專(zhuān)利名稱(chēng)：能夠減小寫(xiě)操作電流的納米相變存儲(chǔ)器單元的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于減小寫(xiě)操作電流的相變存儲(chǔ)器單元制作方法。
背景技術(shù)：
存儲(chǔ)器在半導(dǎo)體市場(chǎng)中占有重要地位，僅DRAM(Dynamnic Randam Access Memory)和FLASH兩種就占有整個(gè)市場(chǎng)的15％，隨著便攜式電子設(shè)備的逐步普及，不揮發(fā)存儲(chǔ)器的市場(chǎng)也越來(lái)越大，目前FLASHh占不揮發(fā)存儲(chǔ)器的主流，約占90％。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)LASH遇到了越來(lái)越多的技術(shù)瓶頸，首先存儲(chǔ)電荷的浮柵不能隨著集成電路工藝的發(fā)展無(wú)限制地減薄，此外，F(xiàn)LASH技術(shù)的其它一些缺點(diǎn)也限制了它的應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)寫(xiě)入慢、寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)需要高電壓因而功耗大，需要特殊的電壓提升結(jié)構(gòu)增加了電路和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，可擦寫(xiě)次數(shù)低，必須對(duì)指定的單元塊而不能對(duì)指定的單元進(jìn)寫(xiě)操作等。鑒于這種情況，目前世界上幾乎所有電子和半導(dǎo)體行業(yè)巨頭及其它相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)都在競(jìng)相研發(fā)新一代不揮發(fā)存儲(chǔ)器技術(shù)，以期在未來(lái)激烈的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中保有技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì).PCM(PhaseChange Memory)--相變存儲(chǔ)器作為一種新興的不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)，在讀寫(xiě)速度、讀寫(xiě)次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時(shí)間、單元面積、多值實(shí)現(xiàn)等諸多方面都具有極大的優(yōu)越性，成為未來(lái)不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)市場(chǎng)主流產(chǎn)品最有力的競(jìng)爭(zhēng)者之一(1)。
相變存儲(chǔ)器采用硫族化合物材料，在電等能量的作用下可以實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)和多晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換。晶態(tài)和非晶態(tài)有著不同的電學(xué)特性。晶態(tài)的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非晶態(tài)電阻率，對(duì)應(yīng)0和1的存儲(chǔ)。
用于制作相變存儲(chǔ)器件的典型材料為硫族化合物系列，如Ge-Se-Te(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GST)。
圖1所示的是一種傳統(tǒng)的相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。通過(guò)簡(jiǎn)單的熱模擬可以看出如圖2，發(fā)生相轉(zhuǎn)變的有效區(qū)域?yàn)橄码姌O與相變材料接觸的部分?？梢?jiàn)，使這部材料發(fā)生相變的編程電流與接觸面積的大小密切相關(guān)。接觸面積越大，發(fā)生相變的區(qū)域越大，需要的電流也就越大，反之亦然如圖3。采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器寫(xiě)入電流，特別是Reset過(guò)程的電流過(guò)大，造成外圍電路規(guī)模過(guò)大，使得存儲(chǔ)芯片面積據(jù)高不下。另一方面，相轉(zhuǎn)換的速度也與接觸區(qū)域相關(guān)，接觸面積越小，轉(zhuǎn)換的速度越快，存儲(chǔ)器寫(xiě)入的速度也就越快。因此，在相變存儲(chǔ)器的制造中，如何減小電極接觸面積成了一個(gè)主要問(wèn)題。但是，在傳統(tǒng)的相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中，電極與相變材料的接觸面積受限于光刻的尺寸，無(wú)法進(jìn)一步減小。
當(dāng)前，國(guó)際上報(bào)道的較高密度的相變存儲(chǔ)器測(cè)試芯片中，SAMSUNG采用先進(jìn)的光刻技術(shù)獲得64M相變存儲(chǔ)器(2)；STMICROELECTRICS公司利用傳統(tǒng)的工藝技術(shù)構(gòu)建2D結(jié)構(gòu)(3)，使有一圍電極尺度不受光刻限制。但均未完全擺脫光刻限制。本發(fā)明利用自組織或通過(guò)控制具體工藝流程形成多孔介質(zhì)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建納米量級(jí)的相變存儲(chǔ)器單元，可有效解決存儲(chǔ)單元大的問(wèn)題且成本低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可以擺脫光刻條件限制的制備納米相變存儲(chǔ)器單元的方法，以使減小器件的寫(xiě)操作電流，降低功耗。
