CN100517743C - 一种抗辐照高可靠的相变存储器器件单元及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗辐照高可靠的相变存储器器件单元及其制作方法。该相变存储器的***电路制作在抗辐照加固的衬底上。存储单元由一个可逆相变电阻和一个pn结二极管构成，形成1D1R结构。利用SiO2等介质材料把1D1R封装起来，加上1D1R器件单元小以及射线、粒子可作用的几率小等优点，从而实现了抗辐照的1D1R存储单元。存储单元通过上下电极散热，通过相变材料与电极材料之间热阻层的厚度调节热量平衡点。由抗辐照的1D1R存储单元构成存储阵列，加上SOI衬底上的***电路，从而形成抗辐照的相变存储器。

Description

一种抗辐照高可靠的相变存储器器件单元及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种抗辐照高可靠的相变存储器器件单元及其制作方法，更确切地说涉及一种用于辐照等环境下的高可靠新型相变存储器。属于微电子学中特殊器件与工艺领域。
背景技术
在目前的各种存储技术中，基于硫系半导体材料的相变存储器(chalcogenide based RAM，C-RAM)具有成本低，速度快，存储密度高，制造简单，且具有与当前的CMOS(互补金属-氧化物-半导体)集成电路工艺兼容性好的突出优点，受到世界范围的广泛关注。此外，C-RAM具有抗辐照(抗总剂量的能力大于1Mrad(Si))、耐高低温(-55～125℃)、抗强振动、抗电子干扰等性能，在国防和航空航天领域有重要的应用前景。自2003年起，国际半导体工业协会一直认为相变存储器最有可能取代目前的SRAM(静态随机存取存储器)、DRAM(动态随机存取存储器)和FLASH存储器(闪速存储器)等当今主流产品而成为未来存储器主流产品的下一代半导体存储器件，最近美国空间理事会发表声明认为：C-RAM技术是高安全高可靠计算机芯片材料的突破，该存储技术的研究为战用计算机芯片提供前所未有的保障，该技术可能会引发计算机的一次革命性的变革。
目前国际上主要的电子和半导体公司都在致力于C-RAM的研制。主要研究单位有Ovonyx、Intel、Samsung、IBM、Bayer、ST Micron、AMD、Panasonic、Sony、Philips、British Areospace、Hitachi和Macronix等。2005年5月份，美国IBM、德国英飞凌科技、台湾旺宏电子(Macronix International)宣布联合研究开发相变存储器，派遣20～25名技术人员专门参与此项研究。3家公司分别提供各自擅长的技术进行研究，具体来说，就是将把IBM拥有的有关材料以及物理特性的基础研究能力，英飞凌拥有的各种内存产品的研究、开发和量产技术能力，以及旺宏电子的非挥发性内存技术能力集成到这项研究中。
虽然C-RAM存储单元本身具有抗辐照(抗总剂量的能力大于1Mrad(Si))、耐高低温(-55-125℃)、抗强振动、抗电子干扰等性能，但是由于通常的C-RAM***电路和1T1R结构存储单元的T都是制备在普通单晶硅衬底上，不具有抗辐照的性能。本发明就是针对通常的C-RAM存在的可靠性问题，提出一种新的相变存储器结构，该相变存储器的存储单元一个可逆相变电阻和一个pn结构成1D1R结构。1D1R结构的存储单元本身具有抗辐照性能，SOI衬底上的***控制电路也具有抗辐照性能，这样整个相变存储器芯片就具有抗辐照能力，在军工、国防和航空航天等辐照和电子干扰等领域具有很大的实际应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗辐照高可靠的相变存储器器件单元及其制作方法，提供的相变存储器用于高辐照等环境下，它是一种具有高速、低功耗、高擦写次数，尤其是具有很好的抗辐照性能的相变存储器结构。具体地说，所述的相变存储器的***控制电路在具有能力的SOI衬底上形成，存储单元由一个可逆相变电阻和一个pn结(二极管，diode)构成，形成1D1R结构，不同于通常的1T1R结构的存储单元，其中pn结作为开关，代替通常的晶体管开关。所提供的高可靠的C-RAM克服了通常的C-RAM***电路和1T1R结构存储单元的T(晶体管)都是制备在普通单晶硅衬底上而不具有抗辐照性能的缺点，在抗辐照等环境下的存储芯片领域具有很大的应用前景。
