技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体集成
电路制造工艺技术领域，更具体地，涉及一种高密度相变存储器及其制备方法。
背景技术
[0002] 随着
大数据、
物联网、
云计算和移动互联网等一系列的新型信息技术的出现，对存储器提出了高读写速度、低功耗、高存储密度、长使用寿命和高可靠性等要求。目前内存的存储方式主要是DRAM+Flash，NAND Flash的集成度高、成本低，但是速度慢、寿命短。DRAM虽然速度快，寿命长，但是掉电后会丢失数据且成本高。因此研发出一种新型的存储技术成为业界近年来的研究热点，该类新型存储技术须同时拥有DRAM和NAND Flash的优点，即读写速度可与DRAM相匹敌，在成本和非易失性方面与NAND Flash相似，而相变存储器正是这类新型存储技术中的一员。
[0003] 目前的相变存储器采用的结构一般是1T1R结构，即1个
三极管加上1个
相变材料电阻，三极管作为相变材料电阻的选通器。但是，由于受到三极管的尺寸限制，无法进一步提高相变存储器的单元密度。
[0004] 近几年，出现1D1R的结构即采用1个
二极管加上1个相变材料电阻的结构。采用二极管替代三极管作为选通器，可以大大降低相变存储器器件单元的尺寸，提高存储器的存储密度。但是，一般传统的二极管驱动
电流不够大，不能满足相变单元的操作电流要求，并且制作工艺复杂。
[0005] 因此，需要一种新型的相变存储单元结构，以满足相变存储器器件的高密度存储的需求。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服
现有技术存在的上述
缺陷，提供一种高密度相变存储器，以有效提高相变存储器单元的密度。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0008] 一种高密度相变存储器，
自下而上包括：
肖特基二极管，相变层和上
电极，所述肖特基二极管包括半导体层和与所述半导体层形成肖特基势垒的金属层，所述金属层同时作为所述相变层的下电极。
[0009] 进一步地，所述高密度相变存储器设于一半导体衬底上，所述半导体层，金属层，相变层和上电极为自下而上相叠设的平层结构。
[0010] 进一步地，所述高密度相变存储器设于一半导体衬底上，所述半导体层，相变层和上电极为自下而上设置的平面结构，所述金属层相连设有平面的底面和竖直的
侧壁，所述金属层通过其底面与其下方的所述半导体层相叠设，并通过其侧壁与其上方的所述相变层相接，所述相变层与上电极相叠设。
[0011] 进一步地，所述半导体层为N型，且所述N型半导体层为具有半导体性质的第一过渡金属硫族化合物，所述金属层为具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物，所述相变层为具有相变能
力的硫系化合物。
[0012] 进一步地，所述第一过渡金属硫族化合物为MoTe2、MoS2、MoSe2、WSe2、ReSe2、TaS2、TaSe2、TaTe2、NbS2、NbSe2和NbTe2中的至少一种；所述第二过渡金属硫族化合物为MoTe2、MoS2和WTe2中的至少一种；所述具有相变能力的硫系化合物为GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系或Sb掺杂体系材料，或者掺杂有Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu或W元素的GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系或Sb掺杂体系材料中的至少一种。
[0013] 进一步地，所述第一过渡金属硫族化合物被轻度掺杂形成N型轻掺杂层，掺杂元素为As或P。
[0014] 一种高密度相变存储器的制备方法，包括以下步骤：
[0015] 步骤S01：提供一P型半导体衬底，在所述P型半导体衬底的表面形成N型的重掺杂层；
[0016] 步骤S02：在所述P型半导体衬底上形成浅
沟道隔离；
[0017] 步骤S03：依次在所述P型半导体衬底表面沉积具有半导体性质的第一过渡金属硫族化合物层和具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物层；
[0018] 步骤S04：依次在上述结构表面沉积具有相变能力的硫系化合物层和上电极层；
[0019] 步骤S05：图形化上电极层、硫系化合物层、第二过渡金属硫族化合物层和第一过渡金属硫族化合物层，在每2个浅沟道隔离之间形成一个由第一过渡金属硫族化合物层和第二过渡金属硫族化合物层组成的肖特基二极管，以及一个由硫系化合物层、第二过渡金属硫族化合物层、上电极层组成的相变单元；其中，所述第二过渡金属硫族化合物层同时作为所述硫系化合物层的下电极。
[0020] 进一步地，所述第一过渡金属硫族化合物层和第二过渡金属硫族化合物层在同一台设备中沉积生长而成。
