專利名稱：垂直相變存儲器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存儲器領(lǐng)域，特別涉及一種垂直相變存儲器及制備方法。其是在相變 材料插塞的局部用低熱導(dǎo)率的材料進(jìn)行包裹的垂直相變存儲器。該方法實(shí)現(xiàn)了減小相變材 料層局部的熱擴(kuò)散，提高相變材料插塞局部的加熱效率，進(jìn)而調(diào)制相變材料插塞中發(fā)生相 變的有效區(qū)域的位置，該位置隨著低熱導(dǎo)率材料包裹層的位置的改變而改變。因此，該方法 在相變存儲器的熱調(diào)控方面具有很大的優(yōu)越性。
背景技術(shù)：
相變存儲器(PRAM或者0UM)是由S. R. Ovshinsky在1968年基于硫系化合物薄膜 相變時(shí)具有明顯的電阻差異而具有存儲效應(yīng)提出來的。它具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非 易失性、功耗低、成本低、可多級存儲、抗強(qiáng)震動(dòng)和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，被國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會認(rèn) 為是最有可能取代目前的Flash存儲器，而成為未來存儲器的主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn) 品的器件。相變存儲器自誕生以來已經(jīng)有很多人對它進(jìn)行了研究，例如0vOnyX、Intel、IBM、 Samsung.STMicroelectronics,Hitachi等，通過改變相變材料和器件結(jié)構(gòu)等已經(jīng)使其具備 了良好的性能。相變存儲器從高阻態(tài)到低阻態(tài)(硫系化合物非晶態(tài)一晶態(tài))的過程稱為set過 程，而將相變存儲器從低阻態(tài)到高阻態(tài)(硫系化合物晶態(tài)一非晶態(tài))的過程稱為reset過 程。要實(shí)現(xiàn)set過程，只要在相變存儲器上施加一個(gè)寬而低的電脈沖，電流產(chǎn)生的焦耳熱使 硫系化合物的溫度高于其晶化溫度而低于其熔點(diǎn)，這樣保證硫系化合物在脈沖施加的過程 中能夠形成晶化的導(dǎo)電通道，從而實(shí)現(xiàn)器件由高阻態(tài)向低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。要實(shí)現(xiàn)reset過程， 只要在相變存儲器上施加一個(gè)“瘦高”的電脈沖，電流所產(chǎn)生的焦耳熱使導(dǎo)電通道內(nèi)相變 材料的溫度在短時(shí)間內(nèi)升高到熔點(diǎn)以上，隨后在“瘦高”電脈沖快速撤除的瞬間，已經(jīng)熔化 的相變材料由于急速冷卻而恢復(fù)到非晶態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)低阻態(tài)一高阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。由此可見，焦 耳熱在相變過程中起著重要的作用，有效的減小熱擴(kuò)散提高加熱效率對相變存儲器具有重 要的意義。目前，減小熱擴(kuò)散提高加熱效率方法，主要有在電極和相變材料之間增加熱阻 層，提高相變材料晶態(tài)電阻率等。但是它們的有效相變區(qū)域大多都仍然集中在電極附近。由 于電極的熱導(dǎo)率通常都比較高，經(jīng)過電極擴(kuò)散的熱量占了 60-72%。為了更好的實(shí)現(xiàn)熱擴(kuò)散 更小加熱效率更高的相變存儲器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種垂直相變存儲器及制備方法，具有實(shí)現(xiàn)熱擴(kuò)散更 小加熱效率更高的優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種垂直相變存儲器，包括一襯底；一底部電極，該底部電極制作在襯底上；
