專(zhuān)利名稱：具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相變存儲(chǔ)器器件單元及制備方法，尤其是一種具有納米側(cè)壁加熱電極與納米側(cè)壁相變材料的相變存儲(chǔ)器器件單元及制備方法，屬于微納電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器(Phase Change Random Access Memory, PCRAM)技術(shù)是基于 S. R. Ovshinsky 在 20 世紀(jì) 60 年代末(Phys. Rev. Lett.，21，1450-1453，1968)70 年代初 (App 1. Phys. Lett.，18，254-257，1971)提出相變薄膜可以應(yīng)用于相變存儲(chǔ)介質(zhì)的構(gòu)想建立起來(lái)的。相變存儲(chǔ)器與目前的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)、閃存(FLASH)相比有很明顯的優(yōu)勢(shì)體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、讀寫(xiě)速度快以及非揮發(fā)特性。PCRAM不僅是非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，能抗高低溫沖擊，抗輻照、抗振動(dòng)，因此不僅將被廣泛應(yīng)用到民用的日常便攜電子產(chǎn)品，而且在航空航天等軍事領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用。國(guó)際上已有Ovonyx、Intel, Samsung, Hitachi,STMicroelectronics 和 British Aerpspace 等大公司在開(kāi)展 PCM 存儲(chǔ)器的研究， 正在進(jìn)行技術(shù)的完善與可制造性等方面的研發(fā)工作。目前PCRAM研究的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器操作時(shí)的低操作電流和低功耗。 PCRAM實(shí)現(xiàn)信息的寫(xiě)入和擦除的方式是利用焦耳熱使微小區(qū)域的相變材料發(fā)生相變，相變區(qū)域的尺寸越小，發(fā)生相變所需的功耗就越低。當(dāng)器件單元的尺寸越小甚至達(dá)到三維納米尺度，PCRAM的優(yōu)越性將越充分地體現(xiàn)。因此，對(duì)PCRAM器件結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)成為了研究的熱點(diǎn)。目前已研究的PCRAM器件單元結(jié)構(gòu)有很多種，包括“蘑菇型”器件結(jié)構(gòu)(International Electron Devices Meeting, 2006)、邊緣接角蟲(chóng)(Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers，175，2003)、u 形結(jié)構(gòu)(IEEE Solid-State Circuits，40，1557，2005)、環(huán)形電極結(jié)構(gòu)(Jpn. J. Appl. Phys.，46，2007)、相變材料橋式結(jié)構(gòu)(IEDM，2006)和垂直二極管與自對(duì)準(zhǔn)下電極結(jié)構(gòu)(ISSCC，472，2007)等等。然而，這些結(jié)構(gòu)中，邊緣接觸的結(jié)構(gòu)相變材料與加熱電極接觸在橫向方向，在PCRAM高密度的發(fā)展進(jìn)程中存在缺陷；而其余結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步縮小加熱電極的尺寸存在高成本以及技術(shù)的難點(diǎn)。本發(fā)明考慮到利用側(cè)壁(Spacer)結(jié)構(gòu)，減小相變材料與加熱電極的接觸面，進(jìn)一步縮小相變發(fā)生區(qū)域，從而達(dá)到降低操作電流和功耗的目標(biāo)。側(cè)壁結(jié)構(gòu)無(wú)需使用高端半導(dǎo)體設(shè)備，工藝方法簡(jiǎn)單，成本低，且能夠達(dá)到降低操作電流和功耗的效果，還能夠滿足PCRAM 高密度發(fā)展的趨勢(shì)，這正是本發(fā)明的構(gòu)思出發(fā)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元及制備方法，以達(dá)到降低器件單元操作電流、降低功耗和增加器件可靠性的目的。