專利名稱：一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體存儲設備及其制作方法，特別是涉及一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器及其制作方法。
背景技術(shù)：
存儲器是目前半導體市場的重要組成部分，是信息技術(shù)的基石，無論在生活中還是在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要的作用。信息量伴隨著社會發(fā)展急劇增加，高數(shù)據(jù)存儲密度的存儲器的研發(fā)成為存儲器研究者的重要任務。其中，相變存儲器單元由于具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗強震動和抗輻射等優(yōu)點，被國際半導體工業(yè) 協(xié)會認為最有可能取代目前的閃存存儲器而成為未來存儲器主流產(chǎn)品的器件和最先成為商用產(chǎn)品的器件。相變存儲器單元的讀、寫、擦操作就是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或電流脈沖信號；對于擦操作(RESET)，是施加一個短且強的脈沖信號使器件單元中的相變材料溫度升高到熔化溫度以上后，再經(jīng)過快速冷卻從而實現(xiàn)相變材料多晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即“I”態(tài)到“O”態(tài)的轉(zhuǎn)換；對于寫操作(SET)，則是施加一個長且中等強度的脈沖信號使相變材料溫度升到熔化溫度之下、結(jié)晶溫度之上后，并保持一段時間促使晶核生長，從而實現(xiàn)非晶態(tài)到多晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即“O”態(tài)到“I”態(tài)的轉(zhuǎn)換；對于讀操作，則是施加一個對相變材料的狀態(tài)不會產(chǎn)生影響的很弱的脈沖信號，通過測量器件單元的電阻值來讀取它的狀態(tài)。大部分存儲器單元都是由兩部分組成一部分式存儲信息的介質(zhì)；另一部分是用來決定存儲介質(zhì)是否可操作的選通開關(guān)。而選通開關(guān)在電路中所占的體積直接影響到存儲器的存儲密度。相變存儲器中的存儲介質(zhì)在尺寸縮小到納米尺度時仍具有信息存儲能力，這意味著相變存儲器在高密度信息存儲方面的巨大潛力。為了提高存儲器的存儲密度，需要設計更小的選通開關(guān)來替代現(xiàn)在的傳統(tǒng)開關(guān)，以便于與相變存儲器匹配來實現(xiàn)高密度存儲。在現(xiàn)有技術(shù)中，在以MOS晶體管為選通開關(guān)的電路中，配對MOS選擇開關(guān)的尺寸都大于8F2 (F是某種工藝水平下的特征尺寸)，不利于減小芯片體積；另外一種是利用晶態(tài)二極管作為選擇開關(guān)，開關(guān)尺寸也僅僅是將芯片減小到接近5F2。因而，前面提到的兩種選擇開關(guān)都需要占用硅片中的較大體積，減小了芯片體積的利用效率。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中相變存儲器的選通開關(guān)的體積過大導致器件集成度、存儲密度以及存儲容量降低的問題。為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，至少包括
由多個相變存儲單元組成的相變存儲陣列，用于存儲信息；連接所述相變存儲陣列中各該相變存儲單元的多條字線及位線，用于定位被操作的相變存儲單元；連接于所述限制結(jié)構(gòu)相變存儲單元中的相變材料與位線之間的選通開關(guān)，所述選通開關(guān)為具有閾值電壓開關(guān)特性的硫系化合物開關(guān)層；其中，所述相變存儲單元中的相變材料和所述硫系化合物開關(guān)層均被限制于絕緣凹槽中。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器中，所述相變存儲單元至少包括基底，具有金屬層及覆蓋于所述金屬層上的絕緣層，所述絕緣層中具有一深度直達所述金屬層的絕緣凹槽； 鎢電極，填充于所述絕緣凹槽內(nèi)，并結(jié)合于所述金屬層表面；相變材料，填充于所述絕緣凹槽內(nèi)并結(jié)合于所述鎢電極表面；中間金屬層，填充于所述絕緣凹槽內(nèi)并結(jié)合于所述相變材料表面，且所述鎢電極、相變材料及中間金屬層的厚度之和小于所述絕緣凹槽的深度。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器中，所述絕緣凹槽為圓孔狀槽，所述絕緣凹槽的直徑為40 70nm。進一步地，所述鎢電極的形狀為與所述絕緣凹槽直徑相等的圓柱形，且所述鎢電極的厚度為l(T500nm。更進一步地，所述相變材料的形狀為與所述鎢電極的直徑相等的圓柱形，且所述相變材料的厚度為2(T200nm。更進一步地，所述中間金屬層的形狀為與所述相變材料直徑相等的圓柱形，且所述中間金屬層的厚度為l(T200nm。更進一步地，所述硫系化合物開關(guān)層填充于所述絕緣凹槽內(nèi)，形狀為與所述絕緣凹槽孔徑相等的圓柱形，且所述硫系化合物開關(guān)層的厚度為l(T200nm。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器中，在電場作用下，通過所述相變材料及所述硫系化合物開關(guān)層的電流為平行且分布均勻的電流。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器中，所述相變材料為利用多晶態(tài)和非晶態(tài)體現(xiàn)出的低高電阻來存儲信息的相變電阻。