專利名稱：二極管驅動電阻轉換存儲器單元及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子領域，涉及一種二極管驅動電阻轉換存儲器單元及其制造方法。
背景技術：
高密度、高性能半導體存儲器，特別是非易失性存儲器，是未來信息技術發(fā)展的基石， 無論在日常生活中還是國民經濟中都發(fā)揮著重要的作用，具有廣闊的市場。目前，存儲器的 種類主要包括靜態(tài)存儲器(SRAM)、動態(tài)存儲器(DRAM)、磁盤、閃存(Flash)、鐵電存儲 器等；而其他存儲器，例如相變存儲器、電阻隨機存儲器、電探針存儲系統等作為下一代存 儲器的候選者也受到了廣泛的研究和關注。
相變存儲器和電阻隨機存儲器的基本原理是利用器件中存儲材料在高電阻和低電阻之間 的可逆變化來實現數據"1"和"0"的存儲，因為電阻有望通過電信號控制實現近似連續(xù)變 化，故此類電阻轉換存儲器有望實現多級存儲，從而大幅提升存儲器的信息存儲能力。電阻 轉換存儲器的優(yōu)點還包括高速、高數據保持能力和低成本，有望部分或者大幅取代目前隨著 技術節(jié)點的進步而面臨困難的閃存，因此具有巨大的市場潛力。
在高密度的電阻轉換存儲器中，采用二極管取代目前的場效應晶體管成為趨勢，因為二 極管相比于場效應晶體管具有較小的尺寸，能夠大幅提升存儲器的存儲密度。在當前，制造 二極管需要花費較大的成本，也增加了電阻轉換存儲器的單元成本，因而開發(fā)一種工藝簡便、 成本低的二極管制造方法成為目前的主要研究方向之一。
現有的電阻轉換存儲器中廣為采用的GeSbTe以及SbTe等相變材料具有半導體的特性， 通過擴散方法，將上述材料中的Sb或者Te擴散到半導體中，能夠實現對半導體材料(如硅) 的n型摻雜。因此，可以采用存儲材料的擴散效應制造二極管，這樣存儲材料在此類電阻轉 換存儲器中具有雙重的功能即存儲功能和擴散摻雜功能。而根據本申請人(中國科學院上 海微系統與信息技術研究所)于2008年10月20日申請的一件專利申請(申請?zhí)?200810201407.5，發(fā)明名稱《含銻材料作為電阻轉換存儲材料的應用》，發(fā)明人張挺等人)， 含銻材料也具有電阻轉換功能，而Sb對硅的摻雜已經成為一種半導體生產線上常用的n型摻 雜方法，因此，采用含銻材料制造二極管驅動的電阻轉換存儲器也成為可能。用以上方法制 造的電阻轉換存儲器單元制造工藝簡單，成本將具有競爭力。
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種一極管驅動電阻轉換存儲器單元及其制造方法。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案。 一種二極管驅動電阻轉換存儲器單元，包括基底、設置在基底上的第一導電類型半導體、
設置在半導體上的具有電阻轉換能力的存儲單元以及設置在電阻轉換存儲單元上的電極；所 述第一導電類型半導體與存儲單元相鄰的表面經過存儲單元中原子的擴散后為第二導電類 型，所述第二導電類型摻雜的區(qū)域與未被摻雜的第一導電類型半導體之間構成驅動二極管結 構。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述具有電阻轉換能力的存儲單元是采用電信號實現電阻 轉換的存儲單元。
作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述具有電阻轉換能力的存儲材料單元為雙級存儲單元
或多級存儲單元，即一個單元可以存儲兩個以上的數據狀態(tài)。
作為本發(fā)明的再-種優(yōu)選方案，所述具有電阻轉換能力的存儲單元為相變存儲單元，選 用相變材料作為存儲介質，而所述電極的材料為W、 Ti、 TiN、 Al、 Cu、 TiW、 Ni、 Ag中的一 種或多種。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述具有電阻轉換能力的存儲單元是由界面被半導體、
電極中的原子擴散后具有電阻轉換能力的含銻材料制成的存儲單元，含銻材料中銻原子的原 子百分比在40%~100%之間，所述電極的材料為W、 Ti、 TiN、 Al、 Cu、 TiW、 Ni、 Ag中的一種 或多種。
一種二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，包括如下步驟
1) 在基底上制造第一導電類型半導體；
2) 在第一導電類型半導體上方制造具有電阻轉換能力的存儲材料；
3) 在存儲材料上制造電極；
4) 通過擴散工藝使存儲材料中的部分原子擴散到第一導電類型半導體中，形成對第一導電類 型半導體靠近表面區(qū)域的第二導電類型摻雜，形成的第二導電類型摻雜與未被摻雜的第一導 電類型區(qū)半導體構成驅動二極管結構。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟l)采用離子注入法或催化誘導法。 作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述具有電阻轉換能力的存儲材料是采用電信號實現電 阻轉換的存儲材料。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述具有電阻轉換能力的存儲材料為本身具有電阻轉換 能力的相變材料，所述電極的材料為W、 Ti、 TiN、 Al、 Cu、 TiW、 Ni、 Ag中的一種或多種。 作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述具有電阻轉換能力的存儲材料為界面被半導體、電