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元，包括襯底、位于襯底上的第一絕緣層、位于第一絕緣層上的下電極、位于下電極之上的加熱電極、位于加熱電極上的相變材料層、位于相變材料層上的上電極；所述加熱電極為側(cè)壁結(jié)構(gòu)；所述相變材料層也為側(cè)壁結(jié)構(gòu)，并且所述相變材料層與所述加熱電極相交，它們的夾角在30度到150度之間；側(cè)壁結(jié)構(gòu)是指其水平方向的橫截面的寬度遠(yuǎn)小于橫截面的長(zhǎng)度，即其長(zhǎng)度為寬度的3倍以上。其中，所述側(cè)壁結(jié)構(gòu)的相變材料層高度為3-300nm，水平方向的橫截面的寬度為 3-50nm。所述側(cè)壁結(jié)構(gòu)的加熱電極高度為3-300nm，水平方向的橫截面的寬度為3-50nm。所述下電極包括下電極金屬層和位于下電極金屬層之上的下電極材料；所述上電極包括第一上電極金屬層、位于第一上電極金屬層之上的上電極材料和位于上電極材料之上的第二上電極金屬層。所述上電極材料和下電極材料的橫截面形狀為環(huán)形、圓形、矩形、橢圓形和多邊形中的任意一種；所述上電極材料和下電極材料的高度為3-300nm。上述具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元的制備方法，包括如下步驟1)在襯底上制備第一絕緣層；2)在第一絕緣層上制備下電極金屬層；3)在下電極金屬層上制備第二絕緣層；4)在第二絕緣層上開(kāi)孔至下電極金屬層，填充下電極材料，使下電極材料與下電極金屬層接觸；5)在第二絕緣層上依次制備第三和第四絕緣層，將下電極材料的表面覆蓋；6)在第四絕緣層上向下開(kāi)第一溝槽，露出第二絕緣層中的下電極材料的一部分；7)在第一溝槽中制備加熱電極材料，并去除第一溝槽底部第二絕緣層上的加熱電極材料，保留第一溝槽側(cè)壁上的加熱電極材料，從而形成側(cè)壁結(jié)構(gòu)的加熱電極，加熱電極與其下方的下電極材料接觸；8)在第一溝槽中填充第五絕緣層，并對(duì)表面實(shí)現(xiàn)平坦化，使加熱電極的頂面露出；9)在第四絕緣層上依次制備第六和第七絕緣層，將加熱電極和第五絕緣層的表面
覆蓋；10)在第七絕緣層上向下開(kāi)第二溝槽，第二溝槽與第一溝槽所在方向相交，它們的夾角在30-150度之間，使加熱電極的一部分露出；11)在第二溝槽中制備相變材料，并去除第二溝槽底部的部分相變材料，保留第二溝槽側(cè)壁上的相變材料，從而形成側(cè)壁結(jié)構(gòu)的相變材料層，相變材料層與其下方的加熱電極接觸；12)在第二溝槽中填充第八絕緣層，并實(shí)現(xiàn)表面平坦化，使相變材料層的頂面露出；13)在相變材料層上制備第一上電極金屬層和刻蝕停留層，實(shí)現(xiàn)它們的圖形化，并刻蝕掉第二溝槽中的部分第八絕緣層，使第二溝槽底部的部分第四絕緣層露出；14)制備第九絕緣層將步驟1 所得結(jié)構(gòu)的表面覆蓋，然后實(shí)現(xiàn)表面平坦化，露出刻蝕停留層的頂面；15)在第九絕緣層上依次制備第十和第十一絕緣層，將刻蝕停留層的表面覆蓋；16)在第十一絕緣層上向下開(kāi)孔至第一上電極金屬層，填充上電極材料，使上電極材料與第一上電極金屬層接觸；
17)在上電極材料上制備第二上電極金屬層，并實(shí)現(xiàn)圖形，使第二上電極金屬層完全蓋住上電極材料；18)最后在第十一絕緣層上制備第十二絕緣層，將第二上電極金屬層覆蓋，并在第十二絕緣層中開(kāi)孔，露出部分第二上電極金屬層供測(cè)試使用而包裹住其它部分。其中，在步驟4)、16)和18)開(kāi)孔，以及步驟6)和10)中開(kāi)第一、第二溝槽所采用的方法為光刻技術(shù)、聚焦離子束曝光刻蝕技術(shù)、電子束光刻技術(shù)或納米壓印技術(shù)中的任意一種。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的加熱電極和相變材料采用相交的納米側(cè)壁結(jié)構(gòu)，因此它們的接觸面面積非常的小，從而可進(jìn)一步縮小相變發(fā)生的區(qū)域，達(dá)到降低器件單元操作電流、降低功耗和增加器件可靠性的目的。并且該結(jié)構(gòu)的制作方法無(wú)需使用高端半導(dǎo)體設(shè)備，工藝簡(jiǎn)單，成本低，能夠滿足PCRAM高密度發(fā)展的趨勢(shì)。