[发明专利]一种相变存储器单元及其制备方法

说明书

本发明公开了一种相变存储器单元，自下而上包括：底电极，加热电极，相变单元和顶电极，相变单元为纵向设置的柱体，其由内而外包括：柱形选择器件层，环形阻挡层和环形相变材料层，底电极为一个，底电极与加热电极和相变材料层依次连接，选择器件层连接顶电极。本发明通过凹槽侧壁沉积或通孔填充方式制备具有环形嵌套结构的柱形相变单元，不会对相变材料的操作关键区域即相变材料与加热电极的接触区域产生损伤，可提高器件的可靠性，并使得相变区域仅为加热电极上方的部分相变材料发生相变，可大幅减小相变操作区域体积和所需热能，形成的加热电极厚度更薄，产生的电流密度更高，使加热效率得到明显提高，从而显著降低了器件功耗。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，特别是涉及一种相变存储器单元结构及其制备方法。

背景技术

随着大数据、物联网、云计算和人工智能等一系列的新型信息技术的出现，对存储器提出了高读写速度、低功耗、高存储密度、长使用寿命和高可靠性等要求。目前，以相变存储器为代表的新型存储技术正在逐渐替代传统的DRAM和Flash，且在人工智能和存算一体芯片领域的应用前景广阔。

现有的相变存储器单元(以英特尔X-point技术为例)，自下而上由底电极01、选择器件层02、阻挡层03、相变材料层04和顶电极05组成，如图1所示。在上述相变存储器单元的实际制备过程中，由于选择器件层02、阻挡层03和相变材料层04这三层是在薄膜沉积后，通过一次光刻、刻蚀，将此三层薄膜刻蚀出图形的。因而，刻蚀工艺会造成以下两个问题：

第一，由于选择器件层02、阻挡层03和相变材料层04三层薄膜之间材料的不同，造成它们的刻蚀速率不同，因此刻蚀后图形的侧壁不是呈理想的直线形态，而是存在曲折，如图2所示。这可能造成器件的可靠性下降。

第二，在刻蚀过程中，等离子体会对刻蚀出的图形侧壁带来损伤，造成选择器件层02、阻挡层03和相变材料层04侧壁薄膜的线边缘粗糙度(LER)增加，如图3所示。这将导致相变器件的性能受到影响。

因此，需要一种新型的相变存储器单元结构，来解决工艺给相变存储器件带来的副作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种相变存储器单元及其制备方法，以有效提高相变存储器单元的器件性能和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种相变存储器单元，自下而上包括：底电极，加热电极，相变单元和顶电极，所述相变单元为纵向设置的柱体，其由内而外包括：柱形选择器件层，环形阻挡层和环形相变材料层；其中，所述底电极为一个，所述底电极与所述加热电极和所述相变材料层依次连接，所述选择器件层连接所述顶电极。

进一步地，所述加热电极为纵向设于所述底电极上的环形或通孔结构，并对应连接在所述相变材料层的环形下端。

进一步地，所述加热电极为设于所述底电极上的L形结构，所述L形结构的水平底边连接在所述底电极的表面上，所述L形结构的竖直侧壁上端对应连接在所述相变材料层的环形下端。

进一步地，所述底电极连接一衬底，所述衬底上设有介质层，所述相变存储器单元嵌设于所述介质层中。

进一步地，所述顶电极包括相连的金属层和接触孔，所述接触孔连接所述选择器件层。

一种相变存储器单元的制备方法，包括以下步骤：

S01：提供一衬底，在所述衬底上沉积第一介质层，在所述衬底和第一介质层中形成底电极；其中，所述底电极为一个；

S02：在所述第一介质层上沉积第二介质层，在对应所述底电极位置的所述第二介质层中形成贯通的第一凹槽或通孔结构；

S03：在所述第一凹槽的内壁表面上或所述通孔中形成加热电极，并使所述加热电极与所述底电极相连；