專利名稱：基于二極管單元選通的相變存儲器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種相變存儲器件及其制造方法，尤其涉及基 于二極管單元選通的相變存儲器及其制造方法。
背景技術(shù)：
相變存儲器作為一種新興的不揮發(fā)存儲技術(shù)，在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時間、 單元面積、多值實現(xiàn)等諸多方面相對FLASH都具有極大的優(yōu)越性，成為目前不揮發(fā)存儲技 術(shù)研究的焦點。相變存儲技術(shù)的不斷進(jìn)步使之成為未來不揮發(fā)存儲技術(shù)市場主流產(chǎn)品最有 力的競爭者之一 [1]。
相變存儲器采用硫族化合物材料，如Ge-Se-Te (以下簡稱GST)，在電等能量的作用 下可以實現(xiàn)非晶態(tài)和多晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換。晶態(tài)和非晶態(tài)有著不同的電學(xué)特性，晶態(tài)的電阻率 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非晶態(tài)電阻率，從而可用于信息1或者0的存儲。由晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽eset 過程，由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镾et過程。當(dāng)前，由于Reset過程需要較高的電流脈沖高度， 從而要求較大的外圍電路驅(qū)動能力而使其外圍驅(qū)動電路的芯片面積相對較大，約束了相變 存儲器存儲密度的提高。最近，三星公司已經(jīng)成功研發(fā)出基于1D/1R結(jié)構(gòu)的90nm特征尺 寸的512M的相變存儲器，其用二極管成功取代了傳統(tǒng)的MOS晶體管作選通管(1T/1R)， 在不降低外圍電路電流驅(qū)動能力的情況下，提高了存儲存儲密度，其芯片尺寸為91.5mm2， 存儲單元尺寸為5.8F2〔2]。其中三星公司所述相變存儲器的二極管是以單晶硅摻雜技術(shù)形 成的，其單晶硅必須是在單晶硅襯底上外延生長等辦法形成，如發(fā)明人趙佑榮等申請(申 請?zhí)?00610009594)的中國專利圖5A所示。因此目前報道的相變存儲單元只能在單晶硅 襯底上形成，具有二極管選通管單元形成工藝復(fù)雜、不能實現(xiàn)能存儲單元的多層堆疊等缺 點，從而約束其存儲密度的進(jìn)一步提高。
研究已經(jīng)證明以Ge2Se2Te5為代表的多種相變材料同時具有半導(dǎo)體特性，其中Ge2Se2Te5 是一種典型的P型半導(dǎo)體材料[3]，圖1是我們實驗所得到的Ge2SeJe5與N型襯底單晶硅所 形成的異質(zhì)結(jié)二極管電流電壓特性，因此它驗證了相變材料Ge2Se/Te5可以與N型或P型半 導(dǎo)體特性的薄膜材料接觸形成異質(zhì)結(jié)。其中可以用來實現(xiàn)低電阻率導(dǎo)通的字線或位線的多 晶硅，就是這樣一種可以通過摻雜與相變材料形成良好整流特性二極管的半導(dǎo)體材料；同 時，文獻(xiàn)中已報道，多晶硅同樣可以與金屬形成良好特性的肖特基接觸二極管w 。因此 基于相變材料與多晶硅形成的異質(zhì)結(jié)二極管或者基于多晶硅與金屬電極形成的肖特基二
極管都可以應(yīng)用于1D/1R的相變存儲單元結(jié)構(gòu)中的選通管功能單元，從而實現(xiàn)簡化存儲
器單元結(jié)構(gòu)，并擺脫其對襯底硅的依賴，實現(xiàn)多層堆疊等目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種基于二極管單元選通的屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域及其制造方法，其目的 在于不降低存儲器電學(xué)性能的條件下提供一種提高存儲密度、簡化存儲單元結(jié)構(gòu)的相變存 儲器及其制造方法。
該相變存儲器單元包括具有半導(dǎo)體薄膜特性的字線， 一個或多個金屬電極，具有半 導(dǎo)體薄膜特性的相變材料，具有半導(dǎo)體薄膜特性的位線；
所述字線與字線之間在同平面內(nèi)相互平行，所述位線與位線之間在同平面內(nèi)相互平 行，所述字線與所述位線在空間異面相互垂直，形成一交叉點；所述金屬電極以及所述相 變材料堆疊于異面垂直的字線與位線交叉點之間，并連接字線與位線。由具有半導(dǎo)體薄膜 特性的字線或位線與相變材料接觸形成形成異質(zhì)結(jié)二極管，或具有半導(dǎo)體薄膜特性的字線 或位線與金屬電極接觸形成肖特基二極管作為1D/1R的相變存儲單元結(jié)構(gòu)中的選通管功 能單元。其共同特征在于利用相變存儲器基本組成部分寄生形成二極管而不額外附加添加 二極管形成部分，并可以實現(xiàn)3D堆疊結(jié)構(gòu)。