極中的原子擴散后具有電阻轉換能力的含銻材料，含銻材料中銻原子的原子百分比在 40%~100%之間，所述電極的材料為W、 Ti、 TiN、 Al、 Cu、 TiW、 Ni、 Ag中的一種或多種。
本發(fā)明的有益效果在于它提供了一種二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，而 且本方法的工藝簡便，能夠大幅度提高存儲器的存儲密度，降低成本，增強二極管驅動電阻 轉換存儲器單元的市場競爭能力。


下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。
圖1為一種存儲材料為相變材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的結構示意圖2為一種存儲材料為含銻材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的結構示意圖3為另一種存儲材料為含銻材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的結構示意圖4為另一種存儲材料為相變材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的結構示意圖5為再一種存儲材料為含銻材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的結構示意圖6A-D為圖2所示的存儲材料為含銻材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造過
程；
圖7A-H為一種存儲材料為相變材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造過程。 主要組件符號說明
1、 6、 18、 24、 25均為介質材料；
2、 7、 14、 19、 26、均為P型重摻雜硅，摻雜原子為B;
3、 16均為電極TiW;
4、 27、 36均為Sb36Te相變材料； 15為GeSbTe相變材料；
5、 17、 29均為相變材料經擴散工藝后材料中的Sb和Te原子擴散到p型硅中形成的n 型區(qū)域；
8、 13、 21、 28、 37均為電極Ti;
9、 20、 27均為Sb材料；
10、 23均為Sb擴散到硅中形成的n型摻雜的區(qū)域；
11、 22、 30均為電極Ti擴散到Sb中形成的摻Ti的Sb區(qū)域；
31、 基底；
32、 方形孔；
33、 Ni薄膜；
34、 沉積B摻雜的非晶硅；
35、 多晶硅；
38、為相變材料經擴散工藝后材料中的Sb和Te原子擴散到多晶硅中形成的n型區(qū)域。
具體實施方式
實施例一
一種二極管驅動電阻轉換存儲器單元，包括基底、設置在基底上的第一導電類型半導體、 設置在半導體上的具有電阻轉換能力的存儲單元以及設置在電阻轉換存儲單元上的電極；所 述第一導電類型半導體與存儲單元相鄰的表面具有第二導電類型摻雜，所述第二導電類型摻 雜與未被摻雜的第一導電類型半導體構成驅動二極管結構。所述具有電阻轉換能力的存儲單 元為相變存儲單元，所述電極的材料為TiW。
如圖1所示， 一種存儲材料為相變材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的結構，包括 一個二極管和一個存儲單元，即1D1R結構。圖中，l為介質材料，2為p型摻雜硅，摻雜原 子為B， 3為電極TiW， 4為Sb3.6Te相變材料，5為相變材料4經擴散工藝后材料中的Sb和Te 原子擴散到P型摻雜硅2中形成的n型區(qū)域，相變材料5和p型摻雜硅2共同形成了二極管， 形成的二極管與相變材料4形成了 1D1R結構。在存儲器芯片的應用中，還需要有外圍驅動電 路。
實施例二
本實施例與實施例一的區(qū)別在于，所述具有電阻轉換能力的存儲材料單元是由界面被半 導體、電極中的原子擴散后具有電阻轉換能力的含銻材料制成的存儲單元，含銻材料中銻原 子的原子百分比在40%~100%之間，所述電極的材料為Ti。如圖2、 3所示， 一種存儲材料為 含銻材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的結構，此單元結構與圖1的不同之處在于，此 結構采用的不是相變材料，而是采用得到電極材料的擴散摻雜之后方才具有電阻轉換能力的 存儲材料。圖中，6為介質材料，7為p型B摻雜的硅，8為Ti電極，9為Sb材料，而10為 Sb擴散到硅中形成的n型摻雜的區(qū)域，n型摻雜的區(qū)域10與p型B摻雜的硅7共同形成了二
