專利名稱：一種抗輻照高可靠的相變存儲器器件單元及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗輻照高可靠的相變存儲器器件單元及其制作方法，更 確切地說涉及一種用于輻照等環(huán)境下的高可靠新型相變存儲器。屬于微電子 學(xué)中特殊器件與工藝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在目前的各種存儲技術(shù)中，基于硫系半導(dǎo)體材料的相變存儲器
(chalcogenide based RAM, C-RAM)具有成本低，速度快，存儲密度高， 制造簡單，且具有與當(dāng)前的CMOS (互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體)集成電路工 藝兼容性好的突出優(yōu)點(diǎn)，受到世界范圍的廣泛關(guān)注。此外，C-RAM具有抗 輻照(抗總劑量的能力大于1Mmd(Si))、耐高低溫(一55 125。C)、抗強(qiáng)振 動、抗電子干擾等性能，在國防和航空航天領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。自2003 年起，國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會一直認(rèn)為相變存儲器最有可能取代目前的SRAM
(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器)、DRAM (動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)和FLASH存儲 器(閃速存儲器)等當(dāng)今主流產(chǎn)品而成為未來存儲器主流產(chǎn)品的下一代半導(dǎo) 體存儲器件，最近美國空間理事會發(fā)表聲明認(rèn)為C-RAM技術(shù)是高安全高 可靠計(jì)算機(jī)芯片材料的突破，該存儲技術(shù)的研究為戰(zhàn)用計(jì)算機(jī)芯片提供前所 未有的保障，該技術(shù)可能會引發(fā)計(jì)算機(jī)的一次革命性的變革。
目前國際上主要的電子和半導(dǎo)體公司都在致力于C-RAM的研制。主要 研究單位有Ovonyx、 Intel、 Samsung、 IBM、 Bayer、 ST Micron、 AMD、 Panasonic 、 Sony、 Philips 、 British Areospace、 Hitachi禾卩Macronix等。2005 年5月份，美國IBM、德國英飛凌科技、臺灣旺宏電子(Macronix International)
宣布聯(lián)合研究開發(fā)相變存儲器，派遣20 25名技術(shù)人員專門參與此項(xiàng)研究。 3家公司分別提供各自擅長的技術(shù)進(jìn)行研究，具體來說，就是將把IBM擁有 的有關(guān)材料以及物理特性的基礎(chǔ)研究能力，英飛凌擁有的各種內(nèi)存產(chǎn)品的研 究、開發(fā)和量產(chǎn)技術(shù)能力，以及旺宏電子的非揮發(fā)性內(nèi)存技術(shù)能力集成到這 項(xiàng)研究中。
雖然C-RAM存儲單元本身具有抗輻照(抗總劑量的能力大于 1Mmd(Si))、耐高低溫(-55-125 °C)、抗強(qiáng)振動、抗電子干擾等性能，但是由 于通常的C-RAM外圍電路和1T1R結(jié)構(gòu)存儲單元的T都是制備在普通單晶 硅襯底上，不具有抗輻照的性能。本發(fā)明就是針對通常的C-RAM存在的可靠 性問題，提出一種新的相變存儲器結(jié)構(gòu)，該相變存儲器的存儲單元一個(gè)可逆 相變電阻和一個(gè)pn結(jié)構(gòu)成1D1R結(jié)構(gòu)。