在實施例一中，以異質(zhì)結(jié)二極管作為選通管功能單元，其異質(zhì)結(jié)二極管可以置于相變 材料單元的下端，也可以置于相變材料單元的上端。異質(zhì)結(jié)二極管可以置于相變材料單元 的下端時，其結(jié)構(gòu)是先在絕緣襯底上形成字線，再依次形成相變材料金屬下電極以及置于 頂層的位線；異質(zhì)結(jié)二極管可以置于相變材料單元的上端時，其結(jié)構(gòu)是先在絕緣襯底上形 成字線，再依次形成金屬下電極相變材料以及置于頂層的位線。
半導(dǎo)體薄膜特性的相變材料與半導(dǎo)體薄膜特性的字線或位線直接接觸時，形成異質(zhì)
結(jié)二極管，該異質(zhì)結(jié)二極管在相變存儲器存儲單元中起選通管的作用，因此所述相變材料 不但起存儲作用，還是形成選通管單元的一部分。同樣，與相變材料直接接觸的字線或位 線不但起導(dǎo)通作用，也是形成選通管單元的一部分；
與所述相變材料接觸的字線或位線區(qū)域能夠表面自由摻雜，而且，慘雜區(qū)域大于或等 于與之接觸的相變材料區(qū)域，以獲得良好的異質(zhì)結(jié)二極管特性，同時保證字線或位線的低 電阻導(dǎo)通特性；
金屬電極與所述字線或位線以及所述相變材料接觸為成歐姆接觸； 實施例一異質(zhì)結(jié)二極管置于相變材料單元的上端時，該相變存儲器的制造方法為 在襯底的絕緣介質(zhì)層上，形成多條低電阻率平行字線，填充所述字線之間間隙區(qū)的字 線介質(zhì)隔離層；
在所述字線和字線介質(zhì)隔離層上形成金屬電極以及金屬介質(zhì)隔離層，金屬電極沉積于 字線的預(yù)定區(qū)域之上；
在所述的金屬電極和金屬介質(zhì)隔離層上形成上成型介質(zhì)層；
構(gòu)圖所述上成型介質(zhì)層以形成暴露金屬電極的多個區(qū)域，然后填充半導(dǎo)體薄膜特性的 相變材料，再后平坦化；
在所述的半導(dǎo)體相變材料及其上成型介質(zhì)層上形成多條一定摻雜濃度的具有半導(dǎo)體 薄膜特性的垂直于字線的位線，以及所述位線之間間隙區(qū)的位線介質(zhì)隔離層，其中位線沉 積在能與半導(dǎo)體特性相變材料相接觸的預(yù)定區(qū)域之上，位線的雜質(zhì)濃度決定于選通管所需 要的異質(zhì)結(jié)二極管特性；
在所述位線層進(jìn)行表層區(qū)域摻雜，以獲得半導(dǎo)體薄膜特性字線所需的電阻率。
實施例一異質(zhì)結(jié)二極管置于相變材料單元的下端時，該相變存儲器的制造方法為
在襯底的絕緣介質(zhì)層上，形成多條半導(dǎo)體薄膜特性的平行字線，填充所述字線之間間 隙區(qū)的字線介質(zhì)隔離層；
在所述的字線和字線介質(zhì)隔離層上形成上成型介質(zhì)層；
構(gòu)圖所述上成型介質(zhì)層以形成暴露字線的多個區(qū)域，然后對所述字線表層區(qū)域進(jìn)行摻 雜，表層半導(dǎo)體薄膜的雜質(zhì)濃度取決于其與半導(dǎo)體薄膜相變材料形成的良好異質(zhì)結(jié)二極管 的特性需求，填充半導(dǎo)體薄膜特性的相變材料，然后平坦化；
在所述相變材料及其上成型介質(zhì)隔離層上形成金屬電極以及金屬介質(zhì)隔離層，金屬電 極沉積于相變材料的預(yù)定區(qū)域之上；
在所述金屬電極及其介質(zhì)層上形成多條異面垂直于字線的位線，以及所述位線之間間 隙區(qū)的位線介質(zhì)隔離層。
在實施例二中，以肖特基二極管作為選通功能單元，其肖特基二極管可以置于相變材 料單元的下端，也可以置于相變材料單元的上端。
當(dāng)肖特基二極管置于相變材料單元下端時，半導(dǎo)體薄膜特性的字線與金屬特性的下 電極形成肖特基接觸；當(dāng)肖特基二極管置于相變材料單元上端時，半導(dǎo)體薄膜特性的位線 與金屬特性的上電極形成肖特基接觸。
半導(dǎo)體薄膜特性的字線或位線與金屬電極接觸形成異質(zhì)結(jié)二極管時，該異質(zhì)結(jié)二極
管在相變存儲器存儲單元中起選通管的作用，因此所述位線或字線不但起低阻導(dǎo)通用，還 是形成選通管單元的一部分，所述金屬電極不但起相變存儲器的加熱導(dǎo)通作用，還是形成 選通管單元的一部分。
與字線或位線形成肖特基接觸的金屬電極，可以是同種金屬材料，也可以是兩種或者
更多種的金屬材料多層薄膜組成。
金屬下電極與半導(dǎo)體特性的字線形成肖特基時，相變材料與金屬下電極、相變材料與 金屬上電極、金屬上電極與位線均形成歐姆接觸；金屬上電極與半導(dǎo)體特性的位線形成肖 特基時，相變材料與金屬下電極、相變材料與金屬上電極、金屬上電極與字線均形成歐姆 接觸。
