一種三維相變存儲器結(jié)構(gòu)及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及存儲器領(lǐng)域,尤其涉及一種三維相變存儲器結(jié)構(gòu)及制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導體存儲器主要以速度,功耗,價格,循環(huán)壽命和非揮發(fā)性等指標衡量其水平。目前已有的諸多半導體存儲技術(shù),包括易失性存儲技術(shù)如SRAM和DRAM,和非易失性存儲技術(shù)(如EEPR0M,F(xiàn)lash,鐵電存儲器和相變存儲器等)。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技術(shù),尋找一種理想的,基于硅材料的半導體工藝,可用于大批量生產(chǎn),使其存儲性能具有高容量低成本,高速度并且數(shù)據(jù)保持力良好,同時又可靠性高,操作電壓低,功耗小的存儲器。
[0003]相變存儲器是一種新型的非易失性存儲器,被認為最有可能在將來替代閃存成為主流非易失性存儲器,其具有操作電壓低,讀取速度快,可以位操作,擦寫速度遠遠快于閃存,制造工藝簡單且與現(xiàn)在成熟的CMOS工藝兼容等特點,從而能夠很容易將其存儲單元縮小至較小的尺寸,滿足高集成密度的需求。
[0004]目前存儲器往高速度,高集成密度,存儲容量大的方向發(fā)展,3DNAND技術(shù)的應(yīng)運而生。3D NAND是一種新興的閃存類型,通過把存儲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已接近其實際擴展極限,給半導體存儲器行業(yè)帶來嚴峻挑戰(zhàn)。新的3D NAND技術(shù),垂直堆疊了多層數(shù)據(jù)存儲單元,具備卓越的精度。基于該技術(shù),可打造出存儲容量比同類NAND技術(shù)高達數(shù)倍的存儲設(shè)備。該技術(shù)可支持在更小的空間內(nèi)容納更高存儲容量,進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類移動設(shè)備和要求最嚴苛的企業(yè)部署的需求
[0005]相變存儲器也在往三維方向發(fā)展,由于相變材料的技術(shù)瓶頸,三維相變存儲器堆疊的存儲單元層數(shù)遠遠小于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)計一種可以實現(xiàn)高集成密度,大容量的三維相變存儲器結(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)堆疊存儲器單元以實現(xiàn)高集成密度的大容量的三維相變存儲器。
[0007]為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種三維相變存儲器,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]進一步地,三維相變單元溝道垂直,可以實現(xiàn)32?96層堆疊。
[0009]進一步地,一次性光刻刻穿多層堆疊的存儲單元之間的垂直溝道。
[0010]進一步地,存儲單元材料沿著垂直方向沉積在溝道側(cè)壁上。
[0011]進一步地,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]進一步地,所述三維相變存儲器被配置為進行寫操作時,給一個M0S管的柵極提供電壓,可以一個單元的寫入,而進行擦除操作時,鏈式結(jié)構(gòu)上的存儲單元都被選中,數(shù)據(jù)同時被擦除。
[0013]進一步地,相變材料可選SixSb、TixSb、AlxSb、ffxSb等,在銻中摻雜硅,鈦,鋁,鎢等形成存儲材料。
[0014]進一步地,本發(fā)明所述如SixSb材料通過化學氣相沉積形成,可選SiH4,SbCl3,SbCl5S Sb 3C15等非有機金屬氣源,本發(fā)明中使用的氣源如SbCl 3具有低成本且沸點在220.3°C等特點。
[0015]進一步地,所述三維相變存儲器具有與3D NAND相似的結(jié)構(gòu),其特點在于可以使用3D NAND工廠的設(shè)備進行三維相變存儲器的生產(chǎn),可以重復使用舊設(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)備的費用。
[0016]進一步地其特征在于,本發(fā)明提出的銻系材料三維相變存儲器具有高的深寬比,物理氣相沉積通常通過濺射的方式實現(xiàn),材料沉積不均勻,一般情況只能疊加4?8層存儲介質(zhì),本發(fā)明中相變材料的沉積使用化學氣相沉積方式,能夠?qū)崿F(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)的沉積,實現(xiàn)多層堆疊。
[0017]本發(fā)明還提供了一種三維相變存儲器的制造方法,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,利用化學機械拋光將表面平坦化,犧牲層的數(shù)量即是存儲器的層數(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]進一步地,所述氧化物為氧化硅。
[0030]進一步地,所述氮化物為氮化硅;
[0031]進一步地,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)需要存儲和分析,這就要求存儲器往高密度,大容量方向發(fā)展,3D存儲器的發(fā)展順應(yīng)潮流,成為必不可擋的趨勢。
[0034]本發(fā)明提出一種基于銻系化合物的三維相變存儲器,具有操作電壓低,讀取速度快,可以位操作,擦寫速度遠遠快于閃存,高存儲容量,集成密度大等特點。本發(fā)明提出的相變存儲器單元采用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器,其特征在于所述三維相變單元溝道垂直,可以實現(xiàn)多層堆疊,32?96層堆疊,實現(xiàn)高集成密度,大容量存儲。
[0037]本發(fā)明所述三維相變存儲器,其特征在于可以一次性光刻刻穿多層堆疊的存儲單元之間的垂直溝道。
[0038]本發(fā)明所述三維相變存儲器,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,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M0S管的驅(qū)動能力。
[0039]本發(fā)明所述三維相變存儲器,其特征在于存儲器結(jié)構(gòu)為鏈式結(jié)構(gòu),M0S管和相變單元并聯(lián)起來,存儲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器,其特征在于寫操作時,給一個M0S管的柵極提供電壓,可以一個單元的寫入,而擦操作時,鏈式結(jié)構(gòu)上的存儲單元都被選中,數(shù)據(jù)同時被擦除。
[0042]本發(fā)明所述三維相變存儲器,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材料通過化學氣相沉積形成,可選SiH4,SbCl3,SbCl5S Sb 3C15等非有機金屬氣源。
[0043]本發(fā)明所述三維相變存儲器,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,通常沉積會產(chǎn)生斜坡,導致溝道不垂直,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氣相沉積方式,材料選擇SixSb,可以實現(xiàn)多層疊加,實現(xiàn)大容量存儲。
[0044]本發(fā)明所述三維相變存儲器,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到20?200納秒,相對而言保持力降低,本發(fā)明中所述相變材料,可通過調(diào)節(jié)硅含量,控制相