在辐照的条件下，虽然α粒子、γ射线的穿透能力很强，但因作用在相变材料中的时间很短，产生的热量不大，不会引起材料的结构发生变化，这对于基于结构变化的相变材料，其阻值不会发生变化。pn结也同样是基于材料结构的开关器件，同样在结构不发生变化的情况下性能不发生变化。
本发明的主要工艺步骤如下：
(1)在抗辐照加固的SOI衬底上，利用标准的CMOS工艺制备***控制电路(包括逻辑电路、译码电路、写擦驱动电路和读出放大电路等)；
(2)在上述SOI衬底的相应区域，利用标准的CMOS工艺制备1D1R存储阵列的pn结，并且原位形成相变材料的孔洞，孔洞的深度50nm-150nm，孔洞直径100-300nm；
(3)利用CVD、原子层沉积(ALD)、高真空磁控溅射方法、电子束蒸发等方法在孔洞中淀积一层电极材料，与pn结的顶端相连；
(4)利用CMP将表面抛平，去掉表面的金属材料，形成柱状的金属电极阵列，作为相变单元的底电极；
(5)在底电极上溅射生长20nm-80nm厚的SiO2或SiNx介质层；
(6)在SiO2或SiNx介质层上相变单元底电极的相应位置，刻蚀制备50-250nm的孔洞，孔洞的底部与底电极顶端相连；
(7)利用磁控溅射等技术在上述孔洞内填充W、TiN等加热电极材料，直至孔洞填满，接着进行CMP，除去表面的加热电极材料，形成柱状加热电极阵列；
(8)在柱状加热电极上溅射生长50nm-200nm厚的SiO2或SiNx介质层；
(9)在SiO2或SiNx介质层上柱状加热电极的相应位置，刻蚀制备50-200nm的孔洞，孔洞的底部与柱状加热电极顶端相连；
(10)利用磁控溅射等方法在上述孔洞内填充加热相变材料；
(11)利用CMP抛除孔洞以外区域的相变材料薄膜，形成柱状相变材料阵列，如GeSbTe阵列；
(12)利用CVD、ALD或高真空磁控溅射方法、电子束蒸发等方法在柱状相变材料阵列上淀积一层顶电极材料；
(13)进行湿法刻蚀，从而得到SOI衬底上的1D1R结构的相变存储器器件单元；(图1)
(14)将该相变存储器器件单元连接到电学测量***中，进行相变存储器器件单元的写、擦、读操作，研究其存储特性和疲劳特性等。
(15)1D1R存储阵列加上逻辑、译码、写擦驱动和读出放大等***电路，构成基于SOI衬底和1D1R结构存储阵列的具有抗辐照等高可靠性能的C-RAM芯片。(图2)
所述的抗辐照加固的衬底和其中的绝缘层不受限制，只要具有抗辐照性能的SOI材料都可以使用，如衬底可以为GSOI(绝缘层上锗硅)、GOI(绝缘层上锗)等，SOI中的绝缘层可以为SiO2、SiNx、空气等。
所述的底电极不受限制，可以是铝、铜等常用的导体材料，其厚度为200-400nm。
所述存储阵列各单元之间的1D1R结构由介质材料隔开，避免了各单元之间的串绕。隔离介质为常用的SiO2、SiNx等材料，也可以为Al2O3、HfO2等材料，厚度100nm-500nm。
所述的***电路和pn结由标准的CMOS工艺制备，可逆相变电阻由后续的特定工艺制备，不影响CMOS标准工艺。
所述的pn结上的相变材料的孔洞可以用聚焦离子束刻蚀法、电子束曝光和反应离子刻蚀法等任何微纳加工方法获得。
所述的加热电极的材料为W等具有一定电阻率的材料，甚至可以再在W等上沉积一层几个纳米厚的高电阻率的加热材料如TiW、TiAlN等，从而提高加热效果，降低操作电流。
所述的化学机械抛光(CMP)后得到的表面平整度很高，甚至可以达到纳米级，不影响后续的长膜工艺。
所述的在pn结和IR之间可以加一层Ta2O5、Al2O3、ZrO2等介质材料，从而可有效地增强相变材料的附着力，提高相变材料的加热效果，同时也避免了热量或载流子对pn结的影响，提高了可靠性，改善了存储性能。
可以对上电极进行处理，也可以对pn结和GST单元进行加固，进一步提高可靠性。
所述的可逆相变电阻可由化学机械抛光(CMP)或刻蚀形成。
在相同的尺寸下，pn结提供的电流比MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管提供的电流大2倍，增强了可靠性。
由此可见，本发明提供的一种高可靠的相变存储器，其特征在于：
(a)***电路制作在抗辐照加固的衬底上；
(b)存储单元由一个可逆相变电阻和一个pn结(二极管，diode)构成，形成1D1R结构，可逆相变电阻作为信息存储介质，pn结作为开关；
(c)每个1D1R结构的pn结和可逆相变电阻纵向排列，pn结在下，可逆相变电阻在上，1D1R结构由周围的介质材料隔开，以有效地避免射线或粒子的辐照影响；
(d)用pn结代替晶体管，1D1R结构存储单元尺寸小，辐照环境中射线、粒子可作用的几率小，有效地降低了辐照的影响；
