[發明專利]一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構及制備方法

無效

• 申請號: 201010295914.7
• 申請日: 2010-09-28
• 公開（公告）號: CN102005466A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 宋志棠;吳良才;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: H01L27/24
• 分類號: H01L27/24;H01L45/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明涉及一種相變存儲器結構及制備方法，特別涉及一種采用低k介質材料作為絕熱材料的相變存儲器結構及相應的制備方法，屬于微電子學中特殊器件與工藝領域。

背景技術

在目前的新型存儲技術中，基于硫系半導體材料的相變存儲器(PCRAM)具有成本低，速度快，存儲密度高，制造簡單且與當前的CMOS(互補金屬-氧化物-半導體)集成電路工藝兼容性好的突出優點，受到世界范圍的廣泛關注。降低電流和功耗、提高數據保持力和相變材料的可靠性是目前最主要的研究方向之一，全世界各大公司相繼投入了相變存儲器的研究行列，主要研究單位有Ovonyx、Intel、Samsung、IBM、Bayer、STMicron、AMD、Panasonic、Sony、Philips、British?Areospace、Hitachi和Macronix等。

降低功耗、提高數據保持力和可靠性可以從材料和器件結構兩個方面進行改善。其中，器件結構方面的改善方法也是多種多樣的，相變存儲器的結構大致分為經典“蘑菇型”結構、μ-Trench結構、Pore結構、GST限制結構、邊緣接觸結構、量子線結構、GST側墻結構等。經典T-shape的結構關鍵在于底部加熱電極的制備方法，此種結構的操作區域的減小只能通過縮小底部電極的方法來實現，從而達到降低操作電壓和降低功耗的目的。各種結構的目的都是為了減小電極和相變材料的接觸區域，從而實現set與reset的可逆相變區域的減小，達到降低電流和功耗的目的。相變區域的減小與操作電流的降低呈現明顯的線性關系，減小相變操作區域的方法大致有兩種，分別為減小相變材料的尺寸和減小加熱電極的尺寸，同時通過電極與相變材料間的介質過渡層，有效阻止可逆相變過程的熱量擴散也是實現低壓、低功耗的有效途徑。

此外，隨著集成電路技術和CMOS工藝朝45nm以及22nm發展，CMOS電路中越來越多地使用低k(low-k)介質材料。使用low-k介質材料作為ILD(Inter?Layer?Dielectrics，層間電介質)，可以減少寄生電容容量，降低信號串擾，這樣就允許互連線之間的距離更近，進一步提高芯片的集成度，同時使用low-k介質材料縮短了信號傳播延時，有利于提高芯片速度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構及制備方法。

為了達到上述目的及其他目的，本發明采用如下技術方案：

一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構，包括襯底以及位于所述襯底之上的由多個相變存儲單元組成的相變存儲單元陣列；

其中，每個所述相變存儲單元包括：

一個二極管；

位于所述二極管之上的加熱電極；

位于所述加熱電極之上的可逆相變電阻；

位于所述可逆相變電阻之上的頂電極；

在所述加熱電極和可逆相變電阻周圍包裹有低k介質絕熱層；

在所述可逆相變電阻與其周圍的低k介質絕熱層之間設有防擴散介質層。

較佳的，所述襯底可以是常用的Si襯底，也可以是SOI襯底或其他半導體材料作為襯底。

所述加熱電極不受限制，可以是W、Pt等常用的導體材料，也可以是其它的導電材料，如TiN、TiW、TiAlN等，從而提高加熱效果，降低操作電流。

所述低k介質絕熱層采用低k介質材料，包括：低k的摻雜氧化物、低k的有機聚合物和低k的多孔材料。優選的，所述低k介質絕熱層采用氟摻雜氧化硅(SiOF)、多孔碳摻雜氧化硅(SiOC)、旋涂有機聚合物介質、旋涂有機硅基聚合物介質、多孔SiLK或多孔氧化硅等。

所述頂電極不受限制，可以是Al、W、Cu等常用的導體材料，也可以是其它的導電材料，如TiN等。

較佳的，所述防擴散介質層可采用氮化物材料如SiN、SiON等或氧化物材料如Ta₂O₅、Al₂O₃、ZrO₂等，可有效地防止相變材料的擴散，增強相變材料的附著力，提高相變材料的加熱效果和可靠性。

較佳的，所述可逆相變電阻采用相變材料GeSbTe、SiSbTe，或者Sn、Ag、N等摻雜的GeSbTe，或者Sn、Ag、N等摻雜的SiSbTe。

此外，本發明還提供一種上述具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構的制備方法，包括如下步驟：

(1)利用標準的CMOS工藝制備二極管陣列；

(2)在二極管陣列上制備50nm-1000nm厚的第一低k介質絕熱層；