專利名稱：降低相變存儲(chǔ)器器件單元功耗的加熱層及器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于降低相變存儲(chǔ)器單元功耗的氧化物加熱層及器件 的制作方法，屬于微電子學(xué)納米材料與器件制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器(Phase Change Memory, PCM)技術(shù)是基于S.R. Ovshinsky在 20世紀(jì)60年代末(Phys. Rev. Lett., 21, 1450 1453， 1968)70年代初(Appl. Phys. Lett., 18, 254~257, 1971)提出相變薄膜可以應(yīng)用于相變存儲(chǔ)介質(zhì)的構(gòu)想建立 起來(lái)的。相變存儲(chǔ)器與目前的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)、閃存(FLASH)相比 有很明顯的優(yōu)勢(shì)體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、讀寫(xiě)速度快以及非揮發(fā)特 性。PCM不僅是非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，能抗高低溫沖擊，抗輻照、抗振動(dòng)，因 此不僅將被廣泛應(yīng)用到民用的日常便攜電子產(chǎn)品，而且在航空航天等軍事領(lǐng) 域有巨大的潛在應(yīng)用。國(guó)際上已有Ovonyx、 Intel、 Samsung、 Hitachi、 STMicroelectronics和British Aerpspace等大公司在開(kāi)展PCM存儲(chǔ)器的研究， 正在進(jìn)行技術(shù)的完善與可制造性等方面的研發(fā)工作。
目前最為重要的研究熱點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器操作時(shí)的低壓與低功耗。 Sadegh M. Sadeghipour等研究發(fā)現(xiàn)針對(duì)T型結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器單元，真正應(yīng) 用于硫系材料薄膜層相變的熱量?jī)H僅占到外部供給熱量總額的0.2 1.4%，然 而有60 72%的熱量是通過(guò)底W電極擴(kuò)散回襯底方向(Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronics Systems (ITHERM., The Tenth Intersociety Conference on 660, 2006))。因?yàn)橄嘧兇鎯?chǔ)器需要和金屬氧化物場(chǎng) 效應(yīng)管(MOSFET)器件集成，工作電壓由MOSFET管提供，較高的操作電壓
將使得相變存儲(chǔ)器不能與MOSFET兼容，而且過(guò)多的熱量回流到MOSFET 會(huì)影響MOSFET的性能與可靠性。因此，眾多相變存儲(chǔ)器研究機(jī)構(gòu)都致力 于研究底W電極與硫系材料層之間插入加熱層的方法來(lái)改善器件的熱效應(yīng)， 如1.無(wú)定型碳加熱層(J. Appl.Phys.，94，3536 3542,2003); 2.多晶鍺硅加 熱層(Appl.Phys.Lett.， 89， 053517， 2006)。但效果不佳，本發(fā)明試圖從另一角 度及在存儲(chǔ)器內(nèi)植入底氧化物加熱層來(lái)達(dá)到更好的熱效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提出一種降低相變存儲(chǔ)器器件單元功耗的加熱層及器 件的制作方法。
