專利名稱：一種硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器cram存儲(chǔ)元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于存儲(chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元的結(jié)構(gòu)，更具體而言，是一種硫?qū)?相變存儲(chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元。
背景技術(shù)：
硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器C隨(Chalcogenide-based phase-change RAM), 是以硫?qū)倩衔餅榇鎯?chǔ)介質(zhì)，通入電流產(chǎn)生焦耳熱使硫?qū)倩衔锇l(fā)生可 逆性結(jié)構(gòu)相變，利用其晶態(tài)和非晶態(tài)之間高達(dá)四個(gè)數(shù)量級(jí)的阻抗差來(lái)實(shí) 現(xiàn)二進(jìn)制信息存儲(chǔ)的半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。研究比較成熟的可用于 CRAM的硫?qū)倩衔锒酁镚e2Sb2Te5，簡(jiǎn)稱GST。當(dāng)外部脈沖電路給以短時(shí) 間、高脈沖電流時(shí)，GST薄膜達(dá)到熔點(diǎn)，隨后急劇冷卻，GST變成非晶 態(tài)，呈現(xiàn)出高阻抗值，此時(shí)記錄信息"0"(或'T，)；當(dāng)給以長(zhǎng)時(shí)間、 低脈沖電流時(shí)，GST薄膜處于玻璃化溫度和熔化溫度之間，并保持一段 時(shí)間，GST變成晶態(tài)，呈現(xiàn)出低阻抗值，此時(shí)記錄信息"1"(或"O"); 當(dāng)給薄膜通入較低的讀電流，此時(shí)GST溫度在玻璃化溫度以下，不足以 改變GST的薄膜的結(jié)構(gòu)相，通過(guò)探測(cè)GST存儲(chǔ)元的阻抗值大小來(lái)讀出二 進(jìn)制信息"0"或"1"。溫度隨時(shí)間變化圖(0vonyx公司技術(shù)資料)如 圖1所示。硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM具有非易失性、可多態(tài)存儲(chǔ)、讀寫信息速度 快、使用壽命長(zhǎng)、制造成本低、可研制成即插式或嵌入式存儲(chǔ)器等特 點(diǎn)。由于其存儲(chǔ)機(jī)理與材料帶電粒子的狀態(tài)無(wú)關(guān)，使其具有抗電子干 擾、抗強(qiáng)輻射的優(yōu)點(diǎn)，能滿足航天和國(guó)防需求，是目前國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研制 的新型存儲(chǔ)器。目前，Ovonyx、 Intel、 Samsung、 STMicroelectronics、 Hitachi、 IBM、 Philips 、 British Aerospace等大/>司在開展碌u屬相變存4諸器 CRAM存儲(chǔ)器的研究，并于2004年初采用0. 18jum工藝制備出64M的存 儲(chǔ)器測(cè)試樣片，以及利用傳統(tǒng)工藝技術(shù)和U形槽結(jié)構(gòu)構(gòu)建出2D結(jié)構(gòu)， 美國(guó)空軍也正斥巨資研究CRAM以裝備其天基雷達(dá)，2006年初Samsung 公司采用0.12jum工藝制作了 256M測(cè)試樣片。國(guó)內(nèi)主要是中科院上海 微系統(tǒng)所及少數(shù)重點(diǎn)高校在進(jìn)行CRAM的深入研究，而且CRAM芯片關(guān)鍵 技術(shù)已列入863計(jì)劃"十一五"規(guī)劃。硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元的結(jié)構(gòu)也得到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的關(guān) 注。其基本結(jié)構(gòu)是由上下電極及加熱層對(duì)硫?qū)傧嘧儾牧蠈舆M(jìn)行加熱操作 而構(gòu)成的簡(jiǎn)單拓樸的薄膜結(jié)構(gòu)的二端結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。