(e)1D1R是由基于结构变化的相变材料和pn结构成，射线、粒子作用的时间很短，产生的热量不大，不会引起材料结构的变化。在结构不发生变化的情况下，性能不发生改变；
(f)相变存储器阵列由尺寸小的1D1R结构存储单元组成，阵列的密度大于通常的1T1R结构存储单元组成的阵列。
本发明提供的一种高可靠的新型相变存储器的重要应用领域为军工、国防和航空航天等辐照和电子干扰等领域。所提供的该相变存储器的***控制电路在SOI衬底上形成，存储单元由一个抗辐照的可逆相变电阻和一个pn结构成1D1R结构，代替通常的1T1R结构。由于1D1R结构的存储单元本身具有抗辐照性能，SOI衬底上的***电路也具有抗辐照性能，这样形成的相变存储器芯片则具有很好的抗辐照性能，具有很大的应用前景。
附图说明
图1由1D1R结构组成的存储阵列剖面结构示意图
图2由1D1R结构存储阵列及其***电路组成的存储芯片框图
图中1.二极管；2.底电极；3.加热电极；4.相变材料；5.顶电极
具体实施方式
下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于所述的实施例。
实施例1：
(1)在SOI衬底上，利用标准的CMOS工艺制备***控制电路(包括逻辑电路、译码电路、写擦驱动电路和读出放大电路等)；
(2)在上述SOI衬底的相应区域，利用标准的深亚微米的半导体工艺在SOI衬底上制备pn结，pn结的宽度在200-500nm；
(3)利用PECVD技术在pn结上淀积一层100-200nm厚的SiO2薄膜；
(4)在上述100-200nm厚SiO2上利用电子束刻蚀技术制备纳米孔洞，孔洞底部与pn结上端相连，孔洞直径在100-200nm范围；
(5)利用CVD技术在孔洞里淀积W薄膜，反应源为WF6、SiH4和H2三者的混合物，直至孔洞填满；
(6)利用化学机械抛光技术(CMP)抛除孔洞以外区域的W电极材料；
(7)利用PECVD技术在W电极上淀积一层10-30nm厚的SiO2薄膜；
(8)在上述10-30nm厚的SiO2上利用电子束刻蚀技术制备纳米孔洞，孔洞底部与W电极上端相连，孔洞直径在50nm-150nm范围；
(9)利用磁控溅射技术在孔洞里淀积TiN薄膜，直至孔洞填满；
(10)利用CMP抛除孔洞以外区域的TiN薄膜；
(11)利用PECVD技术在TiN薄膜上淀积一层50-100nm厚的SiO2薄膜；
(12)在上述50-100nm厚的SiO2上利用电子束刻蚀技术制备纳米孔洞，孔洞底部与TiN电极上端相连，孔洞直径在100-300nm范围；
(13)磁控溅射相变材料GeSbTe，厚度约80nm，本底真空为3×10-6Torr，溅射真空为0.08Pa，功率100W；
(14)利用CMP抛除孔洞以外区域的GeSbTe薄膜，接着制备Al顶电极，从而得到SOI衬底上的1D1R结构的相变存储器器件单元；
(15)将该相变存储器器件单元连接到电学测量***中，进行相变存储器器件单元的写、擦、读操作，研究其存储特性和疲劳特性等。
实施例2：
将实施例1第7步SiO2薄膜的厚度减小到5nm左右，第9步的TiN薄膜换成厚度5nm左右的ZrO2薄膜，其它同实施例1，可得到比实施例1更好的加热结果。
实施例3：
将实施例1第13步的可逆相变材料GeSbTe换成SiSbTe，或者换成Sn、Ag、N等掺杂的GeSbTe和Sn、Ag、N等掺杂的SiSbTe，其它步骤同实施例1。这样可以得到更好的器件性能，如降低器件的操作电流或提高器件速度等。
实施例4：
对实施例1第2步的pn结和实施例1第13步的GST单元采取适当的加固处理，其它同实施例1，可得到比实施例1更好的抗辐照等性能。
实施例5：
对实施例1的SOI衬底采取适当的加固处理，或者改变SOI衬底中的绝缘层材料，如利用DLC代替SiO2，其它同实施例1，可以在提高器件的抗辐照性能的同时改善器件的其它性能，如降低自加热效应等。

Claims (12)

1、一种抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于制作步骤是：
(1)在抗辐照加固的衬底材料上，利用标准的CMOS工艺制备***控制电路，所述的***控制电路包括控制逻辑电路、译码电路、写擦驱动电路和读出放大电路；
(2)步骤1制作有***控制电路的衬底材料的相应区域，利用标准的CMOS工艺制备1D1R存储阵列的pn结，并且原位形成纳米级相变材料的孔洞，孔洞的深度50nm-150nm，孔洞直径100-300nm；孔洞的底部与pn结上端相连；
