CN101267017B - 一种管状相变存储器单元结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管状相变存储器单元结构及制作方法,所述的相变存储器单元结构包括上电极、下电极以及存储部分。单元结构的基本特征是:相变材料分布在孔的侧壁,利用孔中相变材料的截面积小电阻大,在读写操作中通过自身发热完成相变,同时在环形相变材料的两端通过加相变材料保温层作为封盖形成管状,以提高读写操作中热量的利用效率,存储部分为一个上下用相变材料封盖的管状结构,里面填充金属、绝缘绝热材料或者高阻材料。本发明的存储器结构可以降低写操作电流、功耗小、热量利用率高、数据保持性能好,可以提高在芯片中器件的阻值一致性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制作方法,具体涉及一种管状相变存储器件单元结构与制作方法,属于微电子技术领域。
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。
相变存储单元结构采用硫族化合物材料,在电、光等能量作用下可以实现非晶态和多晶态之间转换。晶态和非晶态有着不同的电学特性。晶态的电阻率远远小于非晶态电阻率,对应0和1的存储。
用于制作相变存储器件的典型材料为硫族化合物系列,如Ge-Sb-Te(GST)或者掺杂的Ge-Sb-Te,SbTe,GeSb等。典型的相变存储器单元结构的剖面图见图1。所述的单元结构由上电极(11)、相变材料(12)、下电极(14)、绝缘介质(13)组成。相变材料与下电极的接触面积由下电极的截面积决定,下电极的宽度取决于光刻工艺限定的光刻图形,下电极的最小宽度取决于光刻工艺的最小宽度,该结构在缩小相变材料截面积上受到目前光刻工艺和条件的限制。
当前在相变存储单元结构中的问题是,从晶态到非晶态所需要的操作电流大,导致外围电路大,功耗大。尽可能减小下电极与相变材料的接触面积是方法之一。但是对于传统结构,下电极与相变材料的接触面积则由光刻的最小宽度决定。
国际上,利用减少下电极与相变材料的接触面积来优化器件性能,减少写操作电流的工作主要包括:三星公司的ring电极结构单元、意法半导体用的μ电极结构单元。本发明拟采用环状相变材料来减少接触面积,从而降低写操作电流,而三星工作是ring电极。与三星电极ring结构相变单元相比,本发明采用相变材料管状结构,相变材料厚度的减少到nm尺度时,与同成分的体材料相比明显降低相变材料熔点【Xuhui Sun,Bin Yu,and M.Meyyappan;Synthesis and nanoscale thermal encoding of phase-change nanowires;Applied Physics Letters 90,183116,2007】,使得写操作的需要的能量降低导致写操作电流的减少;相变材料尺寸的减少到nm尺度,使得相变材料的晶化温度增加【Wei Xiaoqian,Shi Luping,Chong Tow Chong,Zhao Rong,and Lee Hock Koon;Thickness Dependent Nano-Crystallization inGe2Sb2Te5 Films and Its Effect on Devices;Japanese Journal of AppliedPhysics;Vol.46,No.4B,2007,pp.2211-2214】,有望提高存储器的数据保持时间,同时电阻分布的一致性增加。与传统的器件结构相比,本发明的结构是通过环状相变材料部分的自己发热来实现存储器的读写操作。与公布的发明CN200610146334.5的结构比较,添加相变材料作为保温层可以提高热量的利用效率,降低RESET置位电流,与该发明不同的地方是在结构中添加辅助加热部分,调节相变部分非晶态的总电阻,提高发热效率。
发明内容
