CN100397675C - 一种减小相变存储器写入电流的单元结构及改进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种减小相变存储器工作电流的单元结构及改进方法，属于微电子领域。其特征在于：在加热电极与硫系化合物之间加入一层过渡层，过度层厚度为10nm-50nm。过渡层材料要求是电阻率比加热电极高，且熔点高于硫系化合物。可选择的有Pt、Ti、TiN等。其结构的改进的实现是采用溅射方法沉积底电极，在沉积一层电介质层，通过曝光刻蚀方法刻蚀小孔，依次沉积加热电极和过渡层，再在其上沉积电介质层，刻蚀较大孔，在孔中沉积硫系化合物，经化学机械抛光后再沉积上电极。经由结构上的改进并实施，由于过渡层材料电阻率高，发热效率就高，用较小的电流就可以达到所需要的温度。
Description
技术领域
一种减小相变存储器(PRAM)写入电流的单元结构及改进方法，属于微电子学中的纳米材料的制造工艺。
背景技术
相变随机存储器(PRAM)与目前的动态随机存储器(DRAM)、闪存(FLASH)相比有明显的优势：它体积小，驱动电压低，功耗小，读写速度较快，非挥发。PRAM不仅是非挥发性存储器，而且有可能制成多级存储，并实用于超低温和高温环境，抗辐照、抗振动，因此不仅将被广泛应用到日常的便携式电子产品，而且在航空航天等领域有巨大的潜在应用。尤其，在便携式电子产品中它的高速、非挥发性正好弥补了FLASH和铁电存储器(FeRAM)的不足。美国Intel公司就曾预言PRAM将取代FLASH、DARM和静态随机存储器(SRAM)，PRAM芯片将很快进入市场。国际半导体联合会在它2001年的ROADMAP中，同样把PRAM预测为可以最先实现商业化的存储器之一。
然而目前研究相变随机存储器面临一个主要问题，就是如何进一步减小其工作电流，特别是其中要求比较大的写入电流。因为相变存储器要和金属氧化物场效应管(MOSFET)器件集成，工作电流由MOSFET管提供。然而通过MOSFET管的电流是有限度的，而且减小电流对于减小整个器件的功耗是特别重要的。针对此，工业界提出了各种不同的解决方案。其中一种方法就是减小加热电极与硫系化合物接触面积从而增加电流密度。如三星(Samsung)在2003年提出并使用的Spacer PatterningTechnology(l.ang-KyuChoi，su-Jae King，IEEE transaction on electrondevicse，VOL.49，N0.3，4362.H.Horri，J.H.Yi，J.H.Park，YH Ha，LG.Baek，S.O.Park，YN.Hwang，Symposium on VLSI Tech Digest of TechPapers，2003)，边缘接触法(3.YHHa，J.H.Y，J.H.Park，S.H.Joo，S.O.Park，U-InChung，J.T.Moon，Symposium on VLSITech Digest of Tech Papers，2003)
发明内容
本发明目的在于提出一种减小相变存储器写入电流的单元结构及改进方法。它是从PRAM结构的改进着手，从另一个角度来达到减小PRAM的工作电流。
本发明提出的PRAM结构上的改进的特征在于是在加热电极和硫系化合物相变材料之间增加一个高电阻率的过渡层，过渡层的电阻率大于加热电极电阻率，而熔点高于硫系化合物。其厚度在10-SOnm之间，结合减小加热电极与硫系化合物的接触面积的方法，从而达到增大电流密度，减小工作电流的目的。
当前PRAM使用的加热电极主要是用钨材料。W的电阻率只有5.65X10-gS}m，而Pt和Ti等金属的电阻率分别达到10.6和42.0X10-aSZm。以及一些氮化物(如TiN)电阻率均比都比W要高很多，且它们的熔点又高于硫系化合物的熔点，可以选择它们作为过渡层的材料。至于不完全用他们来做加热电极，是基于减小功耗，利于散热等各方面的考虑。而且本发明与上述的Spacer Patterning Technology，边缘接触法等并不冲突，可以一并使用，从而达到更好的效果。
本发明提出的PRAM结构上的改进的具体实现的步骤如下：