此結(jié)構(gòu)主要利用較 小尺寸的加熱層形成較大的電流密度，對(duì)GST層進(jìn)行局部加熱，以實(shí)現(xiàn) 低功率下的結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)換，達(dá)到二進(jìn)制信息存儲(chǔ)的目的。由于加熱層受到 材料特性和工藝條件即最小線寬的制約，到目前為止研究人員對(duì)存儲(chǔ)元 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大的改進(jìn)，以便在相同的工藝條件下，盡可能地增大電流 密度以減小電流，優(yōu)化器件性能。如Samsung公司的底部接觸和邊緣接 觸法、Bolivar等人的相變線存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)、Carnegie Mellon大學(xué)的 'T，形結(jié)構(gòu)等都有了較多的理論探討。這些新的結(jié)構(gòu)已經(jīng)使存儲(chǔ)元的性能得到了客觀的改善，但依然存在 著可以進(jìn)一步提升的空間，其主要存在于盡管已經(jīng)制作出了硫?qū)傧嘧?存儲(chǔ)器CRAM測(cè)試樣片，但是在實(shí)際測(cè)試時(shí)電流依然偏高，功率消耗 大，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，基本沒(méi)有將作為字線選擇開關(guān)的 n-MOS晶體管作為重要因素加以考察，而且存儲(chǔ)元制作工藝相對(duì)較復(fù) 雜；沒(méi)有考慮加熱之后的溫度分布，是否會(huì)超過(guò)CMOS的溫度承受能 力；沒(méi)有合理利用GST除了相變特性之外的隔熱性能；從目前的熱計(jì)算 模擬來(lái)看，通常使用的加熱層材料W、 TiN等無(wú)法在1mA左右的電流脈
沖下使GST發(fā)生能夠識(shí)別的結(jié)構(gòu)相變。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種將電阻率較高且尺寸小于相變材料尺寸的加熱材料置于兩層GST之間的"工"形存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元， 一方面實(shí)現(xiàn)雙面加熱合理利用加熱層的加熱功能提高加熱效率；另一方面除了利用GST的可逆性結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)二進(jìn)制信息之外還合理利用其熱導(dǎo)率較小的特性起到隔熱作用，以克服上述的不足.為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的特點(diǎn)是其材料層從下到上依次為下電極(W、 Ti或TiN);第一相變層(GST);加熱層；第二相變層 (GST)和上電極(Al )。上述加熱層尺寸小于相變層，第一相變層(GST)、加熱層、第二相 變層(GST)形成"工"形結(jié)構(gòu)。上述下電極直接連接n-MOS晶體管的漏極D，即n型層，其中n-MOS 晶體管的源極S通過(guò)電極直接接地，柵極接存儲(chǔ)器的字線，或先接?xùn)艠O 電極，柵極電極再接字線。上述在制造存儲(chǔ)元的不同材料層結(jié)構(gòu)過(guò)程中，組成存儲(chǔ)元的材料之 外的絕緣材料薄膜是同 一物質(zhì)，或在不同步驟中使用不同絕緣物質(zhì)。上述相變層的相變材料為硫?qū)倩衔颎e2Sb2Te5,或能用于實(shí)現(xiàn)相變 存儲(chǔ)的其它硫?qū)倩衔?。上述兩層相變材料之間的加熱層材料為非晶碳材料，或滿足于實(shí) 現(xiàn)相變存儲(chǔ)的其它加熱材料。上述上電極直接用作存儲(chǔ)器位線，或?qū)⑸想姌O用作接觸電極，在上 電極之上另外接位線。上述加熱層和相變層的尺寸之比為1:3,第一相變層和第二相變層 的橫向尺寸相同。 本發(fā)明相比目前的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM的結(jié)構(gòu)，不同之處在于合 理利用了 GST相變材料的隔熱功能，使用了第一 GST相變層+加熱層+ 第二相變層的"工"形結(jié)構(gòu)，并且不僅在理論上給出了其優(yōu)良性能的說(shuō) 明，而且通過(guò)模擬計(jì)算熱場(chǎng)分布給出了較好的證明。在熱分析時(shí)，本發(fā) 明通過(guò)熱傳導(dǎo)方程計(jì)算存儲(chǔ)元的溫度分布，首次采用了熱輻射散熱來(lái)分 析上下邊界的溫度條件，并首次明確提出了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考察存儲(chǔ)元的 熱擴(kuò)散與CMOS的溫度承受能力關(guān)系的概念。