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器中，所述硫系化合物開關(guān)層為含Ge、Al、As、Sb、Te、S、Se元素中至少兩種元素的硫系化合物薄膜材料。優(yōu)選地，所述硫系化合物開關(guān)層為GeTe4、Al5As2Te3、Al5Sb2Te3、Al5Sb2Se3、Al5Sb2S3、GeAl5As2Te3^ GeAl5Sb2Te3^ GeAl5Sb2Se3、及 GeAl5Sb2S3 中的任意一種。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器中，所述選通開關(guān)的兩端電勢差未超過閾值電壓時，其處于關(guān)閉所述相變材料與位線之間通路的狀態(tài)；所述選通開關(guān)的兩端電勢差超過閾值電壓時，其處于導通所述相變材料與位線之間通路的狀態(tài)。進一步地，所述選通開關(guān)處于關(guān)閉所述相變材料與位線之間通路的狀態(tài)下，其電阻值高于與其相連的相變材料在高阻值狀態(tài)下的電阻值。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器中，所述硫系化合物開關(guān)層可在電信號的作用下進行高低阻值之間的揮發(fā)性的可逆轉(zhuǎn)變，所述相變材料可在電信號的作用下進行高低阻值之間的非揮發(fā)性的可逆轉(zhuǎn)變。本發(fā)明還提供一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，所述制作方法至少包括以下步驟I)提供一具有金屬層及覆蓋于所述金屬層上的絕緣層的基底；2)刻蝕所述絕緣層直至所述金屬層，在所述基底上形成直達所述金屬層的絕緣凹槽；3)于所述基底上沉積鎢電極，并使所述鎢電極填滿所述絕緣凹槽并覆蓋于所述絕緣層的上表面；4)利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層的上表面的鎢電極拋除，然后利用光刻刻蝕工藝刻蝕填充于所述絕緣凹槽內(nèi)的鎢電極，使所述鎢電極厚度小于所述絕緣凹槽的深度；
5)于所述絕緣凹槽內(nèi)的鎢電極表面沉積相變材料，使所述相變材料填滿所述絕緣凹槽并覆蓋于所述絕緣層的上表面；6)利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層的上表面的相變材料拋除，然后利用光刻刻蝕工藝刻蝕填充于所述絕緣凹槽內(nèi)的相變材料，使所述相變材料及所述鎢電極的厚度之和小于所述絕緣凹槽的深度；7)于所述絕緣凹槽內(nèi)的相變材料表面沉積中間金屬層，使所述中間金屬層填滿所述絕緣凹槽并覆蓋于所述絕緣層的上表面；8)利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層的上表面的中間金屬層拋除，然后利用光刻刻蝕工藝刻蝕填充于所述絕緣凹槽內(nèi)的中間金屬層，使所述相變材料、所述鎢電極及所述中間金屬層的厚度之和小于所述絕緣凹槽的深度；9)于所述絕緣凹槽內(nèi)的相變材料表面沉積硫系化合物開關(guān)層，使所述硫系化合物開關(guān)層填滿所述絕緣凹槽并覆蓋于所述絕緣層的上表面；10)利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層的上表面的硫系化合物開關(guān)層拋除，使沉積于所述絕緣凹槽內(nèi)的硫系化合物開關(guān)層的頂面與所述絕緣層的上表面共平面；11)制作連接于所述金屬層的字線及連接于所述硫系化合物開關(guān)層位線，以完成所述限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法中，于所述步驟I)中，所述絕緣層為SiO2，所述絕緣層的厚度為5(Tl000nm。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法中，于所述步驟2)中，在所述基底上刻蝕形成的絕緣凹槽為圓孔狀槽，所述圓孔狀槽的孔徑為4(T70nm，且所述圓孔狀槽的深度等于所述絕緣層的厚度。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法中，于所述步驟3)中，通過化學氣相沉積法CVD或者原子層沉積法ALD沉積所述鎢電極，其中，通過化學氣相沉積法CVD沉積所述鎢電極的反應方程為=WF6 (g)+3H2 (g)-ff(s)+6HF (g);通過原子層沉積法ALD沉積所述鎢電極的反應方程為W(CH3)6(g)+3H2(g) — W(s)+6CH4(g)。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法中，所述鎢電極的形狀為圓柱形，且所述鎢電極的厚度為l(T500nm。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法中，通過物理氣相沉積法PVD、化學氣相沉積法CVD、原子層沉積法ALD、電鍍、溶膠凝膠法或金屬有機物沉積法制備所述相變材料，所述相變材料的形狀為圓柱形，且所述相變材料的厚度為l(T200nm。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法中，所述中間金屬層為通過化學氣相沉積法CVD或者原子層沉積法ALD沉積的鈦、鎢或氮化鈦材料，其中，通過化學氣相沉積法CVD沉積鈦材料的反應方程為=TiCl4 (g) +2 (g) — Ti (s) +4HC1 (g)，通過化學氣相沉積法CVD沉積鎢材料的反應方程為WF6 (g) +3 (g) — W (s) +6HF (g)，通過化學氣相沉積法CVD沉積氮化鈦材料的反應方程為=TiCl4 (g)+2 (g)+12N2(g) — TiN(s)+4HCl(g)，通過原子層沉積法ALD沉積鈦材料的反應方程為2Ti (CH3) 3 (g) +9 (g) — 2Ti (s) +6CH4 (g)，通過原子層沉積法ALD沉積鎢材料的反應方程為W(CH3) 6(g)+3H2(g) - W(s)+6CH4 (g);通過原子層沉積法ALD沉積氮化鈦材料的反應方程為Ti (CH3) 3 (g) +NH3 (g) — TiN (s) +3CH4 (g)。