極管，11為Ti電極擴散到Sb中形成的摻Ti的Sb區(qū)域，Ti摻雜的Sb具有電阻轉換能力， 可作為存儲單元。n型摻雜的區(qū)域10與p型B摻雜的硅7形成的二極管和摻Ti的Sb層11 共同形成了 1D1R結構。當然，此圖中，擴散區(qū)域也可發(fā)生在Sb材料的下界面，如圖3所示， 圖中的12為Si原子擴散到Sb中形成的摻Si的Sb區(qū)域，同樣可作為存儲單元。 實施例三
如圖4所示，另一種存儲材料為GeSbTe相變材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的結 構，與圖1的不同之處在于GeSbTe存儲材料15的面積大于重摻雜p型硅14的面積，為"蘑 菇"形結構，16為TiW電極材料，18為介質材料，17為相變材料經擴散工藝后材料中的Ge、 Sb和Te原子擴散到p型硅中形成的綜合摻雜效果為n型的區(qū)域。
實施例四
如圖5所示，再一種存儲材料為含銻材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的結構與圖2 的不同之處在于Sb存儲材料20的面積大于重摻雜p型硅19的面積，而形成的經電極Ti 21 擴散到Sb材料20中形成的摻Ti的Sb區(qū)域22具有電阻轉換能力，其平面面積與電極Ti 21 相同，p型硅19和n型區(qū)域23形成了二極管結構，圖中24為介質材料。
實施例五
一種二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，包括如下步驟1)在基底上制造第一
導電類型半導體；2)在第一導電類型半導體上方制造具有電阻轉換能力的存儲材料；3)在 存儲材料上制造電極；4)通過擴散工藝使存儲材料中的部分原子擴散到第一導電類型半導體 中，形成對第一導電類型半導體靠近表面區(qū)域的第二導電類型摻雜，形成的第二導電類型摻 雜區(qū)域與未被摻雜的第一導電類型的半導體構成驅動二極管結構。
所述步驟1)采用離子注入法或催化誘導法。所述具有電阻轉換能力的存儲材料是采用電 信號實現電阻轉換的存儲材料。所述具有電阻轉換能力的存儲材料為界面被半導體、電極中 的原子擴散后具有電阻轉換能力的含銻材料，含銻材料中銻原子的原子百分比在40%~100%之 間。
圖6A-D為制造圖2所示的存儲材料為含銻材料的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造 過程。首先，在基底上制造孔陣列，單元的截面圖如圖6A所示，其中25為介質材料，26為 In摻雜的p型硅。沉積Sb材料27，采用化學機械拋光法將多余部分拋去，平坦化后得到如 圖6B所示的結構。制造電極，電極材料為W，如圖6C所示。在溫度為350度的Ar氣保護的 退火爐中退火10小時，得到如圖6D所示意的結構，其中，29為銻材料27擴散到p型硅26 中形成的n型的區(qū)域，P型摻雜硅26和n型區(qū)域29形成二極管結構而30為電極中的W原
子擴散到銻材料27中形成的Sb摻W的區(qū)域，具有電阻轉換能力。如此，便制造出了如圖2 所示的一種二極管驅動電阻轉換存儲器的單元結構。 實施例六
本實施例與實施例五的區(qū)別在于，所述具有電阻轉換能力的存儲材料為本身具有電阻轉 換能力的相變材料，所述電極的材料為TiW。圖7A-H為一種存儲材料為相變材料的二極管驅 動電阻轉換存儲器單元的制造過程。首先，在基底31上制造方形孔32，截面圖如圖7A所示 (省略了下方的電路，但并不代表沒有)。氣相沉積Ni薄膜33，采用回刻工藝，將表面和槽 壁的多余的Ni薄膜去除，得到如圖7B所示的結構示意圖。沉積B摻雜的非晶硅34，如圖7C 所示。后經退火處理，借助于Ni薄膜33的誘導作用得到多晶硅35，如圖7D所示。再一次采 用化學機械拋光和回刻工藝，得到如圖7E所示的結構。填充Sb3Te相變材料36，用化學機械 拋光平坦化，得到如圖7F所示的結構。進而制造電極37，如圖7G所示。采用擴散工藝，使 相變材料與多晶硅之間發(fā)生擴散，得到如圖7H的結構，38為Sb3Te相變材料中的Sb和Te原 子擴散到多晶硅35中形成的n型的區(qū)域，n型區(qū)域38與p型區(qū)域35形成了二極管，用于驅 動上方的存儲單元36。
本發(fā)明通過擴散工藝使存儲器材料擴散到半導體中形成二極管結構，從而大幅度提高存 儲器的存儲密度，而且本發(fā)明的工藝簡便，成本具有競爭力，能夠增強二極管驅動電阻轉換 存儲器單元的市場競爭能力。
這里本發(fā)明的描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這 里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替 換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本 質特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、材料和部 件來實現，如，電極的制造材料不限于上述實施例中的材料，可以為W、 Ti、 TiN、 Al、 Cu、 TiW、 Ni、 Ag中的一種或多種；當然，還可以為其他材料。
權利要求