1D1R結(jié)構(gòu)的存儲單元本身具有抗輻 照性能，SOI襯底上的外圍控制電路也具有抗輻照性能，這樣整個(gè)相變存儲 器芯片就具有抗輻照能力，在軍工、國防和航空航天等輻照和電子干擾等領(lǐng) 域具有很大的實(shí)際應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種抗輻照高可靠的相變存儲器器件單元及其 制作方法，提供的相變存儲器用于高輻照等環(huán)境下，它是一種具有高速、低 功耗、高擦寫次數(shù)，尤其是具有很好的抗輻照性能的相變存儲器結(jié)構(gòu)。具體 地說，所述的相變存儲器的外圍控制電路在具有能力的SOI襯底上形成，存 儲單元由一個(gè)可逆相變電阻和一個(gè)pn結(jié)(二極管，diode)構(gòu)成，形成1D1R 結(jié)構(gòu)，不同于通常的1T1R結(jié)構(gòu)的存儲單元，其中pn結(jié)作為開關(guān)，代替通常 的晶體管開關(guān)。所提供的高可靠的C-RAM克服了通常的C-RAM外圍電路 和1T1R結(jié)構(gòu)存儲單元的T (晶體管)都是制備在普通單晶硅襯底上而不具 有抗輻照性能的缺點(diǎn)，在抗輻照等環(huán)境下的存儲芯片領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前 景。
在輻照的條件下，雖然a粒子、Y射線的穿透能力很強(qiáng)，但因作用在相
變材料中的時(shí)間很短，產(chǎn)生的熱量不大，不會引起材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這
對于基于結(jié)構(gòu)變化的相變材料，其阻值不會發(fā)生變化。pn結(jié)也同樣是基于材 料結(jié)構(gòu)的開關(guān)器件，同樣在結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的情況下性能不發(fā)生變化。
本發(fā)明的主要工藝步驟如下
(1) 在抗輻照加固的SOI襯底上，利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制備外圍控
制電路(包括邏輯電路、譯碼電路、寫擦驅(qū)動電路和讀出放大電路等)；
(2) 在上述SOI襯底的相應(yīng)區(qū)域，利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制備1D1R 存儲陣列的pn結(jié)，并且原位形成相變材料的孔洞，孔洞的深度50 nm-150 nm， 孔洞直徑100-300 nm;
(3) 利用CVD、原子層沉積(ALD)、高真空磁控濺射方法、電子束 蒸發(fā)等方法在孔洞中淀積一層電極材料，與pn結(jié)的頂端相連；
(4) 利用CMP將表面拋平，去掉表面的金屬材料，形成柱狀的金屬電 極陣列，作為相變單元的底電極；
(5) 在底電極上濺射生長20nm-80nm厚的Si02或SiNx介質(zhì)層；
(6) 在Si02或SiNx介質(zhì)層上相變單元底電極的相應(yīng)位置，刻蝕制備 50-250 nm的孔洞，孔洞的底部與底電極頂端相連；
(7) 利用磁控濺射等技術(shù)在上述孔洞內(nèi)填充W、 TiN等加熱電極材料， 直至孔洞填滿，接著進(jìn)行CMP，除去表面的加熱電極材料，形成柱狀加熱 電極陣列；
(8) 在柱狀加熱電極上濺射生長50 nm-200 nm厚的Si02或SiNx介質(zhì)
層；
(9) 在&02或SiNx介質(zhì)層上柱狀加熱電極的相應(yīng)位置，刻蝕制備50-200 nm的孔洞，孔洞的底部與柱狀加熱電極頂端相連；
(10) 利用磁控濺射等方法在上述孔洞內(nèi)填充加熱相變材料；
(11) 利用CMP拋除孔洞以外區(qū)域的相變材料薄膜，形成柱狀相變材 料陣列，如GeSbTe陣列；
