相變存儲器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種相變存儲器及其制備方法，其中，所述相變存儲器至少包括：下電極，所述下電極呈陣列式排布；位于所述下電極上的下加熱電極；位于多個下加熱電極上的相變材料層，所述相變材料層呈條狀等間距排布；位于所述下加熱電極上方位置的相變材料層上的上電極，所述上電極呈條狀等間距排布，且與所述相變材料層相互垂直。本發(fā)明的相變存儲器通過將整條的相變材料覆蓋在多個下加熱電極上，從而將各個分立的相變存儲單元連接在一起，可以通過控制信號輸入完成塊擦除，解決了現有相變存儲器不能完成塊操作的缺陷；同時也可以通過控制信號端和電極進行選擇性單元數據擦除，大大提高了數據擦除效率。
【專利說明】相變存儲器及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件及制備【技術領域】，特別是涉及一種相變存儲器及其制備方法，能夠支持塊擦除操作。

【背景技術】
[0002]存儲器是半導體產業(yè)的重要組成部分，近兩年隨著計算機和移動通訊技術的快速發(fā)展，對于存儲器的要求越來越高，不但要求體積小、功耗低、成本低、讀/寫速度快，而且要求具有不揮發(fā)性，即在掉電的情況下仍能保存數據。目前市場上主流的存儲器包括SRAM、DRAM和FLASH等，這些存儲器在各個方面起著重要作用，但目前還沒有一種理想的存儲器，滿足所有需求的性能。新型非揮發(fā)存儲器主要有鐵電存儲器(FRAM)、磁存儲器(MRAM)和相變存儲器(PCRAM)。相變存儲器是一種新型的固態(tài)半導體存儲器，它是基于Ovshisky在20世紀60年代末提出的奧弗辛斯基電效應的存儲器。相變存儲器可以做在硅晶片襯底上，其關鍵材料是可記錄的相變薄膜、加熱電極材料、絕熱材料和引出電極材料等。相變存儲器的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)時的高阻與多晶態(tài)時的低阻，可以實現信息的寫入、擦除和讀出操作。
[0003]相變存儲器具有存儲單元尺寸小、非揮發(fā)性、循環(huán)壽命長、穩(wěn)定性好、功耗低和可嵌入功能強等優(yōu)點，特別是在器件尺寸的微縮方面優(yōu)勢尤為突出。因此，相變存儲器被認為是下一代非揮發(fā)存儲技術的最佳解決方案之一，在低壓、低功耗、高速、高密度和嵌入式存儲方面有著廣闊的商用前景。
[0004]典型的相變存儲器結構都是在各個下電極或者下加熱電極上淀積相變材料，形成各個分立的相變存儲單元，這種結構不能完成整塊操作，只能執(zhí)行單元操作。這種結構很難滿足快速擦除和寫入的要求。


【發(fā)明內容】

[0005]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種相變存儲器及其制備方法，能夠支持塊擦除操作，用于解決現有技術中現有相變存儲器不能完成塊操作，因而不能滿足快速擦除和寫入要求的問題。
[0006]為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種相變存儲器，其中，所述相變存儲器至少包括:
[0007]下電極，所述下電極呈陣列式排布；
[0008]位于所述下電極上的下加熱電極；
[0009]位于多個下加熱電極上的相變材料層，所述相變材料層呈條狀等間距排布；
[0010]位于所述下加熱電極上方位置的相變材料層上的上電極，所述上電極呈條狀等間距排布，且與所述相變材料層相互垂直。
[0011]優(yōu)選地，所述相變存儲器還包括:位于所述相變材料層下部兩端的大電極，所述上電極還位于所述大電極上方位置的相變材料層上。
[0012]優(yōu)選地，所述相變存儲器還包括:位于所述下電極、所述下加熱電極、所述相變材料層和所述大電極的外側壁與內側壁的絕熱材料層。
[0013]優(yōu)選地，所述上電極與控制信號連接，所述大電極通過所述相變材料層與所述上電極電連接，所述上電極通過所述相變材料層與所述下加熱電極及所述下電極電連接。
[0014]優(yōu)選地，所述相變存儲器還包括:位于所述下電極下部的二極管或晶體管。
