垂直相变存储器及制备方法技术

一种垂直相变存储器，包括：一衬底；一底部电极制作在衬底上；一下电热绝缘材料层制作在底部电极上；一低热导率材料包裹层制作在下电热绝缘材料层上；一上电热绝缘材料层制作在低热导率材料包裹层上；其中所述的下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层的中间有一小孔；一加热电极插塞柱，该加热电极插塞柱位于下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层中间的小孔内；一相变材料插塞柱，该相变材料插塞柱位于下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层中间的小孔内，并位于加热电极插塞柱之上；一顶部电极，该顶部电极制作在上电热绝缘材料层上，并覆盖相变材料插塞柱。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及存储器领域，特别涉及一种。其是在相变 材料插塞的局部用低热导率的材料进行包裹的垂直相变存储器。该方法实现了减小相变材 料层局部的热扩散，提高相变材料插塞局部的加热效率，进而调制相变材料插塞中发生相 变的有效区域的位置，该位置随着低热导率材料包裹层的位置的改变而改变。因此，该方法 在相变存储器的热调控方面具有很大的优越性。
技术介绍
相变存储器(PRAM或者0UM)是由S. R. Ovshinsky在1968年基于硫系化合物薄膜 相变时具有明显的电阻差异而具有存储效应提出来的。它具有高速读取、高可擦写次数、非 易失性、功耗低、成本低、可多级存储、抗强震动和抗辐照等优点，被国际半导体工业协会认 为是最有可能取代目前的Flash存储器，而成为未来存储器的主流产品和最先成为商用产 品的器件。相变存储器自诞生以来已经有很多人对它进行了研究，例如0vOnyX、Intel、IBM、 Samsung.STMicroelectronics,Hitachi等，通过改变相变材料和器件结构等已经使其具备 了良好的性能。相变存储器从高阻态到低阻态(硫系化合物非晶态一晶态)的过程称为set过 程，而将相变存储器从低阻态到高阻态(硫系化合物晶态一非晶态)的过程称为reset过 程。要实现set过程，只要在相变存储器上施加一个宽而低的电脉冲，电流产生的焦耳热使 硫系化合物的温度高于其晶化温度而低于其熔点，这样保证硫系化合物在脉冲施加的过程 中能够形成晶化的导电通道，从而实现器件由高阻态向低阻态的转变。要实现reset过程， 只要在相变存储器上施加一个“瘦高”的电脉冲，电流所产生的焦耳热使导电通道内相变材 料的温度在短时间内升高到熔点以上，随后在“瘦高”电脉冲快速撤除的瞬间，已经熔化的 相变材料由于急速冷却而恢复到非晶态，从而实现低阻态一高阻态的转变。由此可见，焦耳 热在相变过程中起着重要的作用，有效的减小热扩散提高加热效率对相变存储器具有重要 的意义。目前，减小热扩散提高加热效率方法，主要有在电极和相变材料之间增加热阻 层，提高相变材料晶态电阻率等。但是它们的有效相变区域大多都仍然集中在电极附近。由 于电极的热导率通常都比较高，经过电极扩散的热量占了 60-72%。为了更好的实现热扩散 更小加热效率更高的相变存储器，我们提出本专利技术构思。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种，具有热扩散更小加 热效率更高的优点。为达到上述目的，本专利技术提供一种垂直相变存储器，包括一衬底；一底部电极，该底部电极制作在衬底上；一下电热绝缘材料层，该下电热绝缘材料层制作在底部电极上；一低热导率材料包裹层，该低热导率材料包裹层制作在下电热绝缘材料层上；一上电热绝缘材料层，该上电热绝缘材料层制作在低热导率材料包裹层上；其中所述的下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层的中间 有一小孔；一加热电极插塞柱，该加热电极插塞柱位于下电热绝缘材料层、低热导率材料包 裹层和上电热绝缘材料层中间的小孔内；一相变材料插塞柱，该相变材料插塞柱位于下电热绝缘材料层、低热导率材料包 裹层和上电热绝缘材料层中间的小孔内，并位于加热电极插塞柱之上；一顶部电极，该顶部电极制作在上电热绝缘材料层上，并覆盖相变材料插塞柱。其中所述的电热绝缘材料层和上电热绝缘材料层是同一种材料，该下电热绝缘材 料层是氮化物、氧化物、硫化物或其中两种以上材料组成的混合物，该下电热绝缘材料层的 厚度为0-500nm，该上电热绝缘材料层的厚度为0-500nm。其中所述的低热导率材料包裹层103的热导率值低于下电热绝缘材料层102的热 导率值，该低热导率材料包裹层103是氧化硅、富勒烯或空气，该低热导率材料包裹层103 的厚度为0-500nm。其中所述的下电热绝缘材料层和上电热绝缘材料层的厚度不能同时为Onm。其中所述的小孔104的孔径、加热电极插塞柱的直径和相变材料插塞柱的直径为 0-500nmo其中所述的上电热绝缘材料层中间的小孔的深度到底部电极的上表面，露出底部 电极。其中所述的加热电极插塞柱的厚度小于或者等于下电热绝缘材料层的厚度，该加 热电极插塞柱的厚度和相变材料插塞柱的厚度之和等于小孔的深度。本专利技术还提供一种垂直相变存储器的制备方法，该方法包括步骤1 在绝缘或者半导体衬底上面底部电极；步骤2 再依次生长一层下电热绝缘材料层和低热导率材料层和上电热绝缘材料 层；步骤3 在上电热绝缘材料层的中间利用微纳加工技术制备小孔；步骤4 利用化学镀或电镀的方法在小孔内选择性的填充加热电极插塞柱；步骤5 利用化学气相淀积的方法填充相变材料插塞柱，并将小孔填满；步骤6 用化学机械抛光或者反刻蚀的方法，将上电热绝缘材料层的表面剩余的 相变材料去除；步骤7 在上电热绝缘材料层的上方制备顶部电极，完成相变存储器的制备。