本發(fā)明提出的相變存儲(chǔ)器單元功耗的降低的特征在于在底W電極和硫 系化合物相變材料薄膜之間增加一層氧化物加熱層，加熱層材料不僅需要具 有隔絕熱作用以保證相變材料薄膜層內(nèi)的熱量不經(jīng)由W電極擴(kuò)散，并且需 要與相變材料、W電極以及Si02絕熱包裹層具有很好的黏附力，其厚度在 2 3nrn之間，使氧化物加熱層的植入不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)存儲(chǔ)器電阻的明顯增加， 所使用的氧化物應(yīng)具有與硫系化合物相當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率(0.17-0.5 W/mK)和比熱 (0.2-0.3 J/gK)。
依此兩個(gè)條件可采用的加熱層為氧化物材料，通常為Zr02、Hf02或Ta205 中的任意一種，加熱層植入后在加熱過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致底加熱W電極發(fā)生氧 化反應(yīng)，且2-3mm厚的加熱層能有效抑制硫系化合物中各元素向襯底方向 的擴(kuò)散。
當(dāng)前普遍使用的加熱電極類似Ti電極在50(TC可與相變材料中的Te原 子結(jié)合成鍵，從而降低相變材料非晶態(tài)高阻與晶態(tài)低阻之間的電阻分辨率， 進(jìn)而影響相變存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)分辨能力。本發(fā)明所選擇的氧化物材料不僅不存 在此類現(xiàn)象，而且又能高溫情況下有效阻止相變材料中的元素?cái)U(kuò)散，且不會(huì) 引起底W電極高溫情況下的氧化，對(duì)于降低硫系相變材料內(nèi)相變用熱量向 底W電極的擴(kuò)散具有很明顯的作用，從而有效的提高了相變存儲(chǔ)器器件單
元的熱效率，降低了功耗，從而降低了操作電流或電壓。
本發(fā)明提出的氧化物加熱層PCM結(jié)構(gòu)上的具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下
(1) 在預(yù)先制備好的襯底的基礎(chǔ)上，使用超高真空電子束蒸發(fā)的方法
沉積加熱層氧化物材料，厚度為2 — 3nm，蒸發(fā)時(shí)本底真空為2X l(T5Pa;
(2) 在步驟(l)沉積的加熱層上使用磁控濺射的方法沉積硫系化合物薄 膜層150-250nm與TiN薄膜層15-25nm;濺射時(shí)本底真空為4X l(T6Torr，濺 射時(shí)真空分別為0.16與0.40Pa;
(3) 使用微納加工技術(shù)，形成TiN/硫系化合物/加熱層氧化物柱狀結(jié) 構(gòu)，其截面為邊長(zhǎng)3 5um的正方形；
(4) 再在其上使用超高真空電子束蒸發(fā)的方法沉積一層Si02覆蓋層， 厚度為150-250nm，使用微納加工技術(shù)，在Si02覆蓋層內(nèi)制備出柱狀孔洞， 其截面為邊長(zhǎng)1 2um的正方形；
(5) 然后再在其上使用超高真空電子束蒸發(fā)的方法沉積A1電極，厚度 為250-350nm，使Al進(jìn)入Si02覆蓋層內(nèi)柱狀孔洞與TiN完好接觸，使用微 納加工技術(shù)，并且采用65。C水浴的磷酸介質(zhì)作用下濕法刻蝕A1層，引出上、 下電極，即完成了具有氧化物加熱層的相變存儲(chǔ)器器件單元的制備。
所述的襯底材料為在單晶Si片上覆蓋有下電極層，在下電極上覆蓋有
Si02絕熱包裹介質(zhì)層，Si02絕熱包裹介質(zhì)層中存在孔洞，孔洞中包含與下電
極相通的空心柱W電極，W電極頂部與Si02絕熱介質(zhì)層頂部平齊。
所述的微納加工技術(shù)為通過(guò)紫外曝光、顯影、剝離法或反應(yīng)離子刻蝕的 方法實(shí)現(xiàn)的。


圖1為相變存儲(chǔ)器單元制備過(guò)程示意圖
(a) 在襯底上制備氧化物加熱層
(b) 在氧化物加熱層上制備硫系相變材料薄膜與TiN層
(c) 形成氧化物/硫系化合物/TiN柱狀
(d) 覆蓋Si02層
(e) 在Si02層內(nèi)制備出柱狀孔洞
(f) 在Si02層上制備Al電極層
(g) 形成A1上下電極
圖中
1 Si片基底
2 Ti/TiN/Al層
3 W底電極
4Si02絕熱包裹介質(zhì)層 5氧化物加熱層 6硫系化合物層 7 TiN薄膜層 8Si02覆蓋層 9A1電極