(12) 利用CVD、 ALD或高真空磁控濺射方法、電子束蒸發(fā)等方法在
柱狀相變材料陣列上淀積一層頂電極材料；
(13) 進(jìn)行濕法刻蝕，從而得到SOI襯底上的1D1R結(jié)構(gòu)的相變存儲器 器件單元；(圖l)
(14) 將該相變存儲器器件單元連接到電學(xué)測量系統(tǒng)中，進(jìn)行相變存儲 器器件單元的寫、擦、讀操作，研究其存儲特性和疲勞特性等。
(15) 1D1R存儲陣列加上邏輯、譯碼、寫擦驅(qū)動和讀出放大等外圍電 路，構(gòu)成基于SOI襯底和1D1R結(jié)構(gòu)存儲陣列的具有抗輻照等高可靠性能的 C-RAM芯片。(圖2)
所述的抗輻照加固的襯底和其中的絕緣層不受限制，只要具有抗輻照性 能的SOI材料都可以使用，如襯底可以為GSOI (絕緣層上鍺硅)、GOI (絕 緣層上鍺)等，SOI中的絕緣層可以為Si02、 SiNx、空氣等。
所述的底電極不受限制，可以是鋁、銅等常用的導(dǎo)體材料，其厚度為 200-400 nm。
所述存儲陣列各單元之間的1D1R結(jié)構(gòu)由介質(zhì)材料隔開，避免了各單元 之間的串繞。隔離介質(zhì)為常用的Si02、 SiNx等材料，也可以為八1203、 Hf02 等材料，厚度100nm-500nm。
所述的外圍電路和pn結(jié)由標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制備，可逆相變電阻由后 續(xù)的特定工藝制備，不影響CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝。
所述的pn結(jié)上的相變材料的孔洞可以用聚焦離子束刻蝕法、電子束曝 光和反應(yīng)離子刻蝕法等任何微納加工方法獲得。
所述的加熱電極的材料為W等具有一定電阻率的材料，甚至可以再在 W等上沉積一層幾個(gè)納米厚的高電阻率的加熱材料如TiW、 TiAlN等，從而 提高加熱效果，降低操作電流。
所述的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)后得到的表面平整度很高，甚至可以達(dá)到 納米級，不影響后續(xù)的長膜工藝。
所述的在pn結(jié)和IR之間可以加一層Ta20s、 A1203、 Zr02等介質(zhì)材料，
從而可有效地增強(qiáng)相變材料的附著力，提高相變材料的加熱效果，同時(shí)也避
免了熱量或載流子對pn結(jié)的影響，提高了可靠性，改善了存儲性能。
可以對上電極進(jìn)行處理，也可以對pn結(jié)和GST單元進(jìn)行加固，進(jìn)一步 提高可靠性。
所述的可逆相變電阻可由化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或刻蝕形成。 在相同的尺寸下，pn結(jié)提供的電流比MOSFET金屬氧化物半導(dǎo)體場效 應(yīng)晶體管提供的電流大2倍，增強(qiáng)了可靠性。
由此可見，本發(fā)明提供的一種高可靠的相變存儲器，其特征在于
(a) 外圍電路制作在抗輻照加固的襯底上；
(b) 存儲單元由一個(gè)可逆相變電阻和一個(gè)pn結(jié)(二極管，diode)構(gòu)成， 形成1D1R結(jié)構(gòu)，可逆相變電阻作為信息存儲介質(zhì)，pn結(jié)作為開關(guān)；
(c) 每個(gè)1DlR結(jié)構(gòu)的pn結(jié)和可逆相變電阻縱向排列，pn結(jié)在下，可 逆相變電阻在上，1D1R結(jié)構(gòu)由周圍的介質(zhì)材料隔開，以有效地避免射線或 粒子的輻照影響；
(d) 用pn結(jié)代替晶體管，1D1R結(jié)構(gòu)存儲單元尺寸小，輻照環(huán)境中射 線、粒子可作用的幾率小，有效地降低了輻照的影響；