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法中，所述中間金屬層的形狀為圓柱形，且所述中間金屬層的厚度為l(T200nm。在本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法中，所述硫系化合物開關(guān)層的形狀為 圓柱形，且所述硫系化合物開關(guān)層的厚度為l(T200nm。如上所述，本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器及其制作方法，具有以下有益效果本發(fā)明包括相變存儲陣列、具有閾值電壓開關(guān)特性硫系化合物開關(guān)層、以及分別連接于相變存儲陣列及硫系化合物開關(guān)層的字線及位線。所述硫系化合物開關(guān)層在達到閾值電壓之前處于高電阻狀態(tài)，起到關(guān)電路的作用，當電壓超過閾值電壓之后，材料進入低電阻態(tài)，起到開啟電路的作用。這種硫系化合物做成薄膜之后仍然具有閾值電壓開關(guān)特性，并且這類薄膜的制備工藝與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容。利用硫系化合物材料薄膜作為選通開關(guān)的相變存儲器的制備具有步驟少，工藝簡單的特點。同時，利用硫系化合物薄膜制備的選通開關(guān)所占體積小，有利于提高芯片的存儲密度，提高信息容量和降低成本。


圖I顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的相變存儲單元及選通開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟I)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟2)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟3)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。7顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟4)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟5)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 Γ圖10顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟6)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖11顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟7)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12 圖13顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟8)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟9)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖15顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法步驟10)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖16顯示為本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器在操作過程中器件內(nèi)部的電場和溫度場分布模擬圖。圖17顯示為現(xiàn)有技術(shù)的相變存儲器在操作過程中器件內(nèi)部的電場和溫度場分布模擬圖。 元件標號說明10相變存儲單元11硫系化合物開關(guān)層12字線13位線101金屬層102絕緣層103絕緣凹槽104鎢電極105相變材料106中間金屬層
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖f圖15。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。實施例I如圖f圖2所示，本實施例提供一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，至少包括由多個相變存儲單元10組成的相變存儲陣列，用于存儲信息；連接所述相變存儲陣列中各該相變存儲單元10的多條字線12及位線13，用于定位被操作的相變存儲單元10 ；連接于所述限制結(jié)構(gòu)相變存儲單元10中的相變材料與位線13之間的選通開關(guān)，所述選通開關(guān)為具有閾值電壓開關(guān)特性的硫系化合物開關(guān)層11;
