一种限制结构相变存储器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种限制结构相变存储器及其制作方法，所述限制结构相变存储器包括相变存储阵列、具有阈值电压开关特性的硫系化合物开关层、以及分别连接于相变存储阵列及硫系化合物开关层的字线及位线。所述硫系化合物开关层在达到阈值电压之前处于高电阻状态，起到关电路的作用，当电压超过阈值电压之后，材料进入低电阻态，起到开启电路的作用。这种硫系化合物做成薄膜之后仍然具有阈值电压开关特性，并且这类薄膜的制备工艺与现有的CMOS工艺兼容。利用硫系化合物材料薄膜作为选通开关的相变存储器的制备具有步骤少，工艺简单的特点。同时，利用硫系化合物薄膜制备的选通开关所占体积小，有利于提高芯片的存储密度，提高信息容量和降低成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体存储设备及其制作方法，特别是涉及。
技术介绍
存储器是目前半导体市场的重要组成部分，是信息技术的基石，无论在生活中还是在国民经济中发挥着重要的作用。信息量伴随着社会发展急剧增加，高数据存储密度的存储器的研发成为存储器研究者的重要任务。其中，相变存储器单元由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业 协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品的器件和最先成为商用产品的器件。相变存储器单元的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号；对于擦操作(RESET)，是施加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“I”态到“O”态的转换；对于写操作(SET)，则是施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“O”态到“I”态的转换；对于读操作，则是施加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。大部分存储器单元都是由两部分组成一部分式存储信息的介质；另一部分是用来决定存储介质是否可操作的选通开关。而选通开关在电路中所占的体积直接影响到存储器的存储密度。相变存储器中的存储介质在尺寸缩小到纳米尺度时仍具有信息存储能力，这意味着相变存储器在高密度信息存储方面的巨大潜力。为了提高存储器的存储密度，需要设计更小的选通开关来替代现在的传统开关，以便于与相变存储器匹配来实现高密度存储。在现有技术中，在以MOS晶体管为选通开关的电路中，配对MOS选择开关的尺寸都大于8F2 (F是某种工艺水平下的特征尺寸)，不利于减小芯片体积；另外一种是利用晶态二极管作为选择开关，开关尺寸也仅仅是将芯片减小到接近5F2。因而，前面提到的两种选择开关都需要占用硅片中的较大体积，减小了芯片体积的利用效率。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，用于解决现有技术中相变存储器的选通开关的体积过大导致器件集成度、存储密度以及存储容量降低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种限制结构相变存储器，至少包括由多个相变存储单元组成的相变存储阵列，用于存储信息；连接所述相变存储阵列中各该相变存储单元的多条字线及位线，用于定位被操作的相变存储单元；连接于所述限制结构相变存储单元中的相变材料与位线之间的选通开关，所述选通开关为具有阈值电压开关特性的硫系化合物开关层；其中，所述相变存储单元中的相变材料和所述硫系化合物开关层均被限制于绝缘凹槽中。在本专利技术的限制结构相变存储器中，所述相变存储单元至少包括基底，具有金属层及覆盖于所述金属层上的绝缘层，所述绝缘层中具有一深度直达所述金属层的绝缘凹槽； 钨电极，填充于所述绝缘凹槽内，并结合于所述金属层表面；相变材料，填充于所述绝缘凹槽内并结合于所述钨电极表面；中间金属层，填充于所述绝缘凹槽内并结合于所述相变材料表面，且所述钨电极、相变材料及中间金属层的厚度之和小于所述绝缘凹槽的深度。在本专利技术的限制结构相变存储器中，所述绝缘凹槽为圆孔状槽，所述绝缘凹槽的直径为40 70nm。进一步地，所述钨电极的形状为与所述绝缘凹槽直径相等的圆柱形，且所述钨电极的厚度为l(T500nm。更进一步地，所述相变材料的形状为与所述钨电极的直径相等的圆柱形，且所述相变材料的厚度为2(T200nm。更进一步地，所述中间金属层的形状为与所述相变材料直径相等的圆柱形，且所述中间金属层的厚度为l(T200nm。