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟1)的示意圖；圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟2)的示意圖；圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟3)的示意圖；圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟4)的示意圖；圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟5)的示意圖；圖6是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟6)的示意圖；圖7是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟7)的示意圖；圖fe-b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟8)的示意圖，其中圖8a是器件結(jié)構(gòu)沿X方向的剖視圖，圖8b為其俯視圖；圖9a_b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟9)的示意圖，其中圖9a是器件結(jié)構(gòu)沿X方向的剖視圖，圖9b是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖lOa-b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟10)的示意圖，其中圖IOa是器件結(jié)構(gòu)沿 X方向的剖視圖，圖IOb是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖lla-b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟11)的示意圖，其中圖Ila是器件結(jié)構(gòu)沿 X方向的剖視圖，圖lib是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖lh-b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟12)的示意圖，其中圖12a是器件結(jié)構(gòu)沿 X方向的剖視圖，圖12b是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖13a_b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟13)的示意圖，其中圖13a是器件結(jié)構(gòu)沿 X方向的剖視圖，圖1 是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖Ha-b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟14)的示意圖，其中圖Ha是器件結(jié)構(gòu)沿 X方向的剖視圖，圖14b是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖lfe-b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟15)的示意圖，其中圖15a是器件結(jié)構(gòu)沿 X方向的剖視圖，圖1 是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖16a_b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟16)的示意圖，其中圖16a是器件結(jié)構(gòu)沿 X方向的剖視圖，圖16b是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖17a_b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟17)的示意圖，其中圖17a是器件結(jié)構(gòu)沿X方向的剖視圖，圖17b是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖18a_b是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中步驟18)的示意圖，其中圖18a是器件結(jié)構(gòu)沿 X方向的剖視圖，圖18b是器件結(jié)構(gòu)沿Y方向的剖視圖；圖19是本發(fā)明具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元的示意圖；圖20a_b是側(cè)壁結(jié)構(gòu)的示意圖，其中圖20b為沿圖20a中AA’方向的剖視圖；圖中1-襯底；2-第一絕緣層；3-下電極金屬層；4-第二絕緣層；5-下電極材料； 6-第三絕緣層；7-第四絕緣層；8-加熱電極；9-第五絕緣層；10-第六絕緣層；11-第七絕緣層；12-相變材料層；13-第八絕緣層；14-第一上電極金屬層；15-刻蝕停留層；16-光阻層；17-第九絕緣層；18-第十絕緣層；19-第十一絕緣層；20-上電極材料；21-第二上電極金屬層；22-第十二絕緣層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明所提供的相變存儲(chǔ)器器件單元的制備過(guò)程，參見(jiàn)圖1-18，具體如下1)在襯底1上制備第一絕緣層2 (如圖1所示)，所采用的方法為物理氣相沉積、 化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種。