[0015]優(yōu)選地，所述下加熱電極為與所述下電極形狀、大小相同的電極或者T型小電極。
[0016]本發(fā)明還提供一種相變存儲器的制備方法，其中，所述相變存儲器的制備方法至少包括如下步驟:
[0017]提供襯底，在所述襯底上形成第一絕熱材料層，圖形化所述第一絕熱材料層，在所述第一絕熱材料層上形成通至所述襯底的呈陣列式排布的第一通孔；在所述第一通孔內淀積電極材料形成下電極，去除多余的電極材料；
[0018]形成第二絕熱材料層，覆蓋所述第一絕熱材料層和所述下電極，圖形化所述第二絕熱材料層，在所述第二絕熱材料層上形成通至各下電極的呈陣列式排布的第二通孔；在所述第二通孔內淀積電極材料形成下加熱電極，去除多余的電極材料；
[0019]繼續(xù)圖形化所述第一絕熱材料層和所述第二絕熱材料層，在所述第一絕熱材料層和所述第二絕熱材料層的兩端形成通至所述襯底的與所述下電極位置相應的第三通孔；在所述第三通孔內淀積電極材料形成大電極，去除多余的電極材料；
[0020]形成第三絕熱材料層，覆蓋所述第二絕熱材料層、所述大電極和所述下加熱電極，圖形化所述第三絕熱材料層，形成通至所述下加熱電極和所述大電極的呈條狀等間距排布的溝道；在所述溝道內淀積電極材料形成相變材料層，去除多余的電極材料；
[0021]形成電極材料層，覆蓋所述第三絕熱材料層和所述相變材料層，圖形化所述電極材料層，在所述下加熱電極和所述大電極上方位置的相變材料層上，形成呈條狀等間距排布、且與所述相變材料層相互垂直的上電極。
[0022]優(yōu)選地，所述第一絕熱材料層、第二絕熱材料層和第三絕熱材料層采用相同的絕熱材料。
[0023]優(yōu)選地，在所述第一通孔、第二通孔和第三通孔內淀積電極材料均采用CVD方法。
[0024]優(yōu)選地，在所述溝道內淀積電極材料采用PVD磁控濺射方法。
[0025]如上所述，本發(fā)明的相變存儲器及其制備方法，具有以下有益效果:將整條的相變材料覆蓋在多個下加熱電極上，并將上電極覆蓋在下電極和下加熱電極上方位置的相變材料層上；這樣形成的結構不再是各個分立的相變存儲單元，因而可以通過控制信號輸入完成塊擦除，解決了現有相變存儲器不能完成塊操作的缺陷；同時也可以通過控制信號端和電極進行選擇性單元數據擦除，大大提高了數據擦除效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1顯示為本發(fā)明第一實施例的相變存儲器的橫向剖面示意圖。
[0027]圖2顯示為本發(fā)明第一實施例的相變存儲器的縱向剖面示意圖。
[0028]圖3顯示為本發(fā)明第一實施例的相變存儲器的優(yōu)選示例性橫向剖面示意圖。
[0029]圖4顯示為本發(fā)明第二實施例的相變存儲器的制備方法的流程示意圖。
[0030]圖5顯示為本發(fā)明第二實施例的相變存儲器的制備方法中形成下電極后的橫向剖面示意圖。
[0031]圖6顯示為本發(fā)明第二實施例的相變存儲器的制備方法中形成第二絕熱材料層后的橫向剖面示意圖。
[0032]圖7顯示為本發(fā)明第二實施例的相變存儲器的制備方法中形成下加熱電極后的橫向剖面示意圖。
[0033]圖8顯示為本發(fā)明第二實施例的相變存儲器的制備方法中形成大電極后的橫向剖面示意圖。
[0034]圖9顯示為本發(fā)明第二實施例的相變存儲器的制備方法中形成第三絕熱材料層后的橫向剖面示意圖。
[0035]圖10顯示為本發(fā)明第二實施例的相變存儲器的制備方法中形成相變材料層后的橫向剖面示意圖。
[0036]圖11顯示為本發(fā)明第二實施例的相變存儲器的制備方法中形成上電極后的橫向剖面示意圖。
[0037]元件標號說明
[0038]I絕熱材料層
[0039]11第一絕熱材料層
[0040]12第二絕熱材料層
[0041]13第三絕熱材料層
[0042]2下電極
[0043]3下加熱電極
[0044]4大電極
[0045]5相變材料層
[0046]6上電極
[0047]SI ?S5 步驟

【具體實施方式】
[0048]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0049]請參閱圖1和圖2，本發(fā)明第一實施例涉及一種相變存儲器。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。
