[發明專利]一種相變存儲器元件及其制作方法

有效

• 申請號: 201010274993.3
• 申請日: 2010-09-03
• 公開（公告）號: CN102386323A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 洪中山
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 董巍;徐丁峰

技術領域

本發明涉及半導體制造工藝，特別涉及一種相變存儲器元件及其制作方法。

背景技術

相變材料(例如Ge-Sb-Te相變材料)通過電脈沖引起的局部發熱而將其相態轉變為晶態和非晶態，相變存儲器元件就是利用這一特性存儲二進制信息的半導體器件。相變存儲器元件是基于電阻的存儲器，通過相變材料在晶態和非晶態間的轉換而相應呈現低阻和高阻的電阻特性來達到存儲二進制信息的目的。在相變存儲器元件中，存儲二進制信息的存儲器元件包括相變層和電極。

圖1是現有技術的相變存儲器元件的截面圖。如圖1所示，相變存儲器元件100包括底部電極101、相變層102和頂部電極103。不同強度的電流流經相變層102，通過電流流過相變層102所產生的熱效應將相變材料由晶態(SET態)轉變為非晶態(RESET態)，即可以對相變材料進行復位(RESET)操作。而將相變材料由非晶態轉變為晶態的操作相應稱為置位(SET)。當進行SET操作時，需要施加一個長且強度中等的電壓或電流脈沖，使相變材料的溫度升高到結晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時間(一般大于50ns)，使相變材料由非晶態轉化為晶態，由高阻變為低阻。當進行RESET操作時，需要施加一個短而強的電流脈沖，將電能轉變成熱能，使相變材料的溫度升高到熔化溫度以上，經快速冷卻就可以實現相變材料的由晶態向非晶態的轉化，即由低阻變為高阻，從而實現基于電阻的存儲器功能。

在相變存儲器元件中，相變層從晶態到非晶態的轉變過程需要較高的溫度。一般情況下，通過底部電極對相變層進行加熱，頂部電極僅僅起到互連的作用，因此，底部電極對相變層的加熱效果的好壞直接影響到相變存儲器元件的讀寫速率。為了獲得良好的加熱效果，相變存儲器元件一般采用較大的驅動電流，其寫操作電流要達到1mA左右，但是驅動電流不能無限制地上升，大驅動電流會造成外圍驅動電路以及邏輯器件的小尺寸化困難。還有一種提高加熱效果的方法是，縮小底部電極與相變層的接觸面積，提高接觸電阻。然而現有工藝中，底部電極的形成過程主要是先在層間介電層中形成孔，然后填充金屬。通常刻蝕形成孔的頂部寬度都大于底部寬度，導致所形成的底部電極呈倒喇叭狀，因此難以進一步縮小底部電極與相變層之間的接觸面積。另外，由于光刻機曝光極限的限制，僅由光刻無法定義出滿足工藝要求的底部電極。

因此，需要一種在底部電極與相變層之間具有較小接觸面積的相變存儲器元件及其制作方法，來提高底部電極對相變層的加熱效率，從而提高相變存儲器元件的讀寫速度。

發明內容

在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。

本發明提供了一種相變存儲器元件，包括：底部電極；納米顆粒，所述納米顆粒位于所述底部電極的上表面；絕緣層，所述絕緣層形成在所述底部電極的上表面未被所述納米顆粒覆蓋的區域；相變層，所述相變層形成在所述納米顆粒和所述絕緣層之上，并且位于所述底部電極的正上方；以及頂部電極，所述頂部電極形成在所述相變層上對準所述底部電極的位置，其中，所述納米顆粒用于電連接所述底部電極和所述相變層。

根據本發明一個方面，所述納米顆粒的平均直徑為1-10nm。

根據本發明一個方面，所述納米顆粒由金屬制成，所述金屬包括鉑、金、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鎵、鋯、鈮、鉬、銀、銦、錫、銻、鉭、鎢中的一種或多種。

根據本發明一個方面，所述底部電極的材料為Si或摻雜多晶硅。

根據本發明一個方面，所述絕緣層的厚度大于等于1.5nm，并且與所述納米顆粒的平均直徑之間的差異小于等于10nm。

本發明還提供了一種制作相變存儲器元件的方法，包括：提供前端器件結構，所述前端器件結構包括第一介電層和露出表面的底部電極，所述第一介電層包圍所述底部電極的四周；在所述前端器件結構的上表面形成納米顆粒；在所述底部電極的上表面未被所述納米顆粒覆蓋的區域形成絕緣層；在所述前端器件結構上形成第二介電層和相變層，其中，所述相變層位于所述底部電極的正上方，所述第二介電層包圍所述相變層的四周；在所述第二介電層和相變層上形成第三介電層和頂部電極，其中，所述第三介電層包圍所述頂部電極的四周，且所述頂部電極形成在所述相變層上對準所述底部電極的位置。

根據本發明另一個方面，所述納米顆粒是通過原子層沉積法結合退火工藝形成的。