其中所述的下电热绝缘材料层和上电热绝缘材料层是同一种材料，该下电热绝缘 材料层是氮化物、氧化物、硫化物或其中两种以上材料组成的混合物，该下电热绝缘材料层 的厚度为0-500nm，该上电热绝缘材料层的厚度为0-500nm。其中所述的低热导率材料包裹层的热导率值低于下电热绝缘材料层的热导率 值，该低热导率材料包裹层是氧化硅、富勒烯或空气，该低热导率材料包裹层的厚度为 0-500nmo5的下电热绝缘材料层和上电热绝缘材料层的厚度不能同时为Onm。其中所述的小孔的孔径、加热电极插塞柱的直径和相变材料插塞柱的直径为 0-500nmo其中所述的上电热绝缘材料层中间的小孔的深度到底部电极的上表面，露出底部 电极。其中所述的加热电极插塞柱的厚度小于或者等于下电热绝缘材料层的厚度，该加 热电极插塞柱的厚度和相变材料插塞柱的厚度之和等于小孔的深度。从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果本专利技术提供的这种具有1、低热导率材料包裹层的作用是减小相变材料插塞局部的热扩散，提高相变材料 插塞局部的加热效率，进而调制相变材料插塞中发生相变的有效区域的位置，该位置随着 低热导率材料包裹层的位置和厚度的变化而变化，从而实现了有效相变区域位置的可调控 性。2、可以使有效相变区域远离电极，由于相变材料本身热导率很低(仅约0.25W/ m · K)，使得有效相变区域限制在四周均为低热导率材料的环境中，从而进一步减小了有效 相变区域的热扩散，提高了加热效率。3、结合了化学镀或电镀的方法，在相变材料下面制备了加热电极插塞柱，减小了 相变材料在小孔内所占的体积，进一步提高了加热的效率。附图说明为进一步说明本专利技术的技术特征，结合以下附图，对本专利技术作一详细的描述，其 中图1是本专利技术提供的垂直相变存储器的剖面图；图2是本专利技术提供的垂直相变存储器的制备方法的工艺流程具体实施例方式请参阅图1所示，本专利技术一种垂直相变存储器，包括一衬底 100 ；一底部电极101，该底部电极101制作在衬底100上；一下电热绝缘材料层102，该下电热绝缘材料层102制作在底部电极101上；所述 的下电热绝缘材料层102可以是氮化物，氧化物，硫化物或其中两种以上材料组成的混合 物，低热导率材料包裹层103可以是氧化硅，富勒烯或空气；该下电热绝缘材料层102的厚 度为 0-500nm ；一低热导率材料包裹层103，该低热导率材料包裹层103制作在下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直相变存储器，包括：一衬底；一底部电极，该底部电极制作在衬底上；一下电热绝缘材料层，该下电热绝缘材料层制作在底部电极上；一低热导率材料包裹层，该低热导率材料包裹层制作在下电热绝缘材料层上；一上电热绝缘材料层，该上电热绝缘材料层制作在低热导率材料包裹层上；其中所述的下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层的中间有一小孔；一加热电极插塞柱，该加热电极插塞柱位于下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层中间的小孔内；一相变材料插塞柱，该相变材料插塞柱位于下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层中间的小孔内，并位于加热电极插塞柱之上；一顶部电极，该顶部电极制作在上电热绝缘材料层上，并覆盖相变材料插塞柱。

【技术特征摘要】
一种垂直相变存储器，包括一衬底；一底部电极，该底部电极制作在衬底上；一下电热绝缘材料层，该下电热绝缘材料层制作在底部电极上；一低热导率材料包裹层，该低热导率材料包裹层制作在下电热绝缘材料层上；一上电热绝缘材料层，该上电热绝缘材料层制作在低热导率材料包裹层上；其中所述的下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层的中间有一小孔；一加热电极插塞柱，该加热电极插塞柱位于下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层中间的小孔内；一相变材料插塞柱，该相变材料插塞柱位于下电热绝缘材料层、低热导率材料包裹层和上电热绝缘材料层中间的小孔内，并位于加热电极插塞柱之上；一顶部电极，该顶部电极制作在上电热绝缘材料层上，并覆盖相变材料插塞柱。2.根据权利要求1所述的垂直相变存储器，其中所述的电热绝缘材料层和上电热绝 缘材料层是同一种材料，该下电热绝缘材料层是氮化物、氧化物、硫化物或其中两种以上材 料组成的混合物，该下电热绝缘材料层的厚度为0-500nm，该上电热绝缘材料层的厚度为 0-500nmo3.根据权利要求1所述的垂直相变存储器，其中所述的低热导率材料包裹层103的热 导率值低于下电热绝缘材料层102的热导率值，该低热导率材料包裹层103是氧化硅、富勒 烯或空气，该低热导率材料包裹层103的厚度为0-500nm。4.根据权利要求2所述的垂直相变存储器，其中所述的下电热绝缘材料层和上电热绝 缘材料层的厚度不能同时为Onm。5.根据权利要求1所述的垂直相变存储器，其中所述的小孔104的孔径、加热电极插塞 柱的直径和相变材料插塞柱的直径为0-500nm。6.根据权利要求1所述的垂直相变存储器，其中所述的上电热绝缘材料层中间的小孔 的深度到底部电极的上表面，露出底部电极。7.根据权利要求1所述的垂直相变存储器，其中所述的加热电极插塞柱的厚度小于或 者等于下电热绝缘材料层的厚度，该加热电极插塞柱的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张加勇，王晓峰，马慧莉，程凯芳，王晓东，杨富华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]