CN101262005A

CN101262005A - 使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元及制备方法

Info

Publication number: CN101262005A
Application number: CNA2008100359409A
Authority: CN
Inventors: 凌云; 宋志棠; 封松林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2008-09-10

Abstract

本发明属于微电子技术领域，本发明公开了一种具有肖特基二极管的相变存储器件及其制备方法。其基本特征在于：该结构单元由肖特基二极管与相变存储器构成，肖特基二极管作为相变存储器的选通管，肖特基二极管通过固相外延技术生长N型或者P型Si单晶薄膜，与金属薄膜构成金属半导体接触。该方法制备的肖特基二极管有性能稳定，速度快，驱动电流大的特点。本发明公开的结构特点是用于高密度相变存储器，同时降低相变存储器生产成本。

Description

使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元及制备方法

技术领域

本发明涉及一种使用肖特基二极管的相变存储单元及制备方法，属于微电子技术中相变存储器领域。

背景技术

存储器在半导体市场中占有重要地位，仅DRAM(Dynamnic Randam AccessMemory)和FLASH两种就占有整个市场的15％，随着便携式电子设备的逐步普及，不挥发存储器的市场也越来越大，目前FLASH占不挥发存储器的主流，约占90％。但随着半导体技术的进步，FLASH遇到了越来越多的技术瓶颈，首先存储电荷的浮栅不能随着集成电路工艺的发展无限制地减薄，此外，FLASH技术的其它一些缺点也限制了它的应用，例如数据写入慢、写数据时需要高电压因而功耗大，需要特殊的电压提升结构增加了电路和设计的复杂度，可擦写次数低，必须对指定的单元块而不能对指定的单元进写操作等。鉴于这种情况，目前世界上几乎所有电子和半导体行业巨头及其它相关研发机构都在竞相研发新一代不挥发存储器技术，以期在未来激烈的半导体产业竞争中保有技术和市场优势.PCM(Phase Change Memory)--相变存储器作为一种新兴的不挥发存储技术，在读写速度、读写次数、数据保持时间、单元面积、多值实现等诸多方面都具有极大的优越性，成为未来不挥发存储技术市场主流产品最有力的竞争者之一。

随着集成电路制造技术的发展，芯片技术已经进入65nm、45nm技术阶段。在典型的1T1R(T：transistor，R：phase change resistor)结构中，选通管T通常用MOS管。在相变存储器中的一个关键的问题是写操作电流大，要达到1mA左右，当集成电路制造技术进入65nm、45nm技术阶段后，显然MOS选通管提供不了足够的驱动电流。因此，意法半导体公司提出用双极性晶体管用于1T1R来解决相变存储器中写操作电流大的问题[Bedeschi，F.；Bonizzoni，E.；Casagrande，G.；Gastaldi，R.；Resta，C.；Torelli，G.；ZelLa，D；SET and RESET pulse characterization in BJT-selected phase-changememories；Circuits and Systems，2005.ISCAS 2005.IEEE InternationalSymposium on；23-26May 2005Page(s)：1270-1273Vol.2]。然而双极性晶体管在芯片集成度继续提高也有难度。在2006年标题为“使用二极管的相变存储器件及制造方法”的中国专利(公开号CN1832190A)中，韩国三星电子株式会社公开了用PN二极管作为选通管用于相变存储器的方法来解决相变存储存储器密度进一步提高遇到的问题[中国专利公开：CN 1832190A，使用单元二极管的相变存储器及其制造方法]。但是该技术目前也遇到一些问题，比如该方法制备的二极管会产生寄生的三极管，干扰对临近单元的读写操作[J.H.Oh，J.H.Park，Y.S.

H.S.Lim，Y.T.Oh，J.S.Kim，J.M.Shin，J.H.Park，Y.J.Song，K.C.Ryoo，D.W.Lim，S.S.Park，J.I.Kim，J.H.Kim，J.Yu，F.Yeung，C.W.Jeong，J.H.Kong，D.H.Kang，G.H.Koh，G.T.Jeong，H.S.Jeong，and Kinam Kim；Full Integration of Highly Manufacturable 512MbPRAM based on 90nm Technology；Electron Devices Meeting，2006.IEDM′06.International，11-13Dec.2006Page(s)：1-4]。本发明试图提出的基于肖特基二极管的相变存储器单元，不但具有可望与PN二极管技术同样可以用与高密度相变存储器的优点，同时也可望克服产生寄生的三极管缺点，并且还具有工艺与CMOS工艺完全兼容，成本低，开关速度快，驱动电流大等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元及制备方法，以用于高密度相变存储器，降低成本，提高存储器性能。