综上所述,本发明的目的在于提出一种管状相变存储器单元结构与制备方法,所述的相变存储器的单元结构包括上电极、下电极以及存储部分。本发明提供的管状相变存储器单元结构的基本特征是:相变材料分布在环形孔的侧壁,利用孔中相变材料的截面积小电阻大,在读写操作中通过自身发热完成相变的特点,同时环形孔上下由相变材料封盖成管状结构,也即在相变材料两端通过增加相变材料组成的保温层提高读写操作中热量的利用效率,形成的存储部分为一个上、下用相变材料封盖的管状结构,里面填充金属导体材料、高阻材料或者绝缘绝热材料。该结构具有减少相变材料与电极的接触面积、降低写操作电流、提高储器的数据保持时间、增加电阻分布一致性的特点。
本发明提出的管状结构存储器的单元结构,是一种电阻式随机可存储器件,其结构特征在于相变材料分布在孔的侧壁,可以通过控制相变材料的壁厚来调节与上、下封盖的相变材料保温层的接触面积,所述的接触面积由环形相变材料的厚度与通孔的尺寸共同决定,一般不受上电极尺寸控制,相变材料下方是下电极栓塞,上、下电极材料可以是W、TiN或硅化物等导电材料,下电极与存储单元选通管相连(比如MOS型晶体管、双极型晶体管、二极管等),所述的相变材料保温层的上方为上电极,上电极的尺寸取决于光刻工艺限制的尺寸,孔的最小宽度取决于光刻工艺的最小极限,在管状结构内部有金属导体材料如W,TiN,TiNAl,Ti或高阻材料如非晶硅、非晶碳、GeSi等来调节电阻,提高在RESET下的发热效率;也可以是,绝缘绝热材料SiO2,Si3N4,SiON,Ta2O5,Al2O3或氟化非晶碳(a-c、F)。
本发明提供一种方法形成上述存储器件单元结构的制作方法,首先在选通管电极或衬底电极上形成下电极金属塞22,形成下电极金属塞,包括沉积下电极柱塞的绝缘介质层,在绝缘介质层特定地方形成可以容纳下电极金属的通孔,可以与选通管的电极相连,然后沉积金属后,磨平去除下电极多余的金属。进一步实施包括在磨平下电极金属后沉积TiN等作为相变材料部分孔洞刻蚀阻止层。
然后形成容纳相变材料的通孔,在通孔中形成环状相变材料23及填充材料24,环形相变材料层的厚度根据工艺条件可以在1nm~30nm范围变化,形成环状相变材料包括沉积相变材料周围的绝缘介质层,在下电极上方开通孔,沉积形成相变材料(Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4、掺杂的Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4,其它相变材料Sb2Te3,GeTi,GeSb,Si2Sb2Te5,Si1Sb2Te4,SiSb,GeSe等),薄膜的厚度根据通孔尺寸在1nm~30nm变化,沉积填充材料24,然后磨平露出环状相变材料,沉积相变材料23,刻蚀形成保温层,其面积大于环状相变层。
下电极形成包括沉积绝缘介质层,在保温相变材料上方开通孔,沉积金属,然后磨平形成金属塞。
附图说明
图1是常规相变存储器的剖面图。
图2是根据本发明实施例1构作的相变存储单元的剖面图(a)与俯视图(b)。
图3是根据本发明进一步实施例的相变材料的通孔为方管状的剖面图(a)与俯视图(b)。
图4为根据本发明图2的形成相变存储器的方法,(a)形成下电极金属栓塞;(b)沉积绝缘介质层;(c)刻蚀形成相变材料通孔;(d)在孔内沉积相变材料层和沉积填充材料;(e)化学机械抛光露出终止层;(f)形成相变材料保温层;(g)形成上电极,完成相变存储器单元结构制作。
图5是根据本发明进一步实施例的相变存单元的通孔为栓塞的剖面图。
图中:21为衬底,22为下电极,23为相变材料,24为填充材料可以是绝缘绝热材料SiO2,Si3N4,SiON,Ta2O5,Al2O3,氟化非晶碳(a-C:F),也可以是高阻材料如非晶硅、非晶碳、GeSi,也可以使金属导体材料如W,TiN,TiNAl,Ti等,25为上电极,26为绝缘介质,27为CMP终止层,28相变材料保温层。
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,图中的表示是示意的,但不应该被认为限制本发明的范围。