其中，所述相變存儲單元10中的相變材料105和所述硫系化合物開關(guān)層11均被限制于絕緣凹槽103中。多個相變存儲單元10組成相變存儲陣列，各該相變存儲單元10中具有用于存儲信息的相變材料105，所述相變材料105為利用多晶態(tài)和非晶態(tài)體現(xiàn)出的低高電阻來存儲信息的相變電阻。具體地所述相變電阻由相變材料105所形成，是相變存儲器單元的核心部件，當其受到不同寬度和高度的電壓或電流脈沖信號作用時，其阻值會發(fā)生相應變化，根據(jù)其阻值的變化可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫或擦除等操作。所述字線12及位線13連接所述相變存儲陣列中各該相變存儲單元10，用于定位被操作的相變存儲單元10，具體地，所述的操作指針對相變存儲單元10的讀操作、寫操作以及擦操作。在本實施例中，調(diào)節(jié)選中相變存儲單元10所對應的字線12和位線13 (我們稱選中的字線1212和位線13，其他字線12和位線13稱為未選中的字線12和位線13)的電勢，使兩者電勢差大于目標操作所需的電勢差。調(diào)節(jié)除未選中的字線12和位線13電勢，使得 除選中的字線12和位線13，其他任何兩線之間的電勢差小于選通開關(guān)件所需的電勢差。需要說明的是，各字線12和位線13的電勢及相互之間的電勢差在不同的操作中(讀、寫、擦操作)可能不同。所述選通開關(guān)連接于所述相變存儲單元10中的相變材料105與位線13之間，所述選通開關(guān)和相變材料105介在電路中處于串聯(lián)狀態(tài)，所述選通開關(guān)為具有閾值電壓開關(guān)特性的材料可以是含Al、As、Sb、Te、S、Se元素中至少兩種元素的硫系化合物薄膜材料或其他材料，所述硫系化合物薄膜材料為GeTe4、Al5As2Te3^ Al5Sb2Te3^ Al5Sb2Se3^ Al5Sb2S3^GeAl5As2Te3^ GeAl5Sb2Te3^ GeAl5Sb2Se3、及 GeAl5Sb2S3 中的任意一種。所述硫系化合物開關(guān)層11可在電信號的作用下進行高低阻值之間的揮發(fā)性的可逆轉(zhuǎn)變，所述相變材料105可在電信號的作用下進行高低阻值之間的非揮發(fā)性的可逆轉(zhuǎn)變。具體地，所述選通開關(guān)的兩端電勢差未超過閾值電壓時，其處于關(guān)閉所述相變材料105與位線13之間通路的狀態(tài)；所述選通開關(guān)的兩端電勢差超過閾值電壓時，其處于導通所述相變材料105與位線13之間通路的狀態(tài)。所述選通開關(guān)處于關(guān)閉所述相變材料105與位線13之間通路的狀態(tài)下，其電阻值高于與其相連的先變材料在高阻值狀態(tài)下的電阻值。如圖2所示,所述相變存儲單元10至少包括基底，具有金屬層101及覆蓋于所述金屬層101上的絕緣層102，所述絕緣層102中具有一深度直達所述金屬層101的絕緣凹槽103 ；鎢電極104，填充于所述絕緣凹槽103內(nèi)，并結(jié)合于所述金屬層101表面；相變材料105，填充于所述絕緣凹槽103內(nèi)并結(jié)合于所述鎢電極104表面；中間金屬層106，填充于所述絕緣凹槽103內(nèi)并結(jié)合于所述相變材料105表面，且所述鎢電極104、相變材料105及中間金屬層106的厚度之和小于所述絕緣凹槽103的深度。所述絕緣凹槽103為圓孔狀槽，所述絕緣凹槽103的直徑為4(T70nm。所述絕緣凹槽103的深度等于所述絕緣層102的深度，所述絕緣凹槽103的深度為5(Tl000nm。所述鎢電極104的形狀為與所述絕緣凹槽103直徑相等的圓柱形，且所述鎢電極104的厚度為l(T500nm。所述相變材料105的形狀為與所述鎢電極104的直徑相等的圓柱形，且所述相變材料105的厚度為2(T200nm。所述中間金屬層106的形狀為與所述相變材料105直徑相等的圓柱形，且所述中間金屬層106的厚度為l(T200nm。所述絕緣凹槽103內(nèi)還填充有硫系化合物開關(guān)層11，其形狀為與所述絕緣凹槽103孔徑相等的圓柱形，且所述硫系化合物開關(guān)層11的厚度為l(T200nm，其上表面與所述絕緣層102的上表面共平面，其材料可以是含Al、As、Sb、Te、S、Se元素中至少兩種元素的硫系化合物薄膜材料或其他材料，在本實施例中，所述硫系化合物開關(guān)層11的材料為GeTe4、Al5As2Te3、Al5Sb2Te3、Al5Sb2Se3、Al5Sb2S3、GeAl5As2Te3、GeAl5Sb2Te3、GeAl5Sb2Se3、及 GeAl5Sb2S3中的任意一種。由于所述相變材料105及所述硫系化合物開關(guān)層11均被限制于所述絕緣凹槽103內(nèi)，不僅保證了相變材料105的加熱效率，減少其熱量的損失，而且減少了選通開關(guān)所占的體積，有效增加了存儲器的集成度、存儲密度及存儲容量。實施例2 本實施例提供一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，所述制作方法至少包括以下步驟如圖3所示，首先進行步驟I )，提供一具有金屬層101及覆蓋于所述金屬層101上的絕緣層102的基底。在本實施例中，所述絕緣層102為SiO2，所述絕緣層102的厚度為5(Tl000nm。但并不局限于此，在其他的實施方式中，所述絕緣層102亦可為如氮化硅等其他絕緣材料，所述金屬層101可為鎢、金等具有導電性能的金屬材料。如圖4所示，然后進行步驟2)，刻蝕所述絕緣層102直至所述金屬層101，在所述基底上形成直達所述金屬層101的絕緣凹槽103。在所述基底上刻蝕形成的絕緣凹槽103為圓孔狀槽，所述圓孔狀槽的孔徑為4(T70nm，且所述圓孔狀槽的深度等于所述絕緣層102的厚度。在本實施例中，采用光刻刻蝕工藝制作所述絕緣凹槽103，具體為進行涂膠、光刻，顯影，刻蝕，去膠操作，對SiO2層進行開孔，孔徑為4(T70nm，在一具體的實施過程中，所述孔徑為60nm。如圖5所示，接著進行步驟3)，于所述基底上沉積鎢電極104，并使所述鎢電極104填滿所述絕緣凹槽103并覆蓋于所述絕緣層102的上表面。