實施例二中肖特基二極管置于相變材料單元的下端時，該相變存儲器的制造方法為 在襯底的絕緣介質(zhì)層上，形成多條半導(dǎo)體薄膜特性的平行字線，和填充所述字線之 間間隙區(qū)的字線介質(zhì)隔離層；
在所述字線和字線介質(zhì)隔離層上沉積與字線形成肖特基接觸的下電極金層以及金屬 介質(zhì)隔離層，金屬電極沉積于字線的預(yù)定區(qū)域之上；
在所述的金屬電極和金屬介質(zhì)隔離層上形成上成型介質(zhì)層；
構(gòu)圖所述上成型層以形成暴露金屬電極的多個區(qū)域，然后填充半導(dǎo)體薄膜特性的相變 材料，然后平坦化；
在所述相變材料及其介質(zhì)層上形成金屬上電極以及金屬介質(zhì)隔離層，金屬電極沉積 于相變材料的預(yù)定區(qū)域之上；
在所述的金屬上電極之上沉積良好導(dǎo)電特性的并與金屬上電極形成歐姆接觸的位線 薄膜層，刻蝕形成多條平行位線，再沉積位線介質(zhì)隔離層。
實施例一中肖特基二極管置于相變材料單元的上端時，該相變存儲器的制造方法為 在襯底的絕緣介質(zhì)層上，形成多條良好導(dǎo)電特性的平行字線，和填充所述字線之間間 隙區(qū)的字線介質(zhì)隔離層；
在所述字線和字線介質(zhì)隔離層上沉積與字線形成歐姆接觸的下電極金屬層以及金屬 介質(zhì)隔離層，金屬下電極沉積于字線的預(yù)定區(qū)域之上；
在所述的金屬電極和金屬介質(zhì)隔離層上形成上成型介質(zhì)層；
構(gòu)圖所述上成型層以形成暴露金屬電極的多個區(qū)域，然后填充半導(dǎo)體薄膜特性的相變 材料，然后平坦化；
在所述相變材料及其介質(zhì)層上形成與位線形成歐姆接觸的金屬上電極以及金屬介質(zhì) 隔離層，金屬電極沉積于相變材料的預(yù)定區(qū)域之上；
在所述的金屬上電極之上沉積半導(dǎo)體性的并與金屬上電極形成肖特基接觸的位線薄 膜層，刻蝕形成多條平行位線，再沉積位線介質(zhì)隔離層。
本發(fā)明提出的基于二極管選通的相變存儲器及其制備方法，不依賴于襯底單晶硅，可
以進(jìn)一步在已經(jīng)形成的相變存儲器陣列上沉積蓋帽介質(zhì)層，重復(fù)之前形成方法，實現(xiàn)多層 相變存儲器，從而實現(xiàn)多層堆疊的三維空間結(jié)構(gòu)，從而可大大提高其存儲密度。


圖1為相變材料Ge2SeJe5與N單晶硅襯底異質(zhì)結(jié)I-V特性曲線。
圖2為相變存儲器的一部分單元陣列示意圖。其中，圖2a為選通二極管置于相變電阻 單元與位線之間，圖2b為選通二極管置于相變電阻單元與字線之間。
圖3為根據(jù)本公開實施方式的相變存儲器的單元陣列的一部分平面圖。
圖4為具體實施方式
一中選通二極管置于相變電阻單元與位線之間的實例結(jié)構(gòu)圖。其 中，圖4a為沿圖3的I-I線所取的橫截面，圖4b為示沿圖3的II-n線所取的橫截面圖。
圖5為具體實施方式
一中選通二極管置于相變電阻單元與字線之間的實例結(jié)構(gòu)圖。其 中，圖5a沿圖3的I-I線所取的橫截面，圖5b為沿圖3的I1-II線所取的橫截面圖。
圖6至圖11為公開實施方式一的相變存儲器的制造方法，其所形成結(jié)構(gòu)為圖4、圖5 所為公開實例。
圖12為公開實施方式一中圖4所為實例的多層堆疊結(jié)構(gòu)。其中，圖12a為沿圖3 I — I橫截面的多層堆疊結(jié)構(gòu)；圖12b為沿圖3ll — n橫截面圖的多層堆疊結(jié)構(gòu)。
圖13為公開實施方式一中圖5所為實例的多層堆疊結(jié)構(gòu)。其中，圖13a為沿圖3 I — I橫截面的多層堆疊結(jié)構(gòu)；圖13b為沿圖3II — II橫截面圖的多層堆疊結(jié)構(gòu)。
圖14為具體實施方式
二中選通二極管置于相變電阻單元與字線之間的實例結(jié)構(gòu)圖。 其中，圖14a為沿圖3的I-I線所取的橫截面，圖14b為沿圖3的II-II線所取的橫截面 圖。
圖15為具體實施方式
二中選通二極管置于相變電阻單元與位線之間的實例結(jié)構(gòu)圖。 其中，圖15a為沿圖3的I-I線所取的橫截面，圖15b為沿圖3II-II線所取的橫截面圖。
圖16至圖20為公開實施方式二的相變存儲器的制造方法步驟為意，其所形成結(jié)構(gòu)為 圖14、圖15所為公開實例。
圖21為公開實施方式二中圖14所為實例的多層堆疊結(jié)構(gòu)。其中，圖21a為沿圖3 1 一 I橫截面的多層堆疊結(jié)構(gòu)；圖21b為沿圖311 — II橫截面圖的多層堆疊結(jié)構(gòu)。
圖22為公開實施方式二中圖15所為實例的多層堆疊結(jié)構(gòu)。其中，圖22a為沿圖3 1 一 I橫截面的多層堆疊結(jié)構(gòu)；圖22b為沿圖3lI — II橫截面圖的多層堆疊結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
在下面結(jié)合圖示在參考實施例更具體地描述本發(fā)明，本發(fā)明提供優(yōu)選實施例，但不應(yīng)
