本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種二維相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器是一種新興的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，它是通過(guò)電脈沖使相變材料在有序的晶態(tài)(電阻低)和無(wú)序的非晶態(tài)(電阻高)進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)化從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。相變存儲(chǔ)器具有速度快，更容易縮小到較小尺寸，可靠性高等特點(diǎn)，很可能是閃存技術(shù)的替代者。目前美國(guó)的Micron公司已經(jīng)宣布了45nm相變存儲(chǔ)器的量產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)高容量、低功耗、快速的相變存儲(chǔ)器，目前主要是通過(guò)減小相變材料體積或減小加熱電極尺寸的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如Samsung公司的Confine結(jié)構(gòu)主要是減小相變材料的體積，Micron公司的utrench狹縫加熱電極結(jié)構(gòu)主要是減小加熱電極的尺寸。但是目前基于相變材料的相變存儲(chǔ)器均是基于三維的體單元結(jié)構(gòu)，且相變時(shí)都是通過(guò)電加熱相變材料到熔化狀態(tài)(500～600℃)然后再使其晶化或非晶化，因此此物理過(guò)程決定了不可能實(shí)現(xiàn)超低能量的操作。通過(guò)上述方法雖然操作電流可以降低到200uA的量級(jí)，但仍然不能滿足未來(lái)手持系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器超低功耗的要求。同時(shí)現(xiàn)有技術(shù)中隨著存儲(chǔ)器單元尺寸的進(jìn)一步縮小，例如在32nm、22nm、16nm工藝節(jié)點(diǎn)，操作電流雖然也在縮小，但是電流密度卻越來(lái)越大，使得相變存儲(chǔ)器的穩(wěn)定性變差。中國(guó)專利(公開號(hào)：CN103325940A)提供了一種相變存儲(chǔ)器單元及其制造方法，在不增加工藝復(fù)雜度的情況下，巧妙簡(jiǎn)單地在第一下電極與相變材料層之間形成具有真空孔洞的第二下電極，提高器件的加熱效率促使恰好能夠?qū)崿F(xiàn)RESET操作的有效操作區(qū)域減小，不僅降低功耗，減低操作電流，尤其是減小多晶向非晶轉(zhuǎn)化時(shí)的操作電流，還可以提高器件的熱穩(wěn)定性，其中，一方面減小器件操作對(duì)周圍存儲(chǔ)單元的串?dāng)_，提高器件密度，另一方面減小多晶向非晶轉(zhuǎn)化造成成分偏析的程度，有效地提升器件良率和讀寫次數(shù)。從而，應(yīng)用本發(fā)明相變存儲(chǔ)器單元的相變存儲(chǔ)器具有低功耗、高密度和高熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的寫入、擦除和讀出功能的非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。中國(guó)專利(公開號(hào)：CN101931049A)本發(fā)明公開了一種低功耗抗疲勞的相變存儲(chǔ)器單元，包括：下電極，位于下電極之上的介質(zhì)材料過(guò)渡層，位于介質(zhì)材料過(guò)渡層之上的復(fù)合相變材料層以及復(fù)合相變材料層之上的上電極；介質(zhì)材料過(guò)渡層采用第一介質(zhì)材料,為Ta2O5、TiO2、CeO2中的一種或多種；復(fù)合相變材料層為相變材料和第二介質(zhì)材料構(gòu)成的復(fù)合材料；第二介質(zhì)材料為SiO2、HfO2、Ta2O5、TiO2、CeO2中的一種或多種。該發(fā)明還提供了制備該低功耗抗疲勞的相變存儲(chǔ)器單元的方法，所得相變存儲(chǔ)器單元可減小熱量損失，防止相變材料揮發(fā)，提高熱穩(wěn)定性，優(yōu)化界面，減小相變前后應(yīng)力變化，有利于器件性能的穩(wěn)定，一方面降低了器件功耗，另一方面提高了器件的抗疲勞特性。上述兩件專利都提出了低功耗的相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)及其制造方法，但是其采取的技術(shù)方案與本發(fā)明所采取的相變存儲(chǔ)器單元的制造方法并不相同。