(e) 1DlR是由基于結(jié)構(gòu)變化的相變材料和pn結(jié)構(gòu)成，射線、粒子作 用的時(shí)間很短，產(chǎn)生的熱量不大，不會引起材料結(jié)構(gòu)的變化。在結(jié)構(gòu)不發(fā)生 變化的情況下，性能不發(fā)生改變；
(f) 相變存儲器陣列由尺寸小的1D1R結(jié)構(gòu)存儲單元組成，陣列的密度 大于通常的1T1R結(jié)構(gòu)存儲單元組成的陣列。
本發(fā)明提供的一種高可靠的新型相變存儲器的重要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檐姽ぁ?防和航空航天等輻照和電子干擾等領(lǐng)域。所提供的該相變存儲器的外圍控制 電路在SOI襯底上形成，存儲單元由一個(gè)抗輻照的可逆相變電阻和一個(gè)pn 結(jié)構(gòu)成1D1R結(jié)構(gòu)，代替通常的1T1R結(jié)構(gòu)。由于1D1R結(jié)構(gòu)的存儲單元本 身具有抗輻照性能，SOI襯底上的外圍電路也具有抗輻照性能，這樣形成的
相變存儲器芯片則具有很好的抗輻照性能，具有很大的應(yīng)用前景。


圖1由1D1R結(jié)構(gòu)組成的存儲陣列剖面結(jié)構(gòu)示意圖
圖2由1D1R結(jié)構(gòu)存儲陣列及其外圍電路組成的存儲芯片框圖
圖中l(wèi).二極管；2.底電極；3.加熱電極；4.相變材料；5.頂電極
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步， 但本發(fā)明決非僅局限于所述的實(shí)施例。
實(shí)施例1:
(1) 在SOI襯底上，利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制備外圍控制電路(包括 邏輯電路、譯碼電路、寫擦驅(qū)動電路和讀出放大電路等)；
(2) 在上述SOI襯底的相應(yīng)區(qū)域，利用標(biāo)準(zhǔn)的深亞微米的半導(dǎo)體工藝 在SOI襯底上制備pn結(jié)，pn結(jié)的寬度在200-500nm;
G)利用PECVD技術(shù)在pn結(jié)上淀積一層100 -200 nm厚的Si02薄膜；
(4) 在上述100-200nm厚SiO2上利用電子束刻蝕技術(shù)制備納米孔洞， 孔洞底部與pn結(jié)上端相連，孔洞直徑在100 -200 nm范圍；
(5) 利用CVD技術(shù)在孔洞里淀積W薄膜，反應(yīng)源為WF6、 SiH4和H2 三者的混合物，直至孔洞填滿；
(6) 利用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(CMP)拋除孔洞以外區(qū)域的W電極材料；
(7) 利用PECVD技術(shù)在W電極上淀積一層10-30 nm厚的Si02薄膜；
(8) 在上述10-30 nm厚的Si02上利用電子束刻蝕技術(shù)制備納米孔洞， 孔洞底部與W電極上端相連，孔洞直徑在50 nm-150 nm范圍；
(9) 利用磁控濺射技術(shù)在孔洞里淀積TiN薄膜，直至孔洞填滿；
(10) 利用CMP拋除孔洞以外區(qū)域的TiN薄膜；
(11) 利用PECVD技術(shù)在TiN薄膜上淀積一層50-100 nm厚的Si02薄
膜；
(12)在上述50-100 nm厚的Si02上利用電子束刻蝕技術(shù)制備納米孔洞， 孔洞底部與TiN電極上端相連，孔洞直徑在100 -300 nm范圍；
(13 )磁控濺射相變材料GeSbTe,厚度約80 nm,本底真空為3xl(T6 Torr， 濺射真空為0.08 Pa，功率100 W;
(14) 利用CMP拋除孔洞以外區(qū)域的GeSbTe薄膜，接著制備Al頂電 極，從而得到SOI襯底上的1D1R結(jié)構(gòu)的相變存儲器器件單元；