圖1為現(xiàn)有相變層溫度隨時(shí)間變化圖。圖2為現(xiàn)有存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明存儲(chǔ)元連接關(guān)系示意圖。圖4為本發(fā)明"工"形存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明GST在U時(shí)刻的溫度變化6為本發(fā)明W電極底層的溫度變化圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。 本發(fā)明使用n-MOS場(chǎng)效應(yīng)管用作門器件來(lái)連接字線Word Line (見(jiàn) 圖3)，將n-MOS管的源極S接地，柵極G接字線，在漏極D上直接形成 CRAM存儲(chǔ)元，存儲(chǔ)元的上電極直接存儲(chǔ)器位線Bit Line。這樣，當(dāng)柵 極的電壓V。大于n-MOS的閾值電壓VT時(shí)，存儲(chǔ)器選中此n-MOS管連接的 存儲(chǔ)元，此時(shí)晶體管形成n型導(dǎo)電溝道。當(dāng)位線通入存儲(chǔ)元的讀寫電流 時(shí)，此電流l更經(jīng)過(guò)CRAM存儲(chǔ)元在漏源極之間流通，并加熱存儲(chǔ)元相變 材料實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)及讀寫。本發(fā)明在晶體管的漏極上直接接入W電 極，在W電極上放置GST相變材料層，然后在其上放置橫向尺寸為GST 層三分之一的加熱層，再在其上放置一層GST相變層，最后在頂層放置 Al電極作位線電才及。這樣的結(jié)構(gòu)， 一方面可以充分利用GST的相變功能 使其起到相變作用； 一方面由于使加熱層兩端加熱，極大提高加熱效 率，可減小寫電流降低功率；另一方面由于GST的熱導(dǎo)率較低，合理利 用了GST的隔熱功能，避免了 n-M0S晶體管過(guò)熱，提高了器件性能。本發(fā)明利用上述設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，針對(duì)晶體管漏極及其上存儲(chǔ)元在目前 廣泛適用的特征尺寸條件下作出了熱場(chǎng)分析，通過(guò)熱場(chǎng)模擬計(jì)算，得出 了此結(jié)構(gòu)不僅可以滿足存儲(chǔ)器讀寫功能需求，而且可以保護(hù)底邊n-M0S 漏極處的溫度不超過(guò)其能承受的溫度范圍，更重要的是此結(jié)構(gòu)可以在光 刻尺寸為120nm時(shí)減小寫電流到0. 6mA以下。本發(fā)明的存儲(chǔ)單元總體結(jié)構(gòu)(圖3)中，區(qū)域100為晶體管，使用常 規(guī)MOS管制作工藝，在p型半導(dǎo)體基板101上，摻雜形成n型層102、 103,具體而言即形成n-MOS管的漏極層102、源才及層103,在源極層 103之上直接由金屬電極層105接地，在柵極絕緣膜上，設(shè)置柵極電極 104并連接于字線(可為W或A1等)之上。在構(gòu)成n-MOS晶體管的n型 層102之上，連接貫穿絕緣膜106的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元相變 單元200。在相變單元之上是用作連接存儲(chǔ)元與外圍驅(qū)動(dòng)電路的位線 300，多為金屬Al。本發(fā)明相變存儲(chǔ)元的具體結(jié)構(gòu)(圖4)是相變存儲(chǔ)元200的主電 極201為埋入絕緣膜106并與n型層102直接接觸的W電極(也可以是 Ti、 TiN電極等)。在絕緣膜106之上預(yù)先形成絕緣膜205,圖案化絕緣 膜，設(shè)置開口，露出W電極頂部，然后形成第一 GST相變層202。按照 同樣的方法步驟，依次形成加熱層203、第二 GST相變層204。最后使 204與位線300直接接觸。本發(fā)明加熱層203的要求較高。 一是電阻率要足夠大，以便能在較 短的時(shí)間內(nèi)在較小的寫電流下盡快地加熱相變材料使其溫度滿足相變要