[0050]本實施例的相變存儲器至少包括:下電極2，下加熱電極3，相變材料層5以及上電極6。其中:
[0051]對于下電極2，其呈陣列式排布。通常情況下，所有下電極2可以排布為n*m的矩形陣列，其中，η為橫向排布的下電極2數量，m為縱向排布的下電極2數量，n、m均為大于等于I的自然數。此外，下電極2的材料可以是W、TIN或硅化物，下電極2為栓狀。在本實施例中，下電極2的材料是W。
[0052]對于下加熱電極3，其位于下電極2上。每個下電極2上均設有一個下加熱電極3，由于下電極2是呈陣列式排布的，同樣，下加熱電極3也是呈陣列式排布。下加熱電極3為與下電極2形狀、大小相同的電極或者T型小電極等改進電極。優(yōu)選地，如圖1和圖2所示，在本實施例中，下加熱電極3采用T型小電極，可以減少其與后續(xù)形成的相變材料層5的接觸面積，并提高加熱效率，降低器件功耗。此外，在本實施例中，下加熱電極3材料是TIN。
[0053]對于相變材料層5，其位于多個下加熱電極3上，呈條狀等間距排布。如圖1和圖2所示，相變材料層5為長條形，條形區(qū)域的橫截面寬與高之比為1:1 ;相變材料層5為m條，m條相變材料層5相互平行，且兩兩之間的距離相同；每條相變材料層5覆蓋一排橫向排布的下加熱電極3(即η個下加熱電極3)。此外，相變材料層5的材料可以是GST或SST。在本實施例中，相變材料層5的材料是GST。
[0054]對于上電極6，其位于下加熱電極3上方位置的相變材料層5上，呈條狀等間距排布，且與相變材料層5相互垂直。如圖1和圖2所不,上電極6也為長條形,上電極6為η條，η條上電極6相互平行，且兩兩之間的距離相同；每條上電極6連接在一排縱向排布的下加熱電極3(即m個下加熱電極3)上方位置的相變材料層5上，上電極6與相變材料層55上方正對準連接。此外，上電極6的材料可以是AL或⑶。在本實施例中，上電極6的材料是AL。
[0055]另外，本實施例的相變存儲器還包括:位于相變材料層5下部兩端的大電極4，上電極6還位于大電極4上方位置的相變材料層5上。每條相變材料層5的下部兩端均連接有大電極4，每個大電極4的一端接相變材料層5，另一端接地(即襯底)。此外，大電極4的材料可以是W、TIN或硅化物，大電極4為栓狀。在本實施例中，大電極4的材料是W。
[0056]請參閱圖3，優(yōu)選地，本實施例的相變存儲器還包括:位于下電極2、下加熱電極3、相變材料層5和大電極4的外側壁與內側壁的絕熱材料層I。在本實施例中，絕熱材料層I的材料是Si02。
[0057]在本實施例中，相變材料層5通過上電極6與控制信號連接，大電極4通過相變材料層5與上電極6電連接，上電極6通過相變材料層5與下加熱電極3及下電極2電連接。
[0058]另外，本實施例的相變存儲器還包括:位于下電極2下部的二極管或晶體管，二極管或晶體管能夠為芯片提供驅動電流。
[0059]本實施例的相變存儲器中，相變材料層5呈一整條覆蓋多個下加熱電極3，從而使得多個分立的相變存儲單元通過相變材料層5連接在一起，通過控制位于大電極上4上的上電極6的控制信號，可以一次完成整塊的數據擦除；同時可以通過控制上電極6與下電極2來選擇需要擦除的單元，實現分立的單元數據擦除，這樣大大提高了數據擦除的效率。
[0060]本發(fā)明第二實施例涉及一種相變存儲器的制備方法，用于制備本發(fā)明第一實施例所涉及的相變存儲器。具體流程如圖4所示，本實施例的相變存儲器的制備方法至少包括如下步驟:
[0061]步驟SI，提供襯底，在襯底上形成第一絕熱材料層11，圖形化第一絕熱材料層11，在第一絕熱材料層11上形成通至襯底的呈陣列式排布的第一通孔；在第一通孔內淀積電極材料形成下電極2，去除多余的電極材料。在本實施例中，襯底選用硅襯底，然后在硅襯底上淀積第一絕熱材料層11 ;接著在第一絕熱材料層11上刻蝕至硅襯底形成第一通孔，其中，第一通孔為圓形通孔；最后在第一通孔內米用CVD(Chemical Vapor Deposit1n,化學氣相沉積)方法淀積W形成下電極2，經過化學機械拋光去除除了各個第一通孔內的下電極2以外的多余的W，最終得到如圖5所示的結構。