本發(fā)明提出的制備納米相變存儲(chǔ)器單元的方法，是利用自組織或者控制工藝流程得到多孔介質(zhì)材料，形成納米電極，具體步驟為通過(guò)陽(yáng)極氧化，自組織形成多孔氧化鋁；以介孔模板為掩模，通過(guò)刻蝕把多孔圖形轉(zhuǎn)移到下層介質(zhì)材料形成多孔介質(zhì)；或填充電極材料于多孔介質(zhì)孔中，去掉表層電極材料，形成柱狀電極，電極大小就是多孔介質(zhì)孔的大小。淀積相變材料或者包含相變材料的復(fù)合層于多孔氧化鋁層上，或多孔介質(zhì)材料上，或柱裝電極上，形成納米存儲(chǔ)器單元。所以本發(fā)明提供的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法可有效的解決器件功耗大、寫(xiě)操作電流大等若干目前存在的主要問(wèn)題。


圖1為傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)；圖2為傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)器件的熱模擬溫度分布圖；圖3為RESET電流和電極面積之間的關(guān)系；圖4a為在下電極材料上淀積介質(zhì)層；圖4b為在襯底上淀積電極材料；圖5a為淀積鋁；圖5b為在下電極材料上淀積鋁；圖6a，6b為陽(yáng)極氧化多孔氧化鋁；圖7a為刻蝕形成圖形轉(zhuǎn)移；圖7b為填充電極材料于孔中；圖8a為去除氧化鋁；圖8b為去掉電極材料表層，形成柱狀電極；圖9a，9b，9c淀積相變材料和上電極材料；
圖中標(biāo)號(hào)1.襯底 2.下電極材料 3.介質(zhì)材料 4.鋁層 5.多孔氧化鋁介質(zhì) 6.多孔介質(zhì) 7.相變材料或包含相變材料的復(fù)合層 8.上電極材料 9.填充的電極材料 10.柱狀電極.
具體實(shí)施例方式
圖4～圖9給出了本發(fā)明方法的操作流程圖示。下面結(jié)合圖示進(jìn)一步介紹制備相變存儲(chǔ)器單元的操作步驟a.清洗襯底1。
b.在襯底1上淀積電極材料2，如TiN、W等；(如圖4)。
c.在電極材料上淀積介質(zhì)層3，如SiO2、Si3N4等；(如圖4)。
d.在介質(zhì)層上淀積鋁層4；(如圖5a)。
e.陽(yáng)極氧化，形成多孔氧化鋁介質(zhì)5；(如圖6a)。
f.以多孔氧化鋁為掩模，通過(guò)干法或濕法腐蝕，把圖形轉(zhuǎn)移到下層介質(zhì)；(如圖7a)。
g.去掉氧化鋁；(如圖8a)。
h.淀積相變材料，如Ge2Sb2Te5等或包含相變材料的復(fù)合層7于介質(zhì)層上；(如圖9a)。
i.淀積上電極材料8，如TiN、W等，形成器件；(如圖9a)。
以上步驟中，可去掉步驟c，f，g，把相變材料或包含相變材料的復(fù)合層淀積于多孔氧化鋁當(dāng)中。
以上步驟中，在形成多孔介質(zhì)之后，也可以填充電極材料于孔中，去掉水平部分，留下孔中部分，形成柱狀電極。
下面通過(guò)實(shí)施例予以進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施例1本發(fā)明提出的存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)制備方法，結(jié)合

具體如下a.選擇低阻型的(111)硅片，先用丙酮超聲去掉表面有機(jī)物，再用濃H2SO4∶H2O2∶1∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之后用去離子水沖干甩干，再將將硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20±2秒，去除表面氧化物，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號(hào)液煮沸5分鐘，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號(hào)液煮沸10分鐘，之后用去離子水沖干甩干。
b.在清洗好的硅片上淀積下電極材料2，如TiN，W等。
c.在下電極材料上淀積介質(zhì)層3，如SiO2，Si3N4等；(圖4a)。
d.在下電極材料上淀積Al層4；(圖5a)。
e.陽(yáng)極氧化多孔氧化鋁5；(圖6a)。
f.RIE刻蝕，實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，形成多孔介質(zhì)6；(7a)。
g.清除氧化鋁薄膜；(圖8a)。
h.濺射淀積相變材料7，如Ge2Sb2Te5等；i.淀積上電極材料8，如TiN，W等；(圖9a)。
實(shí)施例2a.選擇低阻型的(111)硅片，先用丙酮超聲去掉表面有機(jī)物，再用濃H2SO4∶H2O2∶1∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之后用去離子水沖干甩干，再將將硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20±2秒，去除表面氧化物，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號(hào)液煮沸5分鐘，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號(hào)液煮沸10分鐘，之后用去離子水沖干甩干。
b.在清洗好的硅片上淀積下電極材料2，如TiN，W等；(圖4b)。
c.在下電極材料上淀積Al層4；(圖5b)。
d.陽(yáng)極氧化多孔氧化鋁5；(圖6b)。
e.二次氧化，實(shí)現(xiàn)金屬9填充，如Cu，Co等；(圖7b)。
f.碾磨填充金屬，得到柱狀電極10；(圖8b)。
g.淀積相變材料7，如Ge2Sb2Te5.
