[發(fā)明專利]一種抗輻照高可靠的相變存儲(chǔ)器器件單元及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710044534.4
• 申請(qǐng)日: 2007-08-03
• 公開（公告）號(hào): CN101114666A
• 公開（公告）日: 2008-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋志棠;吳良才;劉衛(wèi)麗;劉波;封松林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): H01L27/24
• 分類號(hào): H01L27/24;H01L23/552;H01L21/84;G11C11/56
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)技術(shù)中，基于硫系半導(dǎo)體材料的相變存儲(chǔ)器(chalcogenide?based?RAM，C-RAM)具有成本低，速度快，存儲(chǔ)密度高，制造簡(jiǎn)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1Mrad(Si))、耐高低溫(-55～125℃)、抗強(qiáng)振動(dòng)、抗電子干擾等性能，在國(guó)防和航空航天領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。自2003年起，國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)一直認(rèn)為相變存儲(chǔ)器最有可能取代目前的SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)和FLASH存儲(chǔ)器(閃速存儲(chǔ)器)等當(dāng)今主流產(chǎn)品而成為未來存儲(chǔ)器主流產(chǎn)品的下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件，最近美國(guó)空間理事會(huì)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(chǔ)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(huì)引發(fā)計(jì)算機(jī)的一次革命性的變革。

目前國(guó)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和Macronix等。2005年5月份，美國(guó)IBM、德國(guó)英飛凌科技、臺(tái)灣旺宏電子(Macronix?International)宣布聯(lián)合研究開發(fā)相變存儲(chǔ)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(zhǎng)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(chǔ)單元本身具有抗輻照(抗總劑量的能力大于1Mrad(Si))、耐高低溫(-55-125℃)、抗強(qiáng)振動(dòng)、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(chǔ)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(duì)通常的C-RAM存在的可靠性問題，提出一種新的相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，該相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器芯片就具有抗輻照能力，在軍工、國(guó)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(chǔ)器器件單元及其制作方法，提供的相變存儲(chǔ)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(chǔ)器結(jié)構(gòu)。具體地說，所述的相變存儲(chǔ)器的外圍控制電路在具有能力的SOI襯底上形成，存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)芯片領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

在輻照的條件下，雖然α粒子、γ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(huì)引起材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這對(duì)于基于結(jié)構(gòu)變化的相變材料，其阻值不會(huì)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(dòng)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(chǔ)陣列的pn結(jié)，并且原位形成相變材料的孔洞，孔洞的深度50nm-150nm，孔洞直徑100-300nm；

(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；