該被認(rèn)為僅限于在此闡述的實施例，而是提供的這些實施方式例，使本發(fā)明的公開性更充
分和完整。在圖中為清楚起見放大了層和區(qū)域的厚度。
實施方式一
圖2a、 2b為基于使用二極管選通的相變存儲器的陣列單元為范圖，所述陣列用標(biāo)號 200表為。如圖2所為，包括四條位線1以及四條字線6，字線6與位線1之間用相變材 料電阻單元8以及二極管單元7連接。其中圖2a中字線6與相變材料單元8直接連接， 位線1與二極管單元7直接連接；圖2b位線6與相變材料單元8直接連接，字線1與二 極管單元7直接連接。存儲陣列的外圍讀寫電路模塊這里予以省略。
圖3為圖1所為陣列200的平面為意圖，相變材料單元8以及二極管單元7形成于字 線6與位線1的交叉點部分。相變材料單元8以及二極管單元7的大小并不局限于圖2中 所為。
本實施例公開了基于相變材料形成的異質(zhì)結(jié)二極管的相變存儲器及其制造方法。本公 開實施方式公開了兩種不同實例，其主要區(qū)別在于選通二極管形成于字線與相變薄膜材料 之間還是位線與相變薄膜材料之間。
圖4為本公開具體實施方式
中選通二極管置于相變電阻單元與位線之間的實例結(jié)構(gòu) 圖；圖4a為沿圖3的I-I線所取的橫截面，圖4b為沿圖3的II-II線所取的橫截面圖。
圖5為本公開具體實施方式
中選通二極管置于相變電阻單元與位線之間的實例結(jié)構(gòu) 圖；圖5a為沿圖3的I-I線所取的橫截面，圖5b為沿圖3的n-II線所取的橫截面圖。
圖4所為實例中，參考圖4a以及圖4b，介質(zhì)層20在襯底硅上形成；另 一層介質(zhì)層 30沉積于20之上，并不同于介質(zhì)層20材料。字線60沉積于介質(zhì)層30空洞之中，它可以 是重?fù)诫s的多晶硅材料，用以形成低阻導(dǎo)通的字線。與字線20接觸的電極90形成于介質(zhì) 50中，它可以是良好導(dǎo)電材料，如W、 TiN，它主要起導(dǎo)通和加熱相變材料的作用。電極 90與位線100a以及相變材料80形成良好的歐姆接觸。相變薄膜材料80沉積于介質(zhì)層40 通孔中，相變薄膜材料80與電極90直接接觸，相變薄膜材料80不但具有在晶態(tài)與非晶 態(tài)轉(zhuǎn)變的存儲特性，同時有P型半導(dǎo)體薄膜特性。多晶硅層70與字線100均為沉積的同 種半導(dǎo)體材料，它可為多晶硅或其他半導(dǎo)體薄膜材料；多晶硅層70與字線100具有同種 導(dǎo)電類型N型的半導(dǎo)體材料但具有不同載流子濃度；多晶硅層70為通過離子注入或擴散 等方式形成的具有特定N型摻雜濃度的表層，用以與相變材料80形成良好二極管特性的 異質(zhì)結(jié)。字線100通過摻雜與多晶硅層70具有不同的載流子濃度，使字線具有低阻導(dǎo)通 特性。介質(zhì)層20、 30、 40、 50、 101中，相互接觸的介質(zhì)層材料互不相同，下一層介質(zhì)在 上一層介質(zhì)中空洞的形成過程中起刻蝕終止層的作用。例如，介質(zhì)層20不同于介質(zhì)層30 層，介質(zhì)層50層又不同與介質(zhì)層30層材料20，可以是熱氧化Si02， 30層可以是Si^， 50層可以是熱氧化Si02。
又一實例圖5所為中，參考圖5a以及圖5b，介質(zhì)層20在襯底硅上形成；另一層介 質(zhì)層30沉積于20之上，并不同于介質(zhì)層20材料，刻蝕介質(zhì)層30形成溝槽。60與70均 為沉積的同種低電阻導(dǎo)電材料，它可為多晶硅或其他半導(dǎo)體薄膜材料；60與70具有同種 導(dǎo)電類型N型但具有不同載流子濃度。60層用以形成字線，主要起低阻導(dǎo)通作用；70為 通過離子注入或擴散等方式形成的具有特定N型摻雜濃度的表層，用以與相變材料80形 成異質(zhì)結(jié)。相變材料80沉積于介質(zhì)層40通孔中，相變薄膜材料80不但具有在晶態(tài)與非 晶態(tài)轉(zhuǎn)變的存儲特性，同時有P型半導(dǎo)體特性，所述相變薄膜材料80層與N型多晶硅70 對準(zhǔn)直接接觸形成異質(zhì)結(jié)二極管8。通過控制多晶硅層70的摻雜濃度，獲得與相變薄膜材 料80共同形成良好的異質(zhì)結(jié)二極管特性。與相變薄膜材料80接觸的電極90形成于介質(zhì) 50中，它可以是良好導(dǎo)電材料，如W、 TiN，它主要起導(dǎo)通和加熱相變材料的作用。100a 為良好導(dǎo)電材料用來形成位線，它可以是重?fù)诫s的多晶硅材料。電極90與位線100a以及 相變材料80形成良好的歐姆接觸。介質(zhì)層20、 30、 40、 50、 101中，相互接觸的介質(zhì)層 材料互不相同，下一層介質(zhì)在上一層介質(zhì)中空洞的形成過程中起刻蝕終止層的作用。例如， 介質(zhì)層20不同于介質(zhì)層30，介質(zhì)層40層又不同于介質(zhì)層30材料，介質(zhì)層20可以是熱氧 化SiO"介質(zhì)層30層可以是Si扎，40層可以是S瓜。