1、一種二極管驅動電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述存儲器單元包括基底、設置在基底上的第一導電類型半導體、設置在半導體上的具有電阻轉換能力的存儲單元以及設置在電阻轉換存儲單元上的電極；所述第一導電類型半導體與存儲單元相鄰的表面被存儲單元原子通過擴散形成第二導電類型摻雜區(qū)域，所述第二導電類型摻雜區(qū)域與未被摻雜的第一導電類型半導體形成P-N結，構成二極管結構。
2、 根據權利要求1所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述具有電阻轉 換能力的存儲單元是采用電信號實現電阻轉換的存儲單元。
3、 根據權利要求1所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述具有電阻轉換能力的存儲單元為雙級存儲單元或多級存儲單元。
4、 根據權利要求1所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述具有電阻轉 換能力的存儲單元為相變存儲單元。
5、 根據權利要求4所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述電極的材料為W、 Ti、 TiN、 Al、 Cu、 TiW、 Ni、 Ag中的一種或多種。
6、 根據權利要求1所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述具有電阻轉 換能力的存儲單元是由界面被半導體、電極中的原子擴散后具有電阻轉換能力的含銻材 料制成的存儲單元，含銻材料中銻原子的原子百分比在40%~100%之間。
7、 根據權利要求6所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述電極的材料 為W、 Ti、 TiN、 Al、 Cu、 TiW、 Ni、 Ag中的一種或多種。
8、 根據權利要求1所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，其特征在于所述 方法包括如下步驟1) 在基底上制造第一導電類型半導體；2) 在第一導電類型半導體上方制造具有電阻轉換能力的存儲材料單元；3) 在存儲材料上制造電極；4) 通過擴散工藝使存儲材料擴散到第一導電類型半導體中，形成對第一導電類型半導體 靠近表面區(qū)域的第二導電類型摻雜，形成的第二導電類型摻雜與未被摻雜的第一導電類 型區(qū)半導體構成驅動二極管結構。
9、 根據權利要求8所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，其特征在于所述 步驟1)采用離子注入法或催化誘導法。
10、 根據權利要求8所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，其特征在于所 述具有電阻轉換能力的存儲材料是采用電信號實現電阻轉換的存儲材料。
11、 根據權利要求8所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，其特征在于所 述具有電阻轉換能力的存儲材料為本身具有電阻轉換能力的相變材料。
12、 根據權利要求11所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，其特征在于 所述電極的制造材料為W、 Ti、 TiN、 Al、 Cu、 TiW、 Ni、 Ag中的一種或多種。
13、 根據權利要求8所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，其特征在于所 述具有電阻轉換能力的存儲材料為界面被半導體、電極中的原子擴散后具有電阻轉換能 力的含銻材料，含銻材料中銻原子的原子百分比在40%~100%之間。
14、 根據權利要求13所述的二極管驅動電阻轉換存儲器單元的制造方法，其特征在于-所述電極的制造材料為W、 Ti、 TiN、 Al、 Cu、 TiW、 Ni、 Ag中的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二極管驅動電阻轉換存儲器單元及其制造方法，包括基底、設置在基底上的第一導電類型半導體、設置在半導體上的具有電阻轉換能力的存儲單元以及設置在電阻轉換存儲單元上的電極；所述第一導電類型半導體與存儲單元相鄰的表面具有第二導電類型摻雜，所述第二導電類型摻雜與未被摻雜的第一導電類型半導體構成驅動二極管結構，進而對上方的存儲單元進行選通和驅動。本發(fā)明通過擴散工藝使存儲器材料擴散到半導體中形成二極管結構，從而大幅度提高存儲器的存儲密度，而且本發(fā)明的工藝簡便，成本低，能夠增強二極管驅動電阻轉換存儲器單元的市場競爭能力。
文檔編號H01L27/24GK101388401SQ20081020190
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權日2008年10月29日
發(fā)明者波 劉, 宋志棠, 封松林, 挺 張, 顧怡峰 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所