(15) 將該相變存儲器器件單元連接到電學(xué)測量系統(tǒng)中，進(jìn)行相變存儲 器器件單元的寫、擦、讀操作，研究其存儲特性和疲勞特性等。
實(shí)施例2:
將實(shí)施例1第7步Si02薄膜的厚度減小到5 nm左右，第9步的TiN薄 膜換成厚度5 nm左右的Zr02薄膜，其它同實(shí)施例1，可得到比實(shí)施例1更 好的加熱結(jié)果。
實(shí)施例3:
將實(shí)施例1第13步的可逆相變材料GeSbTe換成SiSbTe，或者換成Sn、 Ag、 N等摻雜的GeSbTe和Sn、 Ag、 N等摻雜的SiSbTe，其它步驟同實(shí)施 例l。這樣可以得到更好的器件性能，如降低器件的操作電流或提高器件速 度等。
實(shí)施例4:
對實(shí)施例1第2步的pn結(jié)和實(shí)施例1第13步的GST單元采取適當(dāng)?shù)?加固處理，其它同實(shí)施例l，可得到比實(shí)施例l更好的抗輻照等性能。 實(shí)施例5:
對實(shí)施例1的SOI襯底采取適當(dāng)?shù)募庸烫幚恚蛘吒淖僑OI襯底中的絕 緣層材料，如利用DLC代替Si02，其它同實(shí)施例l，可以在提高器件的抗 輻照性能的同時(shí)改善器件的其它性能，如降低自加熱效應(yīng)等。
權(quán)利要求
1、一種抗輻照高可靠相變存儲器器件單元，其特征在于(a)存儲單元由一個(gè)可逆相變電阻和一個(gè)pn結(jié)二極管組成，形成IDIR結(jié)構(gòu)；可逆相變電阻作為信息存儲介質(zhì)，pn結(jié)作為開關(guān)；(b)每個(gè)IDIR結(jié)構(gòu)的pn結(jié)和可逆相變電阻縱向排列，pn結(jié)在下，可逆相變電阻在上，IDIR結(jié)構(gòu)周圍是介質(zhì)材料；(c)相變存儲器器件單元構(gòu)成存儲陣列和外圍電路制作在抗輻照加固的襯底材料上，由尺寸小的IDIR結(jié)構(gòu)存儲單元組成的相變存儲器陣列位于襯底材料的相應(yīng)區(qū)域。
2、 按權(quán)利要求1所述的抗輻照高可靠相變存儲器器件單元，其特征在 于所述抗輻照的襯底材料為絕緣層上硅、絕緣層上鍺硅或絕緣層上鍺。
3、 按權(quán)利要求1所述的抗輻照高可靠相變存儲器器件單元，其特征在 于所述的存儲陣列各單元之間的IDIR結(jié)構(gòu)由介質(zhì)材料隔開。
4、 按權(quán)利要求3所述的抗輻照高可靠相變存儲器器件單元，其特征在 于隔開的介質(zhì)材料為Si02、 SiNx、八1203和HfD2中的任一種；厚度為 100nm-500nm。
5、 按權(quán)利要求1所述的抗輻照高可靠相變存儲器器件單元，其特征在 于在pn結(jié)和可逆相變電阻之間加有一層Ta205、 A1203或Zr02介質(zhì)材料層。
6、 制作如權(quán)利要求1所述的抗輻照高可靠相變存儲器器件單元的方法， 其特征在于制作步驟是-(1) 在抗輻照加固的襯底材料上，禾lj用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制備外圍控 制電路，所述的外圍控制電路包括控制邏輯電路、譯碼電路、寫擦驅(qū)動電路 和讀出放大電路；(2) 步驟1制作有外圍控制電路的襯底材料的相應(yīng)區(qū)域，利用標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS工藝制備1D1R存儲陣列的pn結(jié)，并且原位形成納米級相變材料的 孔洞，孔洞的深度50nm-150nm，孔洞直徑100-300 nm;孔洞的底部與pn 結(jié)上端相連；(3) 利用化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、高真空磁控濺射方法或電子束 