專利名稱：一種管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制作方法，具體涉及一種管狀相變存儲器件單 元結(jié)構(gòu)與制作方法，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景存儲器在半導(dǎo)體市場中占有重要地位，僅DRAM(Dynamnic Randam Access Memory)和FLASH兩種就占有整個市場的15%，隨著便攜式電子設(shè)備的逐步普 及，不揮發(fā)存儲器的市場也越來越大，目前FLASH占不揮發(fā)存儲器的主流，約 占90%。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，F(xiàn)LASH遇到了越來越多的技術(shù)瓶頸，首 先存儲電荷的浮柵不能隨著集成電路工藝的發(fā)展無限制地減薄，此外，F(xiàn)LASH 技術(shù)的其它一些缺點也限制了它的應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)寫入慢、寫數(shù)據(jù)時需要高 電壓因而功耗大，需要特殊的電壓提升結(jié)構(gòu)增加了電路和設(shè)計的復(fù)雜度，可 擦寫次數(shù)低，必須對指定的單元塊而不能對指定的單元進寫操作等。鑒于這 種情況，目前世界上幾乎所有電子和半導(dǎo)體行業(yè)巨頭及其它相關(guān)研發(fā)機構(gòu)都 在競相研發(fā)新一代不揮發(fā)存儲器技術(shù)，以期在未來激烈的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭中 保有技術(shù)和市場優(yōu)勢.PCM (Phase Change Memory)--相變存儲器作為一種新 興的不揮發(fā)存儲技術(shù)，在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時間、單元面積、 多值實現(xiàn)等諸多方面都具有極大的優(yōu)越性，成為未來不揮發(fā)存儲技術(shù)市場主 流產(chǎn)品最有力的競爭者之一。相變存儲單元結(jié)構(gòu)采用硫族化合物材料，在電、光等能量作用下可以實 現(xiàn)非晶態(tài)和多晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換。晶態(tài)和非晶態(tài)有著不同的電學(xué)特性。晶態(tài)的電 阻率遠遠小于非晶態(tài)電阻率，對應(yīng)O和l的存儲。用于制作相變存儲器件的典型材料為硫族化合物系列，如Ge-Sb-Te (GST) 或者摻雜的Ge-Sb-Te， SbTe， GeSb等。典型的相變存儲器單元結(jié)構(gòu)的剖面圖見圖l。所述的單元結(jié)構(gòu)由上電極(11)、相變材料(12)、下電極(14)、絕 緣介質(zhì)(13)組成。相變材料與下電極的接觸面積由下電極的截面積決定， 下電極的寬度取決于光刻工藝限定的光刻圖形，下電極的最小寬度取決于光 刻工藝的最小寬度，該結(jié)構(gòu)在縮小相變材料截面積上受到目前光刻工藝和條 件的限制。當(dāng)前在相變存儲單元結(jié)構(gòu)中的問題是，從晶態(tài)到非晶態(tài)所需要的操作電 流大，導(dǎo)致外圍電路大，功耗大。盡可能減小下電極與相變材料的接觸面積 是方法之一。但是對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下電極與相變材料的接觸面積則由光刻的 最小寬度決定。國際上，利用減少下電極與相變材料的接觸面積來優(yōu)化器件性能，減少寫操作電流的工作主要包括三星公司的ring電極結(jié)構(gòu)單元、意法半導(dǎo)體 用的U電極結(jié)構(gòu)單元。本發(fā)明擬采用環(huán)狀相變材料來減少接觸面積，從而降 低寫操作電流，而三星工作是ring電極。