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了二維相變存儲(chǔ)器單元及其制造方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中相變存儲(chǔ)技術(shù)中必須將相變材料加熱到熔融狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)能耗低同時(shí)又具有較高穩(wěn)定性的相變存儲(chǔ)器單元的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)記載了一種二維相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)，包括：一襯底晶圓；設(shè)置于所述襯底晶圓上方的第一絕緣層，所述第一絕緣層內(nèi)設(shè)有下電極，所述下電極下表面連接所述襯底晶圓；設(shè)置于所述第一絕緣層和所述下電極上方的第二絕緣層；設(shè)置于所述第二絕緣層內(nèi)并覆蓋所述下電極上表面的相變結(jié)構(gòu)。其中，所述相變結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)置于所述下電極上方的第一相變輔助層、相變材料層和第二相變輔助層。上述的二維相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)，其中，所述相變材料層的長(zhǎng)度大于或等于其厚度的5倍，且所述相變材料層的厚度取值范圍為0.1～10nm。上述的二維相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)，其中，所述相變材料層的材質(zhì)為GeTe、摻N的GeTe、GeSbTe、摻N的GeSbTe中的一種或幾種；所述第一相變輔助層和第二相變輔助層的材質(zhì)均為氮鍺化合物。本申請(qǐng)還記載了另一種二維相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)，包括：一襯底晶圓；設(shè)置于所述襯底晶圓上方的第一絕緣層，所述第一絕緣層內(nèi)設(shè)有下電極，所述下電極下表面連接所述襯底晶圓；設(shè)置于所述第一絕緣層和所述下電極上方的第二絕緣層；設(shè)置于所述第二絕緣層內(nèi)的相變結(jié)構(gòu)，所述相變結(jié)構(gòu)覆蓋所述下電極上表面；設(shè)置于所述相變結(jié)構(gòu)上方的上電極。其中，所述相變結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)置于所述下電極上方的第一相變輔助層、相變材料層和第二相變輔助層。上述的二維相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)，其中，所述相變材料層的長(zhǎng)度大于或等于其厚度的5倍，且所述相變材料層的厚度取值范圍為0.1～10nm。上述的二維相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)，其中，所述相變材料層的材質(zhì)為GeTe、摻N的GeTe、GeSbTe、摻N的GeSbTe中的一種或幾種；所述第一相變輔助層和第二相變輔助層的材質(zhì)均為氮鍺化合物。本申請(qǐng)還記載了一種二維相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的制造方法，包括如下步驟：S1，提供一襯底晶圓，于所述襯底晶圓上制備第一絕緣層，并刻蝕所述第一絕緣層形成通孔，填充電極材料至所述通孔中形成下電極；S2，于所述第一絕緣層和所述下電極上方沉積一復(fù)合相變層，部分刻蝕所述復(fù)合相變層形成覆蓋所述下電極上表面的一相變結(jié)構(gòu)；S3，于所述相變結(jié)構(gòu)和所述第一絕緣層的上方制備第二絕緣層。上述的二維相變存儲(chǔ)器單元的制造方法，其中，所述步驟S2具體為：S201，于所述第一絕緣層和所述下電極上方依次沉積第一相變輔助層、相變材料層、第二相變輔助層，形成所述復(fù)合相變層；S202，部分刻蝕所述復(fù)合相變層形成覆蓋所述下電極上表面的所述相變結(jié)構(gòu)。上述的二維相變存儲(chǔ)器單元的制造方法，其中，所述步驟S201中，于所述第一相變輔助層上沉積所述相變材料層之后，于所述相變材料層上方注入離子，再于所述相變材料層上沉積第二相變輔助層。