其中， 制備第一絕緣層2的絕緣材料由氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中一種構(gòu)成或至少兩種形成混合物構(gòu)成。襯底1為硅片、絕緣層上的硅、玻璃、三五族半導(dǎo)體材料(如GaAs)、氧化物、氮化物、塑料或晶體材料中任意一種。2)在第一絕緣層2上制備下電極金屬層3 (如圖2所示)，所采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種；制備下電極金屬層3的材料為W、Ti、TiN、Al、AlCu、Cu、Pt、Au、Ni中的任意一種或其中至少兩種組合成合金材料。3)在下電極金屬層3上制備第二絕緣層4 (如圖3所示)，所采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種。其中，制備第二絕緣層4的絕緣材料由氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中一種構(gòu)成或至少兩種形成混合物構(gòu)成。4)在第二絕緣層4上開(kāi)孔，填充下電極材料5并去除第二絕緣層4之上多余的下電極材料，使下電極材料5與下電極金屬層3保持良好的接觸(如圖4所示)，在第二絕緣層4中開(kāi)孔所采用的方法是光刻技術(shù)、聚焦離子束曝光刻蝕技術(shù)、電子束光刻技術(shù)或納米壓印技術(shù)中的任意一種；在第二絕緣層4的孔內(nèi)填充下電極材料5所采用的方法是物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種；下電極材料5為W、Ti、TiN、Al、AlCu、Cu、Pt、Au、Ni中的任意一種或其中至少兩種組合成的合金材料；下電極材料5的橫截面形狀為環(huán)形、圓形、矩形、橢圓形和多邊形中的任意一種；下電極材料5的高度為3-300nm，下電極材料5的橫截面周長(zhǎng)上任意兩點(diǎn)的最大距離為3-500nm ；所述的去除第二絕緣層4上的多余下電極材料所采用的方法為化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)或者回蝕技術(shù)(etch back)中的任意一種。5)接著在第二絕緣層4上制備第三和第四絕緣層6、7，將下電極材料5的表面覆蓋(如圖5所示)，所采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種。其中，第三和第四絕緣層6、7的材料由氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中一種構(gòu)成或至少兩種形成混合物構(gòu)成，且第三和第四絕緣層 6、7選取的材料具有較高的刻蝕選擇比。第三和第四絕緣層6、7的厚度分別為3-lOOnm和 3_300nmo6)在第四絕緣層7上向下開(kāi)第一溝槽，露出第二絕緣層4中的下電極材料5的一部分(如圖6所示)，開(kāi)設(shè)第一溝槽所采用的方法是光刻技術(shù)、聚焦離子束曝光刻蝕技術(shù)、電子束光刻技術(shù)或納米壓印技術(shù)中的任意一種。7)在第四絕緣層7上開(kāi)設(shè)的第一溝槽中制備加熱電極材料，并去除第四絕緣層7 之上及第一溝槽底部第二絕緣層4上多余的加熱電極材料，保留第一溝槽側(cè)壁上的加熱電極材料，從而形成側(cè)壁加熱電極8 (如圖7所示)，加熱電極8與其下方的下電極材料5保持良好的接觸。制備加熱電極材料的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、 等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種；加熱電極材料為W、Ti、TiN, Al、AlCu, Cu、Pt、Au、Ni中的任意一種或其中至少兩種組合成合金材料。8)在第一溝槽中填充第五絕緣層9，并對(duì)表面實(shí)現(xiàn)平坦化，使加熱電極8的頂面露出(如圖8a、8b所示)。為了便于理解，附圖給出了該步驟的俯視8b，圖8a為沿器件結(jié)構(gòu)X方向剖開(kāi)的剖視圖。制備第五絕緣層9采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種。其中，第五絕緣層9 的絕緣材料由氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中一種構(gòu)成或至少兩種形成混合物構(gòu)成。9)在第四絕緣層7上制備第六和第七絕緣層10、11，將加熱電極8和第五絕緣層9 的表面覆蓋(如圖9a、9b所示)，所采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、 蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種。