與三星電極ring結(jié)構(gòu)相變單元相比， 本發(fā)明采用相變材料管狀結(jié)構(gòu)，相變材料厚度的減少到nm尺度時，與同成分 的體材料相比明顯降低相變材料熔點Xuhui Sim， Bin Yu， and M. Meyyappan; Synthesis and nanoscale thermal encoding of phase—change nanowires; Applied Physics Letters 90， 183116,2007，使得寫操作的需要的能量 降低導(dǎo)致寫操作電流的減少；相變材料尺寸的減少到nm尺度，使得相變材料 的晶化溫度增力口Wei Xiaoqian， Shi Luping， Chong Tow Chong， Zhao Rong， and Lee Hock Koon; Thickness Dependent Nano-Crysta!lization in Ge2Sb2Te5 Films and Its Effect on Devices; Japanese Journal of Applied Physics ;Vol. 46， No. 4B， 2007， pp. 2211-2214，有望提高存儲器的數(shù) 據(jù)保持時間，同時電阻分布的一致性增加。與傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明 的結(jié)構(gòu)是通過環(huán)狀相變材料部分的自己發(fā)熱來實現(xiàn)存儲器的讀寫操作。與公 布的發(fā)明CN200610146334. 5的結(jié)構(gòu)比較，添加相變材料作為保溫層可以提高 熱量的利用效率，降低RESET置位電流，與該發(fā)明不同的地方是在結(jié)構(gòu)中添加 輔助加熱部分，調(diào)節(jié)相變部分非晶態(tài)的總電阻，提高發(fā)熱效率。發(fā)明內(nèi)容綜上所述，本發(fā)明的目的在于提出一種管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)與制備 方法，所述的相變存儲器的單元結(jié)構(gòu)包括上電極、下電極以及存儲部分。本 發(fā)明提供的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)的基本特征是相變材料分布在環(huán)形孔 的側(cè)壁，利用孔中相變材料的截面積小電阻大，在讀寫操作中通過自身發(fā)熱 完成相變的特點，同時環(huán)形孔上下由相變材料封蓋成管狀結(jié)構(gòu)，也即在相變 材料兩端通過增加相變材料組成的保溫層提高讀寫操作中熱量的利用效率， 形成的存儲部分為一個上、下用相變材料封蓋的管狀結(jié)構(gòu)，里面填充金屬導(dǎo) 體材料、高阻材料或者絕緣絕熱材料。該結(jié)構(gòu)具有減少相變材料與電極的接 觸面積、降低寫操作電流、提高儲器的數(shù)據(jù)保持時間、增加電阻分布一致性 的特點。本發(fā)明提出的管狀結(jié)構(gòu)存儲器的單元結(jié)構(gòu)，是一種電阻式隨機可存儲器 件，其結(jié)構(gòu)特征在于相變材料分布在孔的側(cè)壁，可以通過控制相變材料的壁 厚來調(diào)節(jié)與上、下封蓋的相變材料保溫層的接觸面積，所述的接觸面積由環(huán) 形相變材料的厚度與通孔的尺寸共同決定， 一般不受上電極尺寸控制，相變材料下方是下電極栓塞，上、下電極材料可以是W、 TiN或硅化物等導(dǎo)電材料， 下電極與存儲單元選通管相連(比如MOS型晶體管、雙極型晶體管、二極管等)， 所述的相變材料保溫層的上方為上電極，上電極的尺寸取決于光刻工藝限制 的尺寸，孔的最小寬度取決于光刻工藝的最小極限，在管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部有金屬 導(dǎo)體材料如W， TiN， TiNAl， Ti或高阻材料如非晶硅、非晶碳、GeSi等來調(diào)節(jié) 電阻，提高在RESET下的發(fā)熱效率；也可以是，絕緣絕熱材料Si(k Si3N4， SiON，Ta205，八1203或氟化非晶碳(a-c、 F)。本發(fā)明提供一種方法形成上述存儲器件單元結(jié)構(gòu)的制作方法，首先在 選通管電極或襯底電極上形成下電極金屬塞22，形成下電極金屬塞，包括沉積下電極柱塞的絕緣介質(zhì)層，在絕緣介質(zhì)層特定地方形成可以容納下電極金 屬的通孔，可以與選通管的電極相連，然后沉積金屬后，磨平去除下電極多 余的金屬。進一步實施包括在磨平下電極金屬后沉積TiN等作為相變材料部分孔洞刻蝕阻止層。然后形成容納相變材料的通孔，在通孔中形成環(huán)狀相變材料23及填充材 料24，環(huán)形相變材料層的厚度根據(jù)工藝條件可以在lnm 30nm范圍變化，形成 環(huán)狀相變材料包括沉積相變材料周圍的絕緣介質(zhì)層，在下電極上方開通孔， 沉積形成相變材料(Ge2Sb2Tes、 GeiSb2Te4、摻雜的Ge2Sb2Tes、 GeiSb2Te4，其它 相變材料SbJe3， GeTi， GeSb， Si2Sb2Te5, Si,SbJe4, SiSb， GeSe等)，薄膜的厚 度根據(jù)通孔尺寸在lnm 30nm變化，沉積填充材料24，然后磨平露出環(huán)狀相變 材料，沉積相變材料23，刻蝕形成保溫層，其面積大于環(huán)狀相變層。下電極形成包括沉積絕緣介質(zhì)層，在保溫相變材料上方開通孔，沉積金 屬，然后磨平形成金屬塞。