(3)利用化学气相沉积、原子层沉积、高真空磁控溅射方法或电子束蒸发方法在孔洞中淀积一层电极材料，与pn结的顶端相连；
(4)利用化学机械抛光方法将表面抛平，去掉表面的金属材料，形成柱状的金属电极阵列，作为相变单元的底电极；
(5)在底电极上溅射生长10nm-80nm厚的SiO2、SiNx、Al2O3或HfO2介质层；
(6)在步骤5制作的介质层上相变单元底电极的相应位置，刻蚀制备直径为50-250nm的孔洞，孔洞的底部与底电极顶端相连；
(7)利用磁控溅射技术在上述孔洞内填充W或TiN加热电极材料，直至孔洞填满，接着进行CMP，除去表面的加热电极材料，形成柱状加热电极阵列；
(8)在柱状加热电极上溅射生长50nm-200nm厚的SiO2或SiNx介质层；
(9)在SiO2或SiNx介质层上柱状加热电极的相应位置，刻蚀制备直径为50-200nm的孔洞，孔洞的底部与柱状加热电极顶端相连；
(10)利用磁控溅射方法在上述孔洞内填充加热相变材料；
(11)抛除孔洞以外区域的相变材料，形成柱状可逆相变材料阵列；
(12)利用化学相沉积、原子层沉积、高真空磁控溅射方法或电子束蒸发方法在柱状相变材料阵列上淀积一层顶电极材料；
(13)进行湿法刻蚀，从而得到抗辐照加固的衬底上的1D1R结构的相变存储器器件单元；
(14)将该相变存储器器件单元连接到电学测量***中，进行相变存储器器件单元的写、擦、读操作；
(15)1D1R存储阵列加上逻辑、译码、写擦驱动和读出放大***电路，构成基于抗辐照加固的衬底和1D1R结构存储阵列的具有抗辐照的相变存储器芯片。
2、按权利要求1所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于所述的底电极为铝或铜，厚度为200-400nm。
3、按权利要求1所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于所述的柱状加热电极的材料替换为TiW或TiAlN。
4、按权利要求1所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于所述步骤(11)所述的可逆相变材料阵列由化学机械抛光或刻蚀形成。
5、按权利要求1所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于所述的相变材料为GeSbTe或SiSbTe。
6、按权利要求1所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于所述的相变材料为掺杂Sn、Ag或N的GeSbTe。
7、按权利要求1所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于所述的相变材料为掺杂Sn、Ag或N的SiSbTe。
8、按权利要求1所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于所述的抗辐照的衬底材料为绝缘层上硅、绝缘层上锗硅或绝缘层上锗。
9、按权利要求1所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于制作的相变存储器器件：
(a)存储单元由一个可逆相变电阻和一个pn结二极管组成，形成1D1R结构；可逆相变电阻作为信息存储介质，pn结作为开关；
(b)每个1D1R结构的pn结和可逆相变电阻纵向排列，pn结在下，可逆相变电阻在上，1D1R结构周围是介质材料；
(c)相变存储器器件单元构成存储阵列和***电路制作在抗辐照加固的衬底材料上，由1D 1R结构存储单元组成的相变存储器阵列位于衬底材料的相应区域。
10、按权利要求9所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于所述的存储阵列各单元之间的1D1R结构由介质材料隔开。
11、按权利要求10所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于隔开的介质材料为SiO2、SiNx、Al2O3和HfO2中的任一种；厚度为100nm-500nm。
12、按权利要求9所述的抗辐照相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于在pn结和可逆相变电阻之间加有一层Ta2O5、Al2O3或ZrO2介质材料层。
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