一下電熱絕緣材料層，該下電熱絕緣材料層制作在底部電極上；一低熱導(dǎo)率材料包裹層，該低熱導(dǎo)率材料包裹層制作在下電熱絕緣材料層上；一上電熱絕緣材料層，該上電熱絕緣材料層制作在低熱導(dǎo)率材料包裹層上；其中所述的下電熱絕緣材料層、低熱導(dǎo)率材料包裹層和上電熱絕緣材料層的中間 有一小孔；一相變材料插塞柱，該相變材料插塞柱位于下電熱絕緣材料層、低熱導(dǎo)率材料包 裹層和上電熱絕緣材料層中間的小孔內(nèi)；一頂部電極，該頂部電極制作在上電熱絕緣材料層上，并覆蓋相變材料插塞柱。其中所述的下電熱絕緣材料層和上電熱絕緣材料層是同一種材料，該下電熱絕緣 材料層是氮化物，氧化物，硫化物或其中兩種以上材料組成的混合物，該下電熱絕緣材料 層的厚度為0-500nm，該上電熱絕緣材料層的厚度為0-500nm。其中所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層的熱導(dǎo)率值低于下電熱絕緣材料層的熱導(dǎo)率值， 該低熱導(dǎo)率材料包裹層是氧化硅、富勒烯或空氣，所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層的厚度為 0-500nmo其中所述的下電熱絕緣材料層和上電熱絕緣材料層的厚度不能同時(shí)為Onm。其中所述的小孔的孔徑或相變材料插塞柱的直徑為0-500nm。其中所述的上電熱絕緣材料層中間的小孔的深度到底部電極的上表面，露出底部 電極。本發(fā)明還提供一種垂直相變存儲器的制備方法，該方法包括步驟1 在絕緣或者半導(dǎo)體襯底上面制備底部電極；步驟2 再依次生長一層下電熱絕緣材料層、低熱導(dǎo)率材料層和上電熱絕緣材料 層；步驟3 在上電熱絕緣材料層的中間利用微納加工技術(shù)制備小孔；步驟4 在小孔中利用化學(xué)氣相淀積的方法填充相變材料插塞柱，并將小孔填滿；步驟5 用化學(xué)機(jī)械拋光或者反刻蝕的方法，將上電熱絕緣材料層的表面剩余的 相變材料去除；步驟6 在上電熱絕緣材料層的上方制備頂部電極，完成相變存儲器的制備。其中所述的下電熱絕緣材料層和上電熱絕緣材料層是同一種材料，該下電熱絕緣 材料層是氮化物，氧化物，硫化物或其中兩種以上材料組成的混合物，該下電熱絕緣材料層 的厚度為0-500nm，該上電熱絕緣材料層的厚度為0-500nm。其中所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層的熱導(dǎo)率值低于下電熱絕緣材料層的熱導(dǎo)率值， 該低熱導(dǎo)率材料包裹層是氧化硅、富勒烯或空氣，所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層的厚度為 0-500nmo其中所述的下電熱絕緣材料層和上電熱絕緣材料層的厚度不能同時(shí)為Onm。其中所述的小孔的孔徑或相變材料插塞柱的直徑為0-500nm。其中所述的上電熱絕緣材料層中間的小孔的深度到底部電極的上表面，露出底部 電極。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1.低熱導(dǎo)率材料包裹層的作用是減小相變材料插塞局部的熱擴(kuò)散，提高相變材料插塞局部的加熱效率，進(jìn)而調(diào)制相變材料插塞中發(fā)生相變的有效區(qū)域的位置，該位置隨著 低熱導(dǎo)率材料包裹層的位置和厚度的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)了有效相變區(qū)域位置的可調(diào)控 性。2.可以使有效相變區(qū)域遠(yuǎn)離電極，由于相變材料本身熱導(dǎo)率很低(僅約0. 25W/ m · K)，使得有效相變區(qū)域限制在四周均為低熱導(dǎo)率材料的環(huán)境中，從而進(jìn)一步減小了有效 相變區(qū)域的熱擴(kuò)散，提高了加熱效率。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)特征，結(jié)合以下附圖，對本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其 中圖1是本發(fā)明提供的垂直相變存儲器的剖面圖；圖2是本發(fā)明提供的垂直相變存儲器的制備方法的工藝流程圖；
具體實(shí)施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明一種垂直相變存儲器，包括一襯底 100 ；一底部電極101，該底部電極101制作在襯底100上；一下電熱絕緣材料層102，該下電熱絕緣材料層102制作在底部電極101上，所述 的下電熱絕緣材料層102的厚度為0-500nm ；一低熱導(dǎo)率材料包裹層103，該低熱導(dǎo)率材料包裹層103制作在下電熱絕緣材料 層102上，該低熱導(dǎo)率材料包裹層103的熱導(dǎo)率值低于下電熱絕緣材料層102的熱導(dǎo)率 值；該下電熱絕緣材料層102可以是氮化物，氧化物，硫化物或其中兩種以上材料組成的混 合物，低熱導(dǎo)率材料包裹層103可以是氧化硅、富勒烯或空氣，所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層 103的厚度為0-500nm ；一上電熱絕緣材料層102’，該上電熱絕緣材料層102’制作在低熱導(dǎo)率材料包裹 