圖l是常規(guī)相變存儲器的剖面圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例1構(gòu)作的相變存儲單元的剖面圖(a)與俯視圖 (b)。圖3是根據(jù)本發(fā)明進一步實施例的相變材料的通孔為方管狀的剖面圖(a) 與俯視圖(b)。圖4為根據(jù)本發(fā)明圖2的形成相變存儲器的方法，(a)形成下電極金屬栓 塞；(b)沉積絕緣介質(zhì)層；(c)刻蝕形成相變材料通孔；(d)在孔內(nèi)沉積相 變材料層和沉積填充材料；(e)化學(xué)機械拋光露出終止層；(f)形成相變材 料保溫層；(g)形成上電極，完成相變存儲器單元結(jié)構(gòu)制作。圖5是根據(jù)本發(fā)明進一步實施例的相變存單元的通孔為栓塞的剖面圖。 圖中21為襯底，22為下電極，23為相變材料，24為填充材料可以是 絕緣絕熱材料Si02, Si3N4， SiON，TaA， A1203 ，氟化非晶碳(a-C : F)，也可 以是高阻材料如非晶硅、非晶碳、GeSi，也可以使金屬導(dǎo)體材料如W， TiN， TiNAl， Ti等，25為上電極，26為絕緣介質(zhì)，27為CMP終止層，28相變材 料保溫層。
具體實施方式
下面結(jié)合圖示中更完全的描述本發(fā)明，本發(fā)明提供優(yōu)選實施例，但不應(yīng) 被認為僅限于在此闡述的實施例中。在圖中，為了清楚放大了層和區(qū)域的厚 度，但作為示意圖不應(yīng)該被認為嚴格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。在此，參 考圖是本發(fā)明的示意圖，圖中的表示是示意的，但不應(yīng)該被認為限制本發(fā)明 的范圍。圖4 (a) (f)給出了本發(fā)明的某些實施例的形成方法。下面結(jié)合圖示 進一步介紹制備這種環(huán)狀相變存儲器單元的操作步驟1. 如圖4 (a)所示在襯底(包括MOS的雜質(zhì)擴散區(qū)，源漏區(qū)，電極引線， 通孔，或者PN二極管，雙極晶體管等)制備下電極通孔，其尺寸根據(jù)工藝條 件調(diào)整，其通孔尺寸可以大于或者小于相變材料孔的尺寸，接著往孔里沉積 下電極，比如W， TiN，硅化物等導(dǎo)電介質(zhì)，形成金屬栓塞。2. 沉積絕緣介質(zhì)(26)包括Si02， SiON等和CMP終止層(27)包括SiN 等，如圖4-b。3. 刻蝕形成環(huán)形相變材料通孔，通孔的尺寸可以大于或者小于下電極的 尺寸，可以為圓柱形，栓塞狀或方管狀，根據(jù)工藝可以有尺寸，現(xiàn)狀的偏差。(圖4-c)4. 在孔內(nèi)沉積相變材料層(包括用ALD方法制備相變材料)，厚度在1 30nm，根據(jù)工藝與結(jié)構(gòu)要求選擇合適的厚度，沉積填充材料(24)。(圖4-d)5. 化學(xué)機械拋光(CMP)磨平相變材料和絕緣介質(zhì)，磨去多余的相變材 料和絕緣介質(zhì)， 一直到CMP終止層(27)。(圖4-e)6. 形成相變材料保溫層沉積相變材料，光刻形成需要的圖形。(圖4-f)7. 形成上電極，包括沉積絕緣介質(zhì)，形成上電極通孔，沉積金屬包括W， TiN，硅化物等，然后磨平去處多余的金屬和絕緣介質(zhì)。(圖4-g)。完成圖2 所示的相變存儲器單元結(jié)構(gòu)的制作。作為本發(fā)明的另一個施例，環(huán)形相變材料的通孔可以是栓塞狀(圖5)。 作為本發(fā)明的另一個施例，下電極的直徑可以小于或大于相變材料通孔 的尺寸。作為本發(fā)明的另一個施例，上電極的直徑可以等于或大于環(huán)狀相變成材 料的尺寸。作為本發(fā)明的另一個施例，下電極與環(huán)形相變材料之間可以有加熱層如Ta205, SiN，八1203等作為本發(fā)明的另一個施例，環(huán)形相變成材料的側(cè)壁可以有粘附絕緣層如 Ta205， SiN， Al203等。
權(quán)利要求