接下來，將進(jìn)一步解釋本發(fā)明的具體實施方式
一中制備相變存儲器件的方法。 圖6到圖11圖給出了形成本實施例相變存儲器件方法的剖面圖，其中圖9a、圖10a、 圖11a屬于圖4實例的制備方法示意圖，圖9b、圖10b、圖llb屬于圖5實例的制備方法 示意圖，
參考圖6，在硅襯底10上生長絕緣層20，絕緣層20可以為熱氧化形成的Si02或CVD
淀積生長的Si02;
參考圖7，在介質(zhì)Si02 20上CVD淀積一層Si美介質(zhì)層30，用介質(zhì)層20作刻蝕終止 層刻蝕形成溝槽。
參考圖8，沉積N型高摻雜多晶硅材料，再CMP平坦化。
參考圖9a，在Si扎介質(zhì)層30上CVD形成Si02介質(zhì)層50，構(gòu)圖對準(zhǔn)字線60刻蝕形成 孔洞，PVD填充金屬W電極90，然后CMP平坦化。
在又一實例中，參考圖9b，對多晶硅層字線60上表層進(jìn)行離子注入摻雜，形成一定 摻雜濃度的N型多晶硅層70，其雜質(zhì)濃度可以為1017/cm3， 70層的厚度可以很薄，面積 大于或等于沉積的Ge2SWTe5相變材料80的區(qū)域，主要用以形成良好二極管特性的異質(zhì)結(jié)。
參考圖10a，在Si02介質(zhì)層50上形成Si美介質(zhì)層40，構(gòu)圖對準(zhǔn)金屬電極90形成空 洞，填充Ge2Sb2Tes相變材料80，其中Ge2Sb2Te5相變材料80的區(qū)域面積大于W下電極90
面積，W下電極90主要對Ge2SbJes相變材料80起加熱作用，實現(xiàn)相變材料在電脈沖或其 他信號作用下發(fā)生相轉(zhuǎn)變。
在又一實例中，參考圖10b，在Si美介質(zhì)層30上形成Si02介質(zhì)層40，構(gòu)圖對準(zhǔn)字線 形成空洞，填充Ge2Sb2Tes相變材料80，其中Ge2SWTe5相變材料80的區(qū)域面積小于或等于 層多晶硅層70的面積，Ge2Sb2Tes相變材料80與多晶硅層70形成異質(zhì)結(jié)二極管。
參考圖lla，在Si扎介質(zhì)層40上低溫(小于600度)沉積一定摻雜濃度的N型多晶 硅層70a，刻蝕多晶硅形成相互平行的位線圖案，其雜質(zhì)濃度可以為1017/cm3，其面積大 于或等于沉積的Ge2SWTe5相變材料80的區(qū)域，主要用以形成良好二極管特性的異質(zhì)結(jié)。
在又一實例中，參考圖llb，在SiO2介質(zhì)層40上形成Si^介質(zhì)層50，構(gòu)圖對準(zhǔn)相變 材料層80刻蝕形成空洞，PVD填充金屬形成W上電極90， W上電極90主要對G&Sb2Te5相 變材料80起加熱作用，實現(xiàn)相變材料在電脈沖或其他信號作用下發(fā)生相轉(zhuǎn)變。
本發(fā)明的進(jìn)一步實施，參考圖4a，對多晶硅層70a進(jìn)行離子注入摻雜，形成N型低電 阻率層的字線100a，再CVD沉積形成Si02介質(zhì)層101，平坦化，1D/1R結(jié)構(gòu)的相變存儲器 陣列形成。
在又一實例中，參考圖5a，在Si^介質(zhì)層50低溫沉積低電阻率的多品硅100a形成 字線，其與上電極90直接接觸，再CVD沉積Si02介質(zhì)層101，刻蝕形成溝槽，1D/1R結(jié)構(gòu) 的相變存儲器陣列形成。
本發(fā)明的進(jìn)一步實施，參考圖lla、 11b及圖12a、 12b，圖12示公開實施方式一中 圖4所示實例的多層堆疊結(jié)構(gòu)，圖12a為沿圖3 I — I橫截面的多層堆疊結(jié)構(gòu)；圖12b為 沿圖3II — II橫截面圖的多層堆疊結(jié)構(gòu)。圖13為公開實施方式一中圖5所為實例的多層堆 疊結(jié)構(gòu)，圖13a為沿圖3l — I橫截面的多層堆疊結(jié)構(gòu)；圖13b為沿圖31I — II橫截面圖 的多層堆疊結(jié)構(gòu)。其第二層存儲器結(jié)構(gòu)與第一層基本一致，其具體實施方法與圖6至圖11 相同。其中21為CVD介質(zhì)層，是第二層相變存儲器陣列與第一層相變存儲器陣列的介質(zhì) 隔離層。第二層中的31、 41、 51、 102、 61、 81、 91、 110分別與第一層中的30、 40、 50、 101、 60、 80、 90、 IOO所示相對應(yīng)，a、 b、 c為三條不同的字線或位線。是必須采用低溫 (低于600度)方法沉積，或采用低溫形成非晶硅再激光退火形成多晶硅的方法，使之不 影響相變材料性能。
實施方式二
下面為基于金屬電極形成的肖特基二極管的相變存儲器及其制造方法。具體公開了兩 種不同實例，其主要區(qū)別在于選通二極管形成于字線與相變薄膜材料之間還是位線與相變 薄膜材料之間。