蒸發(fā)方法在孔洞中淀積一層電極材料，與pn結(jié)的頂端相連；(4) 利用化學(xué)機(jī)械拋光方法將表面拋平，去掉表面的金屬材料，形成 柱狀的金屬電極陣列，作為相變單元的底電極；(5) 在底電極上濺射生長10nm-80nm厚的Si02、 SiNx、八1203和Hf02 介質(zhì)層；(6) 在步驟5制作的介質(zhì)層上相變單元底電極的相應(yīng)位置，刻蝕制備 50-250 nm的孔洞，孔洞的底部與底電極頂端相連；(7) 利用磁控濺射技術(shù)在上述孔洞內(nèi)填充W、 TiN等加熱電極材料， 直至孔洞填滿，接著進(jìn)行CMP，除去表面的加熱電極材料，形成柱狀加熱 電極陣列；(8) 在柱狀加熱電極上濺射生長50 nm-200 nm厚的SiCb或SiNx介質(zhì)層；(9) 在SK)2或SiHc介質(zhì)層上柱狀加熱電極的相應(yīng)位置，刻蝕制備50-200 nm的孔洞，孔洞的底部與柱狀加熱電極頂端相連；(10) 利用磁控濺射方法在上述孔洞內(nèi)填充加熱相變材料；(11) 拋除孔洞以外區(qū)域的相變材料，形成柱狀可逆相變材料陣列；(12) 利用化學(xué)相沉積、原子層沉積、高真空磁控濺射方法或電子束蒸 發(fā)方法在柱狀相變材料陣列上淀積一層頂電極材料；(13) 進(jìn)行濕法刻蝕，從而得到抗輻照加固的襯底上的1D1R結(jié)構(gòu)的相變存儲器器件單元；(14) 將該相變存儲器器件單元連接到電學(xué)測量系統(tǒng)中，進(jìn)行相變存儲 器器件單元的寫、擦、讀操作；(15) 1D1R存儲陣列加上邏輯、譯碼、寫擦驅(qū)動和讀出放大等外圍電 路，構(gòu)成基于抗輻加固的照襯底和1D1R結(jié)構(gòu)存儲陣列的具有抗輻照的可靠 相變存儲器芯片。
7、 按權(quán)利要求6所述的抗輻照高可靠相變存儲器器件單元的制作方法， 其特征在于所述的底電極為鋁或銅，厚度為200-400nm。
8、 按權(quán)利要求6所述的抗輻照高可靠相變存儲器器件單元的制作方法， 其特征在于所述的柱狀加熱電極的材料為W、 TiW或TiAlN。
9、 按權(quán)利要求6所述的抗輻照高可靠相變存儲器器件單元的制作方法， 其特征在于所述步驟11所述的可逆相變電阻由化學(xué)機(jī)械拋光或刻蝕形成。
10、 按權(quán)利要求6所述的抗輻照高可靠相變存儲器器件單元的制作方法， 其特征在于所述可逆相變材料(1)為GeSbTe或SiSbTe; (2)為摻雜Sn、 Ag或N的GeSbTe或SiSbTe。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抗輻照高可靠的相變存儲器器件單元及其制作方法。該相變存儲器的外圍電路制作在抗輻照加固的襯底上。存儲單元由一個(gè)可逆相變電阻和一個(gè)pn結(jié)二極管構(gòu)成，形成1D1R結(jié)構(gòu)。利用SiO₂等介質(zhì)材料把1D1R封裝起來，加上1D1R器件單元小以及射線、粒子可作用的幾率小等優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了抗輻照的1D1R存儲單元。存儲單元通過上下電極散熱，通過相變材料與電極材料之間熱阻層的厚度調(diào)節(jié)熱量平衡點(diǎn)。由抗輻照的1D1R存儲單元構(gòu)成存儲陣列，加上SOI襯底上的外圍電路，從而形成抗輻照的相變存儲器。
文檔編號H01L21/84GK101114666SQ20071004453
公開日2008年1月30日 申請日期2007年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月3日
發(fā)明者波 劉, 劉衛(wèi)麗, 吳良才, 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