層103上，所述的上電熱絕緣材料層102’的厚度為0-500nm ；其中所述的下電熱絕緣材料層102和上電熱絕緣材料層102’是同一種材料，所述 的下電熱絕緣材料層102和上電熱絕緣材料層102’的厚度不能同時(shí)為Onm ；其中所述的下電熱絕緣材料層102、低熱導(dǎo)率材料包裹層103和上電熱絕緣材料 層102’的中間有一小孔104，所述的小孔104的孔徑為0-500nm，所述的上電熱絕緣材料層 102’中間的小孔104的深度到底部電極101的上表面，露出底部電極101 ；一相變材料插塞柱104’，該相變材料插塞柱104’位于下電熱絕緣材料層102、低 熱導(dǎo)率材料包裹層103和上電熱絕緣材料層102’中間的小孔104內(nèi)，該相變材料插塞柱 104，的直徑為0-500nm ；一頂部電極105，該頂部電極105制作在上電熱絕緣材料層102’上，并覆蓋相變材 料插塞柱104，。請參閱圖2配合參閱圖1所示，本發(fā)明一種垂直相變存儲器的制備方法，該方法包 括步驟1 在絕緣或者半導(dǎo)體襯底100上面制備底部電極101 ；步驟2 再依次生長一層下電熱絕緣材料層102、低熱導(dǎo)率材料層103和上電熱絕緣材料層102’ ；其中所述的下電熱絕緣材料層102和上電熱絕緣材料層102’是同一種材 料；其中所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層103的熱導(dǎo)率值低于下電熱絕緣材料層102的熱導(dǎo)率 值；其中所述的下電熱絕緣材料層102可以是氮化物，氧化物，硫化物或其中兩種以上材料 組成的混合物，低熱導(dǎo)率材料包裹層103可以是氧化硅、富勒烯或空氣；其中所述的下電熱 絕緣材料層102的厚度為0-500nm ；其中所述的上電熱絕緣材料層102’的厚度為0-500nm ； 其中所述的下電熱絕緣材料層102和上電熱絕緣材料層102’的厚度不能同時(shí)為Onm其中 所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層103的厚度為0-500nm ；其中所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層103 的作用是減小相變材料插塞柱104’局部的熱擴(kuò)散，提高相變材料插塞柱104’局部的加熱 效率，進(jìn)而調(diào)制相變材料插塞柱104’中發(fā)生相變的有效區(qū)域的位置，該位置隨著低熱導(dǎo)率 材料包裹層103的位置的改變而改變；步驟3 在上電熱絕緣材料層102’的中間利用微納加工技術(shù)制備小孔104 ；其中所 述的上電熱絕緣材料層102’中間的小孔104的深度到底部電極101的上表面，露出底部電 極101 ；其中所述的小孔104的孔徑為0-500nm ；步驟4 在小孔104中利用化學(xué)氣相淀積的方法填充相變材料插塞柱104’，并將小 孔104填滿；其中所述的相變材料插塞柱104’的直徑為0-500nm ；步驟5 用化學(xué)機(jī)械拋光或者反刻蝕的方法，將上電熱絕緣材料層102’的表面剩 余的相變材料去除；步驟6 在上電熱絕緣材料層102’的上方制備頂部電極105，完成相變存儲器的制備。實(shí)施例步驟1 在絕緣或者半導(dǎo)體襯底上面制備底部電極，；步驟2 再依次生長一層氮化硅、SiO2和氮化硅，其厚度為200nm ；步驟3 在上層氮化硅的中間利用微納加工技術(shù)制備小孔，其孔徑為200nm ；步驟4 在小孔中利用化學(xué)氣相淀積的方法填充相變材料插塞柱，并將小孔填滿；步驟5 用化學(xué)機(jī)械拋光或者反刻蝕的方法，將上層氮化硅表面剩余的相變材料 去除；步驟6 在上層氮化硅的上方制備頂部電極，完成相變存儲器的制備。實(shí)施例2步驟1 在絕緣或者半導(dǎo)體襯底上面制備底部電極；步驟2 再依次生長一層SiO2,富勒烯薄膜和SiO2 ；步驟3 在上層氮化硅的中間利用微納加工技術(shù)制備小孔；步驟4 在小孔中利用化學(xué)氣相淀積的方法填充相變材料插塞柱，并將小孔填滿；步驟5 用化學(xué)機(jī)械拋光或者反刻蝕的方法，將上層SiO2表面剩余的相變材料去 除；步驟6 在上層SiO2的上方制備頂部電極，完成相變存儲器的制備。