[0021] 一种高密度相变存储器的制备方法，包括如下步骤：
[0022] 步骤S11：提供一P型半导体衬底，在所述P型半导体衬底的表面形成N型的重掺杂层；
[0023] 步骤S12：在所述P型半导体衬底上形成浅沟道隔离；
[0024] 步骤S13：在所述P型半导体衬底表面沉积具有半导体性质的第一过渡金属硫族化合物层；
[0025] 步骤S14：去除位于浅沟道隔离上的第一过渡金属硫族化合物层，并沉积绝缘材料；
[0026] 步骤S15：在绝缘材料中形成一凹槽，使凹槽的横向尺寸小于2个浅沟道隔离之间距离的2倍，并使第一过渡金属硫族化合物层表面暴露于凹槽底部；
[0027] 步骤S16：在凹槽中沉积具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物；
[0028] 步骤S17：去除位于凹槽底部的浅沟道隔离
位置上的第二过渡金属硫族化合物；
[0029] 步骤S18：沉积绝缘材料，将凹槽
覆盖，并进行平坦化，露出凹槽侧壁上的第二过渡金属硫族化合物；
[0030] 步骤S19：依次在上述结构表面沉积具有相变能力的硫系化合物层和上电极层；
[0031] 步骤S20：图形化上电极层、硫系化合物层，在每2个浅沟道隔离之间形成一个由第一过渡金属硫族化合物层和第二过渡金属硫族化合物层组成的肖特基二极管，以及一个由硫系化合物层、第二过渡金属硫族化合物层、上电极层组成的相变单元；其中，所述第二过渡金属硫族化合物层同时作为所述硫系化合物层的下电极。
[0032] 进一步地，所述第一过渡金属硫族化合物层在沉积时进行原位掺杂形成N型轻掺杂层。
[0033] 本发明具有以下优点：
[0034] 1)肖特基二极管采用具有半导体性质的第一过渡金属硫族化合物和金属性质的第二过渡金属硫族化合物组成，金属性质的第二过渡金属硫族化合物
薄膜还同时作为相变层的下电极，在此薄膜上直接沉积相变材料和上电极，形成由一个肖特基二极管和一个相变单元组成的相变存储器器件单元。
[0035] 2)通过侧壁生长具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物材料，大大降低了其作为下电极与相变材料的
接触面积，可以大幅降低器件功耗。
[0036] 3)采用本发明制备方法形成的肖特基二极管与相变材料电阻的1D1R结构的单元尺寸很小，可以提升相变存储器的单元密度，实现相变存储器的高密度存储。
[0037] 4)通过肖特基二极管和相变单元共享金属层，可以减少
光刻次数，简化工艺，降低制造成本。
附图说明
[0038] 图1是本发明较佳
实施例一的一种高密度相变存储器结构示意图。
[0039] 图2-图7是制备图1的一种高密度相变存储器的工艺步骤示意图。
[0040] 图8是本发明较佳实施例二的一种高密度相变存储器结构示意图。
[0041] 图9-图19是制备图8的一种高密度相变存储器的工艺步骤示意图。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0043] 需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、
变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
[0044] 实施例一
[0045] 在以下本发明的具体实施方式中，请参考图1，图1是本发明较佳实施例一的一种高密度相变存储器结构示意图。如图1所示，本发明的一种高密度相变存储器，自下而上包括：肖特基二极管105和106，相变层107和上电极108。其中，肖特基二极管包括半导体层105和能与半导体层105形成肖特基势垒的金属层106；金属层106同时作为相变层107的下电极。
[0046] 本发明的高密度相变存储器可设于一半导体衬底101上。半导体层105，金属层106，相变层107和上电极108为自下而上相叠设的平层结构。
[0047] 本实施例中，肖特基二极管可由N型半导体层105和能与此N型半导体层105形成肖特基势垒的金属层106组成。其中，N型半导体层105可为具有半导体性质的第一过渡金属硫族化合物；能与N型半导体层形成肖特基势垒的金属层106可为具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物。金属层106同时也是相变层107的下电极，相变层107可为具有相变能力的硫系化合物。
[0048] 第一过渡金属硫族化合物可为MoTe2、MoS2、MoSe2、WSe2、ReSe2、TaS2、TaSe2、TaTe2、NbS2、NbSe2和NbTe2中的至少一种。
[0049] 第二过渡金属硫族化合物可为MoTe2、MoS2和WTe2中的至少一种。
[0050] 过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenide，TMD)的化学式为MX2型，其中M为金属，X代表硫族元素(如S、Se、Te)。由于TMD材料的带隙与