其中，第六和第七絕緣層10、11 的絕緣材料由氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中一種構(gòu)成或至少兩種形成混合物構(gòu)成，且第六和第七絕緣層10、11材料的選取具有較高的刻蝕選擇比。第六和第七絕緣層10、11的厚度分別為3-100nm和3_300nm。10)在第七絕緣層11上向下開(kāi)第二溝槽，第二溝槽與第一溝槽的方向相交，它們的夾角在30-150度之間，垂直最佳，使加熱電極8的一部分露出(如圖10a、10b所示)，開(kāi)設(shè)第二溝槽所采用的方法是光刻技術(shù)、聚焦離子束曝光刻蝕技術(shù)、電子束光刻技術(shù)或納米壓印技術(shù)中的任意一種。11)在第七絕緣層11上開(kāi)設(shè)的第二溝槽中制備相變材料，并去除第七絕緣層11之上多余的相變材料，以及第二溝槽底部的部分相變材料，保留第二溝槽側(cè)壁上的相變材料， 從而形成側(cè)壁相變材料層12(如圖IlaUlb所示)。制備相變材料方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種；相變材料為硫系化合物、GeTi或SiSb中的一種或其中至少兩種的組合。12)在第二溝槽中填充第八絕緣層13，并實(shí)現(xiàn)表面平坦化，使相變材料層12的頂面露出(如圖12a、12b所示)，制備第八絕緣層13采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種。其中，第八絕緣層 13的絕緣材料由氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中一種構(gòu)成或至少兩種形成混合物構(gòu)成。13)在相變材料層12上制備第一上電極金屬層14和刻蝕停留層15，并實(shí)現(xiàn)它們的圖形化，圖形化時(shí)橫向和縱向刻蝕分別停留在第七絕緣層11和第四絕緣層7上，即刻蝕掉第二溝槽中的部分第八絕緣層13，使第二溝槽底部的部分第四絕緣層7露出(如圖13a、 13b所示)。制備第一上電極金屬層14和刻蝕停留層15所采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種；圖形化所采用的方法是光刻技術(shù)、聚焦離子束曝光刻蝕技術(shù)、電子束光刻技術(shù)或納米壓印技術(shù)中的任意一種，圖中16為光阻層。14)制備第九絕緣層17將步驟1 所得結(jié)構(gòu)的表面覆蓋，然后實(shí)現(xiàn)表面平坦化，露出刻蝕停留層15的頂面(如圖14a、14b所示)。制備第九絕緣層17采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種。其中，制備第九絕緣層17的絕緣材料由氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中一種構(gòu)成或至少兩種形成混合物構(gòu)成。15)在第九絕緣層17上制備第十和第i^一絕緣層18、19 (如圖15a、15b所示)。所采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種。其中，第十和第十一絕緣層18、19的絕緣材料由氧化物、氮化物、 碳化物或硫化物中一種構(gòu)成或至少兩種形成混合物構(gòu)成。第十和第十一絕緣層18、19的厚度分別為3-100nm和3_300nm。16)在第十一絕緣層19上向下開(kāi)孔至第一上電極金屬層14，填充上電極材料20， 并去除第十一絕緣層19上的多余的電極材料，使上電極材料20與第一上電極金屬層14保持良好的電接觸(如圖16a、16b所示)。在第十一絕緣層19上開(kāi)孔采用的方法是光刻技術(shù)、 聚焦離子束曝光刻蝕技術(shù)、電子束光刻技術(shù)或納米壓印技術(shù)中的任意一種；在第十一絕緣層19的孔內(nèi)填充上電極材料20所采用的方法是物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、 蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種；上電極材料20選自W、Ti、TiN, Al、AlCu、Cu、Pt、Au、Ni中的任意一種或其中至少兩種組合成合金材料；所述的第i^一絕緣層19上多余的電極材料所采用的方法為化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)或者回蝕技術(shù)(etch back)中的任意一種。17)接著在第十一絕緣層19中的上電極材料20上制備第二上電極金屬層21，并實(shí)現(xiàn)圖形化，使第二上電極金屬層21完全蓋住上電極材料20(如圖17a、17b所示)。