通過化學氣相沉積法CVD或者原子層沉積法ALD沉積所述鎢電極104，其中，通過化學氣相沉積法CVD沉積所述鎢電極104的反應方程為WF6 (g) +3 (g) -ff(s)+6HF (g);通過原子層沉積法ALD沉積所述鎢電極104的反應方程為ff(CH3)6(g)+3H2(g) — ff(s)+6CH4(g)。所述鎢電極104的形狀為圓柱形，其直徑等于所述絕緣凹槽103的孔徑。如圖6 圖7所示，4)利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層102的上表面的鎢電極104拋除，然后利用光刻刻蝕工藝刻蝕填充于所述絕緣凹槽103內(nèi)的鎢電極104，使所述鎢電極104厚度小于所述絕緣凹槽103的深度。在本實施例中，所述鎢電極104的厚度為10 500nm。如圖8所示，接著進行步驟5)，于所述絕緣凹槽103內(nèi)的鎢電極104表面沉積相變材料105，使所述相變材料105填滿所述絕緣凹槽103并覆蓋于所述絕緣層102的上表面。通過物理氣相沉積法PVD、化學氣相沉積法CVD、原子層沉積法ALD、電鍍、溶膠凝膠法或金屬有機物沉積法制備所述相變材料105，在本實施例中，采用化學氣相沉積法沉積所述相變材料105。所述相變材料105的形狀為與所述絕緣凹槽103孔徑相等的圓柱形。如圖 Γ圖10所示，接著進行步驟6)，利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層102的上表面的相變材料105拋除，然后利用光刻刻蝕工藝刻蝕填充于所述絕緣凹槽103內(nèi)的相變材料105，使所述相變材料105及所述鎢電極104的厚度之和小于所述絕緣凹槽103的深度。在本實施例中，所述相變材料105的厚度為l(T200nm。如圖11所示，接著進行步驟7)，于所述絕緣凹槽103內(nèi)的相變材料105表面沉積中間金屬層106，使所述中間金屬層106填滿所述絕緣凹槽103并覆蓋于所述絕緣層102的
上表面。所述中間金屬層106為通過化學氣相沉積法CVD或者原子層沉積法ALD沉積的鈦、鎢或氮化鈦材料，其中，通過化學氣相沉積法CVD沉積鈦材料的反應方程為TiCl4 (g)+2 (g) — Ti (s)+4HCl(g)，通過化學氣相沉積法CVD沉積鎢材料的反應方程為WF6 (g) +3 (g) — W (s) +6HF (g)，通過化學氣相沉積法CVD沉積氮化鈦材料的反應方程為T iCl4 (g) +2 (g) +12N2 (g) - TiN (s) +4HC1 (g)，通過原子層沉積法ALD沉積鈦材料的反應方程為2Ti (CH3) 3 (g) +9 (g) — 2Ti (s) +6CH4 (g)，通過原子層沉積法ALD沉積鎢材料的反應方程為W(CH3) 6(g)+3H2(g) — W(s)+6CH4(g);通過原子層沉積法ALD沉積氮化鈦材料的反應方程為Ti (CH3) 3(g)+NH3 (g) — TiN(s)+3CH4(g)。在本實施例中，通過化學氣相沉積法制作所述中間金屬層106，且所述中間金屬層106的材料為鎢。所述中間金屬層106的形狀為與所述絕緣凹槽103孔徑相等的圓柱形。如圖12 圖13所示，接著進行步驟8)，利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層102的上表面的中間金屬層106拋除，然后利用光刻刻蝕工藝刻蝕填充于所述絕緣凹槽103內(nèi)的中間金屬層106，使所述相變材料105、所述鎢電極104及所述中間金屬層106的厚度之和小于所述絕緣凹槽103的深度。在本實施例中，所述中間金屬層106的厚度為l(T200nm。如圖14所示，接著進行步驟9)，于所述絕緣凹槽103內(nèi)的相變材料105表面沉積硫系化合物開關(guān)層11，使所述硫系化合物開關(guān)層11填滿所述絕緣凹槽103并覆蓋于所述絕緣層102的上表面；如圖15所示，接著進行步驟10)，利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層102的上表面的硫系化合物開關(guān)層11拋除，使沉積于所述絕緣凹槽103內(nèi)的硫系化合物開關(guān)層11的頂面與所述絕緣層102的上表面共平面。所述硫系化合物開關(guān)層11的形狀為與所述中間金屬層106直徑相等的圓柱形，且所述硫系化合物開關(guān)層11的厚度為l(T200nm，其上表面與所述絕緣層102的上表面共平面，其材料可以是含Al、As、Sb、Te、S、Se元素中至少兩種元素的硫系化合物薄膜材料或其他材料，在本實施例中，所述硫系化合物開關(guān)層11的材料為GeTe4、Al5As2Te3^ Al5Sb2Te3^Al5Sb2Se3、Al5Sb2S3、GeAl5As2Te3、GeAl5Sb2Te3、GeAl5Sb2Se3、及 GeAl5Sb2S3 中的任意一種。由于所述相變材料105及所述硫系化合物開關(guān)層11均被限制于所述絕緣凹槽103內(nèi)，不僅保證了相變材料105的加熱效率，減少其熱量的損失，而且減少了選通開關(guān)所占的體積，有效增加了存儲器的集成度、存儲密度及存儲容量。最后進行步驟11)，制作連接于所述金屬層101的字線12及連接于所述硫系化合物開關(guān)層11位線13，以完成所述限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作。以上為制作一個相變存儲單元10的實施例，而在實際的操作過程中，依據(jù)上述方法可同時制備多個相變存儲單元10形成相變存儲陣列，具體可依據(jù)上述方法在絕緣層102上同時形成多個絕緣凹槽103、于多個絕緣凹槽103內(nèi)依次形成多個鎢電極104、多個相變材料105、多個中間金屬層106及多個硫系化合物開關(guān)層11，然后依據(jù)相變存儲單元10的位置刻蝕位于絕緣層102低面的金屬層101以隔出多個與各該存儲單元對應的相互獨立的金屬層101電極，最后制作位線13和字線12完成制作。