求，達(dá)到減小存儲(chǔ)器消耗功率和縮短讀寫時(shí)間的目的，就目前的研究和計(jì)算模擬來(lái)看，常規(guī)的加熱材料W或TiN等的加熱效果不夠理想，可以 采用電阻率為10—2Q m左右的非晶碳薄膜材料作為加熱材料； 一是尺 寸盡可能做到最小，最小為光刻尺寸，原因是由于電極的電阻率較大， 通過(guò)減小加熱層的尺寸來(lái)減小整個(gè)存儲(chǔ)元中固定電阻(在電流作用下不 發(fā)生相變的材料的電阻)所占比例，有利于擴(kuò)大在相變前后的阻抗值之 差，便于存儲(chǔ)器識(shí)別所存儲(chǔ)的"0" 'T，信息，目前研究比較成熟的制 造工藝特征尺寸為F=0. 18|um,也有公司在CRAM研究中采用0. 12]um特 征尺寸；三是加熱層的尺寸要小于GST相變材料層，這樣可以增大電流 密度集中加熱，提高加熱效率減小加熱電流，目前這一點(diǎn)已經(jīng)得到了 CRAM研究人員的普遍認(rèn)可。本發(fā)明形成的第一 GST相變層+加熱層+第二 GST相變層的"工，， 形結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)除了滿足上述加熱器的三個(gè)特點(diǎn)之外，相比其它結(jié)構(gòu)， 最能體現(xiàn)本發(fā)明特點(diǎn)的理由為 一方面，充分利用了 GST材料的功能， 除使用了其作為相變材料的作用，還根據(jù)熱導(dǎo)率低的特點(diǎn)利用了其隔熱 作用，其功能主要體現(xiàn)為阻止熱量太快擴(kuò)散以便集中加熱提高加熱效 率，以及減小其下n-M0S晶體管的溫度，還能簡(jiǎn)化工藝流程不再使用額 外隔熱層；另一方面，本發(fā)明使用加熱材料兩端接觸GST相變層，實(shí)現(xiàn) 了兩端加熱，因?yàn)樯舷聝蓪覩ST在電流加熱的條件下會(huì)同時(shí)發(fā)生相變， 充分利用了加熱器的熱能，相變材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)速度及相變速度相比之 下提高了一倍，減小了存儲(chǔ)器消耗的功率，也提高了數(shù)據(jù)寫入速率。本發(fā)明針對(duì)存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)(圖4)結(jié)合存儲(chǔ)元上面的Al位線以及下面 的n型層Si和p型層硅做了熱場(chǎng)計(jì)算分析，在模擬過(guò)程中，主要是針 對(duì)從結(jié)晶態(tài)到非晶態(tài)的大電流加熱情況，使用差分法進(jìn)行溫度計(jì)算。其中熱傳導(dǎo)方程為<formula>formula see original document page 9</formula>各層材料之間的邊界條件為<formula>formula see original document page 9</formula>在考慮最上層和最下層的邊界條件時(shí)，為了更接近真實(shí)情況，考慮了存儲(chǔ)元與外界的溫度輻射散熱問(wèn)題，輻射散熱公式為一fe蕓-《一r",).最終根據(jù)相變前后存儲(chǔ)元電阻值(包括了電流通過(guò)的位線電阻值和n型層硅的電阻值)之差至少大于兩個(gè)數(shù)量級(jí)來(lái)確定所發(fā)生的相變是否滿足存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和識(shí)別信息的需要。圖5是計(jì)算模擬的在加熱脈沖結(jié)束時(shí)的GST層中相變點(diǎn)的溫度分 布。可以看出其溫度分布較好地符合圖2中復(fù)位(reset)時(shí)的溫度變 化曲線，其中632。C即GST的熔化溫度Tm。圖6是對(duì)n型層硅與W電極之間的點(diǎn)的溫度模擬圖。從中看出，W 電極底層的最高溫度低于43°C,低于CMOS能承受的85°C,不會(huì)由于加 熱對(duì)n-M0S晶體管造成影響。本發(fā)明加熱層和相變層的尺寸之比不限定在1:3，而且第一相變層 和第二相變層的橫向尺寸不限定相同；各層材料厚度不做具體限制，只 要存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)能符合硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM的存儲(chǔ)需求即可；在用熱傳 導(dǎo)公式計(jì)算存儲(chǔ)元熱場(chǎng)分布時(shí)，存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)上下邊界條件釆用熱輻射散熱，并將無(wú)限遠(yuǎn)處視為25。