一種三維相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及存儲(chǔ)器領(lǐng)域，尤其涉及一種三維相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體存儲(chǔ)器主要以速度，功耗，價(jià)格，循環(huán)壽命和非揮發(fā)性等指標(biāo)衡量其水平。目前已有的諸多半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)，包括易失性存儲(chǔ)技術(shù)如SRAM和DRAM，和非易失性存儲(chǔ)技術(shù)(如EEPR0M，F(xiàn)lash，鐵電存儲(chǔ)器和相變存儲(chǔ)器等)。這些技術(shù)已經(jīng)滿足一系列的應(yīng)用，目前業(yè)界還是在不斷探索新的存儲(chǔ)技術(shù)，尋找一種理想的，基于硅材料的半導(dǎo)體工藝，可用于大批量生產(chǎn)，使其存儲(chǔ)性能具有高容量低成本，高速度并且數(shù)據(jù)保持力良好，同時(shí)又可靠性高，操作電壓低，功耗小的存儲(chǔ)器。
[0003]相變存儲(chǔ)器是一種新型的非易失性存儲(chǔ)器，被認(rèn)為最有可能在將來替代閃存成為主流非易失性存儲(chǔ)器，其具有操作電壓低，讀取速度快，可以位操作，擦寫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于閃存，制造工藝簡(jiǎn)單且與現(xiàn)在成熟的CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，從而能夠很容易將其存儲(chǔ)單元縮小至較小的尺寸，滿足高集成密度的需求。
[0004]目前存儲(chǔ)器往高速度，高集成密度，存儲(chǔ)容量大的方向發(fā)展，3DNAND技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生。3D NAND是一種新興的閃存類型，通過把存儲(chǔ)單元堆疊在一起來解決平面NAND帶來的限制。平面結(jié)構(gòu)的NAND已接近其實(shí)際擴(kuò)展極限，給半導(dǎo)體存儲(chǔ)器行業(yè)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。新的3D NAND技術(shù)，垂直堆疊了多層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，具備卓越的精度?；谠摷夹g(shù)，可打造出存儲(chǔ)容量比同類NAND技術(shù)高達(dá)數(shù)倍的存儲(chǔ)設(shè)備。該技術(shù)可支持在更小的空間內(nèi)容納更高存儲(chǔ)容量，進(jìn)而帶來很大的成本節(jié)約、能耗降低，以及大幅的性能提升以全面滿足眾多消費(fèi)類移動(dòng)設(shè)備和要求最嚴(yán)苛的企業(yè)部署的需求
[0005]相變存儲(chǔ)器也在往三維方向發(fā)展，由于相變材料的技術(shù)瓶頸，三維相變存儲(chǔ)器堆疊的存儲(chǔ)單元層數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3D NAND結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出一種新的相變材料，并結(jié)合提出的相變材料的特性，設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)高集成密度，大容量的三維相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何在三維空間內(nèi)堆疊存儲(chǔ)器單元以實(shí)現(xiàn)高集成密度的大容量的三維相變存儲(chǔ)器。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種三維相變存儲(chǔ)器，采用M0S管作為選通管，相變材料為銻系化合物，摻雜硅、鋁、鎢、鈦、鎳等。
[0008]進(jìn)一步地，三維相變單元溝道垂直，可以實(shí)現(xiàn)32?96層堆疊。
[0009]進(jìn)一步地，一次性光刻刻穿多層堆疊的存儲(chǔ)單元之間的垂直溝道。