本发明公开了使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构，所提供的相变存储单元器件具有平行的导电字线，字线与肖特基二极管的一端相连，肖特基二极管的另一段与存储器件的下电极相连，相变存储器件的上电极与平行的导电位线相连，这里肖特基二极管是相变存储器的选通管。

本发明同时公开使有肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构的制备方法，其步骤为：在N型单晶硅衬底11(或是P型衬底)制备多条平行的位线13，位线是高浓度掺杂的N型单晶硅、多晶硅或非晶硅(或是P型单晶硅、多晶硅或非晶硅)，再在位线上面沉积绝缘介质层113，在预定暴露区域开孔，在孔中用外延制备低掺杂的N型导电型硅14(或P型导电型硅)，再沉积金属层，刻蚀出要求的图形15，沉积绝缘介质层114，制备出相变单元下电极16，沉积绝缘介质层115，在绝缘介质层115中刻蚀要求的孔，沉积相变材料17与上电极18，制备出要求的图形，沉积绝缘介质层116，刻蚀孔，制备上电极19，制备平行的金属导线字线111。以上制作步骤包括了以下几步：

(i)形成多条平行的位线，包括沉积绝缘介质层112，刻蚀多条平行字线，露出衬底11，在衬底上外延高浓度的N导电型硅，也可以是P型硅；这里可以是固相外延或者其它外延技术，外延层可以是单晶硅，再在导电硅12的基础上，外延位线13，位线是高掺杂的N导电型单晶硅、多晶硅或非晶硅或者是P导电型单晶硅、多晶硅或非晶硅，掺杂可以用原位掺杂也可以用离子注入，然后刻蚀或者CMP磨平。

(ii)制备肖特基二极管，包括沉积绝缘介质层113，刻蚀孔与字线相连，在孔中用外延制备低掺杂浓度的N导电型单晶硅、多晶硅或非晶硅14，再沉积金属层或硅化物层15，刻蚀或者磨平得到要求的图形，这里外延可以用固相外延，导电型硅14可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅。所述的金属可以是Au、Mo、Ni、W、Al、Ti或Pt，所述的或者硅化物层为NiSi、CoSi₂或TiSi₂等。

(iii)制备相变存储单元下电极16，包括沉积绝缘介质层114，刻蚀孔，沉积金属如W，TiN等，下电极则与肖特基二极管的金属层或硅化物层相连，磨平或者刻蚀出要求的现状。

(iv)制备相变存储单元与上电极，包括沉积绝缘介质层115，刻蚀出要求的孔，沉积相变材料与上电极18，相变材料包括(Ge₂Sb₂Te₅、Ge₁Sb₂Te₄、掺杂的Ge₂Sb₂Te₅、Ge₁Sb₂Te₄或其它相变材料GeSi，Sb₂Te₃，GeTi，GeSb，Si₂Sb₂Te₅，Si₁Sb₂Te₄等)，上电极18可以是W或者TiN，，刻蚀或者磨平，然后沉积绝缘介质层116，刻蚀露出上电极，沉积金属如Cu，Al，W等与上电极接触，磨平或者刻蚀出要求的图形形成金属栓19。

(v)平行字线111制备，包括沉积绝缘介质层117，刻蚀出平行图形，形成多条平行字线的方法是在沉积的绝缘介质层上沉积金属包括(W，Al等)，刻蚀形成平行字线111，字线与金属栓19相连。

PN二极选通管技术可以用于高密度相变存储器，但是其有产生寄生三极管的缺点，使用肖特基二极管为选通管可以克服产生寄生的三极管缺点。肖特基二极管是一种低功耗、驱动电流大、超高速半导体的器件，由于只有一种载流子作用，其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒，PN二极管为几百纳秒)，正向导通压降仅0.4V左右，并且还具有工艺与CMOS工艺完全兼容，本发明采用Si单晶作为半导体一端，提高了器件性能的稳定性和一致性，具有PN二极管不具备的多项优点。