圖14a、 14b為其中一實例(圖2b所示二極管與字線直接連接)不同截面的存儲器結(jié) 構(gòu)為意圖，圖14a和圖14b為又一實例(圖2a所示二極管與位線直接連接)不同截面的 存儲器結(jié)構(gòu)示意圖。圖14a、 15a為本公開實施方式中圖3所為的I 一 I橫截面圖，圖14b、 15b本公開實施方式中圖3所為的II — II橫截面圖。
其中一實例如圖14a、圖14b所為，介質(zhì)層20在襯底硅上形成；另一層介質(zhì)層30沉 積于20之上，并不同于介質(zhì)層20材料，刻蝕介質(zhì)層30形成溝槽。字線60為沉積的低電 阻率半導(dǎo)體材料，它可為半導(dǎo)體特性材料多晶硅，其導(dǎo)電類型為N型。金屬下電極90a、 900及介質(zhì)層50a可以通過兩種辦法實現(xiàn) 一種是先形成介質(zhì)層50a刻蝕溝槽再沉積金屬 電極層90a、 900;另一種辦法是先形成金屬電極層90a、 900然后在刻蝕金屬形成圖案填 充介質(zhì)層50a。 900可以金屬或金屬層與60形成的金屬硅化物，如Pt、 PtSi、 Co、 CoSi 等。金屬900與半導(dǎo)體薄膜特性的60形成良好的界面接觸，形成肖特基異質(zhì)結(jié)二極管， 它具有較高的正向?qū)娏鳌n/off電流之比能達(dá)到104以上，能在相變存儲器中實現(xiàn) 選通作用。90a其材料可以不同于900，它作為相變材料的加熱電極。相變材料80沉積于 介質(zhì)層40通孔中，它與金屬電極90a、 90b均形成歐姆接觸，相變薄膜材料80能夠在金 屬電極90a、 90b傳輸?shù)碾娏餍盘栕饔孟略诰B(tài)與非晶態(tài)轉(zhuǎn)變。位線100沉積于金屬上電 極90b之上并與之形成歐姆接觸，與字線60空間異面垂直，位線100可以為低阻特性導(dǎo) 電材料，可以為多晶硅或其他金屬材料。
又一實例中，參考圖15a、 16b所示，介質(zhì)層20在襯底硅上形成；另一層介質(zhì)層30 沉積于20之上，并不同于介質(zhì)層20材料，刻蝕介質(zhì)層30形成溝槽。字線60可以為低阻 特性導(dǎo)電材料，可以為多晶硅或其他金屬材料。金屬下電極90a沉積于字線之上并與之形 成歐姆接觸。相變材料80沉積于介質(zhì)層40通孔中，它與金屬電極90a、 90b均形成歐姆 接觸，相變薄膜材料80能夠在金屬電極90a、 90b傳輸?shù)碾娏餍盘栕饔孟略诰B(tài)與非晶態(tài) 轉(zhuǎn)變。金屬上電極由90a與900組成，90a與900可以為同一種金屬材料或不同種金屬材 料，900可以是金屬或金屬層與60形成的金屬硅化物，如Pt、 PtSi、 Co、 CoSi等。位線 IOO為沉積的低低電阻率半導(dǎo)體材料，它可為半導(dǎo)體特性材料多晶硅，其導(dǎo)電類型為P型。 金屬900與半導(dǎo)體薄膜特性的IOO形成良好的界面接觸，形成肖特基異質(zhì)結(jié)二極管，它具 有較高的正向?qū)娏?、on/off電流之比能達(dá)到104以上，能在相變存儲器中實現(xiàn)選通 作用。
接下來，將進(jìn)一步解釋本發(fā)明的具體實施方式
二中制備相變存儲器件的方法。 圖6到圖8以及圖16到圖20圖為形成具體實施方式
二實例相變存儲器件方法的剖面 圖，其中圖6、圖7、圖8、圖16、圖17a、圖18a、圖19a圖屬于圖14實例的制備方法
13示意圖，圖6、圖7、圖8、圖17b、圖18b、圖1%、圖20屬于圖15實例的制備方法示 意圖。
參考圖6，在硅襯底10上生長絕緣層20，絕緣層20可以為熱氧化形成的Si02或CVD 淀積生長的Si02;
參考圖7，在SiO2介質(zhì)20上CVD淀積一層Si3N,介質(zhì)層30，用介質(zhì)層20作刻蝕終止 層刻蝕形成溝槽。
參考圖8， LPCVD沉積N型高摻雜多晶硅材料60，再CMP平坦化。
參考圖16，在Si3N4介質(zhì)層30上CVD形成Si02介質(zhì)層50a，構(gòu)圖對準(zhǔn)字線60刻蝕形 成孔洞，PVD填充金屬Pt， 40(TC氮氣保護(hù)退火一小時，Pt與多晶硅反應(yīng)形成PtSi層900。
參考圖17a， PVD沉積金屬W電極90a，平坦化。
在又一實例中，參考圖17b，在Si3N4介質(zhì)層30上CVD形成Si02介質(zhì)層50a，構(gòu)圖對 準(zhǔn)字線60刻蝕形成孔洞，PVD填充金屬W為下電極90a。
參考圖18a、 18b，在Si02介質(zhì)層50上形成Si^介質(zhì)層40，構(gòu)圖對準(zhǔn)金屬電極90 形成空洞，PVD填充Ge2Sb/Te5相變材料80，其中相變材料80的區(qū)域面積大于下電極90面 積，下電極90a主要對相變材料80起加熱作用，實現(xiàn)相變材料在電脈沖或其他信號作用 下發(fā)生相轉(zhuǎn)變。
參考圖19a在Si3N4介質(zhì)層40上CVD形成Si02介質(zhì)層50b，構(gòu)圖對準(zhǔn)Ge2Sb2Tes相變 材料層80刻蝕形成孔洞，PVD填充金屬形成W上電極90b。