[0010]進(jìn)一步地，存儲(chǔ)單元材料沿著垂直方向沉積在溝道側(cè)壁上。
[0011]進(jìn)一步地，垂直溝道里面沉積的三層材料為多晶硅溝道，相變材料，以及絕緣層氧化娃。
[0012]進(jìn)一步地，所述三維相變存儲(chǔ)器被配置為進(jìn)行寫操作時(shí)，給一個(gè)M0S管的柵極提供電壓，可以一個(gè)單元的寫入，而進(jìn)行擦除操作時(shí)，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)上的存儲(chǔ)單元都被選中，數(shù)據(jù)同時(shí)被擦除。
[0013]進(jìn)一步地，相變材料可選SixSb、TixSb、AlxSb、ffxSb等，在銻中摻雜硅，鈦，鋁，鎢等形成存儲(chǔ)材料。
[0014]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述如SixSb材料通過化學(xué)氣相沉積形成，可選SiH4，SbCl3，SbCl5S Sb 3C15等非有機(jī)金屬氣源，本發(fā)明中使用的氣源如SbCl 3具有低成本且沸點(diǎn)在220.3°C等特點(diǎn)。
[0015]進(jìn)一步地，所述三維相變存儲(chǔ)器具有與3D NAND相似的結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)在于可以使用3D NAND工廠的設(shè)備進(jìn)行三維相變存儲(chǔ)器的生產(chǎn)，可以重復(fù)使用舊設(shè)備，不需增加新設(shè)備。并且本發(fā)明使用銻系材料作為存儲(chǔ)材料，相比于硫系相變材料而言，不產(chǎn)生工業(yè)污染，可以節(jié)省污染物處理設(shè)備的費(fèi)用。
[0016]進(jìn)一步地其特征在于，本發(fā)明提出的銻系材料三維相變存儲(chǔ)器具有高的深寬比，物理氣相沉積通常通過濺射的方式實(shí)現(xiàn)，材料沉積不均勻，一般情況只能疊加4?8層存儲(chǔ)介質(zhì)，本發(fā)明中相變材料的沉積使用化學(xué)氣相沉積方式，能夠?qū)崿F(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)的沉積，實(shí)現(xiàn)多層堆疊。
[0017]本發(fā)明還提供了一種三維相變存儲(chǔ)器的制造方法，包含下列步驟:
[0018]步驟一:提供單晶硅晶圓作為起始襯底，在襯底表面豎直方向上交替堆疊若干絕緣層和若干犧牲層，利用化學(xué)機(jī)械拋光將表面平坦化，犧牲層的數(shù)量即是存儲(chǔ)器的層數(shù)；
[0019]步驟二:通過光刻和刻蝕工藝在絕緣層和犧牲層中形成豎直方向的通孔，且通孔將襯底表面予以暴露，所述的絕緣層為氧化物；所述的犧牲層為氮化物；
[0020]步驟三:在步驟二基礎(chǔ)上在通孔凹槽中沉積一層多晶硅，將通孔溝道暴露的側(cè)壁表面予以覆蓋，形成垂直方向的多晶硅立柱；
[0021]步驟四:在步驟三基礎(chǔ)上，在多晶硅立柱上曝光刻蝕，形成垂直方向的通孔；
[0022]步驟五:在步驟四基礎(chǔ)上，沉積存儲(chǔ)材料薄膜，所述薄膜為相變材料如SixSb ;
[0023]步驟六:在步驟五基礎(chǔ)上，在相變材料表面曝光刻蝕形成凹槽；
[0024]步驟七:繼續(xù)沉積一層氧化物，將兩邊的相變材料隔離開，步驟三、四、五、六、七將垂直通孔填充滿，形成垂直溝道；
[0025]步驟八:通過光刻和刻蝕工藝，將絕緣層和犧牲層上下刻穿，底部刻蝕到襯底材料，在相鄰字線之間形成間隙，使字線材料隔離開；
[0026]步驟九:通過光刻和刻蝕工藝，去除相鄰絕緣層之間的犧牲層，將上下相鄰絕緣層之間的多晶硅立柱的側(cè)壁予以暴露，進(jìn)而在相鄰的絕緣層之間形成間隙；
[0027]步驟十:利用原子層沉積法沉積薄膜層，形成絕緣柵極，將垂直溝道暴露的側(cè)壁及絕緣層暴露的表面予以覆蓋；
[0028]步驟^--:在步驟九基礎(chǔ)上，沉積金屬層將凹槽表面進(jìn)行覆蓋，并刻蝕去除多余的金屬層，保留位于凹槽間隙間的部分作為金屬柵極。
[0029]進(jìn)一步地，所述氧化物為氧化硅。
[0030]進(jìn)一步地，所述氮化物為氮化硅；
[0031]進(jìn)一步地，步驟十中所述的薄膜層材料為氧化娃或氧化給。
[0032]進(jìn)一步地，所述金屬柵極材料為鎢或氮化鈦。
