度为3-300nm ；所述相变材料单元的横截面周长上任意两点的最大距离为3-500nm。所述第一电极材料、第二电极材料和加热电极材料的横截面形状为环形、圆形、矩形、椭圆形和多边形中的任意一种；所述第一电极材料和第二电极材料的高度为 3-300nm，横截面周长上任意两点的最大距离为3-500nm。所述第一、二、三、四绝缘层的材料为氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中的一种或其中至少两种组成的混合物；所述下电极层、第一电极材料、第二电极材料、加热电极材料和上电极的材料为W、Ti、TiN, Al、AlCu、Cu、Pt、Au、Ni中的任意一种或其中至少两种组合成的合金材料；所述相变材料单元的材料为硫系化合物、GeTi或SiSb中的一种或其中至少两种的组合；所述相变材料保护层的材料为氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中的一种或其中至少两种组成的混合物。作为本专利技术的优选方案之一，所述相变材料单元与所述第一电极材料和加热电极材料之间分别设有隔热层。所述隔热层的材料为GeN、TiO2, Ta2O5中的一种。上述相变存储器器件单元的制备方法，包括如下步骤(1)在衬底上制备第一绝缘层，在所述第一绝缘层上制备下电极层，在所述下电极层上制备第二绝缘层；(2)在所述第二绝缘层上开设通孔，填充第一电极材料，使之与其下的下电极层接触；(3)在所述第二绝缘层上制备相变材料单元，使其与所述第一电极材料接触；(4)在步骤( 所得结构上制备相变材料保护层，将所述相变材料单元包裹；(5)在步骤(4)所得结构上制备第三绝缘层，并将所述第三绝缘层平坦化；(6)在所述第三绝缘层上开设两个通孔，分别填充加热电极材料和第二电极材料， 使填充的加热电极材料为底面面积小于顶面面积的倒锥形，且位于所述相变材料单元上方，并向下延伸与所述相变材料单元接触，所述第二电极材料向下延伸至所述下电极层，与所述下电极层接触，而与所述相变材料单元不接触；(7)在所述第三绝缘层上制备两个上电极，分别与所述加热电极材料和第二电极材料接触；(8)在步骤(7)所得结构上制备第四绝缘层，并使所述上电极的上表面露出。作为本专利技术的优选方案之一，所述相变材料单元与所述第一电极材料和加热电极材料之间分别制备有隔热层。作为本专利技术的优选方案之一，在步骤( 或(6)中开设通孔所采用的方法为光刻技术、聚焦离子束曝光刻蚀技术、电子束光刻技术或纳米压印技术中的任意一种。其中，制备所述第一、二、三、四绝缘层、下电极层、第一电极材料、第二电极材料、 加热电极材料、上电极、相变材料单元和相变材料保护层的方法为物理气相沉积、化学气相沉积法、溅射法、蒸发法、热氧化法、等离子辅助沉积法或原子层沉积法中的任意一种。 本专利技术的有益效果在于可以采用先进的刻蚀技术，将用于填充加热电极材料的倒锥形孔下端尺寸进一步缩小，减小加热电极材料与相变材料接触面积，从而达到降低器件单元操作电流、降低功耗和增加器件可靠性的目的。附图说明图1是本专利技术具体实施方式中步骤1的示意图。图2是本专利技术具体实施方式中步骤2的示意图。图3是本专利技术具体实施方式中步骤3的示意图。图4是本专利技术具体实施方式中步骤4的示意图。图5是本专利技术具体实施方式中步骤5的示意图。图6是本专利技术具体实施方式中步骤6的示意图。图7是本专利技术具体实施方式中步骤的示意图。图8是本专利技术具体实施方式中步骤8的示意图。图9是本专利技术具体实施方式中步骤9的示意图。图10是本专利技术具体实施方式中步骤0)的示意图。图11是本专利技术实施例3中制备出的加热电极材料横截面为环形的相变存储器器件单元的示意图。图12是本专利技术实施例4中制备出的一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种相变存储器器件单元，其特征在于，包括：衬底、位于所述衬底上的第一绝缘层、位于所述第一绝缘层上的下电极层，位于所述下电极层上的第二绝缘层、位于所述第二绝缘层上的相变材料单元；在所述第二绝缘层中设有第一电极材料，分别与其下的下电极层和其上的相变材料单元接触；在所述相变材料单元上设有相变材料保护层将所述相变材料单元包裹；在所述相变材料单元及所述第二绝缘层上设有第三绝缘层，所述第三绝缘层中设有加热电极材料和第二电极材料；所述加热电极材料为倒锥形，其底面面积小于顶面面积，位于所述相变材料单元上方，并向下延伸与所述相变材料单元接触；所述第二电极材料向下延伸至所述下电极层，并与所述下电极层接触，而与所述相变材料单元不接触；在所述加热电极材料和第二电极材料上分别设有上电极；在所述第三绝缘层上和所述上电极周围设有第四绝缘层，仅露出所述上电极的上表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐成，宋志棠，刘波，吴关平，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31