為了進一步說明本發(fā)明的有益效果，請參閱圖16及圖17，圖16顯示了本專利提出的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器在操作過程中器件內(nèi)部的電場和溫度場分布模擬圖。穿過存儲介質(zhì)相變材料的電場線之間相互平行，反應出平行電場特性。這意味著電流是以平行的方式流經(jīng)存儲介質(zhì)的。圖17顯示了傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)相變存儲器存儲部分在操作時的電場及溫度分布模擬圖。電場自W電極到上電極呈發(fā)散狀態(tài)。圖16所示結(jié)構(gòu)中相變存儲介質(zhì)被限制在凹槽中，改變存儲狀態(tài)時所需相變的材料體積小，相變所需能量少。同時由于結(jié)構(gòu)對電流方向的限制，使電流平行流經(jīng)相變存儲介質(zhì)，提高了電流的加熱效率，從而提高了能量的利用率。而圖17中所示的相變區(qū)域不受結(jié)構(gòu)限制，體積大于圖16中所需相變的區(qū)域，呈蘑菇型。同時發(fā)散型電流降低了電流密度，降低了加熱效率。因此，本專利提出的結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)能有效降低相變存儲器的操作功耗。通過模擬發(fā)現(xiàn)，圖16所示結(jié)構(gòu)由于電流加熱區(qū)域相比圖17更集中，溫度在被加熱區(qū)域分布相對更均勻。而均勻的溫度分布能提高元素分布 的均勻性，減少元素偏析的可能性。存儲介質(zhì)除上下與電極接觸，四周均被SiO2包裹，有效抑制了元素朝四周擴散。傳統(tǒng)器件中被加熱相變材料四周均為相同的相變材料，而這些相變材料并不能起到防止元素擴散的作用。對每個相變單元中存儲介質(zhì)相變材料的限制不僅能降低功耗抑制擴散，而且能提高不同單元之間操作參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性。由于不同單元之間中存儲媒介的相變區(qū)域受限制，因此不同單元中材料相變所需的能量更相近，對應的操作信號更一致。限制結(jié)構(gòu)所帶來的操作信號一致性的增強和元素擴散的抑制都有利于器件的循環(huán)操作能力的提高。在傳統(tǒng)的T型相變存儲器中，發(fā)散的電流意味著電流密度不均勻。不均勻的電流密度會使開關(guān)層在電流密度大的區(qū)域提前進入導通狀態(tài)，體現(xiàn)出低電阻值。由于開關(guān)層局部出現(xiàn)低電阻值的導電通路，這部分區(qū)域的電流密度將進一步增加，出現(xiàn)局部高溫區(qū)域。局部高溫區(qū)域的出現(xiàn)會增加開關(guān)層材料微觀原子排布遭到破壞的情況的可能性，即在高溫下開關(guān)層將局部晶化或產(chǎn)生元素偏析情況，使該區(qū)域始終處于低電阻狀態(tài)，導致該區(qū)域開關(guān)功能的喪失。連接開關(guān)層上下兩端的局部低電阻區(qū)域的存在將為電流提供一直存在的通道，進而使開關(guān)層失去開關(guān)作用，導致選通器失效。而在限制結(jié)構(gòu)相變存儲器中，電流流向受到約束，使流經(jīng)開關(guān)層的電流為平行均勻電流。平行均勻電流能使開關(guān)層減少局部導通現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性，避免局部高溫導致的開關(guān)層失效的產(chǎn)生。局部導通現(xiàn)象得到抑制，開關(guān)打開時開關(guān)層內(nèi)導通區(qū)域固定，這有利于選通開關(guān)所需電信號的穩(wěn)定性，使選通開關(guān)更易控制，更易準確選中。因此，限制型結(jié)構(gòu)具有保護開關(guān)層，確保開關(guān)層循環(huán)使用壽命的作用。對比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，限制結(jié)構(gòu)提供的平行均勻電場和固定體積的相變區(qū)域不僅增強了操作信號一致性和抑制了元素擴散，同時增強了選通開關(guān)所需電信號的穩(wěn)定性，使選通開關(guān)更易控制，更易準確選中。操作參數(shù)穩(wěn)定性和一致性的提高，相變材料和開關(guān)層內(nèi)電流分布和熱分布更均勻都有利于器件的循環(huán)操作能力的提高。綜上所述，本發(fā)明提供一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器及其制作方法。本發(fā)明的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器包括相變存儲陣列、具有閾值電壓開關(guān)特性硫系化合物開關(guān)層11、以及分別連接于相變存儲陣列及硫系化合物開關(guān)層11的字線12及位線13。所述硫系化合物開關(guān)層11在達到閾值電壓之前處于高電阻狀態(tài)，起到關(guān)電路的作用，當電壓超過閾值電壓之后，材料進入低電阻態(tài)，起到開啟電路的作用。這種硫系化合物做成薄膜之后仍然具有閾值電壓開關(guān)特性，并且這類薄膜的制備工藝與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容。利用硫系化合物材料薄膜作為選通開關(guān)的相變存儲器的制備具有步驟少，工藝簡單的特點。同時，利用硫系化合物薄膜制備的選通開關(guān)所占體積小，有利于提高芯片的存儲密度，提高信息容量和降低成本。