[發明專利]一種高密度相變存儲器電路結構及其制備方法

無效

• 申請號: 201210461713.9
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN102931206A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 蔡道林;陳后鵬;王倩;王兆敏;宋志棠
• 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;G11C13/00;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

本發明屬于微納米電子技術領域，涉及一種信息存儲器，特別是涉及一種高密度相變存儲器電路結構及其制備方法。

背景技術

相變存儲單元是基于20世紀60年代末70年代初提出的相變薄膜可以應用于相變存儲介質的構想建立起來的，是一種價格便宜、性能穩定的存儲器件。相變存儲單元可以做在硅晶片或SOI襯底上，其關鍵材料是可記錄的相變薄膜、加熱電極材料、絕熱材料和引出電極材，其研究熱點也就圍繞器件工藝展開。器件的物理機制研究包括如何減小器件料等。相變存儲單元的基本原理是用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材料在非晶態與多晶態之間發生可逆相變，通過分辨非晶態時的高阻與多晶態時的低阻實現信息的寫入、擦除和讀出操作。

相變存儲器由于具有高速讀取、高可擦寫次數、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗強震動和抗輻射等優點，被國際半導體工業協會認為最有可能取代目前的閃存存儲器而成為未來存儲器主流產品和最先成為商用產品的器件。

相變存儲器的讀、寫、擦操作就是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或電流脈沖信號：擦操作(RESET)，當加一個短且強的脈沖信號使器件單元中的相變材料溫度升高到熔化溫度以上后，再經過快速冷卻從而實現相變材料多晶態到非晶態的轉換，即“1”態到“0”態的轉換；寫操作(SET)，當施加一個長且中等強度的脈沖信號使相變材料溫度升到熔化溫度之下、結晶溫度之上后，并保持一段時間促使晶核生長，從而實現非晶態到多晶態的轉換，即“0”態到“1”態的轉換；讀操作，當加一個對相變材料的狀態不會產生影響的很弱的脈沖信號后，通過測量器件單元的電阻值來讀取它的狀態。

相變存儲器現在通常的存儲結構為11R(即1個晶體管和1個相變電阻(phase?changeresistor，PCR)構成1個存儲單元，如圖1)，1D1R和1B1R三種結構。1T1R結構由于工藝簡單、與CMOS工藝完全兼容以及不需要增加額外的光罩成為首選結構。但是，相變存儲器具有很多優點，其缺點就是操作電流較大，從而導致了1T1R結構中單元選通管的面積大而影響存儲器的密度和成本。由于相變存儲電阻是個納米尺寸的器件，所以密度是受制于選通管的大小，在不改變選通管尺寸的前提下，我們改變存儲單元結構及其版圖結構，可以提高相變存儲器的密度。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種高密度相變存儲器電路結構，在不改變選通管尺寸的前提下，通過改變相變存儲單元及其版圖結構，提高相變存儲器的密度。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種高密度相變存儲器電路結構，所述相變存儲器結構包括選通管及n個相變電阻，所述選通管的源端接地，柵端接字線WL；所述n個相變電阻并列排布，各該相變電阻的一端共同連接在所述選通管的漏端，各該相變電阻的另一端分別連接各自的位線，其中n為整數，n≥2。

優選地，n的取值為4～6。

優選地，所述選通管是MOS管、二極管或三極管。

本發明還涉及一種高密度相變存儲器器件結構制備方法，該方法包括以下步驟：

1)提供一半導體襯底，在所述半導體襯底上形成外延層；

2)在所述外延層上按照常規工藝形成STI結構、有源區以及柵區域和在該柵區域周圍的隔離結構；

3)形成設有接觸孔的第一絕緣層；

4)填充鎢塞到所述接觸孔；

5)沉積相變薄膜材料；

6)刻蝕所述相變薄膜材料形成n個相變電阻，其中n為整數，n≥2；

7)制備金屬層并刻蝕成位線；

8)制備其余金屬層互聯。

本發明還包括一種高密度相變存儲器器件結構，該相變存儲器器件結構包括n個相變電阻以及半導體襯底；

位于該半導體襯底上的外延層；

位于該外延層上的有源區以及用于隔離所述有源區的STI結構；

位于所述有源區上的柵區域和在該柵區域周圍的隔離結構；

位于有源區、柵區域以及STI結構上的絕緣層；

設置于絕緣層內的接觸孔；

位于絕緣層上的若干金屬層；

所述接觸孔內填充有金屬用于連接所述金屬層和有源區；

所述相變電阻位于第一金屬層和有源區之間，通過底電極與選通管的源區相連。

本發明還涉及一種高密度相變存儲器器件結構，該相變存儲器器件結構包括n個相變電阻以及半導體襯底；

位于該半導體襯底上的外延層；

位于該外延層上的有源區以及用于隔離所述有源區的STI結構；