制備第二上電極金屬層21采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種；第二上電極金屬層21的材料為W、Ti、Ti N、 Al、AlCu、Cu、Pt、Au、Ni中的任意一種或其中至少兩種組合成合金材料。18)最后在第十一絕緣層19上制備第十二絕緣層22將第二上電極金屬層21覆蓋，然后實(shí)現(xiàn)表面平坦化，并在第十二絕緣層22中開(kāi)孔，露出部分第二上電極金屬層21供測(cè)試使用而包裹住其它部分(如圖18a、18b所示)。制備第十二絕緣層22所采用的方法為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、蒸發(fā)法、等離子輔助沉積法或原子層沉積法中的任意一種；第十二絕緣層22的厚度為3-300nm ；實(shí)現(xiàn)表面平坦化的方法為化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)或者回蝕技術(shù)(etctiback)中的任意一種；在第十二絕緣層22中開(kāi)孔采用的方法是光刻技術(shù)、聚焦離子束曝光刻蝕技術(shù)、電子束光刻技術(shù)或納米壓印技術(shù)中的任意一種。由此可見(jiàn)，采用上述方法便得到了本發(fā)明的相變存儲(chǔ)器器件單元，如圖18a、18b、 及圖19所示，其包括襯底1、位于襯底1上的第一絕緣層2、位于第一絕緣層2上的下電極 (包括下電極金屬層3和與之相連的下電極材料幻，位于下電極之上的加熱電極8、位于加熱電極8上的相變材料層12、位于相變材料層12上的上電極(包括第一上電極金屬層14、 上電極材料20和第二上電極金屬層21)。其中，加熱電極8為側(cè)壁(spacer)結(jié)構(gòu)，側(cè)壁結(jié)構(gòu)如圖20a、20b所示，其水平方向(圖中AA’方向)的橫截面的寬度w(側(cè)壁厚度)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度1，通常長(zhǎng)度1為寬度w的3倍以上。相變材料層12也為側(cè)壁結(jié)構(gòu)，并且與加熱電極8所在方向相交，它們的夾角在30度到150度之間，垂直最佳。加熱電極8和相變材料層12的高度為3-300nm，側(cè)壁厚度為3-50nm。下電極材料5和上電極材料20的橫截面形狀為環(huán)形、圓形、矩形、橢圓形和多邊形中的任意一種。由于加熱電極8和相變材料層12是相交的納米側(cè)壁結(jié)構(gòu)，因此它們的接觸面面積非常的小，從而可進(jìn)一步縮小相變發(fā)生的區(qū)域，達(dá)到降低操作電流和功耗的目的。以下是本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例實(shí)施例1本發(fā)明的存儲(chǔ)器器件單元的制備方法具體如下步驟1 襯底采用硅片，采用熱氧化法在硅片上制備一層SiO2第一絕緣層，薄膜厚度為500nm。(圖1)步驟2 在S^2第一絕緣層上采用磁控濺射的方法制備下電極金屬層Al薄膜，薄膜厚度300nm。(圖2)步驟3 在Al薄膜上采用化學(xué)氣相沉積的方法制備S^2第二絕緣層，薄膜厚度為 500nm。(圖 3)步驟4 在SW2第二絕緣層上采用光刻技術(shù)進(jìn)行曝光、刻蝕工藝，制備出直徑為 300nm的圓孔，孔內(nèi)露出下電極金屬層Al ；在孔內(nèi)采用MOCVD和物理氣相沉積的方法分別填充下電極材料Ti/TiN和W ；利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除SiO2第二絕緣層上的電極材料Ti/ TiN 禾口 W。(圖 4) 步驟5 在SW2第二絕緣層上采用磁控濺射的方法制備第三絕緣層Si3N4和第四絕緣層SiO2,薄膜厚度分別為20nm和200nm。(圖5)步驟6 在第四絕緣層S^2中采用光刻技術(shù)進(jìn)行曝光、刻蝕工藝制備開(kāi)第一溝槽， 并露出部分下電極材料Ti/TiN和W以及部分SiA第二絕緣層。(圖6)步驟7 在第四絕緣層S^2的孔中采用磁控濺射的方法制備加熱電極材料Ti/ TiN，厚度為50nm ；并采用刻蝕工藝去除第四絕緣層SW2和第二絕緣層SW2上的加熱電極材料，形成側(cè)壁加熱電極。(圖7)步驟8 采用磁控濺射的方法制備第五絕緣層在SiO2,薄膜厚度為300nm，采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝實(shí)現(xiàn)平坦化并露出側(cè)壁加熱電極Ti/TiN。(圖8a-b)步驟9 采用磁控濺射的方法制備第六絕緣層Si3N4和第七絕緣層SiO2,薄膜厚度分別為 20nm 和 200nm。(圖 9a_b)步驟10 在第七絕緣層SW2中采用光刻技術(shù)進(jìn)行曝光、刻蝕工藝制備開(kāi)第二溝槽，并露出部分加熱電極Ti/TiN以及部分SiO2第四絕緣層和SW2第五絕緣層。第二溝槽與第一溝槽垂直。(圖lOa-b)步驟11 在第七絕緣層SW2孔中制備相變材料Ge2Sb2Te5,薄膜厚度50nm，并去除第七絕緣層SiO2、第四絕緣層SiA和第五絕緣層SiA上的部分相變材料Ge2Sb2I^5,形成側(cè)壁相變材料Ge2Sb2Te515 (圖lla_b)