本申請(qǐng)還記載了另一種二維相變存儲(chǔ)器單元的制造方法，其中，包括如下步驟；S1，提供一襯底晶圓，于所述襯底晶圓上制備第一絕緣層，并刻蝕所述第一絕緣層形成通孔，填充電極材料至所述通孔中形成下電極；S2，于所述第一絕緣層和所述下電極的上方制備第二絕緣層，刻蝕所述第二絕緣層形成一開口，并且在所述開口中至少暴露出各所述下電極的頂部區(qū)域；S3，于所述開口中沉積一復(fù)合相變層，所述復(fù)合相變層覆蓋所述開口的底部及側(cè)壁，部分刻蝕所述復(fù)合相變層形成位于所述下電極上方的一相變結(jié)構(gòu)；S4，部分刻蝕所述相變結(jié)構(gòu)，于所述相變結(jié)構(gòu)的中間部分形成另一開口，于所述相變結(jié)構(gòu)和所述第一絕緣層的上方制備第三絕緣層。上述的二維相變存儲(chǔ)器單元的制造方法，其中，所述步驟S3具體為：S301，于所述開口的底部及側(cè)壁依次沉積第一相變輔助層、相變材料層、第二相變輔助層，形成所述復(fù)合相變層，所述復(fù)合相變層覆蓋所述開口的底部及側(cè)壁；S302，部分刻蝕所述復(fù)合相變層形成覆蓋所述下電極上表面的一相變結(jié)構(gòu)。上述的相變存儲(chǔ)器單元的制造方法，其中，還包括：S5，拋光所述第二絕緣層，在露出的相變材料和相變輔助層材料上方制備上電極。上述發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)或者有益效果：本發(fā)明提出的二維相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)及其制造方法，通過(guò)制備極薄的相變材料層和相變輔助材料層將相變行為限制在幾個(gè)分子或原子層的尺度內(nèi)，在電場(chǎng)和熱場(chǎng)的作用下相變材料層無(wú)需達(dá)到熔融狀態(tài)，即可以通過(guò)和相變輔助材料層之間交換原子或自身發(fā)生相變，從而改變自身的電阻值，實(shí)現(xiàn)超低能耗的非易失信息存儲(chǔ)。具體附圖說(shuō)明通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明及其特征、外形和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加明顯。在全部附圖中相同的標(biāo)記指示相同的部分。并未可以按照比例繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。圖1是相變材料說(shuō)明圖；圖10是本發(fā)明實(shí)施例一中相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2～9是本發(fā)明實(shí)施例一種相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的制備方法的流程結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是本發(fā)明實(shí)施例二中相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11～15是本發(fā)明實(shí)施例二中相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的制備方法的流程結(jié)構(gòu)示意圖；圖17是是本發(fā)明實(shí)施例三中相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但是不作為本發(fā)明的限定。如圖1所示，本發(fā)明中所述的相變材料層為：任意一塊連續(xù)的相變材料的任一截面材料的長(zhǎng)度L大于或等于其厚度D的5倍，且厚度D在0.1nm～10nm之間(例如0.1nm、5nm、6nm或者10nm)。具體實(shí)施方式如下：實(shí)施例一：圖10是本實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖10所示，一種相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)，包括：襯底晶圓1；設(shè)置于襯底晶圓1上方的第一絕緣層21，第一絕緣層21內(nèi)設(shè)有下電極3，下電極3下表面連接襯底晶圓1；設(shè)置于第一絕緣層21和下電極3上方的相變結(jié)構(gòu)7；設(shè)置于相變結(jié)構(gòu)7和第一絕緣層21上方的第二絕緣層22，相變結(jié)構(gòu)7包括依次設(shè)置于下電極3上方的第一相變輔助層71、相變材料層72和第二相變輔助層73。