[0062]步驟S2，形成第二絕熱材料層12，覆蓋第一絕熱材料層11和下電極2，圖形化第二絕熱材料層12，在第二絕熱材料層12上形成通至各下電極2的呈陣列式排布的第二通孔；在第二通孔內淀積電極材料形成下加熱電極3，去除多余的電極材料。在本實施例中，在圖5所示的結構上淀積第二絕熱材料層12，如圖6所示；接著在第二絕熱材料層12上刻蝕至各個下電極2，形成一系列第二通孔，其中，第二通孔為圓形通孔；最后通過CVD方法在第二通孔內淀積TIN材料形成下加熱電極3，經過化學機械拋光去除除了各個第二通孔內的下加熱電極3以外的多余的TIN材料，最終得到如圖7所示的結構。
[0063]步驟S3，繼續(xù)圖形化第一絕熱材料層11和第二絕熱材料層12，在第一絕熱材料層11和第二絕熱材料層12的兩端形成通至襯底的與下電極2位置相應的第三通孔；在第三通孔內淀積電極材料形成大電極4，去除多余的電極材料。在本實施例中，得到圖7所示的結構后，接著在第二絕熱材料層12和第二絕熱材料層12的兩端刻蝕至硅襯底，形成一系列與每排橫向下電極2位置相應的第三通孔，其中，第三通孔為圓形通孔；最后通過CVD方法在第三通孔內淀積W形成大電極4，經過化學機械拋光去除除了各個第三通孔內的大電極4以外的多余的W材料，最終得到如圖8所示的結構。
[0064]步驟S4，形成第三絕熱材料層13，覆蓋第二絕熱材料層12、大電極4和下加熱電極3，圖形化第三絕熱材料層13，形成通至下加熱電極3和大電極4的呈條狀等間距排布的溝道；在溝道內淀積電極材料形成相變材料層5，去除多余的電極材料。在本實施例中，在圖8所示的結構上淀積第三絕熱材料層13，如圖9所示；接著在第三絕熱材料層13上刻蝕形成通至下加熱電極3和大電極4的多條溝道，溝道為長條形，每條溝道暴露出橫向排布的一排下加熱電極3和位于兩端的大電極4 ;最后采用PVD(Physical Vapor Deposit1n,物理氣相沉積)磁控濺射方法在刻出的溝道內淀積GST材料，經過化學機械拋光去除除了各條溝道內的大電極4以外的多余的GST材料，最終得到如圖10所示的結構。
[0065]步驟S5，形成電極材料層，覆蓋第三絕熱材料層13和相變材料層5，圖形化電極材料層，在下加熱電極3和大電極4上方位置的相變材料層5上，形成呈條狀等間距排布、且與相變材料層5相互垂直的上電極6。在本實施例中，在圖10所示的結構上淀積電極材料層Al層；接著沿下加熱電極3方向在Al層上進行刻蝕，形成通至相變材料層5的多條上電極6，上電極6為長條形，各條上電極6與各條相變材料層5相互垂直，最終得到如圖11所示的本發(fā)明第一實施例所涉及的相變存儲器結構。
[0066]其中，第一絕熱材料層11、第二絕熱材料層12和第三絕熱材料層13采用相同的絕熱材料Si02。圖11中的第一絕熱材料層11、第二絕熱材料層12和第三絕熱材料層13最終形成本發(fā)明第一實施例所涉及的相變存儲器結構中的絕熱材料層I。當然，在其他的實施例中，第一絕熱材料層11、第二絕熱材料層12和第三絕熱材料層13也可以采用不同的絕熱材料，只要能夠絕熱，并能夠實現本發(fā)明第一實施例的相變存儲器的功能即可。
[0067]本實施例的相變存儲器的制備方法，通過上述各步驟依次形成各種電極，然后通過形成溝道的方法實現每條長條形的相變材料層5覆蓋多個下加熱電極3，從而使得多個分立的相變存儲單元通過相變材料層5連接在一起,通過控制位于大電極上4上的上電極6的控制信號，可以實現一次完成整塊數據擦除的目的。
[0068]上面各種方法的步驟劃分，只是為了描述清楚，實現時可以合并為一個步驟或者對某些步驟進行拆分，分解為多個步驟，只要包含相同的邏輯關系，都在本專利的保護范圍內；對算法中或者流程中添加無關緊要的修改或者引入無關緊要的設計，但不改變其算法和流程的核心設計都在該專利的保護范圍內。
[0069]不難發(fā)現，本實施例為與第一實施例相對應的制備方法實施例，第一實施例中提到的相關技術細節(jié)在本實施例中依然有效，為了減少重復，這里不再贅述。相應地，本實施例中提到的相關技術細節(jié)也可應用在第一實施例中。