附图说明

图1A是使用肖特基二极管为选通管的相变存储器阵列的示意图

图1B是使用肖特基二极管的相变存储器阵列的剖面图

图1C是与图1B垂直方向相变存储器阵列的剖面示意图

图2是根据本发明的实施例形成位线时刻蚀出位线图形的示意图

图3是根据本发明的实施例形成位线的示意图

图4是在位线上形成肖特基二极管的图形的示意图

图5是在位线上形成肖特基二极管的示意图

图6是制备相变存储单元下电极的示意图

图7是制备相变存储单元上电极与相变材料层的示意图

图8是形成导电通孔的示意图

图9是形成多条平行字线的示意图

图中标号：11为衬底，12为外延缓冲层，13为位线，14为外延低掺杂浓度硅，15为金属，16为相变材料下电极，17为相变材料，18为相变材料上电极，19为金属栓，111为字线，112为绝缘介质1，113为绝缘介质2，114为绝缘介质3，115为绝缘介质4，116为绝缘介质5，117为绝缘介质6。

具体实施方式

下面结合图示中更完全的描述本发明，本发明提供的优选实施例，但不应被认为仅限于在此阐述的实施例中。在图中，为了清楚起见适当放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。在此，参考图是本发明的示意图，图中的表示只是示意性质的，不应该被认为限制本发明的范围。

图2至图9给出了本发明的所述实施例的制备方法。下面结合图示进一步介绍制备这种环状相变存储器单元的操作步骤：

1.如图2所示在衬底N型单晶硅11上用等离子化学气相沉积(PECVD)方法沉积绝缘介质层112，绝缘介质层112可以是氧化硅或者氮氧化硅，光刻刻蚀出平行的沟槽，露出衬底硅。

2.如图3所示，在步骤1形成的平行的沟槽中用固相外延方法生长高浓度掺杂的N型单晶硅缓冲层12(如掺杂浓度达10²¹原子/cm³的磷，砷)。作为本发明的另一个实施例，缓冲层12可以是高浓度掺杂的P型单晶硅(如掺杂浓度达10²¹原子/cm³的硼)，作为本发明的又一个实施例，缓冲层12可以是高浓度掺杂的多晶硅或者非晶硅，制备方法可以用溅射或者低压化学气相沉积(LPCVD)，导电类型可以是N型或者P型

3.如图3所示，在高浓度掺杂的N型单晶硅缓冲层12上面用固相外延方法生长高浓度掺杂的平行的N型单晶硅位线13，作为本发明的另一个实施例，位线13可以是高浓度掺杂的P型单晶硅，作为本发明的另一个实施例，位线13可以是高浓度掺杂的多晶硅或者非晶硅，制备方法可以用溅射或者低压化学气相沉积(LPCVD)，导电类型可以是N型或者P型

4.如图4所示，在步骤(3)的基础上用等离子化学气相沉积(PECVD)方法制备绝缘介质层113，绝缘介质层113可以是氧化硅或者氮氧化硅，光刻刻蚀所要求的孔，与位线13相联接。

5.如图5所示，在位线13露出孔洞处，用固相外延方法生长低浓度掺杂的N型单晶硅14，然后沉积金属层或硅化物层15，所述的金属层可以为Au、Mo、Ni、W、Al、Ti和Pt中的任一种，所述的硅化物为NiSi、CoSi₂或TiSi₂等，光刻刻蚀出要求的图形，作为本发明的另一个实施例，14可以是低浓度掺杂的P型单晶硅，作为本发明的另一个实施例，14可以是低浓度掺杂的多晶硅，制备方法可以用溅射或者低压化学气相沉积(LPCVD)，导电类型可以是N型或者P型

6.如图6所示，在步骤(5)沉积的金属或硅化物表面，用等离子化学气相沉积(PECVD)沉积绝缘介质层114，绝缘介质层114可以是氧化硅或者氮氧化硅，光刻刻蚀要求的孔，露出15，在孔内沉积金属下电极16，CMP磨平或者光刻刻蚀出要求的形状。

7.如图7所示，在步骤(6)沉积的金属下电极16上面，用等离子化学气相沉积(PECVD)沉积绝缘介质层115，绝缘介质层115可以是氧化硅或者氮氧化硅，光刻刻蚀要求的孔，露出16，沉积相变材料17和上电极18，然后光刻刻蚀或者CMP磨平到要求的形状。

8.如图8所示，在步骤(7)沉积的金属上电极18上面，用等离子化学气相沉积(PECVD)沉积绝缘介质层116，绝缘介质层116可以是氧化硅或者氮氧化硅，光刻刻蚀要求的孔，露出18，在孔内沉积金属19，光刻刻蚀出要求的形状。

