[发明专利]一种相变存储器器件单元结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种相变存储器器件单元结构及其制作方法，具体地说是一种同时实现小加热电极和小相变材料区域的存储单元结构及其制作方法。属于微电子学中纳米器件与制备工艺领域。

背景技术

动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)和闪速存储器(FLASH)等在各个方面起着重要作用，但目前还没有一种兼具DRAM的高容量低成本、SRAM的高速度、FLASH的数据非挥发性，同时又具有可靠性高、操作电压低、功耗又小的存储器，而这些特性恰恰是新一代消费类电子工业、计算机工业等领域所需要的存储技术。相变存储器(PCRAM)具有存储单元尺寸小、非挥发性、循环寿命长、稳定性好、功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸的微缩方面的优势尤为突出，业界认为在不久的将来FLASH将遭遇尺寸缩小限制，而PCRAM在65nm节点后会有越来越大的技术优势。因此，PCRAM被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商用前景。

国际知名半导体公司如英特尔、三星、意法半导体、飞利浦、国际商业机器公司和艾必达等均在花大量人力和物力对此技术进行开发，目前已研制出最大容量为512Mb的PCRAM试验芯片。我国从2003年开始进行PCRAM的研究，国家对该技术非常重视。目前PCRAM在国际上正处于产业化的前期，我国在新材料的研究和纳米加工方面与国际处于同步发展的水平，现在面临着大力发展和推广PCRAM技术的绝好机会。

目前相变存储器器件单元结构基本上都是蘑菇状结构，即利用小的加热电极操纵可逆相变材料(见图1a)；或者将相变材料填充在介质孔洞里，孔洞底部连接底电极(见图1b)。

发明内容

本发明提出一种相变存储器器件单元结构及其制作方法，提供的相变存储器器件单元中的可逆相变材料和加热电极的横向尺度控制在同一纳米区域范围，构成纳米尺度的小加热电极操作纳米尺度的小相变材料的结构。首先在衬底上制备介质材料层，然后通过标准的深亚微米工艺(比如90nm工艺)或聚焦离子束(FIB)技术在介质材料层中制作出相变存储单元的加热电极，接着进行化学机械抛光，形成镶嵌在介质材料中的纳米加热电极，最后将加热电极顶部刻蚀掉一定厚度的加热电极，从而在加热电极的上端形成介质孔洞，在所形成的介质孔洞中填充相变材料。最终形成同时具有小电极和小相变材料的存储单元结构，相变材料限制在加热电极上端的介质孔洞里，阻止了相变材料在反复擦写过程中的扩散，同时小加热电极操作小可逆相变区域的结构引出上电极，更加有利于降低存储单元的功耗，同时可靠性也大大提高。

本发明的具体工艺步骤如下：

(a)在Si衬底或其它衬底上淀积一层底电极，在底电极上生长100nm-900nn厚的SiO₂或SiN_x介质层；

(b)在上述介质层上利用电子束刻蚀技术或其它刻蚀技术制备纳米孔洞阵列，孔洞的直径在50nm-150nm，孔洞的底部与底电极相连；

(c)在孔洞内淀积加热电极材料，填满整个孔洞；

(d)采用化学机械抛光(CMP)将小孔外的介质材料(SiO₂或SiN_x等)和加热电极材料去除；

(e)刻蚀掉孔洞内一定厚度(几十纳米以上)的加热电极，从而在电极上端形成柱状加热电极顶端介质孔；

(f)在电极上端的柱状加热电极顶端介质孔中填充相变材料；

(g)通过刻蚀的方法形成T型相变材料的图形；

(h)制备上电极，形成可测试的相变存储单元。

所述的衬底材料无限制，可以是常用的Si片，GaAs等半导体材料，也可以是石英玻璃，陶瓷基片等介质材料或金属材料。金属材料作衬底时，直接作底电极(实施例2)。

所述的底电极不受限制，可以是铝、铜等常用的导体材料，其厚度为200-900nm。

所述的介质材料为常用的SiO₂、SiN_x等材料，厚度100nm-900nm。

所述的介质层上的孔洞可以用电子束光刻法、聚焦离子束刻蚀法、电子束曝光和反应离子刻蚀法等方法获得。

所述的加热电极的材料为W、Pt等具有一定电阻率的材料，甚至可以再在W、Pt等上沉积一层几个纳米厚的高电阻率的加热材料如TiW、TiN、Ge-Si-N、TiAlN等，具有一定电阻率的材料，从而提高加热效果，降低操作电流。