[发明专利]一种相变存储器元件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别涉及一种相变存储器元件及其制作方法。

背景技术

相变材料(例如Ge-Sb-Te相变材料)通过电脉冲引起的局部发热而将其相态转变为晶态和非晶态，相变存储器元件就是利用这一特性存储二进制信息的半导体器件。相变存储器元件是基于电阻的存储器，通过相变材料在晶态和非晶态间的转换而相应呈现低阻和高阻的电阻特性来达到存储二进制信息的目的。在相变存储器元件中，存储二进制信息的存储器元件包括相变层和电极。

图1是现有技术的相变存储器元件的截面图。如图1所示，相变存储器元件100包括底部电极101、相变层102和顶部电极103。不同强度的电流流经相变层102，通过电流流过相变层102所产生的热效应将相变材料由晶态(SET态)转变为非晶态(RESET态)，即可以对相变材料进行复位(RESET)操作。而将相变材料由非晶态转变为晶态的操作相应称为置位(SET)。当进行SET操作时，需要施加一个长且强度中等的电压或电流脉冲，使相变材料的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下，并保持一定的时间(一般大于50ns)，使相变材料由非晶态转化为晶态，由高阻变为低阻。当进行RESET操作时，需要施加一个短而强的电流脉冲，将电能转变成热能，使相变材料的温度升高到熔化温度以上，经快速冷却就可以实现相变材料的由晶态向非晶态的转化，即由低阻变为高阻，从而实现基于电阻的存储器功能。

在相变存储器元件中，相变层从晶态到非晶态的转变过程需要较高的温度。一般情况下，通过底部电极对相变层进行加热，顶部电极仅仅起到互连的作用，因此，底部电极对相变层的加热效果的好坏直接影响到相变存储器元件的读写速率。为了获得良好的加热效果，相变存储器元件一般采用较大的驱动电流，其写操作电流要达到1mA左右，但是驱动电流不能无限制地上升，大驱动电流会造成外围驱动电路以及逻辑器件的小尺寸化困难。还有一种提高加热效果的方法是，缩小底部电极与相变层的接触面积，提高接触电阻。然而现有工艺中，底部电极的形成过程主要是先在层间介电层中形成孔，然后填充金属。通常刻蚀形成孔的顶部宽度都大于底部宽度，导致所形成的底部电极呈倒喇叭状，因此难以进一步缩小底部电极与相变层之间的接触面积。另外，由于光刻机曝光极限的限制，仅由光刻无法定义出满足工艺要求的底部电极。

因此，需要一种在底部电极与相变层之间具有较小接触面积的相变存储器元件及其制作方法，来提高底部电极对相变层的加热效率，从而提高相变存储器元件的读写速度。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明提供了一种相变存储器元件，包括：底部电极；纳米颗粒，所述纳米颗粒位于所述底部电极的上表面；绝缘层，所述绝缘层形成在所述底部电极的上表面未被所述纳米颗粒覆盖的区域；相变层，所述相变层形成在所述纳米颗粒和所述绝缘层之上，并且位于所述底部电极的正上方；以及顶部电极，所述顶部电极形成在所述相变层上对准所述底部电极的位置，其中，所述纳米颗粒用于电连接所述底部电极和所述相变层。

根据本发明一个方面，所述纳米颗粒的平均直径为1-10nm。

根据本发明一个方面，所述纳米颗粒由金属制成，所述金属包括铂、金、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、锆、铌、钼、银、铟、锡、锑、钽、钨中的一种或多种。

根据本发明一个方面，所述底部电极的材料为Si或掺杂多晶硅。

根据本发明一个方面，所述绝缘层的厚度大于等于1.5nm，并且与所述纳米颗粒的平均直径之间的差异小于等于10nm。

本发明还提供了一种制作相变存储器元件的方法，包括：提供前端器件结构，所述前端器件结构包括第一介电层和露出表面的底部电极，所述第一介电层包围所述底部电极的四周；在所述前端器件结构的上表面形成纳米颗粒；在所述底部电极的上表面未被所述纳米颗粒覆盖的区域形成绝缘层；在所述前端器件结构上形成第二介电层和相变层，其中，所述相变层位于所述底部电极的正上方，所述第二介电层包围所述相变层的四周；在所述第二介电层和相变层上形成第三介电层和顶部电极，其中，所述第三介电层包围所述顶部电极的四周，且所述顶部电极形成在所述相变层上对准所述底部电极的位置。

根据本发明另一个方面，所述纳米颗粒是通过原子层沉积法结合退火工艺形成的。