[发明专利]一种三维堆叠相变存储器及其制备方法

说明书

本发明属于微电子器件及存储器技术领域，公开了一种三维堆叠相变存储器及其制备方法，其中制备方法具体是：先在衬底上制备水平电极层与绝缘层交叉堆叠设置的多层结构，然后刻蚀形成沟槽以及分立的三维条状电极，接着在沟槽内填充绝缘介质，接着再在三维条状电极与绝缘介质的交界区域形成小孔，依次在小孔壁上沉积相变材料、再在小孔内填充电极材料制备垂直电极，即可得到多层堆叠的三维堆叠相变存储器。本发明通过对制备方法的整体流程工艺进行改进，相应能够实现利用垂直电极结构建立三维相变存储阵列，与现有技术相比能够有效解决现有的三维堆叠相变存储器件在工艺制备中存在的多层堆叠步骤复杂、工艺实现难度大以及单元尺寸微缩等的问题。

技术领域

本发明属于微电子器件及存储器技术领域，更具体地，涉及一种三维堆叠相变存储器及其制备方法。

背景技术

数据总量的不断增长使得计算机对于内存的读写速度、总容量、工作能耗和稳定性都提出更高的要求。现有的DRAM尺寸已达到制造水平的工艺极限，在尺寸减小的过程中各种微观效应的影响会变得越来越明显，因此传统的DRAM技术在很多方面都面临着困境。为了扩展计算机内存，一种新型存储器——非易失存储器为之提供了新的途径。闪寸存储器作为如今市场上主流的非易失存储器，在突然断电情况下也不会丢失其中存储的数据。然而，闪寸的缺点也很明显，包括读写速度缓慢，重复擦写次数较少，制造成本高，此外，受CMOS工艺器物理极限的限制，器件尺寸缩小后，栅极氧化层过薄会产生隧穿漏电流。因为非易失存储器表现出来的优势以及现有Flash Memory表现出来的不足，业界内正致力于研发一种同时具有DRAM和闪存存储器优点的新一代非易失存储器NVM。一些新型的非易失存储器在最近几年逐渐发展，最受关注的下一代非易失存储器NVM技术主要包括：相变存储器PCRAM、磁性随机存储器MRAM、铁电随机存储器FeRAM、阻变随机存储器RRAM等。尤其是相变存储器，作为最重要的新一代存储器技术之一，其产品容量、存储密度、工艺尺寸、稳定性、读写性能、擦写寿命、器件功耗等多个方面展示出了巨大的优势。除了非破坏性读取、寿命、非挥发性、擦写速度之外，PCRAM还有多值存储、与现有工艺兼容、可以随着工艺技术的发展而等比例缩小等竞争优势。

虽然相变存储器和阻变存储器一样利用材料的高低阻态差异来实现数据的存储，但与阻变存储器不同的是，相变存储器利用的是相变材料在晶态(低阻态)和非晶态(高阻态)的阻态差异，而阻变存储器多是依靠导电丝的形成和断裂产生的阻态差异，同时在操作方法上，相变存储器利用操作正向脉冲的幅值和脉宽来进行SET(低而长的脉冲)和RESET(高而短的脉冲)操作，而阻变存储器利用脉冲的正负来进行SET和RESET操作，因此相变存储器与阻变存储器有着本质上的差别，在器件结构的设计上也因此存在不同的标准，对相变存储器而言，为了抑制漏电流的影响，一般需要搭配额外的选通管器件。

作为最可能发展成为未来主流存储器之一的新型存储器，相变存储器为了适应大数据时代对高容量存储的需求，逐渐向三维发展，形成多层堆叠的三维相变存储器。但是PCRAM作为一种新的技术不可避免的存在着许多亟待解决的问题。

不像闪存和阻变存储器，经过多年的研究，在三维堆叠方面工艺结构已经很完善了，目前三维堆叠的相变存储器都是基于水平电极交叉点阵列结构进行简单的垂直向上堆叠，虽然结构简单，但随着堆叠层数的增加，工艺步骤繁琐，工艺成本由于光刻步骤的线性增加而急剧上升，且表面不平坦现象加剧，带来了可靠性问题；另外，存储单元的特征尺寸大小受限于先进的光刻工艺，单元大小受限的同时，将单元尺寸做小非常困难。综合来说，不利于进一步的多层堆叠与高密度集成，在垂直结构中，相变单元与选通管的串联是在水平方向上的，需要额外的多道工艺进行支持，同时相对于不含选通管的结构，在各项参数不变的情况下，存储密度会有一定程度减小。

发明内容