更进一步地，所述硫系化合物开关层填充于所述绝缘凹槽内，形状为与所述绝缘凹槽孔径相等的圆柱形，且所述硫系化合物开关层的厚度为l(T200nm。在本专利技术的限制结构相变存储器中，在电场作用下，通过所述相变材料及所述硫系化合物开关层的电流为平行且分布均匀的电流。在本专利技术的限制结构相变存储器中，所述相变材料为利用多晶态和非晶态体现出的低高电阻来存储信息的相变电阻。在本专利技术的限制结构相变存储器中，所述硫系化合物开关层为含Ge、Al、As、Sb、Te、S、Se元素中至少两种元素的硫系化合物薄膜材料。优选地，所述硫系化合物开关层为GeTe4、Al5As2Te3、Al5Sb2Te3、Al5Sb2Se3、Al5Sb2S3、GeAl5As2Te3^ GeAl5Sb2Te3^ GeAl5Sb2Se3、及 GeAl5Sb2S3 中的任意一种。在本专利技术的限制结构相变存储器中，所述选通开关的两端电势差未超过阈值电压时，其处于关闭所述相变材料与位线之间通路的状态；所述选通开关的两端电势差超过阈值电压时，其处于导通所述相变材料与位线之间通路的状态。进一步地，所述选通开关处于关闭所述相变材料与位线之间通路的状态下，其电阻值高于与其相连的相变材料在高阻值状态下的电阻值。在本专利技术的限制结构相变存储器中，所述硫系化合物开关层可在电信号的作用下进行高低阻值之间的挥发性的可逆转变，所述相变材料可在电信号的作用下进行高低阻值之间的非挥发性的可逆转变。本专利技术还提供一种限制结构相变存储器的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤I)提供一具有金属层及覆盖于所述金属层上的绝缘层的基底；2)刻蚀所述绝缘层直至所述金属层，在所述基底上形成直达所述金属层的绝缘凹槽；3)于所述基底上沉积钨电极，并使所述钨电极填满所述绝缘凹槽并覆盖于所述绝缘层的上表面；4)利用抛光工艺将覆盖于所述绝缘层的上表面的钨电极抛除，然后利用光刻刻蚀工艺刻蚀填充于所述绝缘凹槽内的钨电极，使所述钨电极厚度小于所述绝缘凹槽的深度； 5)于所述绝缘凹槽内的钨电极表面沉积相变材料，使所述相变材料填满所述绝缘凹槽并覆盖于所述绝缘层的上表面；6)利用抛光工艺将覆盖于所述绝缘层的上表面的相变材料抛除，然后利用光刻刻蚀工艺刻蚀填充于所述绝缘凹槽内的相变材料，使所述相变材料及所述钨电极的厚度之和小于所述绝缘凹槽的深度；7)于所述绝缘凹槽内的相变材料表面沉积中间金属层，使所述中间金属层填满所述绝缘凹槽并覆盖于所述绝缘层的上表面；8)利用抛光工艺将覆盖于所述绝缘层的上表面的中间金属层抛除，然后利用光刻刻蚀工艺刻蚀填充于所述绝缘凹槽内的中间金属层，使所述相变材料、所述钨电极及所述中间金属层的厚度之和小于所述绝缘凹槽的深度；9)于所述绝缘凹槽内的相变材料表面沉积硫系化合物开关层，使所述硫系化合物开关层填满所述绝缘凹槽并覆盖于所述绝缘层的上表面；10)利用抛光工艺将覆盖于所述绝缘层的上表面的硫系化合物开关层抛除，使沉积于所述绝缘凹槽内的硫系化合物开关层的顶面与所述绝缘层的上表面共平面；11)制作连接于所述金属层的字线及连接于所述硫系化合物开关层位线，以完成所述限制结构相变存储器的制作。在本专利技术的限制结构相变存储器的制作方法中，于所述步骤I)中，所述绝缘层为SiO2，所述绝缘层的厚度为5(Tl000nm。在本专利技术的限制结构相变存储器的制作方法中，于所述步骤2)中，在所述基底上刻蚀形成的绝缘凹槽为圆孔状槽，所述圆孔状槽的孔径为4(T70nm，且所述圆孔状槽的深度等于所述绝缘层的厚度。在本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种限制结构相变存储器，其特征在于，至少包括：由多个相变存储单元组成的相变存储阵列，用于存储信息；连接所述相变存储阵列中各该相变存储单元的多条字线及位线，用于定位被操作的相变存储单元；连接于所述限制结构相变存储单元中的相变材料与位线之间的选通开关，所述选通开关为具有阈值电压开关特性的硫系化合物开关层；其中，所述相变存储单元中的相变材料和所述硫系化合物开关层均被限制于绝缘凹槽中。

【技术特征摘要】