步驟12 采用磁控濺射的方法制備第八絕緣層SiO2，薄膜厚度為300nm，采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝實(shí)現(xiàn)平坦化并露出相變材料Ge2Sb2Tev (圖1 +)步驟13 采用磁控濺射的方法制備第一上電極金屬層TiN和刻蝕停留層Si3N4，薄膜厚度分別為40nm和30nm，并采用光刻技術(shù)進(jìn)行曝光、刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)其圖形化，橫向和縱向刻蝕分別停留在第七絕緣層SiO2和第四絕緣層SW2上。(圖13a-b)步驟14 采用磁控濺射的方法制備第九絕緣層SiO2,薄膜厚度為150nm，并采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝實(shí)現(xiàn)平坦化，露出刻蝕停留層Si3N4。(圖Ha-b)步驟15 采用磁控濺射的方法制備第十絕緣層Si3N4和第十一絕緣層SiO2,薄膜厚度分別為20nm和200nm。(圖15a_b)步驟16 采用光刻技術(shù)進(jìn)行曝光、刻蝕工藝在第i^一絕緣層SW2中開(kāi)孔，露出第一上電極金屬層，采用磁控濺射的方法填充上電極材料Ti/TiN和W，利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除SiO2第十一絕緣層SiA上多余的電極材料Ti/TiN和W，使之與第一上電極金屬層保持良好的電接觸。(圖16a-b)步驟17 在第十一絕緣層SiO2上采用磁控濺射的方法制備第二上電極金屬層Al， 并采用光刻技術(shù)進(jìn)行曝光、刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)圖形化，使第二上電極金屬層Al完全蓋住上電極材料 Ti/TiN 和 W。(圖 17a-b)步驟18 采用磁控濺射的方法制備第十二絕緣層SiO2,并利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝實(shí)現(xiàn)表面的平坦化，并在第十二絕緣層S^2中開(kāi)孔，露出部分第二上電極金屬層Al供測(cè)試使用而包裹住其它部分。(圖18a-b)實(shí)施例2在實(shí)施例1 中的 Ge2Sb2Tii5 相變材料改為 Sb2Tii3、Si2Sb2Ti55、GeTi、SiSb 或 Ge1Sb2I^4 等，其余部分與實(shí)施例1相同。本發(fā)明中涉及的其他技術(shù)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述實(shí)施例僅用以說(shuō)明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術(shù)方案均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專(zhuān)利申請(qǐng)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元，其特征在于，包括襯底、位于襯底上的第一絕緣層、位于第一絕緣層上的下電極、位于下電極之上的加熱電極、位于加熱電極上的相變材料層、位于相變材料層上的上電極；所述加熱電極為側(cè)壁結(jié)構(gòu)；所述相變材料層也為側(cè)壁結(jié)構(gòu)，并且所述相變材料層與所述加熱電極相交，它們的夾角在30度到150 度之間；側(cè)壁結(jié)構(gòu)是指其水平方向的橫截面的寬度遠(yuǎn)小于橫截面的長(zhǎng)度，即其長(zhǎng)度為寬度的3倍以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元，其特征在于所述側(cè)壁結(jié)構(gòu)的相變材料層高度為3-300nm，水平方向的橫截面的寬度為3-50nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元，其特征在于所述側(cè)壁結(jié)構(gòu)的加熱電極高度為3-300nm，水平方向的橫截面的寬度為3-50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元，其特征在于所述下電極包括下電極金屬層和位于下電極金屬層之上的下電極材料；所述上電極包括第一上電極金屬層、位于第一上電極金屬層之上的上電極材料和位于上電極材料之上的第二上電極金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元，其特征在于所述上電極材料和下電極材料的橫截面形狀為環(huán)形、圓形、矩形、橢圓形和多邊形中