在又一實例中，參考圖19b，在80及40層上PVD沉積W金屬90b,再PVD沉積Pt金 屬900，然后構(gòu)圖對準(zhǔn)刻蝕形成上電極90b及900。該實例進(jìn)一步實施參考圖20， Si3N4 介質(zhì)層40上CVD形成SiO2介質(zhì)層50b， CMP平坦化。
參考圖14b， 50b層上LPCVD沉積半導(dǎo)體特性的多晶硅層，構(gòu)圖刻蝕形成字線IOO，然 后CVD沉積Si02介質(zhì)層101。
在又一實例中，參考圖15b， 50b層上LPCVD沉積P型半導(dǎo)體特性的多晶硅層，構(gòu)圖 刻蝕形成字線100， 40(TC氮氣保護(hù)退火一小時，Pt與多晶硅反應(yīng)形成PtSi層900，然后 CVD沉積Si02介質(zhì)層101。
參考圖21a、 21b及圖22a、 22b,圖21示公開實施方式一中圖14所示實例的多層堆 疊結(jié)構(gòu)，圖21a示沿圖31 — I橫截面的多層堆疊結(jié)構(gòu)；圖22b示沿圖3H — II橫截面圖 的多層堆疊結(jié)構(gòu)。圖22示公開實施方式一中圖15所示實例的多層堆疊結(jié)構(gòu)，圖22a示沿 圖3I — I橫截面的多層堆疊結(jié)構(gòu)；圖22b示沿圖31I — n橫截面圖的多層堆疊結(jié)構(gòu)。其 第二層存儲器結(jié)構(gòu)與第一層基本一致，其具體實施方法與如上所述相同。其中21為CVD
介質(zhì)層，是第二層相變存儲器陣列與第一層相變存儲器陣列的介質(zhì)隔離層。第二層中的31、 41、 51、 102、 61、 81、 91、 110分別與第一層中的30、 40、 50、 101、 60、 80、 90、 100 所示相對應(yīng)，a、 b、 c為三條不同的字線或位線。是必須采用低溫(低于600度)方法沉 積，或采用低溫形成非晶硅再激光退火形成多晶硅的方法，使之不影響相變材料性能。 參考文獻(xiàn) Stefan Lai ， "Current status of the phase change memory and its future" ， IEEE IEDM 2003-255. Kwang-Jin Lee,Beak-Hyung Cho, Woo-Yeong Cho, Sangbeom Kang, el. "A 90nm 1.8V
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權(quán)利要求
1、一種相變存儲器件，其特征在于包括具有半導(dǎo)體薄膜特性的字線，一個或多個金屬電極，具有半導(dǎo)體薄膜特性的相變材料，具有半導(dǎo)體薄膜特性的位線；所述字線與字線之間在同平面內(nèi)相互平行，所述位線與位線之間在同平面內(nèi)相互平行，所述字線與所述位線在空間異面相互垂直，形成一交叉點；所述金屬電極以及所述相變材料堆疊于異面垂直的字線與位線交叉點之間，并連接字線與位線；由具有半導(dǎo)體薄膜特性的字線或位線與相變材料接觸形成形成異質(zhì)結(jié)二極管，或具有半導(dǎo)體薄膜特性的字線或位線與金屬電極接觸形成肖特基二極管，作為1D/1R的相變存儲單元結(jié)構(gòu)中的選通管功能單元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器件，其特征在于與所述相變材料接觸的字線或 位線薄膜表層摻雜，且摻雜區(qū)域大于或等于與之接觸的相變材料區(qū)域，以滿足選通管所要 求的異質(zhì)結(jié)二極管特性。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器件，其特征在于還包括用于實現(xiàn)所述字線、位 線和相變材料以及金屬電極圖案的層間絕緣層介質(zhì)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器件，其特征在于所述的導(dǎo)質(zhì)結(jié)二極或肖特基二 極管，在相變薄膜材料的下端，或在相變薄膜材料的下端。
5、 一種如權(quán)利要求4所述的相變儲器件的制備方法，其特征在于具體步驟為 對于所述導(dǎo)質(zhì)結(jié)二極管在相變薄膜材料上端在襯底的絕緣介質(zhì)層上，形成多條平行的低電阻率的字線，和填充所述字線之間間隙 區(qū)的字線介質(zhì)隔離層；在所述字線和字線介質(zhì)隔離層上形成金屬電極以及金屬介質(zhì)隔離層，金屬電極沉積于 字線的預(yù)定區(qū)域之上；在所述的金屬電極和金屬介質(zhì)隔離層上形成上成型介質(zhì)層；構(gòu)圖所述上成型介質(zhì)層以形成暴露金屬電極的多個區(qū)域，然后填充半導(dǎo)體薄膜特性的 相變材料，然后平坦化；在所述的半導(dǎo)體相變材料及其介質(zhì)層上形成多條一定摻雜濃度的具有半導(dǎo)體薄膜特 