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)結(jié)合附圖詳細(xì)闡述植入氧化物加熱層的相變存儲(chǔ)器單元的制 作過(guò)程，以有助于對(duì)本發(fā)明的理解，但本發(fā)明絕非局限于實(shí)施例。其單元器 件制備步驟如下。
實(shí)施例h
(1) 使用丙酮與酒精溶液，在超聲波作用下各清洗襯底各3分鐘，再 在12(TC烘20分鐘，然后在沉積有W底電極3的Si/Ti/TiN/A1/ Si02的襯底 上，使用超高真空電子束蒸發(fā)的方法沉積加熱層5的氧化物材料，厚度為2 —3nm，蒸發(fā)時(shí)本底真空為2X10'Spa，(圖1 ， a)，使用的加熱層材料為Zr02、 附02或丁3205;
(2) 在氧化物加熱層上使用磁控濺射的方法先后分別沉積硫系化合物 薄膜層200nm與TiN薄膜層20nm;濺射時(shí)本底真空為4X 10—6Torr，濺射時(shí) 真空分別為0.16Pa與0.40Pa，濺射功率分別為200W與400W;(圖1 ， b)
(3) 使用紫外曝光光刻出邊長(zhǎng)3 5um的正方形，使用反應(yīng)離子刻蝕 的方法刻蝕TiN薄膜層、硫系化合物薄膜層以及氧化物薄膜層，形成TiN/ 硫系化合物/加熱層氧化物柱狀結(jié)構(gòu)，其截面為邊長(zhǎng)3 5iim的正方形，此 步同時(shí)已將與襯底底電極相連的W電極上部的薄膜層都刻蝕掉；(圖l， c)
(4) 再在其上使用超高真空電子束蒸發(fā)的方法沉積一層Si02覆蓋層， 厚度為200nm;(圖1， d)
(5) 使用紫外曝光在Si02覆蓋層上光刻出邊長(zhǎng)l 2ym的正方形，此 正方形中心位置與(3)中光刻出的正方形中心位置重合，使用反應(yīng)離子刻蝕的 方法在Si02覆蓋層內(nèi)刻蝕出柱狀孔洞，刻蝕深度以達(dá)到TiN層頂部為止， 注意不能過(guò)渡刻蝕，否這將使TiN層或其下部硫系化合物層被過(guò)刻蝕而減薄 或致使表面粗糙化，此步同時(shí)已將與襯底底電極相連的W電極上部Si02覆 蓋層刻蝕掉；(圖1， e)
(6) 然后再在其上使用超高真空電子束蒸發(fā)的方法沉積A1電極，厚度 為300nm，使Al進(jìn)入Si02覆蓋層內(nèi)柱狀孔洞與TiN完好接觸；(圖l， f)
(7) 使用紫外曝光在Al電極層上光刻出邊長(zhǎng)30 50y m的正方形，此 正方形中心位置與(5)中光刻出的正方形中心位置重合，12(TC烘20分鐘，然 后采用65。C水浴的磷酸介質(zhì)作用下濕法刻蝕A1層，同時(shí)引出了上、下電極， 此即完成了相變存儲(chǔ)器單元的制備(圖l， g)。
使用探針或?qū)Ь€引出電極，加載上電信號(hào)，便可以測(cè)試單元的各種性能了。
從實(shí)施例中可明顯看出，本發(fā)明主要特征在于在傳統(tǒng)PCM結(jié)構(gòu)中，于 相變硫系化合物與底W電極之間植入一層2 3個(gè)納米厚的特定氧化物薄膜 層。此一改進(jìn)不但能與工業(yè)CMOS工藝兼容的，而且植入的氧化物加熱層 與上下薄膜層都由很好的黏附力，沒(méi)有熱擴(kuò)散現(xiàn)象發(fā)生，且具有優(yōu)良的阻熱 回流底W電極，提高器件熱效應(yīng)，降低功耗的顯著作用。
權(quán)利要求
1、一種用于降低相變存儲(chǔ)器器件單元功耗的加熱層，其特征在于在底加熱W電極與硫系化合物相變材料結(jié)構(gòu)之間加入一層加熱層材料。
2、 按權(quán)利要求1所述的用于降低相變存儲(chǔ)器器件單元功耗的加熱層， 其特征在于所述的加熱層具有與硫系化合物相當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率和比熱。
3、 按權(quán)利要求1所述的用于降低相變存儲(chǔ)器器件單元功耗的加熱層， 其特征在于所采用的加熱層材料，為Zr02、 HfOjP化205氧化物材料中的任 意一種，加熱層操作過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致底加熱W電極發(fā)生氧化反應(yīng)。
