专利名称：一种减小写操作电流的相变存储器单元的制备方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种相变存储器单元的制备方法。
背景技术：
存储器在半导体市场中占有重要地位，仅DRAM(Dynamnic Randam Access Memory)和FLASH两种就占有整个市场的15％，随着便携式电子设备的逐步普及，不挥发存储器的市场也越来越大，目前FLASH占不挥发存储器的主流，约占90％。但随着半导体技术的进步，FLASH遇到了越来越多的技术瓶颈，首先存储电荷的浮栅不能随着集成电路工艺的发展无限制地减薄，此外，FLASH技术的其它一些缺点也限制了它的应用，例如数据写入慢、写数据时需要高电压因而功耗大，需要特殊的电压提升结构增加了电路和设计的复杂度，可擦写次数低，必须对指定的单元块而不能对指定的单元进写操作等。鉴于这种情况，目前世界上几乎所有电子和半导体行业巨头及其它相关研发机构都在竞相研发新一代不挥发存储器技术，以期在未来激烈的半导体产业竞争中保有技术和市场优势.PCM(PhaseChange Memory)--相变存储器作为一种新兴的不挥发存储技术，在读写速度、读写次数、数据保持时间、单元面积、多值实现等诸多方面都具有极大的优越性，成为未来不挥发存储技术市场主流产品最有力的竞争者之一(1)。
相变存储器采用硫系化合物材料，目前应用最广泛的是GeSbTe的合金(以下简称GST)，在电等形式的能量作用下，该材料可在多晶和非晶两相间发生可逆转变，相应地，电阻在低阻和高阻间发生可逆变化，从而用于信息1或0的存储。
在当前的相变存储器研究领域中，写操作电流过大(接近纳米量级)成为了一个关键问题(1)。减小电极面积可以有效的降低写操作电流，图1是用matlab热分析模型计算得出写操作电流随电极面积的减小而减小的关系.对用于使相变材料发生相变的热量和电流进行限制，提高热量的利用率和电流密度，也可以有效的降低写操作电流，图2是写操作电流在经过热限制和未经过热限制大小的比较。目前报道的较高密度的相变存储器测试芯片中，SAMSUNG采用先进的光刻技术和传统的器件结构获得64M相变存储器(2)；STMICROELECTRICS公司利用传统的工艺技术和U形槽结构构建成2D结构(3)。但均未突破完全光刻限制和较好的实现热限制和电限制。本发明提出的方法利用相变材料或包含相变材料的复合层自身的厚度控制电极尺寸，使之不依赖于光刻条件，而且可以较好的实现热限制和电限制，从而可有效的解决写操作电流过大问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可摆脱光刻条件限制的制备相变存储器单元的方法，以使减小器件的写操作电流，并实现器件的热限制和电限制。
本发明中提出的制备相变存储器单元的方法，是通过控制相变材料自身厚度来减小电极面积的方法，其步骤是，在基片衬底上淀积电极材料，然后在电极材料层上形成有孔洞介质层；在介质层的孔洞中淀积相变材料或包含相变材料的复合层；最后淀积电极材料层。
上述方法中，形成有空洞介质层可以采用光刻技术，或者采用FIB技术，或者采用机械压印技术。
本发明中，把相变材料或包含相变材料的复合层淀积于电极材料上方介质层孔洞中，如图2所示，光刻最小尺寸为d，相变材料厚度为t，有效电极尺寸为rr＝d-2×t (1)通过(1)式可以看出在一定的光刻条件下，有效电极尺寸r可以通过相变材料或包含相变材料的复合层厚度t来控制，而不再受光刻条件限制。电极尺寸r可以达到纳米量级。此外，用于使相变材料发生相变的热量通过两边的介质层进行限制，减少热量损耗，使更多的热量用于增大相变材料的温度，提高了热量的利用率；而且这种结构也可以对电流进行限制，如图4所示，提高电流密度，从而增大发热率。
图1为RESET电流和电极面积大小关系。
图2为经过热限制和未经过热限制RESET电流大小比较。
图3为经过电流限制a和未经过电流限制b的单元示意图。
图4为淀积电极材料于衬底之上。
图5为在电极材料上面形成有孔介质。
图6为淀积相变材料或包含相变材料的复合层。
图7为淀积上淀积材料。
图中标号1-基片衬底；2-电极材料；3-有孔介质层；4-相变材料或包含相变材料的复合层；5-电极材料。
具体实施例方式
图4～图7给出了本发明的工艺流程图。下面结合附图，介绍制备相变存储器单元的操作步骤a.清洗基片衬底1；
b.在基片衬底1上淀积电极材料2；(如图4)。
c.在电极材料上形成有孔介质层3；(如图5)。
d.淀积相变材料或包含相变材料的复合层4；(如图6)。
e.淀积上电极材料5；(如图7)。
以上步骤中，也可以在电极材料2和介质层3之间插入高电阻率薄层(比如含炭层或含硅层)，当作发热层；下面通过实施例子给予进一步描述。