C的黑體；是以用作字線選擇存儲(chǔ)元的n-M0S 晶體管為例作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一部分的，但不局限于n-MOS晶體管，同樣 可以用p-MOS晶體管用作字線選擇存儲(chǔ)元；本說(shuō)明書在圖示說(shuō)明過(guò)程中 使用平面圖示，但是不局限于平面圖，而是實(shí)際制作過(guò)程中與之對(duì)應(yīng)的 三維立體圖。本說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn) 有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元、其材料層從下至上依次為下電極、第一相變層、加熱層、第二相變層和上電極。
2、 如權(quán)利要求1所述的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元、其特征在 于加熱層尺寸小于相變層，第一相變層、加熱層、第二相變層形成"工"形結(jié)構(gòu)。
3、 如權(quán)利要求1所述的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元、其特征在 于下電極直接連接一個(gè)n-M0S晶體管的漏極D，其中n-M0S晶體管的 源極S通過(guò)電極直接接地，柵極接存儲(chǔ)器的字線，或先接?xùn)艠O電極，柵 極電極再接字線。
4、 如權(quán)利要求1所述的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元、其特征在 于在制造存儲(chǔ)元的不同材料層結(jié)構(gòu)過(guò)程中，組成存儲(chǔ)元的材料之外還 有一層絕緣材料薄膜，絕緣材料薄膜是同一物質(zhì)，或在不同步驟中使用 不同絕緣物質(zhì)。
5、 如權(quán)利要求1所述的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元、其特征在 于相變層的相變材料為硫?qū)倩衔颎e2Sb2Te5,或能用于實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ) 的其它硫?qū)倩衔铩?br> 6、如權(quán)利要求1所述的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元、其特征在 于兩層相變材料之間的加熱層材料為非晶碳材料，或滿足于實(shí)現(xiàn)相變 存儲(chǔ)的其它加熱材料。
7、 如權(quán)利要求1所述的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元、其特征在 于上電極直接用作存儲(chǔ)器位線，或?qū)⑸想姌O用作接觸電極，在上電極 之上另外接位線。
8、 如權(quán)利要求2所述的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元、其特征在 于加熱層和相變層的尺寸之比為1:3，第一相變層和第二相變層的橫 向尺寸相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM存儲(chǔ)元，其材料層從下到上依次為下電極；第一相變層；加熱層；第二相變層和上電極；加熱層尺寸小于相變層，第一相變層、加熱層、第二相變層形成“工”形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明相比目前的硫?qū)傧嘧兇鎯?chǔ)器CRAM的結(jié)構(gòu)，不同之處在于合理利用了GST相變材料的隔熱功能，使用了第一GST相變層+加熱層+第二相變層的“工”形結(jié)構(gòu)，充分利用了加熱層的兩端同時(shí)加熱的功能以及利用GST相變材料的自身加熱隔熱功能提高加熱效率并簡(jiǎn)化制造工藝，不僅在理論上給出了其優(yōu)良性能的說(shuō)明，而且通過(guò)模擬計(jì)算熱場(chǎng)分布給出了較好的證明。
文檔編號(hào)H01L45/00GK101159313SQ200710168408
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日
發(fā)明者向宏酉, 娟 李, 王嘉賦 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)