其中，襯底晶圓1選用制備好相變存儲(chǔ)器電路的晶圓，襯底晶圓1可以是制備好各種晶體管前段工藝還未制備金屬互連層的晶圓，或者是包括各種晶體管和部分金屬互連層的晶圓；第一絕緣層21和第二絕緣層22采用的材料可以是SiO2，Si3N4或二者組合，也可以是低介電常數(shù)材料；下電極3的電極材料可以是W，Cu，Ti，Al等金屬材料或TiN，TiSiN等非金屬材料或金屬材料與非金屬材料的組合；第一相變輔助層71和第二相變輔助層73為氮化物，優(yōu)選為富鍺的氮鍺化合物，例如富鍺的Ge(3～8)N4材料，其厚度為5nm～100nm(例如，50nm、60nm、80nm或者100nm)，相變材料層72為GeTe、摻N的GeTe、GeSbTe、摻N的GeSbTe材料中的一種或幾種，其厚度在0.1nm～10nm之間(例如0.1nm、5nm、6nm或者10nm)，且其長(zhǎng)度大于或者等于其厚度的5倍。本實(shí)施例中的相變存儲(chǔ)器單元的制備方法包括以下步驟：步驟一：如圖2所示，選用制備好相變存儲(chǔ)器電路的襯底晶圓1，襯底晶圓1可以是制備好各種晶體管前段工藝還未制備金屬互連層的晶圓，或者是包括各種晶體管和部分金屬互連層的晶圓，在襯底晶圓1上制備第一絕緣層21，第一絕緣層采用的材料可以是SiO2，Si3N4或二者組合或低介電常數(shù)材料，制備第一絕緣層的方法可以是物理沉積(PVD)，化學(xué)沉積(CVD)，原子層沉積(ALD)或旋涂法。步驟二：如圖3所示，在步驟一的基礎(chǔ)上，通過(guò)光刻圖形轉(zhuǎn)移的方式在第一絕緣層21上制備掩模5，并通過(guò)干法刻蝕于第一絕緣層21內(nèi)形成通孔。步驟三：在步驟二制備好的通孔中填充電極材料，形成下電極3，去除多余的電極材料和掩模5后得到的結(jié)構(gòu)如圖4所示，去除多余的電極材料的過(guò)程可能包含化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，所述電極材料可以是W，Cu，Ti，Al等金屬材料或TiN，TiSiN等非金屬材料或金屬材料與非金屬材料的組合，所述下電極3下方直接連接晶體管或通過(guò)金屬互連層連接晶體管。步驟四：如圖5所示，在制備好下電極3的圖4的結(jié)構(gòu)上沉積第一相變輔助層41，第一相變輔助層41為氮化物，優(yōu)選為富鍺的氮鍺化合物，例如富鍺的Ge(3～8)N4材料，其厚度為5nm～100nm(例如，50nm、60nm、80nm或者100nm)，沉積方法為物理沉積(PVD)，化學(xué)沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)。步驟五：如圖6所示，在制備好相變輔助層41的如圖5所示的結(jié)構(gòu)上使用原子層沉積(ALD)的方法沉積一層相變材料層42，相變材料層42為GeTe、摻N的GeTe、GeSbTe、摻N的GeSbTe中的一種或幾種，其厚度為0.1nm～10nm(例如0.1nm、5nm、6nm或者10nm)，如圖7所示，還可在此相變材料層42上制備離子注入掩膜6，對(duì)襯底晶圓上特定區(qū)域的相變材料層注入離子，從而對(duì)其進(jìn)行改性，例如掩模區(qū)域的相變材料為GeTe，而在注入?yún)^(qū)域注入N離子，這樣可以在同一芯片上實(shí)現(xiàn)不同性能的相變存儲(chǔ)器單元。步驟六：如圖8所示，在制備好相變材料層42的圖6的結(jié)構(gòu)上或者是在圖7的去除離子注入掩膜的結(jié)構(gòu)上再沉積第二相變輔助層43，第二相變輔助層43為氮化物，優(yōu)選為富鍺的氮鍺化合物，例如富鍺的Ge(3～8)N4材料，其厚度為5nm～100nm(例如，50nm、60nm、80nm或者100nm)，沉積方法為物理沉積(PVD)，化學(xué)沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)，第一相變輔助層41、第二相變輔助層42和第三相變輔助層43構(gòu)成復(fù)合相變層4。步驟七：利用光刻和刻蝕的方法來(lái)定義相變存儲(chǔ)器單元區(qū)域，去除不需要的相變輔助層材料和相變材料，即圖案化所述復(fù)合相變層4形成相變結(jié)構(gòu)7，如圖9所示。步驟八：在步驟七形成的相變存儲(chǔ)器單元上方沉積第二絕緣層22，將相變結(jié)構(gòu)保護(hù)起來(lái)既實(shí)現(xiàn)電學(xué)隔離作用，也實(shí)現(xiàn)熱隔離作用，如圖10所示。此后可再此襯底晶圓基礎(chǔ)上按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝?yán)^續(xù)制備其他金屬互連層。