实施例1a.选择低阻型的(111)硅片，先用丙酮超声去掉表面有机物，再用浓H2SO4∶H2O21∶1加热至100±10度5分钟左右，之后用去离子水冲干甩干，再将将硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20+2秒，去除表面氧化物，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5体积比的I号液煮沸5分钟，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8体积比的II号液煮沸10分钟，之后用去离子水冲干甩干。
b.在衬底上磁控溅射下电极材料，如TiN，W，Pt等；(如图4)。
c.在电极材料上淀积介质层。
d.光刻孔洞形状。
e.干法刻蚀或湿法腐蚀形成有孔介质；(如图5)。
f.淀积相变材料或包含相变材料的复合层；(如图6)。
g.淀积上电极材料；(如图7)。
实施例2a.选择低阻型的(111)硅片，先用丙酮超声去掉表面有机物，再用浓H2SO4∶H2O21∶1加热至100±10度5分钟左右，之后用去离子水冲干甩干，再将将硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20+2秒，去除表面氧化物，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5体积比的I号液煮沸5分钟，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8体积比的II号液煮沸10分钟，之后用去离子水冲干甩干。
b.在衬底上磁控溅射下电极材料，如TiN，W，Pt等；(如图4)。
c.在电极材料上淀积介质层。
d.用FIB技术在介质层上开孔，形成有孔介质层；(如图5)。
e.淀积相变材料或包含相变材料的复合层；(如图6)。
f.淀积上电极材料；(如图7)。
实施例3a.选择低阻型的(111)硅片，先用丙酮超声去掉表面有机物，再用浓H2SO4∶H2O21∶1加热至100±10度5分钟左右，之后用去离子水冲干甩干，再将将硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20±2秒，去除表面氧化物，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5体积比的I号液煮沸5分钟，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8体积比的II号液煮沸10分钟，之后用去离子水冲干甩干。
b.在衬底上磁控溅射下电极材料，如TiN，W，Pt等；(如图4)。
c.在电极材料上淀积介质层。
d.用机械压印技术在介质层上开孔，形成有孔介质层；(如图5)。
e.淀积相变材料或包含相变材料的复合层；(如图6)。
f.淀积上电极材料；(如图7)。
实施例4在电极材料2和有孔介质3之间插入高电阻率薄层，作为发热层，其余同实施例1，2，3。
参考文献(1)Stefan Lai，Current status of the phase change memory and its future，in IEEE IEDM2003-255(2)S.H.Lee，Y.N.Hwang，et al，Full Integration and Cell Characteristics for 64MbNonvolatile PRAM，in Symposium an VLS1 Technology Digest of Technical Papers，2004，20～21(3)F.Pellzzer etal.Novel μTrench Phase-Change Memory Cell for Embedded andStand-Alone Non-Volatile Memory Applications，Symposium on VLSI TechnologyDigest ofTechnical Papers，2004，18.
权利要求
1.一种用于减小写操作电流的相变存储器单元的制备方法，其特征在于通过控制相变材料自身厚度来减小电极面积，其步骤是在基片衬底上淀积电极材料，然后在电极材料层上形成有孔洞介质层；在介质层的孔洞中淀积相变材料或含相变材料的复合层；最后淀积电极材料层。
2.根据权利要求1所述的相变存储器单元的制备方法，其特征在于在电极材料和有孔洞介质层之间插入高电阻率薄层，当作发热层。
3.根据权利要求2所述的相变存储器单元的制备方法，其特征在于形成有孔洞介质层是采用光刻技术，或者FIB技术，或者机械压印技术。
全文摘要
本发明属于微电子技术领域，具体为一种能够减小写操作电流的相变存储器的制备方法。它通过控制相变材料自身厚度来减小电极面积，同时实现热限制和电限制，提高热量的利用率和增大电流密度。利用本发明制备的器件具有低功耗、高速度、小操作电流等特点，极大的提高了器件性能。
文档编号H01L21/00GK1773743SQ20051002824
公开日2006年5月17日 申请日期2005年7月28日 优先权日2005年7月28日
发明者吕杭炳, 林殷茵, 汤庭鳌, 陈邦明 申请人:复旦大学, 硅存储技术公司