硅很接近，近年来常被用于制备二维晶体管。
[0051] 具有相变能力的硫系化合物可为GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系或Sb掺杂体系材料，或者掺杂有Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W等元素的上述硫系化合物体系的材料中的至少一种。
[0052] 第一过渡金属硫族化合物在沉积时进行原位掺杂，可被轻度掺杂形成N型轻掺杂层，掺杂元素可为As或P等。
[0053] 实施例二
[0054] 请参考图2-图7，图2-图7是制备图1的一种高密度相变存储器的工艺步骤示意图。如图2-图7所示，本发明的一种高密度相变存储器的制备方法，可用于制备上述实施例一中的一种高密度相变存储器，并可包括以下步骤：
[0055] 步骤S01：提供一P型半导体衬底，在所述P型半导体衬底的表面形成N型的重掺杂层。
[0056] 如图2所示，可采用常规P型Si衬底101，在P型Si衬底101上通过
离子注入，在表面形成N型的重掺杂层102。在本实施例中，注入元素可以是As。
[0057] 步骤S02：在所述P型半导体衬底上形成浅沟道隔离。
[0058] 如图3所示，通过光刻
刻蚀，在P型Si衬底101上形成凹槽103，并使凹槽的深度超过所述的重掺杂夹层102，直至下方衬底中。
[0059] 如图4所示，在凹槽中填充绝缘材料，可为SiO2，并通过
抛光工艺平坦化晶片表面，形成浅沟道隔离(STI)104。
[0060] 步骤S03：依次在所述P型半导体衬底表面沉积具有半导体性质的第一过渡金属硫族化合物层和具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物层。
[0061] 如图5所示，依次在晶片表面沉积具有半导体性质的第一过渡金属硫族化合物105和具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物106。第一过渡金属硫族化合物和第二过渡金属硫族化合物可在同一台设备中沉积生长，可以采用
化学气相沉积或者
原子层沉积的方法。
[0062] 在本实施例中，第一过渡金属硫族化合物105可为MoS2，第二过渡金属硫族化合物106可为MoTe2，他们在同一台化学气相沉积设备中连续生长，有效减少了2种薄膜之间的界面缺陷，减低了接触电阻，提高了肖特基二极管的电学性能。
[0063] 步骤S04：依次在上述结构表面沉积具有相变能力的硫系化合物层和上电极层。
[0064] 如图6所示，具有相变能力的硫系化合物107可为GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系和In3SbTe2体系、Sb掺杂体系或者掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W等元素的上述硫系化合物体系的材料中的至少一种。在本实施例中，依次在晶片表面沉积具有相变能力的硫化物107和上电极108，采用的硫化物为C掺杂的Ge2Sb2Te5，上电极为TiN。
[0065] 步骤S05：图形化上电极层、硫系化合物层、第二过渡金属硫族化合物层和第一过渡金属硫族化合物层，在每2个浅沟道隔离之间形成一个由第一过渡金属硫族化合物层和第二过渡金属硫族化合物层组成的肖特基二极管，以及一个由硫系化合物层、第二过渡金属硫族化合物层、上电极层组成的相变单元；其中，所述第二过渡金属硫族化合物层同时作为所述硫系化合物层即相变电阻的下电极。
[0066] 如图7所示，可通过光刻刻蚀工艺图形化上电极108、具有相变能力的硫化物107、第二过渡金属硫族化合物106和第一过渡金属硫族化合物105，将STI104上方的所有薄膜去除，最后在2个STI104之间形成由一个肖特基二极管105和106和一个相变单元107、106和108组成的相变存储器器件单元109。相变存储器器件单元109的横向尺寸小于2个STI104之间的距离。
[0067] 实施例三
[0068] 请参考图8，图8是本发明较佳实施例二的一种高密度相变存储器结构示意图。如图8所示，本发明的一种高密度相变存储器，自下而上包括：肖特基二极管205和208，相变层211和上电极212。肖特基二极管包括半导体层205和能与半导体层形成肖特基势垒的金属层208。金属层208同时作为相变层的下电极。
[0069] 与实施例一不同的是，本实施例中，高密度相变存储器可设于一半导体衬底201上；半导体层205，相变层211和上电极212为自下而上设置的平面结构，金属层208相连设有平面的底面和竖直的侧壁，即具有例如“L”形的截面形态；金属层208通过其底面与其下方的半导体层205相叠设，并通过其侧壁与其上方的相变层211相接，相变层211与上电极212相叠设。