1、一種管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)，包括上電極、下電極及存儲部分，其特征在于所述的存儲部分的相變材料分布在環(huán)形孔的側(cè)壁，環(huán)形孔的上、下由相變材料保溫層作為封蓋成管狀結(jié)構(gòu)，管內(nèi)填充材料為絕緣絕熱材料、高阻材料或金屬導(dǎo)體材料。
2、 按權(quán)利要求1所述的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)，其特征在于環(huán)形相變材料的通孔為圓柱形、方管狀或栓塞狀。
3、 按權(quán)利要求1所述的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)，其特征在于上電極與 環(huán)形相變材料之間有加熱層。
4、 按權(quán)利要求1所述的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)，其特征在于下電極的 直徑小于或大于相變材料的通孔的尺寸。
5、 按權(quán)利要求1所述的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)，其特征在于下電極與 環(huán)形相變材料之間有加熱層。
6、 按權(quán)利要求5所述的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的加 熱層為八1203、 Ta20s或SiN。
7、 按權(quán)利要求1所述的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)，其特征在于管內(nèi)填充 絕緣絕熱材料為Si02、 Si3N4、 SiON、 Ta205、八1203或氟化非晶碳；管內(nèi)填充 的高阻材料為非晶硅、非晶碳或GeSi;管內(nèi)填充的金屬導(dǎo)體材料為W、 TiN、 TiNAl或Ti。
8、 制作如權(quán)利要求1 7中任一項所述的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)的方 法，其特征在于制作步驟是-a) 在襯底上制備下電極通孔，其尺寸根據(jù)工藝條件調(diào)整，其通孔尺寸可 以大于或者小于相變材料孔的尺寸，接著往孔里沉積下電極，形成金屬栓塞；b) 沉積絕緣介質(zhì)；c) 刻蝕形成環(huán)形相變材料通孔，通孔的尺寸大于或者小于下電極的尺寸， 通孔的形狀為圓柱形、方管狀或栓塞狀；d) 在步驟c形成的通孔沉積相變材料層，厚度為l 30nm，然后沉積填充材料；e) 用化學(xué)機械拋光方法磨平相變材料和絕緣介質(zhì)，磨去多余的相變材料 和絕緣介質(zhì)，直到化學(xué)機械拋光終止層；f) 形成相變材料保溫層沉積相變材料，光刻形成需要的圖形；g) 形成上電極，包括沉積絕緣介質(zhì)，形成上電極通孔，沉積金屬，然后 磨平去處多余的金屬和絕緣介質(zhì)，完成相變存儲器單元結(jié)構(gòu)的制作。
9、 按權(quán)利要求8所述的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在 于制作上電極或下電極的材料為W、 TiN或硅化物。
10、 按權(quán)利要求8所述的管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于環(huán)形相變材料的側(cè)壁有粘附絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種管狀相變存儲器單元結(jié)構(gòu)及制作方法，所述的相變存儲器單元結(jié)構(gòu)包括上電極、下電極以及存儲部分。單元結(jié)構(gòu)的基本特征是相變材料分布在孔的側(cè)壁，利用孔中相變材料的截面積小電阻大，在讀寫操作中通過自身發(fā)熱完成相變，同時在環(huán)形相變材料的兩端通過加相變材料保溫層作為封蓋形成管狀，以提高讀寫操作中熱量的利用效率，存儲部分為一個上下用相變材料封蓋的管狀結(jié)構(gòu)，里面填充金屬、絕緣絕熱材料或者高阻材料。本發(fā)明的存儲器結(jié)構(gòu)可以降低寫操作電流、功耗小、熱量利用率高、數(shù)據(jù)保持性能好，可以提高在芯片中器件的阻值一致性。
文檔編號H01L45/00GK101267017SQ200810034940
公開日2008年9月17日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者云 凌, 宋志棠, 封松林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所