性的異面垂直于字線的位線，以及所述位線之間間隙區(qū)的位線介質(zhì)隔離層，其中位線沉積 于能與半導(dǎo)體特性相變材料接觸的預(yù)定區(qū)域之上，位線的雜質(zhì)濃度決定于選通管所需要的異質(zhì)結(jié)二極管特性；在所述位線層進(jìn)行表層區(qū)域摻雜，以形成良好導(dǎo)電特性的低電阻率的字線； 對于所述異質(zhì)結(jié)二極管在相變薄膜下端 在襯底的絕緣介質(zhì)層上，形成多條半導(dǎo)體薄膜特性的平行字線，和填充所述字線之間 間隙區(qū)的字線介質(zhì)隔離層；在所述的字線和字線介質(zhì)隔離層上形成上成型介質(zhì)層；構(gòu)圖所述上成型層以形成暴露字線的多個區(qū)域，然后對所述字線表層區(qū)域進(jìn)行摻雜， 表層半導(dǎo)體薄膜的雜質(zhì)濃度取決于其與半導(dǎo)體薄膜相變材料形成的良好異質(zhì)結(jié)二極管的 特性需求，填充具有半導(dǎo)體薄膜特性的相變材料，然后平坦化；在所述相變材料及其介質(zhì)隔離層上形成金屬電極以及金屬介質(zhì)隔離層，金屬電極沉積 于相變材料的預(yù)定區(qū)域之上；在所述金屬電極及其介質(zhì)層上形成多條異面垂直于字線的低電阻率的位線以及所述 位線之間間隙區(qū)的位線介質(zhì)隔離層。
6、 一種如權(quán)利要求4所述的相變儲器件的制造方法，其特征在于具體步驟為對于所述肖特基接觸二極管在相變薄膜材料上端在襯底的絕緣介質(zhì)層上，形成多條半導(dǎo)體薄膜特性的平行字線，和填充所述字線之間 間隙區(qū)的字線介質(zhì)隔離層；在所述字線和字線介質(zhì)隔離層上沉積與字線形成肖特基接觸的下電極金屬層以及金 屬介質(zhì)隔離層，金屬電極沉積于字線的預(yù)定區(qū)域之上；在所述的金屬電極和金屬介質(zhì)隔離層上形成上成型介質(zhì)層；構(gòu)圖所述上成型層以形成暴露金屬電極的多個區(qū)域，然后填充半導(dǎo)體薄膜特性的相變 材料，然后平坦化；在所述相變材料及其介質(zhì)層上形成金屬上電極以及金屬介質(zhì)隔離層，金屬電極沉積于 相變材料的預(yù)定區(qū)域之上；在所述的金屬上電極之上沉積良好導(dǎo)電特性的并與金屬上電極形成歐姆接觸的位線 薄膜層，刻蝕形成多條平行位線，再沉積位線介質(zhì)隔離層；對于所述肖特基接觸二極管在相變薄膜材料下端在襯底的絕緣介質(zhì)層上，形成多條良好導(dǎo)電特性的平行字線，和填充所述字線之間間 隙區(qū)的字線介質(zhì)隔離層；在所述字線和字線介質(zhì)隔離層上沉積與字線形成歐姆接觸的下電極金屬層以及金屬 介質(zhì)隔離層，金屬下電極沉積于字線的預(yù)定區(qū)域之上；在所述的金屬電極和金屬介質(zhì)隔離層上形成上成型介質(zhì)層；構(gòu)圖所述上成型層以形成暴露金屬電極的多個區(qū)域，然后填充半導(dǎo)體薄膜特性的相變 材料，然后平坦化；3 在所述相變材料及其介質(zhì)層上形成與位線形成歐姆接觸的金屬上電極以及金屬介質(zhì) 隔離層，金屬電極沉積于相變材料的預(yù)定區(qū)域之上；在所述的金屬上電極之上沉積半導(dǎo)體性的并與金屬上電極形成肖特基接觸的位線薄 膜層，刻蝕形成多條平行位線，再沉積位線介質(zhì)隔離層。
7、根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制造方法，其特征在于進(jìn)一步在已經(jīng)形成的相變存儲 器陣列上沉積介質(zhì)層，再重復(fù)其制備方法，實現(xiàn)多層相變存儲器陣列，實現(xiàn)3D堆疊結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明屬微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于二極管單元選通的相變存儲器及其制造方法。相變存儲器件中包括具有半導(dǎo)體薄膜特性的字線、一個或多個金屬電極、具有半導(dǎo)體薄膜特性的相變材料、具有半導(dǎo)體薄膜特性的位線。以所述字線或位線與相變薄膜材料形成的異質(zhì)結(jié)二極管，或所述字線或位線與金屬電極形成的肖特基二極管，作為1D/1R結(jié)構(gòu)存儲器的選通功能單元。本發(fā)明的相變存儲器結(jié)構(gòu)管理、制造方法簡單，并不依賴與襯底硅層，可實現(xiàn)多層相變存儲器陣列堆疊，從而大大提高其存儲密度。
文檔編號H01L21/768GK101106151SQ20071004232
公開日2008年1月16日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者立 唐, 林殷茵, 湯庭鰲, 陳邦明 申請人:復(fù)旦大學(xué);硅存儲技術(shù)公司