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因 此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于，至少包括 由多個相變存儲單元組成的相變存儲陣列，用于存儲信息； 連接所述相變存儲陣列中各該相變存儲單元的多條字線及位線，用于定位被操作的相變存儲單元； 連接于所述限制結(jié)構(gòu)相變存儲單元中的相變材料與位線之間的選通開關(guān)，所述選通開關(guān)為具有閾值電壓開關(guān)特性的硫系化合物開關(guān)層； 其中，所述相變存儲單元中的相變材料和所述硫系化合物開關(guān)層均被限制于絕緣凹槽中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述相變存儲單元至少包括 基底，具有金屬層及覆蓋于所述金屬層上的絕緣層，所述絕緣層中具有一深度直達所述金屬層的絕緣凹槽； 鎢電極，填充于所述絕緣凹槽內(nèi)，并結(jié)合于所述金屬層表面； 相變材料，填充于所述絕緣凹槽內(nèi)，并結(jié)合于所述鎢電極表面； 中間金屬層，填充于所述絕緣凹槽內(nèi)并結(jié)合于所述相變材料表面，且所述鎢電極、相變材料及中間金屬層的厚度之和小于所述絕緣凹槽的深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述絕緣凹槽為圓孔狀槽，所述絕緣凹槽的直徑為4(T70nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述鎢電極的形狀為與所述絕緣凹槽孔徑相等的圓柱形，且所述鎢電極的厚度為l(T500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述相變材料的形狀為與所述鎢電極的直徑相等的圓柱形，且所述相變材料的厚度為2(T200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述中間金屬層的形狀為與所述相變材料直徑相等的圓柱形，且所述中間金屬層的厚度為l(T200nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述硫系化合物開關(guān)層填充于所述絕緣凹槽內(nèi)，形狀為與所述絕緣凹槽孔徑相等的圓柱形，且所述硫系化合物開關(guān)層的厚度為l(T200nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求Γ7任意一項所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于在電場作用下，通過所述相變材料及所述硫系化合物開關(guān)層的電流為平行且分布均勻的電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求Γ7任意一項所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述相變材料為利用多晶態(tài)和非晶態(tài)體現(xiàn)出的低高電阻來存儲信息的相變電阻。
10.根據(jù)權(quán)利要求Γ7任意一項所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述硫系化合物開關(guān)層為含Ge、Al、As、Sb、Te、S、Se元素中至少兩種元素的硫系化合物薄膜材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述硫系化合物開關(guān)層為 GeTe4、Al5As2Te3、Al5Sb2Te3、Al5Sb2Se3、Al5Sb2S3、GeAl5As2Te3^ GeAl5Sb2Te3^ GeAl5Sb2Se3^及GeAl5Sb2S3中的任意一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求Γ7任意一項所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述選通開關(guān)的兩端電勢差未超過閾值電壓時，其處于關(guān)閉所述相變材料與位線之間通路的狀態(tài)；所述選通開關(guān)的兩端電勢差超過閾值電壓時，其處于導通所述相變材料與位線之間通路的狀態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述選通開關(guān)處于關(guān)閉所述相變材料與位線之間通路的狀態(tài)下，其電阻值高于與其相連的相變材料在高阻值狀態(tài)下的電阻值。
14.根據(jù)權(quán)利要求Γ7任意一項所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器，其特征在于所述硫系化合物開關(guān)層可在電信號的作用下進行高低阻值之間的揮發(fā)性的可逆轉(zhuǎn)變，所述相變材料可在電信號的作用下進行高低阻值之間的非揮發(fā)性的可逆轉(zhuǎn)變。