[0033]基于大規(guī)模監(jiān)控設(shè)施、安防設(shè)備中，閉路電視里音頻、視頻等設(shè)備的使用，信息的交互需要，大量的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)和分析，這就要求存儲(chǔ)器往高密度，大容量方向發(fā)展，3D存儲(chǔ)器的發(fā)展順應(yīng)潮流，成為必不可擋的趨勢(shì)。
[0034]本發(fā)明提出一種基于銻系化合物的三維相變存儲(chǔ)器，具有操作電壓低，讀取速度快，可以位操作，擦寫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于閃存，高存儲(chǔ)容量，集成密度大等特點(diǎn)。本發(fā)明提出的相變存儲(chǔ)器單元采用M0S管作為選通管，相變材料為銻系化合物，摻雜硅、鋁、鎢、鈦等。
[0035]本發(fā)明提出的銻系材料三維相變存儲(chǔ)器，具有與3D NAND相似的結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)工藝與3D NAND兼容，可以利用舊設(shè)備生產(chǎn)。
[0036]本發(fā)明提出的銻系材料三維存儲(chǔ)器，其特征在于所述三維相變單元溝道垂直，可以實(shí)現(xiàn)多層堆疊，32?96層堆疊，實(shí)現(xiàn)高集成密度，大容量存儲(chǔ)。
[0037]本發(fā)明所述三維相變存儲(chǔ)器，其特征在于可以一次性光刻刻穿多層堆疊的存儲(chǔ)單元之間的垂直溝道。
[0038]本發(fā)明所述三維相變存儲(chǔ)器，其特征在于選通管不是0TS(雙向閾值開關(guān))二極管，而選用M0S管的設(shè)計(jì)，通過減少多晶硅溝道的厚度可以調(diào)節(jié)M0S管和相變材料層之間的電阻，從而增強(qiáng)M0S管的驅(qū)動(dòng)能力。
[0039]本發(fā)明所述三維相變存儲(chǔ)器，其特征在于存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，M0S管和相變單元并聯(lián)起來，存儲(chǔ)單元材料沿著垂直方向沉積在溝道側(cè)壁上。
[0040]本發(fā)明所述三維相變存儲(chǔ)器，其特征在于垂直溝道里面沉積的三層材料為多晶硅溝道，相變材料，以及絕緣層氧化硅。
[0041]本發(fā)明所述三維相變存儲(chǔ)器，其特征在于寫操作時(shí)，給一個(gè)M0S管的柵極提供電壓，可以一個(gè)單元的寫入，而擦操作時(shí)，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)上的存儲(chǔ)單元都被選中，數(shù)據(jù)同時(shí)被擦除。
[0042]本發(fā)明所述三維相變存儲(chǔ)器，其特征在于相變材料為銻系材料，可選SixSb、TixSb、AlxSb、WxSb等，在銻中摻雜硅，鈦，鋁，鎢等形成相變材料，相比于GeSbTe材料，Te元素用化學(xué)氣相沉積的氣體非常昂貴，集成電路制造中一般不適用。本發(fā)明所述SixSb材料通過化學(xué)氣相沉積形成，可選SiH4，SbCl3，SbCl5S Sb 3C15等非有機(jī)金屬氣源。
[0043]本發(fā)明所述三維相變存儲(chǔ)器，其特征在于不選用物理氣相沉積，物理氣相沉積方式沉積不均勻，通常沉積會(huì)產(chǎn)生斜坡，導(dǎo)致溝道不垂直，從而無法多層疊加，物理氣相沉積一般情況只能疊加4?8層。本發(fā)明相變材料的沉積選擇化學(xué)氣相沉積方式，材料選擇SixSb，可以實(shí)現(xiàn)多層疊加，實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)。
[0044]本發(fā)明所述三維相變存儲(chǔ)器，其特征在于相變材料為銻系材料，如SixSb (本發(fā)明中不做特別限制，可以摻雜鋁、鎢、鈦等)，摻雜硅含量的不同可以改變材料的性能，其特征在于，硅含量越高(如Si35Sb65)保持力越好，在120?150°C條件下可以保持10年，讀寫速度較慢；硅含量越低(如Si4Sb96)，讀寫速度越快可以達(dá)到20?200納秒，相對(duì)而言保持力降低，本發(fā)明中所述相變材料，可通過調(diào)節(jié)硅含量，控制相