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元，其特征在于所述上電極材料和下電極材料的高度為3-300nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元，其特征在于所述下電極金屬層、下電極材料、加熱電極、第一上電極金屬層、上電極材料、第二上電極金屬層的材料為W、Ti、TiN, Ta、TaN,Al、AlCu, Cu、Pt、Au、Ni中的任意一種或其中至少兩種組合成的合金材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元，其特征在于所述相變材料層的材料為硫系化合物、GeTi或SiSb中的一種或其中至少兩種的組合。
9.一種具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于，包括如下步驟1)在襯底上制備第一絕緣層；2)在第一絕緣層上制備下電極金屬層；3)在下電極金屬層上制備第二絕緣層；4)在第二絕緣層上開(kāi)孔至下電極金屬層，填充下電極材料，使下電極材料與下電極金屬層接觸；5)在第二絕緣層上依次制備第三和第四絕緣層，將下電極材料的表面覆蓋；6)在第四絕緣層上向下開(kāi)第一溝槽，露出第二絕緣層中的下電極材料的一部分；7)在第一溝槽中制備加熱電極材料，并去除第一溝槽底部第二絕緣層上的加熱電極材料，保留第一溝槽側(cè)壁上的加熱電極材料，從而形成側(cè)壁結(jié)構(gòu)的加熱電極，加熱電極與其下方的下電極材料接觸；8)在第一溝槽中填充第五絕緣層，并對(duì)表面實(shí)現(xiàn)平坦化，使加熱電極的頂面露出；9)在第四絕緣層上依次制備第六和第七絕緣層，將加熱電極和第五絕緣層的表面覆蓋；10)在第七絕緣層上向下開(kāi)第二溝槽，第二溝槽與第一溝槽所在方向相交，它們的夾角在30-150度之間，使加熱電極的一部分露出；11)在第二溝槽中制備相變材料，并去除第二溝槽底部的部分相變材料，保留第二溝槽側(cè)壁上的相變材料，從而形成側(cè)壁結(jié)構(gòu)的相變材料層，相變材料層與其下方的加熱電極接觸；12)在第二溝槽中填充第八絕緣層，并實(shí)現(xiàn)表面平坦化，使相變材料層的頂面露出；13)在相變材料層上制備第一上電極金屬層和刻蝕停留層，實(shí)現(xiàn)它們的圖形化，并刻蝕掉第二溝槽中的部分第八絕緣層，使第二溝槽底部的部分第四絕緣層露出；14)制備第九絕緣層將步驟1 所得結(jié)構(gòu)的表面覆蓋，然后實(shí)現(xiàn)表面平坦化，露出刻蝕停留層的頂面；15)在第九絕緣層上依次制備第十和第十一絕緣層，將刻蝕停留層的表面覆蓋；16)在第十一絕緣層上向下開(kāi)孔至第一上電極金屬層，填充上電極材料，使上電極材料與第一上電極金屬層接觸；17)在上電極材料上制備第二上電極金屬層，并實(shí)現(xiàn)圖形，使第二上電極金屬層完全蓋住上電極材料；18)最后在第十一絕緣層上制備第十二絕緣層，將第二上電極金屬層覆蓋，并在第十二絕緣層中開(kāi)孔，露出部分第二上電極金屬層供測(cè)試使用而包裹住其它部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于在步驟4)、16)和18)開(kāi)孔，以及步驟6)和10)中開(kāi)第一、第二溝槽所采用的方法為光刻技術(shù)、聚焦離子束曝光刻蝕技術(shù)、電子束光刻技術(shù)或納米壓印技術(shù)中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有側(cè)壁加熱電極與相變材料的存儲(chǔ)器單元及制備方法，該存儲(chǔ)器單元包括襯底、位于襯底上的第一絕緣層、位于第一絕緣層上的下電極、位于下電極之上的加熱電極、位于加熱電極上的相變材料層、位于相變材料層上的上電極；其加熱電極為側(cè)壁結(jié)構(gòu)，相變材料層也為側(cè)壁結(jié)構(gòu)，并且所述相變材料層與所述加熱電極相交，它們的夾角在30度到150度之間。制備時(shí)，通過(guò)在絕緣材料中開(kāi)設(shè)溝槽，在溝槽中制備薄膜，然后去除多余材料保留溝槽側(cè)壁上的薄膜從而形成側(cè)壁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的加熱電極和相變材料采用相交的納米側(cè)壁結(jié)構(gòu)，使它們的接觸面非常小，從而達(dá)到降低器件單元操作電流、降低功耗和增加器件可靠性的目的。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102332530SQ20101022561
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者劉波, 吳關(guān)平, 宋志棠, 徐成 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所