15.一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步驟 1)提供一具有金屬層及覆蓋于所述金屬層上的絕緣層的基底； 2)刻蝕所述絕緣層直至所述金屬層，在所述基底上形成直達所述金屬層的絕緣凹槽； 3)于所述基底上沉積鎢電極，并使所述鎢電極填滿所述絕緣凹槽并覆蓋于所述絕緣層的上表面； 4)利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層的上表面的鎢電極拋除，然后利用光刻刻蝕工藝刻蝕填充于所述絕緣凹槽內(nèi)的鎢電極，使所述鎢電極厚度小于所述絕緣凹槽的深度； 5)于所述絕緣凹槽內(nèi)的鎢電極表面沉積相變材料，使所述相變材料填滿所述絕緣凹槽并覆蓋于所述絕緣層的上表面； 6)利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層的上表面的相變材料拋除，然后利用光刻刻蝕工藝刻蝕填充于所述絕緣凹槽內(nèi)的相變材料，使所述相變材料及所述鎢電極的厚度之和小于所述絕緣凹槽的深度； 7)于所述絕緣凹槽內(nèi)的相變材料表面沉積中間金屬層，使所述中間金屬層填滿所述絕緣凹槽并覆蓋于所述絕緣層的上表面； 8)利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層的上表面的中間金屬層拋除，然后利用光刻刻蝕工藝刻蝕填充于所述絕緣凹槽內(nèi)的中間金屬層，使所述相變材料、所述鎢電極及所述中間金屬層的厚度之和小于所述絕緣凹槽的深度； 9)于所述絕緣凹槽內(nèi)的相變材料表面沉積硫系化合物開關(guān)層，使所述硫系化合物開關(guān)層填滿所述絕緣凹槽并覆蓋于所述絕緣層的上表面； 10)利用拋光工藝將覆蓋于所述絕緣層的上表面的硫系化合物開關(guān)層拋除，使沉積于所述絕緣凹槽內(nèi)的硫系化合物開關(guān)層的頂面與所述絕緣層的上表面共平面； 11)制作連接于所述金屬層的字線及連接于所述硫系化合物開關(guān)層位線，以完成所述限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，其特征在于于所述步驟I)中，所述絕緣層為SiO2，所述絕緣層的厚度為5(Tl000nm。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，其特征在于于所述步驟2)中，在所述基底上刻蝕形成的絕緣凹槽為圓孔狀槽，所述圓孔狀槽的孔徑為4(T70nm，且所述圓孔狀槽的深度等于所述絕緣層的厚度。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，其特征在于于 所述步驟3)中，其特點在于，通過化學氣相沉積法CVD或者原子層沉積法ALD沉積所述鎢電極，其中，通過化學氣相沉積法CVD沉積所述鎢電極的反應方程為WF6 (g)+3 (g) -ff(s)+6HF (g);通過原子層沉積法ALD沉積所述鎢電極的反應方程為W (CH3) 6 (g) +3 (g) — W (s) +6CH4 (g)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，其特征在于所述鎢電極的形狀為圓柱形，且所述鎢電極的厚度為l(T500nm。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，其特征在于通過物理氣相沉積法PVD、化學氣相沉積法CVD、原子層沉積法ALD、電鍍、溶膠凝膠法或金屬有機物沉積法制備所述相變材料，所述相變材料的形狀為圓柱形，且所述相變材料的厚度為10 200nm。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，其特征在于所述中間金屬層為通過化學氣相沉積法CVD或者原子層沉積法ALD沉積的鈦、鎢或氮化鈦材料，其中，通過化學氣相沉積法CVD沉積鈦材料的反應方程為TiCl4 (g)+2 (g) — Ti (s)+4HCl(g)，通過化學氣相沉積法CVD沉積鎢材料的反應方程為WF6 (g) +3 (g) — W (s) +6HF (g)，通過化學氣相沉積法CVD沉積氮化鈦材料的反應方程為TiCl4 (g) +2 (g) +12N2 (g) - TiN (s) +4HC1 (g)，通過原子層沉積法ALD沉積鈦材料的反應方程為2Ti (CH3) 3 (g) +9 (g) — 2Ti (s) +6CH4 (g)，通過原子層沉積法ALD沉積鎢材料的反應方程為W(CH3) 6(g)+3H2(g) — W(s)+6CH4(g);通過原子層沉積法ALD沉積氮化鈦材料的反應方程為 Ti (CH3) 3 (g) +NH3 (g) — TiN (s) +3CH4 (g)。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，其特征在于所述中間金屬層的形狀為圓柱形，且所述中間金屬層的厚度為l(T200nm。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的限制結(jié)構(gòu)相變存儲器的制作方法，其特征在于所述硫系化合物開關(guān)層的形狀為圓柱形，且所述硫系化合物開關(guān)層的厚度為l(T200nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種限制結(jié)構(gòu)相變存儲器及其制作方法，所述限制結(jié)構(gòu)相變存儲器包括相變存儲陣列、具有閾值電壓開關(guān)特性的硫系化合物開關(guān)層、以及分別連接于相變存儲陣列及硫系化合物開關(guān)層的字線及位線。所述硫系化合物開關(guān)層在達到閾值電壓之前處于高電阻狀態(tài)，起到關(guān)電路的作用，當電壓超過閾值電壓之后，材料進入低電阻態(tài)，起到開啟電路的作用。這種硫系化合物做成薄膜之后仍然具有閾值電壓開關(guān)特性，并且這類薄膜的制備工藝與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容。利用硫系化合物材料薄膜作為選通開關(guān)的相變存儲器的制備具有步驟少，工藝簡單的特點。同時，利用硫系化合物薄膜制備的選通開關(guān)所占體積小，有利于提高芯片的存儲密度，提高信息容量和降低成本。
文檔編號H01L45/00GK102832338SQ20121032834
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者任堃, 饒峰, 宋志棠 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所