图4(a)~(f)给出了本发明的某些实施例的形成方法。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4(a)所示在衬底(包括MOS的杂质扩散区,源漏区,电极引线,通孔,或者PN二极管,双极晶体管等)制备下电极通孔,其尺寸根据工艺条件调整,其通孔尺寸可以大于或者小于相变材料孔的尺寸,接着往孔里沉积下电极,比如W,TiN,硅化物等导电介质,形成金属栓塞。
2.沉积绝缘介质(26)包括SiO2,SiON等和CMP终止层(27)包括SiN等,如图4-b。
3.刻蚀形成环形相变材料通孔,通孔的尺寸可以大于或者小于下电极的尺寸,可以为圆柱形,栓塞状或方管状,根据工艺可以有尺寸,现状的偏差。(图4-c)
4.在孔内沉积相变材料层(包括用ALD方法制备相变材料),厚度在1~30nm,根据工艺与结构要求选择合适的厚度,沉积填充材料(24)。(图4-d)
5.化学机械抛光(CMP)磨平相变材料和绝缘介质,磨去多余的相变材料和绝缘介质,一直到CMP终止层(27)。(图4-e)
6.形成相变材料保温层:沉积相变材料,光刻形成需要的图形。(图4-f)
7.形成上电极,包括沉积绝缘介质,形成上电极通孔,沉积金属包括W,TiN,硅化物等,然后磨平去处多余的金属和绝缘介质。(图4-g)。完成图2所示的相变存储器单元结构的制作。
作为本发明的另一个施例,环形相变材料的通孔可以是栓塞状(图5)。
作为本发明的另一个施例,下电极的直径可以小于或大于相变材料通孔的尺寸。
作为本发明的另一个施例,上电极的直径可以等于或大于环状相变成材料的尺寸。
作为本发明的另一个施例,下电极与环形相变材料之间可以有加热层如Ta2O5,SiN,Al2O3等
作为本发明的另一个施例,环形相变成材料的侧壁可以有粘附绝缘层如Ta2O5,SiN,Al2O3等。
Claims (10)
1.一种管状相变存储器单元结构,包括上电极、下电极及存储部分,所述的存储部分的相变材料分布在环形孔的侧壁,管内填充材料为绝缘绝热材料、高阻材料或金属导体材料,其特征在于环形孔的上、下由相变材料保温层作为封盖成管状结构。
2.按权利要求1所述的管状相变存储器单元结构,其特征在于环形相变材料的通孔为圆柱形、方管状或栓塞状。
3.按权利要求1所述的管状相变存储器单元结构,其特征在于上电极与环形相变材料之间有加热层。
4.按权利要求1所述的管状相变存储器单元结构,其特征在于下电极的直径小于或大于相变材料的通孔的尺寸。
5.按权利要求1所述的管状相变存储器单元结构,其特征在于下电极与环形相变材料之间有加热层。
6.按权利要求5所述的管状相变存储器单元结构,其特征在于所述的加热层为Al2O3、Ta2O5或SiN。
7.按权利要求1所述的管状相变存储器单元结构,其特征在于管内填充绝缘绝热材料为SiO2、Si3N4、SiON、Ta2O5、Al2O3或氟化非晶碳;管内填充的高阻材料为非晶硅、非晶碳或GeSi;管内填充的金属导体材料为W、TiN、TiNAl或Ti。
8.制作如权利要求1~7中任一项所述的管状相变存储器单元结构的方法,其特征在于制作步骤是:
a)在衬底上制备下电极通孔,其尺寸根据工艺条件调整,其通孔尺寸可以大于或者小于相变材料孔的尺寸,接着往孔里沉积下电极,形成金属栓塞;
b)沉积绝缘介质;
c)刻蚀形成环形相变材料通孔,通孔的尺寸大于或者小于下电极的尺寸,通孔的形状为圆柱形、方管状或栓塞状;
d)在步骤c形成的通孔沉积相变材料层,厚度为1~30nm,然后沉积填充材料;
e)用化学机械抛光方法磨平相变材料和绝缘介质,磨去多余的相变材料和绝缘介质,直到化学机械抛光终止层;
f)形成相变材料保温层:沉积相变材料,光刻形成需要的图形;
g)形成上电极,包括沉积绝缘介质,形成上电极通孔,沉积金属,然后磨平去处多余的金属和绝缘介质,完成相变存储器单元结构的制作。
9.按权利要求8所述的管状相变存储器单元结构的制作方法,其特征在于制作上电极或下电极的材料为W、TiN或硅化物。
10.按权利要求8所述的管状相变存储器单元结构的制作方法,其特征在于环形相变材料的侧壁有粘附绝缘层。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101215 |
|
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