[0070]綜上所述，本發(fā)明的相變存儲器及其制備方法，具有以下有益效果:將整條的相變材料覆蓋在多個下加熱電極上，并將上電極覆蓋在下電極和下加熱電極上方位置的相變材料層上；這樣形成的結構不再是各個分立的相變存儲單元，因而可以通過控制信號輸入完成塊擦除，解決了現有相變存儲器不能完成塊操作的缺陷；同時也可以通過控制信號端和電極進行選擇性單元數據擦除，大大提高了數據擦除效率。所以，本發(fā)明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。
[0071]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種相變存儲器，其特征在于，所述相變存儲器至少包括: 下電極，所述下電極呈陣列式排布； 位于所述下電極上的下加熱電極； 位于多個下加熱電極上的相變材料層，所述相變材料層呈條狀等間距排布； 位于所述下加熱電極上方位置的相變材料層上的上電極，所述上電極呈條狀等間距排布，且與所述相變材料層相互垂直。
2.根據權利要求1所述的相變存儲器，其特征在于，所述相變存儲器還包括:位于所述相變材料層下部兩端的大電極，所述上電極還位于所述大電極上方位置的相變材料層上。
3.根據權利要求2所述的相變存儲器，其特征在于，所述相變存儲器還包括:位于所述下電極、所述下加熱電極、所述相變材料層和所述大電極的外側壁與內側壁的絕熱材料層。
4.根據權利要求2所述的相變存儲器，其特征在于，所述上電極與控制信號連接，所述大電極通過所述相變材料層與所述上電極電連接，所述上電極通過所述相變材料層與所述下加熱電極及所述下電極電連接。
5.根據權利要求1所述的相變存儲器，其特征在于，所述相變存儲器還包括:位于所述下電極下部的二極管或晶體管。
6.根據權利要求1所述的相變存儲器，其特征在于，所述下加熱電極為與所述下電極形狀、大小相同的電極或者T型小電極。
7.—種相變存儲器的制備方法，其特征在于，所述相變存儲器的制備方法至少包括如下步驟: 提供襯底，在所述襯底上形成第一絕熱材料層，圖形化所述第一絕熱材料層，在所述第一絕熱材料層上形成通至所述襯底的呈陣列式排布的第一通孔；在所述第一通孔內淀積電極材料形成下電極，去除多余的電極材料； 形成第二絕熱材料層，覆蓋所述第一絕熱材料層和所述下電極，圖形化所述第二絕熱材料層，在所述第二絕熱材料層上形成通至各下電極的呈陣列式排布的第二通孔；在所述第二通孔內淀積電極材料形成下加熱電極，去除多余的電極材料； 繼續(xù)圖形化所述第一絕熱材料層和所述第二絕熱材料層，在所述第一絕熱材料層和所述第二絕熱材料層的兩端形成通至所述襯底的與所述下電極位置相應的第三通孔；在所述第三通孔內淀積電極材料形成大電極,去除多余的電極材料； 形成第三絕熱材料層，覆蓋所述第二絕熱材料層、所述大電極和所述下加熱電極，圖形化所述第三絕熱材料層，形成通至所述下加熱電極和所述大電極的呈條狀等間距排布的溝道；在所述溝道內淀積電極材料形成相變材料層，去除多余的電極材料； 形成電極材料層，覆蓋所述第三絕熱材料層和所述相變材料層，圖形化所述電極材料層，在所述下加熱電極和所述大電極上方位置的相變材料層上，形成呈條狀等間距排布、且與所述相變材料層相互垂直的上電極。
8.根據權利要求7所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于，所述第一絕熱材料層、第二絕熱材料層和第三絕熱材料層采用相同的絕熱材料。
9.根據權利要求7所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于，在所述第一通孔、第二通孔和第三通孔內淀積電極材料均采用CVD方法。
10.根據權利要求7所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于，在所述溝道內淀積電極材料采用PVD磁控濺射方法。
【文檔編號】H01L45/00GK104201282SQ201410504612
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2014年9月26日
【發(fā)明者】王玉嬋, 陳小剛, 陳一峰, 王月青, 宋志棠, 劉波 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所