[0070] 在高密度相变存储器之间可填充介质层绝缘材料210和206。本实施例的其他特征可参考实施例一加以理解，不再赘述。
[0071] 实施例四
[0072] 请参考图9-图19，图9-图19是制备图8的一种高密度相变存储器的工艺步骤示意图。如图9-图19所示，本发明的一种高密度相变存储器的制备方法，可用于制备上述实施例三中的一种高密度相变存储器，并可包括以下步骤：
[0073] 步骤S11：提供一P型半导体衬底，在所述P型半导体衬底的表面形成N型的重掺杂层。
[0074] 如图9所示，可采用常规P型Si衬底201，在P型Si衬底201上通过离子注入，在表面形成N型的重掺杂层202。在本实施例中，注入元素可以是P元素。
[0075] 步骤S12：在所述P型半导体衬底上形成浅沟道隔离。
[0076] 如图10所示，可通过光刻刻蚀，形成凹槽203，并使凹槽的深度超过重掺杂夹层202。
[0077] 如图11所示，在凹槽中填充绝缘材料，可为SiO2，并通过抛光工艺平坦化晶片表面，形成浅沟道隔离(STI)204。
[0078] 步骤S13：在所述P型半导体衬底表面沉积具有半导体性质的第一过渡金属硫族化合物层。
[0079] 如图12所示，在晶片表面沉积具有半导体性质的第一过渡金属硫族化合物205，第一过渡金属硫族化合物可采用WSe2，并且进行原位P元素掺杂，形成N型轻掺杂层205。
[0080] 步骤S14：去除位于浅沟道隔离上的第一过渡金属硫族化合物层，并沉积绝缘材料。
[0081] 如图13所示，通过光刻刻蚀，去除STI204上的部分第一过渡金属硫族化合物材料，使在2个STI204之间的N型轻掺杂层205的横向尺寸小于2个STI之间的距离。
[0082] 沉积的绝缘材料206可为SiO2。
[0083] 步骤S15：在绝缘材料中形成一凹槽，使凹槽的横向尺寸小于2个浅沟道隔离之间距离的2倍，并使第一过渡金属硫族化合物层表面暴露于凹槽底部。
[0084] 如图14所示，通过光刻刻蚀工艺，形成一凹槽207，并使凹槽207的横向尺寸小于2个STI204之间距离的2倍，凹槽207深度为绝缘材料206的厚度。
[0085] 步骤S16：在凹槽中沉积具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物。
[0086] 如图15所示，在凹槽207中沉积具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物208。第二过渡金属硫族化合物可为WTe2。
[0087] 步骤S17：去除位于凹槽底部的浅沟道隔离位置上的第二过渡金属硫族化合物。
[0088] 如图16所示，通过光刻刻蚀，去除STI204上的部分第二过渡金属硫族化合物材料，形成凹槽209，并使凹槽的横向尺寸大于STI的尺寸。
[0089] 步骤S18：沉积绝缘材料，将凹槽覆盖，并进行平坦化，露出凹槽侧壁上的第二过渡金属硫族化合物。
[0090] 如图17所示，沉积的绝缘材料210可为SiO2；然后通过
化学机械抛光工艺去除表面的绝缘材料和其下方多余的第二过渡金属硫族化合物材料。经化学机械抛光工艺后，凹槽的高度将低于原高度，凹槽侧壁上的第二过渡金属硫族化合物也将露出于晶片表面。
[0091] 步骤S19：依次在上述结构表面沉积具有相变能力的硫系化合物层和上电极层。
[0092] 如图18所示，依次在晶片表面沉积具有相变能力的硫化物211和上电极212，采用的硫化物可为Sc0.2Sb2Te3，上电极可为TiN。
[0093] 步骤S20：图形化上电极层、硫系化合物层，在每2个浅沟道隔离之间形成一个由第一过渡金属硫族化合物层和第二过渡金属硫族化合物层组成的肖特基二极管，以及一个由硫系化合物层、第二过渡金属硫族化合物层、上电极层组成的相变单元；其中，所述第二过渡金属硫族化合物层同时作为所述硫系化合物层即相变电阻的下电极。
[0094] 如图19所示，通过光刻刻蚀工艺图形化上电极212、具有相变能力的硫化物211，最后在2个STI204之间形成由一个具有侧壁结构的肖特基二极管205和208和一个相变单元211、208和212组成的相变存储器器件单元213。其中，相变存储器器件单元213的横向尺寸小于2个STI204之间的距离。
[0095] 本实施例通过侧壁生长具有金属性质的第二过渡金属硫族化合物材料，大大降低了其作为下电极与相变材料的接触面积，可以大幅降低器件功耗。并且采用此制备方法形成的肖特基二极管与相变材料电阻的1D1R结构的单元尺寸很小，可以提升相变存储器的单元密度，实现相变存储器的高密度存储。另外，通过肖特基二极管和相变单元共享金属层，可以减少光刻次数，简化工艺，降低制造成本。
[0096] 以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的
专利保护范围，因此凡是运用本发明的
说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
