[發明專利]一種提高相變存儲器存儲單元可靠性的結構及其制作方法

有效

• 申請號: 200810041394.X
• 申請日: 2008-08-05
• 公開（公告）號: CN101335329A
• 公開（公告）日: 2008-12-31
• 發明（設計）人: 吳良才;宋志棠;饒峰;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;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

本發明涉及一種提高相變存儲器存儲單元可靠性的結構及其制作方法，屬于微電子學中納米器件與制備工藝領域。

背景技術

目前市場上還沒有一種理想的同時具有動態隨機存取存儲器(DRAM)的高容量低成本、靜態隨機存取存儲器(SRAM)的高速度、閃速存儲器(FLASH)的數據非揮發性、同時可靠性高、操作電壓低、功耗又小的存儲器，而這些特性恰恰是新一代消費類電子工業、計算機工業等領域所需要的存儲技術。相變存儲器(PCRAM)具有存儲單元尺寸小、非揮發性、循環壽命長、穩定性好、功耗低和可嵌入功能強等優點，特別是在器件特征尺寸的微縮方面的優勢尤為突出，業界認為在不久的將來FLASH將遭遇尺寸縮小限制，而PCRAM在65nm節點后會有越來越大的技術優勢。因此，PCRAM被認為是下一代非揮發存儲技術的最佳解決方案之一，在低壓、低功耗、高速、高密度和嵌入式存儲方面具有廣闊的商用前景。國際知名半導體公司如英特爾、三星、意法半導體、飛利浦、國際商業機器公司和艾必達等花大量人力和物力對此技術進行開發，目前已研制出最大容量為512Mb的PCRAM試驗芯片。我國從2003年開始進行PCRAM的研究，國家對該技術非常重視。目前PCRAM在國際上正處于產業化的前期，我國在新材料的研究和納米加工方面與國際處于同步發展的水平，現在面臨著大力發展和推廣PCRAM技術的絕好機會。

通常的相變存儲器器件單元結構基本上都是由底電極、介質層、柱狀加熱電極、相變材料、絕熱材料和頂電極組成，(見圖1a)利用小的加熱電極操縱可逆相變材料。這種結構的關鍵問題主要在：(1)柱狀加熱電極和相變材料之間的力學、電學匹配問題，通常相變材料比較軟，加熱電極材料硬度比較大，致使加熱電極在相變材料上容易發生龜裂現象；另外加熱電極材料和相變材料之間的電學接觸通常不是正常的歐姆型，存在一肖特基勢壘，接觸電阻過大，如果接觸電阻達到10³歐姆以上就難以區分出相變材料的在多晶態時的阻值。(2)頂電極的散熱過大，導致器件在擦寫過程中的功耗大。(3)相變材料中的可逆相變區域在反復擦寫過程中會發生擴展現象，影響器件的性能與可靠性。(4)需要增加一道工藝在相變材料周圍制備一層絕熱保溫材料，阻止熱量的散發。

發明內容

本發明的目的在于提供一種提高相變存儲器存儲單元可靠性的結構及其制作方法。本發明提出的相變存儲器存儲單元的結構見圖1b。在納米尺度的加熱電極(如：W)和同一直徑的柱狀相變材料(如：Ge-Sb-Te)之間增加一薄層緩沖材料(如：TiN)，一方面增強相變材料和加熱電極之間的黏附性，另一方面有望改善相變材料和加熱電極之間的電學接觸。在相變材料和頂電極之間增加一薄層電阻率小、熱導率適中的熱阻材料(如：GeWN)，改善器件擦寫時的熱平衡，減小上電極的散熱。相變材料中的可逆相變區域被限制在介質孔洞里，減小了相變區域的橫向擴展。此外，這種結構中相變材料周圍不需另外制備保溫層。首先在襯底上依次制備底電極、介質材料層；接著通過納米加工工藝在介質材料層中制作出相變存儲單元的加熱電極，并將加熱電極的頂端刻蝕掉一定厚度，從而在電極上端形成介質孔洞；然后在孔洞中填充緩沖材料，依次拋光、刻蝕出孔洞，再依次填充、拋光出柱狀相變材料圖形，最后在相變材料頂端覆蓋一層電阻率小、熱導率適中的熱阻材料，引出上電極，形成存儲單元結構。該存儲單元結構的優點是通過緩沖材料改善相變材料和加熱電極之間的電學接觸，形成良好的歐姆型接觸，同時增強相變材料和加熱電極之間的黏附性，改善相變材料和加熱電極之間的應力匹配，阻止相變材料與加熱電極之間的擴散和反復擦寫過程中的界面失效，增強器件的可靠性。同時在相變材料和頂電極之間增加一薄層材料減小了上電極的散熱，降低器件的功耗。本發明的特征是在納米尺度的加熱電極(如：W)和相變材料(如：Ge-Sb-Te)之間增加一薄層緩沖材料(如：TiN)，一方面增強相變材料和加熱電極之間的黏附性；另一方面改善相變材料和加熱電極之間的電學接觸；并且改善相變材料和加熱電極之間的應力匹配，阻止反復擦寫過程中的界面失效；此外阻止相變材料與加熱電極之間的擴散。本發明的另一特征是在相變材料和頂電極之間增加一薄層熱阻材料(如：GeSiN)減小了上電極的散熱，降低器件的功耗。本發明的第三個特征是加熱電極、緩沖材料和相變區域限制在介質孔洞中形成自對準的柱狀結構，相變材料限制在介質孔洞中，防止擦寫過程中相變區域的橫向擴展。

本發明的主要工藝步驟如下：