4、 按權(quán)利要求1所述的用于降低相變存儲(chǔ)器器件單元功耗的加熱層， 其特征在于所述的氧化物加熱層厚度為2-3nm。
5、 制備如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的具有氧化物加熱層的相變存儲(chǔ)器 器件單元的制作方法，其特征在于具體步驟是(a) 使用丙酮與酒精溶液，在超聲波作用下清洗襯底，然后在襯底上， 使用超高真空電子束蒸發(fā)的方法沉積加熱層氧化物材料，厚度為2 — 3nm， 蒸發(fā)時(shí)本底真空為2Xl(^Pa;(b) 在步驟(a)沉積的加熱層上使用磁控濺射的方法沉積的硫系化合 物薄膜層與TiN薄膜層；濺射時(shí)本底真空為4X10"Torr，濺射時(shí)真空分別為 0.16與0.40Pa;(c) 使用微納加工技術(shù)，形成TiN/硫系化合物/加熱層氧化物柱狀結(jié)構(gòu)；(d) 再在步驟(c)的形成的柱狀結(jié)構(gòu)上使用超高真空電子束蒸發(fā)的方 法沉積一層Si02覆蓋層，使用微納加工技術(shù)，在Si02覆蓋層內(nèi)制備出柱狀 孔洞；(e) 再在步驟(d)形成的Si02覆蓋層上使用超高真空電子束蒸發(fā)的方 法沉積Al電極，使金屬Al進(jìn)入Si02覆蓋層內(nèi)柱狀孔洞內(nèi)，且與TiN完好接觸，使用微納加工技術(shù)，并且采用65'C水浴的磷酸介質(zhì)作用下濕法刻蝕 Al層，引出上、下電極，制備出具有氧化物加熱層的相變存儲(chǔ)器器件單元； 所述的襯底是在單晶Si片上覆蓋有下電極層；在下電極層上覆蓋有Si02 絕熱包裹介質(zhì)層，Si02絕熱包裹介質(zhì)層中存在孔洞；孔洞中包含與下電極相 通的空心柱狀W電極，W電極頂部與Si02絕熱層頂部平齊；襯底組成為Si/Ti/TiN/A1/ Si02。
6、 按權(quán)利要求5所述的具有氧化物加熱層的相變存儲(chǔ)器器件單元的制 作方法，其特征在于具體步驟(b)中沉積的硫系化合物薄膜層為150-250nm， TiN薄膜為15-25nm。
7、 按權(quán)利要求5所述的具有氧化物加熱層的相變存儲(chǔ)器器件單元的制 作方法，其特征在于具體步驟(c)形成的柱狀TiN/硫系化合物/加熱層氧化 物截面為邊長(zhǎng)3-5 ii m的正方形。
8、 按權(quán)利要求5所述的具有氧化物加熱層的相變存儲(chǔ)器器件單元的制 作方法，其特征在于具體步驟(d)形成的Si02覆蓋層厚度為150-250nm。
9、 按權(quán)利要求5或8所述的具有氧化物加熱層的相變存儲(chǔ)器器件單元 的制作方法，其特征在于Si02覆蓋層內(nèi)制備出的柱狀孔洞的截面為邊長(zhǎng)1-2 um的正方形。
10、 按權(quán)利要求5所述的具有氧化物加熱層的相變存儲(chǔ)器器件單元的制 作方法，其特征在于具體步驟(e)中沉積的Al電極厚度為250-350nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種降低相變存儲(chǔ)器器件單元功耗的加熱層及器件的制作方法，屬微電子領(lǐng)域。其特征在于在底加熱W電極與硫系化合物薄膜層之間加入一加熱層，加熱層厚度控制在2～3nm，可選擇的加熱層用的材料包括ZrO₂、HfO₂或Ta₂O₅等。單元結(jié)構(gòu)改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)在襯底上沉積各種所需薄膜后，通過(guò)微納加工技術(shù)得到微米量級(jí)的相變操作單元，并引出可供測(cè)試性能用上下電極。由于氧化物加熱層的良好熱穩(wěn)定性和提高器件單元熱效應(yīng)的顯著效應(yīng)，達(dá)到了有效降低單元功耗的目的。
文檔編號(hào)G11C11/56GK101110464SQ20071004447
公開(kāi)日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日
發(fā)明者吳良才, 宋志棠, 封松林, 峰 饒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所