實(shí)施例二：圖16是本實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖16所示，一種相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)，包括：襯底晶圓1；設(shè)置于襯底晶圓1上方的第一絕緣層21，第一絕緣層21內(nèi)設(shè)有2個(gè)下電極3，下電極3下方連接襯底晶圓1，設(shè)置于所述第一絕緣層21和下電極3上方的第二絕緣層22，設(shè)置于所述第二絕緣層22內(nèi)的相變結(jié)構(gòu)7，相變結(jié)構(gòu)7位于所述下電極3上方，設(shè)置于相變結(jié)構(gòu)7上方的上電極8，其中，相變結(jié)構(gòu)7包括依次設(shè)置于下電極3上方的第一相變輔助層、相變材料層和第二相變輔助層。本實(shí)施例中的相變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的制備方法包括以下步驟：步驟一：如圖11所示，選用制備好相變存儲(chǔ)器電路的襯底晶圓1，襯底晶圓1可以是制備好各種晶體管前段工藝還未制備金屬互連層的晶圓，或者是包括各種晶體管和部分金屬互連層的襯底晶圓；在襯底晶圓1上制備第一絕緣層21，材料可以是SiO2，Si3N4或二者組合或低介電常數(shù)材料，制備方法可以是物理沉積(PVD)，化學(xué)沉積(CVD)，原子層沉積(ALD)或旋涂法；并使用與實(shí)施例一相同的方法并制備下電極3，下電極3的電極材料可以是W，Cu，Ti，Al等金屬材料或TiN，TiSiN等非金屬材料或金屬材料與非金屬材料的組合，下電極3下方直接連接晶體管或通過(guò)金屬互連層連接晶體管，在第一絕緣層21和下電極3上方制備第二絕緣材料層，然后用刻蝕的方法刻蝕第二絕緣材料層制備開口，此開口橫跨相鄰的兩個(gè)電極，刻蝕深度停在下電極3的位置，即此開口至少暴露出下電極3的部分頂部區(qū)域。步驟二：如圖12所示，參照實(shí)施例一中步驟五到七，在步驟一制備的開口中依次沉積第一相變輔助層41，相變材料層42和第二相變輔助層43，形成復(fù)合相變層4，并刻蝕去除不需要的部分，即圖案化復(fù)合相變層形成相變結(jié)構(gòu)7，材料的制備方法和參數(shù)與第一實(shí)施例中的相同。步驟三：如圖13所示，用干法刻蝕的方法刻蝕相變結(jié)構(gòu)7的中間部分形成另一開口，實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)單元的隔離。步驟四：如圖14所示，在步驟三的基礎(chǔ)上，制備絕緣層23把開口以及另一開口中空隙填滿，此材料可以是SiO2，Si3N4或二者組合或低介電常數(shù)材料，制備方法可以是物理沉積(PVD)，化學(xué)沉積(CVD)，原子層沉積(ALD)或旋涂法。并采用化學(xué)機(jī)械拋光把絕緣材料表面拋平，在表面露出相變材料和相變輔助材料。步驟五：如圖15所示，在露出相變材料和相變輔助材料上方制備上電極8，上電極材料可以是W，Cu，Ti，Al等金屬材料或TiN，TiSiN等非金屬材料或金屬材料與非金屬材料的組合。此后可以使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備其他金屬互連層。實(shí)施例三：如圖16所示，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)及其制備方法均與實(shí)施例二相近，區(qū)別在于其下電極3只有一個(gè)，且相變結(jié)構(gòu)7為方形結(jié)構(gòu)，在此便不予贅述。綜上所述，上述實(shí)施例中，相變存儲(chǔ)器單元的相變材料層均夾在兩個(gè)相變輔助層中間，且相變材料層極薄，厚度為0.1nm-10nm，在幾個(gè)原子層到幾十個(gè)原子層之間，相變材料層可以實(shí)現(xiàn)與相變材料比較好的晶格匹配和輔助相變作用，相變存儲(chǔ)器工作時(shí)，在電場(chǎng)和熱場(chǎng)的作用下，相變材料層無(wú)需達(dá)到熔融狀態(tài)，可以通過(guò)和相變輔助層之間較好原子或自身發(fā)生相變，實(shí)現(xiàn)低能耗的非易失信息存儲(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)以及上述實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)所述變化例，在此不做贅述。這樣的變化例并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，在此不予贅述。以上對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，其中未盡詳細(xì)描述的設(shè)備和結(jié)構(gòu)應(yīng)該理解為用本領(lǐng)域中的普通方式予以實(shí)施；任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。