(1)在衬底上，用磁控溅射的方法沉积底电极材料，厚度50-150nm，溅射是本底真空为4×10-6Torr，溅射真空为0.10Pa；
(2)在步骤(1)沉积的底电极上沉积一层氮化硅介质层，厚度为100-150nm，然后通过曝光刻蚀技术，在介质层中央处刻蚀出小孔，孔径为0.15-0.5um；
(3)依次沉积加热电极和过渡加热层，加热电极厚度为70-120nm，过渡层厚度为20-50nm，然后化学机械抛光；
(4)再在其上沉积一层介质氮化硅层，曝光刻蚀，孔径在0.7-1.0um，孔内磁控溅射硫系化合物GeTeSb，然后再化学机械抛光(CMP)。
(5)最后沉积上电极，厚度为80-150nm，即完成简单单元PRAM器件的制备。
具体步骤见图1。
附图说明
图1为单元相变存储器制备过程示意图
(a)为在氧化硅衬底上磁控溅射沉积W电极
(b)为沉积氮化硅，并曝光刻蚀小孔
(c)为沉积加热电极W及过渡加热层Ti
(d)为沉积氮化硅，并曝光刻蚀孔，孔内磁控溅射GeTeSb
(e)为沉积上电极W，制成结构改进的单元PRAM。
图中1为衬底；
2为底电极W；
3为介电层Si3N4；
4为加热电极W；
5为过渡加热层Ti；
6为硫属化合物GeTeSb；
7为介电层Si3N4；
8为上电极W
具体实施方式
实施例1：下面通过结合附图详细阐述单元相变存储器的制作过程，以进一步有助于对本发明的理解，但本发明绝非局限于实施例。其简单单元器件制备步骤如下：
(1)，用氧化硅片做衬底，其上用磁控溅射的方法在室温下沉积底电极材料W，厚度在100nm左右，溅射时的功率为300W，本底真空为4×10-6Torr，溅射真空为0.10Pa；(图1，a)
(2)，在其上沉积一层氮化硅介质层，厚度为100nm，然后通过曝光刻蚀等步骤刻出小孔，孔径在0.25um；(图1，b)
(3)，在其上依次沉积加热电极W，过渡层Ti，W厚度为100nm，Ti厚30nm，然后化学机械抛光(CMP)，注意不能磨太多，防止把Ti层都磨光了；(图1，c)
(4)，再沉积一层电介质层氮化硅，曝光刻蚀，孔径1.0um，孔内磁控溅射GeTeSb，功率100W，本底真空为3×10-6torr，溅射真空为0.08Pa。然后再化学机械抛光；(图1，d)
(5)，沉积上电极W，厚度在100nm左右。即完成简单的单元相变存储器的制备(图1，e)。引出导线，便可测量其各种性能。
由本实施例可以明显看出，本发明提供的改进型PRAM结构中在加热电极层W与硫系化合物GeTeSb之间加入一过渡层Ti，其厚度小于50nm。而此过渡层Ti与加热电极层及硫系化合物层之间紧密结合。
Claims (4)
1.一种减小相变存储器写入电流单元结构，在加热电极与硫系化合物相变材料结构之间加入一层过渡层材料，其特征在于过渡层的电阻率大于加热电极，而熔点高于硫系化合物；加热电极为W，过渡层的材料为Pt、Ti或TiN材料中的一种，过渡层与加热电极层及硫系化合物层之间紧密结合。
2.按权利要求1所述的减小相变存储器写入电流单元结构，其特征在于过渡层的厚度为10nm-50nm。
3.改进如权利要求1或2所述的减小相变存储器写入电流单元结构的方法，其特征在于其具体步骤是：
(1)在衬底上，用磁控溅射的方法沉积底电极材料，厚度50-150nm溅射是本底真空为4×10-6Torr，溅射真空为0.10Pa；
(2)在步骤(1)沉积的底电极上沉积一层氮化硅介质层，厚度为100-150nm，然后通过曝光刻蚀技术，在介质层中央处刻蚀出小孔，孔径为0.15-0.5μm；
(3)依次沉积加热电极和过渡加热层，加热电极厚度为70-120nm，过渡层厚度为20-50nm，然后化学机械抛光；
(4)再在其上沉积一层介质氮化硅层，曝光刻蚀，孔径在0.7-1.0um，孔内磁控溅射硫系化合物GeTeSb，然后再化学机械抛光；
(5)最后沉积上电极，厚度为80-150nm，即完成简单单元PRAM器件的制备。
4.按权利要求3所述的一种减小相变存储器工作电流单元结构的改进方法，其特征在于所述的底电极和上电极的材料均为W。
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