1.一种限制结构相变存储器，其特征在于，至少包括 由多个相变存储单元组成的相变存储阵列，用于存储信息； 连接所述相变存储阵列中各该相变存储单元的多条字线及位线，用于定位被操作的相变存储单元； 连接于所述限制结构相变存储单元中的相变材料与位线之间的选通开关，所述选通开关为具有阈值电压开关特性的硫系化合物开关层； 其中，所述相变存储单元中的相变材料和所述硫系化合物开关层均被限制于绝缘凹槽中。2.根据权利要求I所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述相变存储单元至少包括 基底，具有金属层及覆盖于所述金属层上的绝缘层，所述绝缘层中具有一深度直达所述金属层的绝缘凹槽； 钨电极，填充于所述绝缘凹槽内，并结合于所述金属层表面； 相变材料，填充于所述绝缘凹槽内，并结合于所述钨电极表面； 中间金属层，填充于所述绝缘凹槽内并结合于所述相变材料表面，且所述钨电极、相变材料及中间金属层的厚度之和小于所述绝缘凹槽的深度。3.根据权利要求2所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述绝缘凹槽为圆孔状槽，所述绝缘凹槽的直径为4(T70nm。4.根据权利要求3所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述钨电极的形状为与所述绝缘凹槽孔径相等的圆柱形，且所述钨电极的厚度为l(T500nm。5.根据权利要求4所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述相变材料的形状为与所述钨电极的直径相等的圆柱形，且所述相变材料的厚度为2(T200nm。6.根据权利要求5所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述中间金属层的形状为与所述相变材料直径相等的圆柱形，且所述中间金属层的厚度为l(T200nm。7.根据权利要求3所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述硫系化合物开关层填充于所述绝缘凹槽内，形状为与所述绝缘凹槽孔径相等的圆柱形，且所述硫系化合物开关层的厚度为l(T200nm。8.根据权利要求Γ7任意一项所述的限制结构相变存储器，其特征在于在电场作用下，通过所述相变材料及所述硫系化合物开关层的电流为平行且分布均匀的电流。9.根据权利要求Γ7任意一项所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述相变材料为利用多晶态和非晶态体现出的低高电阻来存储信息的相变电阻。10.根据权利要求Γ7任意一项所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述硫系化合物开关层为含Ge、Al、As、Sb、Te、S、Se元素中至少两种元素的硫系化合物薄膜材料。11.根据权利要求10所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述硫系化合物开关层为 GeTe4、Al5As2Te3、Al5Sb2Te3、Al5Sb2Se3、Al5Sb2S3、GeAl5As2Te3^ GeAl5Sb2Te3^ GeAl5Sb2Se3^及GeAl5Sb2S3中的任意一种。12.根据权利要求Γ7任意一项所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述选通开关的两端电势差未超过阈值电压时，其处于关闭所述相变材料与位线之间通路的状态；所述选通开关的两端电势差超过阈值电压时，其处于导通所述相变材料与位线之间通路的状态。13.根据权利要求12所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述选通开关处于关闭所述相变材料与位线之间通路的状态下，其电阻值高于与其相连的相变材料在高阻值状态下的电阻值。14.根据权利要求Γ7任意一项所述的限制结构相变存储器，其特征在于所述硫系化合物开关层可在电信号的作用下进行高低阻值之间的挥发性的可逆转变，所述相变材料可在电信号的作用下进行高低阻值之间的非挥发性的可逆转变。15.一种限制结构相变存储器的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步骤 1)提供一具有金属层及覆盖于所述金属层上的绝缘层的基底； 2)刻蚀所述绝缘层直至所述金属层，在所述基底上形成直达所述金属层的绝缘凹槽； 3)于所述基底上沉积钨电极，并使所述钨电极填满所述绝缘凹槽并覆盖于所述绝缘层的上表面； 4)利用抛光工艺将覆盖于所述绝缘层的上表面的钨电极抛除，然后利用光刻刻蚀工艺刻蚀填充于所述绝缘凹槽内的钨电极，使所述钨电极厚度小于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：任堃，饶峰，宋志棠，
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
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