[發明專利]用于降低相變存儲器單元功耗的氧化物隔熱層及實現方法

無效

• 申請號: 200810033519.4
• 申請日: 2008-02-04
• 公開（公告）號: CN101226990A
• 公開（公告）日: 2008-07-23
• 發明（設計）人: 宋志棠;徐成;劉波;封松林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24;H01L21/82;G11C11/56;G11C16/02
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及用于降低相變存儲器單元功耗的氧化物隔熱層及實現的方法，屬于微電子學納米材料與器件制備領域。

背景技術

相變存儲器(Phase?Change?Memory，PCM)技術是基于S.R.Ovshinsky在20世紀60年代末(Phys.Rev.Lett.21，1450～1453，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.18，254～257，1971)提出相變薄膜可以應用于相變存儲介質的構想建立起來的。相變存儲器與目前的動態隨機存儲器(DRAM)、閃存(FLASH)相比有很明顯的優勢：體積小、驅動電壓低、功耗小、讀寫速度快以及非揮發特性。PCM不僅是非揮發性存儲器，能抗高低溫沖擊，抗輻照、抗振動，因此不僅將被廣泛應用到民用的日常便攜電子產品，而且在航空航天等軍事領域有巨大的潛在應用。國際上已有Ovonyx、Intel、Samsung、Hitachi、STMicroelectronics和British?Aerpspace等大公司在開展PCM存儲器的研究，正在進行技術的完善與可制造性等方面的研發工作。

目前最為重要的研究熱點在于實現相變存儲器操作時的低壓與低功耗。Sadegh?M.Sadeghipour等研究發現針對T型結構的相變存儲器單元，真正應用于硫系材料薄膜層相變的熱量僅僅占到外部供給熱量總額的0.2～1.4％，然而有60～72％的熱量是通過底W電極擴散回襯底方向(Thermal?andThermomechanical?Phenomena?in?Electronics?Systems(ITHERM.The?TenthIntersociety?Conference?on?660，2006))。另外，因為相變存儲器需要和金屬氧化物場效應管(MOSFET)器件集成，工作電壓由MOSFET管提供，較高的操作電壓將使得相變存儲器不能與MOSFET兼容，而且過多的熱量回流到MOSFET會影響MOSFET的性能與可靠性。因此，眾多相變存儲器研究機構都致力于研究W底電極與硫系材料層之間插入隔熱層的方法來改善器件的熱效應，例如：1.插入無定型碳隔熱層(J.Appl.Phys.94，3536～3542，2003)；或2.插入多晶鍺硅隔熱層(Appl.Phys.Lett.89，053517，2006)。但效果不佳，本發明試圖從另一角度及在存儲器內植入底氧化物隔熱層來達到更好的熱效應。

發明內容

本發明目的在于提供一種用于降低相變存儲器單元功耗的氧化物隔熱層及實現的方法，本發明旨在提出一種氧化物隔熱層，被用來降低相變存儲器單元功耗及其實現的方法。

本發明提出的相變存儲器單元功耗的降低的特征在于在底W電極和硫系化合物相變材料薄膜之間增加一層氧化物隔熱層，隔熱層材料不僅需要具有良好的熱穩定性以保證在加熱過程中隔熱層材料的性質不會發生較大改變，以及具有比底加熱W電極小很多的熱導率保證熱量不會通過底加熱W電極大量散失，與CMOS標準制造工藝相兼容，而且需要與相變材料、W電極以及SiO₂絕熱包裹層具有很好的黏附力。

當前普遍使用的加熱電極類似Ti電極在500℃可與相變材料中的Te原子結合成鍵，從而降低相變材料非晶態高阻與晶態低阻之間的電阻分辨率，進而影響相變存儲器的數據分辨能力。所選擇的氧化物材料不存在此類現象，能有效阻止高溫情況下相變材料中的元素擴散，不會引起底W電極高溫情況下的氧化，且與CMOS標準制造工藝相兼容，而且對于降低硫系相變材料內相變用熱量向底W電極的擴散具有很明顯的作用，除此之外隔熱層氧化物材料具有比底加熱W電極低很多的熱導率，從而有效的抑制了熱量通過底加熱W電極大量散失，提高了相變存儲器器件單元的熱效率，降低了功耗，從而降低了操作電流或電壓。

所用的氧化物隔熱層厚度控制在10nm以下，以便使氧化物隔熱層的植入不會導致整個存儲器電阻的明顯增加，所采用的氧化物隔熱層的材料為TiO₂等，在隔熱層制備的過程中不會導致底加熱W電極發生氧化反應。且10nm以下的厚的氧化物隔熱層已能有效的抑制硫系化合物中各元素向襯底方向擴散的趨勢。

本發明提出的具有氧化物隔熱層PCM結構的具體實現步驟為：

(1)使用丙酮與酒精溶液，超聲波作用下清洗襯底，然后在襯底上使用濺射法、蒸發法、原子層沉積法、化學汽相沉積法、金屬有機物熱分解法或激光輔助沉積法中任意一種制備隔熱層氧化物材料，其厚度為10nm以下；