9.如图9所示，在步骤(8)孔内沉积金属并光刻刻蚀基础上，用等离子化学气相沉积(PECVD)沉积绝缘介质层117，绝缘介质层117可以是氧化硅或者氮氧化硅，光刻刻蚀要求的平行沟槽，在沟槽中沉积金属Al或者Cu，光刻形成字线111。

Claims

1、一种使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构，其特征在于所提供的相变存储单元具有平行的导电位线，位线与肖特基二极管的一端相连；肖特基二极管的另一端则与相变存储单元的下电极相连，相变存储单元的上电极与平行的导电字线相连。

2、按权利要求1所述的使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构，其特征在于肖特基二极管的半导体一端是低掺杂浓度的单晶硅、多晶硅或非晶硅。

3、按权利要求1所述的使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构，其特征在于肖特基二极管的另一端为金属层或硅化物层。

4、按权利要求3所述的使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构，其特征在于所述的金属为Au、Mo、Ni、W、Al、Ti或Pt；所述的硅化物为NiSi、CoSi₂或TiSi₂。

5、制备如权利要求1-4中任一项所述的使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构的方法，其特征在于包括形成多条平行位线、制备肖特基二极管、制备相变存储单元下电极、上电极以及平行字线制备，制备具体步骤采用下述两种方法中任一种：

方法A：

(a)首先，在N型单晶硅衬底上制备多条平行的字线，位线是高浓度掺杂的N型单晶硅、多晶硅或非晶硅；(b)再在位线上面沉积绝缘介质层，在预定暴露区域开孔，在孔中用外延制备低掺杂的N型导电型硅；(c)再沉积金属层，刻蚀出要求的图形，沉积绝缘介质层，制备出相变单元下电极；(d)沉积绝缘介质层，再在绝缘介质层中刻蚀要求的孔，沉积相变材料与上电极，制备出要求的图形，沉积绝缘介质层，刻蚀孔，制备出上电极；(e)最后，制备平行的金属导线字线；

方法B：

在P型单晶硅衬底制备多条平行的字线，位线是高浓度掺杂的P型单晶硅、多晶硅或非晶硅；(b)再在位线上面沉积绝缘介质层，在预定暴露区域开孔，在孔中用外延制备低掺杂的N型导电型硅；(c)再沉积金属层，刻蚀出要求的图形，沉积绝缘介质层，制备出相变单元下电极；(d)沉积绝缘介质层，再在绝缘介质层中刻蚀要求的孔，沉积相变材料与上电极，制备出要求的图形，沉积绝缘介质层，刻蚀孔，制备出上电极；(e)最后，制备平行的金属导线字线。

6、按权利要求5所述的使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构的制备方法，其特征在于在N型或P型单晶硅上制备多条平行的位线是用等离子化学气相沉积方法沉积绝缘介质层，然后光刻刻蚀出平行的沟槽，露出硅衬底，然后用固相外延方法生长高掺杂浓度的N型或P型单晶硅缓冲层，然后用固相外延方法生长出高浓度掺杂的平行的N型或P型多条平行位线。

7、按权利要求5所述的使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构的制备方法，其特征在于制备肖特基二极管包括沉积绝缘介质层、刻蚀孔与位线相连，在孔中用外延方法制备低掺杂的N型或P型导电的单晶硅、多晶硅或非晶硅；再沉积金属层或硅化物层，经刻蚀或磨平，得到需要的图形。

8、按权利要求5所述的使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构的制备方法，其特征在于所述的相变存储单元下电极制备包括沉积绝缘介质层，刻蚀孔并沉积金属W或TiN形成下电极，形成的下电极与肖特基二极管的金属层或硅化物层相连；所述的相变存储单元上电极为在相变材料上沉积上电极W或TiN；经刻蚀或磨平，再沉积绝缘介质层，刻蚀露出上电极。

9、按权利要求5所述的使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构的制备方法，其特征在于平行字线的制备是在上电极上沉积Cu、Al或W与上电极接触、磨平形成金属栓，再沉积绝缘介质层，在沉积的绝缘介质层上再沉积W或Al，刻蚀形成平行字线，且与金属栓相连。

10、按权利要求5、6、7、8或9所述的使用肖特基二极管为选通管的相变存储单元结构的制备方法，其特征在于所述的沉积的绝缘介质层为氧化硅或氮氧化硅。