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種垂直相變存儲器，包括一襯底；一底部電極，該底部電極制作在襯底上；一下電熱絕緣材料層，該下電熱絕緣材料層制作在底部電極上；一低熱導(dǎo)率材料包裹層，該低熱導(dǎo)率材料包裹層制作在下電熱絕緣材料層上；一上電熱絕緣材料層，該上電熱絕緣材料層制作在低熱導(dǎo)率材料包裹層上；其中所述的下電熱絕緣材料層、低熱導(dǎo)率材料包裹層和上電熱絕緣材料層的中間有一小孔；一相變材料插塞柱，該相變材料插塞柱位于下電熱絕緣材料層、低熱導(dǎo)率材料包裹層和上電熱絕緣材料層中間的小孔內(nèi)；一頂部電極，該頂部電極制作在上電熱絕緣材料層上，并覆蓋相變材料插塞柱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直相變存儲器，其中所述的下電熱絕緣材料層和上電熱 絕緣材料層是同一種材料，該下電熱絕緣材料層是氮化物，氧化物，硫化物或其中兩種以上 材料組成的混合物，該下電熱絕緣材料層的厚度為0-500nm，該上電熱絕緣材料層的厚度為 0-500nmo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直相變存儲器，其中所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層的熱導(dǎo)率 值低于下電熱絕緣材料層的熱導(dǎo)率值，該低熱導(dǎo)率材料包裹層是氧化硅、富勒烯或空氣，所 述的低熱導(dǎo)率材料包裹層的厚度為0-500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直相變存儲器，其中所述的下電熱絕緣材料層和上電熱絕 緣材料層的厚度不能同時(shí)為Onm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直相變存儲器，其中所述的小孔的孔徑或相變材料插塞柱 的直徑為0-500nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直相變存儲器，其中所述的上電熱絕緣材料層中間的小孔 的深度到底部電極的上表面，露出底部電極。
7.—種垂直相變存儲器的制備方法，該方法包括 步驟1 在絕緣或者半導(dǎo)體襯底上面制備底部電極；步驟2 再依次生長一層下電熱絕緣材料層、低熱導(dǎo)率材料層和上電熱絕緣材料層； 步驟3 在上電熱絕緣材料層的中間利用微納加工技術(shù)制備小孔； 步驟4 在小孔中利用化學(xué)氣相淀積的方法填充相變材料插塞柱，并將小孔填滿； 步驟5 用化學(xué)機(jī)械拋光或者反刻蝕的方法，將上電熱絕緣材料層的表面剩余的相變 材料去除；步驟6 在上電熱絕緣材料層的上方制備頂部電極，完成相變存儲器的制備。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直相變存儲器的制備方法，其中所述的下電熱絕緣材料層 和上電熱絕緣材料層是同一種材料，該下電熱絕緣材料層是氮化物，氧化物，硫化物或其中 兩種以上材料組成的混合物，該下電熱絕緣材料層的厚度為0-500nm，該上電熱絕緣材料層 的厚度為0-500nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直相變存儲器的制備方法，其中所述的低熱導(dǎo)率材料包裹 層的熱導(dǎo)率值低于下電熱絕緣材料層的熱導(dǎo)率值，該低熱導(dǎo)率材料包裹層是氧化硅、富勒 烯或空氣，所述的低熱導(dǎo)率材料包裹層的厚度為0-500nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的垂直相變存儲器的制備方法，其中所述的下電熱絕緣材料 層和上電熱絕緣材料層的厚度不能同時(shí)為Onm。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直相變存儲器的制備方法，其中所述的小孔的孔徑或相 變材料插塞柱的直徑為0-500nm。 根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直相變存儲器的制備方法，其中所述的上電熱絕緣材料 層中間的小孔的深度到底部電極的上表面，露出底部電極。
全文摘要
一種垂直相變存儲器，包括一襯底；一底部電極，該底部電極制作在襯底上；一下電熱絕緣材料層，該下電熱絕緣材料層制作在底部電極上；一低熱導(dǎo)率材料包裹層，該低熱導(dǎo)率材料包裹層制作在下電熱絕緣材料層上；一上電熱絕緣材料層，該上電熱絕緣材料層制作在低熱導(dǎo)率材料包裹層上；其中所述的下電熱絕緣材料層、低熱導(dǎo)率材料包裹層和上電熱絕緣材料層的中間有一小孔；一相變材料插塞柱，該相變材料插塞柱位于下電熱絕緣材料層、低熱導(dǎo)率材料包裹層和上電熱絕緣材料層中間的小孔內(nèi)；一頂部電極，該頂部電極制作在上電熱絕緣材料層上，并覆蓋相變材料插塞柱。
文檔編號H01L45/00GK101924119SQ20101025681
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者張加勇, 楊富華, 王曉東, 王曉峰, 程凱芳, 馬慧莉 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所