h.淀積上電極材料8，如TiN，W等；(圖9c)。
實(shí)施例3a.選擇低阻型的(111)硅片，先用丙酮超聲去掉表面有機(jī)物，再用濃H2SO4∶H2O2∶1∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之后用去離子水沖干甩干，再將將硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20±2秒，去除表面氧化物，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號(hào)液煮沸5分鐘，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號(hào)液煮沸10分鐘，之后用去離子水沖干甩干。
b.在清洗好的硅片上淀積下電極材料2，如TiN，W等；(圖4b)。
c.在下電極材料上淀積Al層4；(圖5b)。
d.陽(yáng)極氧化多孔氧化鋁5；(圖6b)。
e.濺射淀積相變材料7，如Ge2Sb2Te5；f.淀積上電極材料8，如TiN，W等；(圖9b)。
實(shí)施例4a.選擇低阻型的(111)硅片，先用丙酮超聲去掉表面有機(jī)物，再用濃H2SO4∶H2O2∶1∶1加熱至100±10度5分鐘左右，之后用去離子水沖干甩干，再將將硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20±2秒，去除表面氧化物，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5體積比的I號(hào)液煮沸5分鐘，之后用去離子水沖干甩干，再將硅片放入HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶8體積比的II號(hào)液煮沸10分鐘，之后用去離子水沖干甩干。
b.在清洗好的硅片上淀積下電極材料2，如TiN，W等；(圖4a)。
c.在下電極材料上淀積介質(zhì)層3；(圖5a)。
d.以介孔模板為掩模，刻蝕得到多孔介質(zhì)6；(圖8a)。
e.濺射淀積相變材料7，如Ge2Sb2Te5；h.淀積上電極材料8，如TiN，W等；(圖9a)。
參考文獻(xiàn)(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，F(xiàn)ull Integration and Cell Characteristics for 64MbNonvolatile PRAM，in Symposium an VLSI 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 Technology Digestof Technical Papers，2004，18
權(quán)利要求
1.一種納米相變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于利用自組織或控制工藝流程得到多孔介質(zhì)，形成納米電極，其步驟為通過(guò)陽(yáng)極氧化，自組織形成多孔氧化鋁；以介孔模板為掩模，通過(guò)刻蝕把多孔圖形轉(zhuǎn)移到下層介質(zhì)材料形成多孔介質(zhì)；或填充電極材料于多孔介質(zhì)中，去掉表層電極材料，形成柱狀電極，電極大小就是多孔介質(zhì)孔的大小；淀積相變材料或者包含相變材料的復(fù)合層于多孔氧化鋁層上，或多孔介質(zhì)材料上，或柱狀電極上，形成納米存儲(chǔ)器單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米相變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于利用陽(yáng)極氧化技術(shù)，自組織形成多孔氧化鋁介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種能夠減小寫(xiě)操作電流的納米相變存儲(chǔ)器單元的制備方法。它以自組織或控制工藝流程形成多孔介質(zhì)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建納米相變存儲(chǔ)器單元，達(dá)到熱限制、電限制，同時(shí)減小電極接觸面積的目的。利用本發(fā)明制備的相變存儲(chǔ)器，寫(xiě)操作電流小，熱量利用率高，功耗小，響應(yīng)速度快，可提高器件性能。
文檔編號(hào)G11C11/56GK1744295SQ20051002824
公開(kāi)日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者呂杭炳, 林殷茵, 湯庭鰲, 陳邦明 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué), 硅存儲(chǔ)技術(shù)公司