專利名稱：一種新型的溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
隨著便攜式電子設(shè)備的逐步普及，不揮發(fā)存儲(chǔ)器的市場越來越大。FLASH是目前不揮發(fā)存儲(chǔ)器市場的主流，占90％以上。但由于FLASH中用于存儲(chǔ)電荷的浮柵不能隨著集成電路工藝的發(fā)展無限制地減薄，因此無法隨工藝技術(shù)持續(xù)發(fā)展。目前一般認(rèn)為FLASH將很難逾越32nm工藝節(jié)點(diǎn)。因此國際上在研發(fā)下一代不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)上正在進(jìn)行激烈的競爭。這其中相變存儲(chǔ)器(Phase Change Memory，簡稱PCM)顯示出了極大的競爭力，在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時(shí)間、單元面積、多值實(shí)現(xiàn)等諸多方面都有極大的優(yōu)越性，被認(rèn)為是下一代不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)市場主流產(chǎn)品最有力的競爭者之一(1)。
相變存儲(chǔ)器的基本原理是硫系化合物材料可以在電信號(hào)作用下，在多晶和非晶兩相間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變，相應(yīng)地，電阻在低阻和高阻間發(fā)生可逆變化，從而可用于信息1或0的存儲(chǔ)。硫系化合物材料也常稱為相變材料，目前廣泛采用的是GeSbTe(GST)化合物或是基于GeSbTe經(jīng)摻雜后得到的材料。通常使用的相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)為1T1R結(jié)構(gòu)，其物理結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)分別如圖1a和b所示。目前限制相變存儲(chǔ)器真正得到應(yīng)用的主要問題是，從晶態(tài)轉(zhuǎn)換成非晶態(tài)所需要的寫操作電流太大，導(dǎo)致外圍電路過大，因此在功耗和集成密度等方面受到了限制。盡可能減小相變作用面積(active area)是減小寫操作電流的主要思路之一。圖1所示的結(jié)構(gòu)中，相變作用面積是用作下電極的金屬塞與相變材料的接觸面積，面積大小是由制備出栓塞圖形的光刻技術(shù)決定的。
目前國際上，利用減小相變材料和電極接觸面積來降低寫操作電流的工作主要有SAMSUNG采用ring type結(jié)構(gòu)，將下電極做成環(huán)狀(2)；ST公司采用μtrench結(jié)構(gòu)，將電極材料鋪于溝槽內(nèi)(3)。這兩種結(jié)構(gòu)都是用接觸電極厚度來限制接觸面積，來有效降低寫電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新的溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器單元，此結(jié)構(gòu)可利用相變材料自身的厚度來限制相變作用面積，因此在厚度方向上可突破光刻條件的限制，降到納米級(jí)別。
本發(fā)明提出的溝槽結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器，其相變材料分布于溝槽側(cè)壁，溝槽下方是用作下電極的金屬塞，金屬塞與存儲(chǔ)單元選通管相連，不同存儲(chǔ)單元共用位于溝槽底部的下電極和與下電極連通的選通管；溝槽側(cè)壁上方為上電極，上電極尺寸則通過光刻條件控制。此結(jié)構(gòu)中，單個(gè)存儲(chǔ)單元的相變作用面積由相變材料的厚度和上電極的寬度決定。相變材料的厚度可不受光刻條件約束來減小尺寸，因此可利用相變材料自身的厚度來減小相變作用面積，降低寫操作電流。經(jīng)過對(duì)其進(jìn)行熱仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同接觸面積下，溝槽結(jié)構(gòu)比常規(guī)1T1R結(jié)構(gòu)降低24％寫操作電流(如圖3)。
在溝槽的各邊都光刻上電極，一個(gè)上電極下面帶一個(gè)存儲(chǔ)單元，故本發(fā)明可形成多個(gè)存儲(chǔ)器單元，個(gè)數(shù)從1到64。多個(gè)相變存儲(chǔ)單元共享一個(gè)選通管，達(dá)到減小存儲(chǔ)單元所占面積，提高存儲(chǔ)器集成密度的目的。
本發(fā)明的制備步驟為在選通管1一側(cè)上方做出用于連接的金屬塞2，然后依次淀積絕緣介質(zhì)層3和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)終止層4，在金屬塞上面開孔(即凹槽5)，然后往凹槽5內(nèi)淀積一薄層相變材料6，再往覆蓋了相變材料的凹槽中填滿絕緣介質(zhì)7。之后用CMP對(duì)器件表面進(jìn)行拋光，磨去凹槽外多余的相變材料以及絕緣介質(zhì)。CMP在終止層4停止，最后在器件表面淀積絕緣材料8，在附于凹槽側(cè)壁的相變材料上方刻出電極孔9，沉積金屬形成相變電阻的上電極10。


圖1中(a)、(b)分別為傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)器1T1R存儲(chǔ)單元的物理結(jié)構(gòu)和電路示意圖。
圖2為新型溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器單元電路示意圖。
圖3為模擬新型溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器和傳統(tǒng)1T1R存儲(chǔ)器寫電流對(duì)比圖。
圖4為形成MOS管。
圖5為形成金屬塞。
圖6為淀積絕緣介質(zhì)和CMP終止層材料。
圖7在金屬塞上開孔。
圖8淀積相變材料。
圖9淀積絕緣介質(zhì)。
圖10CMP停止于終止層。
圖11淀積絕緣介質(zhì)。
圖12上電極開孔。
圖13構(gòu)建上電極。
圖14新型溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器帶兩個(gè)電極俯視圖。
圖中標(biāo)號(hào)1-選通管(MOS管)；2-金屬塞(下電極)；3-絕緣介質(zhì)；4-CMP終止層材料；5-凹槽；6-相變材料；7-絕緣介質(zhì)；8-絕緣介質(zhì)；9-上電極開孔；10-上電極具體實(shí)施方式
圖3～圖12給出了本發(fā)明方法的一種具體操作流程圖示。下面結(jié)合圖示進(jìn)一步介紹這種新型溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器單元。其制作步驟如下按照0.25μm CMOS工藝制造出MOS選通管，如圖4，然后沉積絕緣介質(zhì)層0.5μmSiO2，刻出直徑0.25μm的接觸孔，接著往孔里淀積金屬鎢，形成插塞，如圖5。先后淀積0.1μm SiO2絕緣介質(zhì)層和0.01μm化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)終止層SiN，如圖6。再在金屬塞上面開孔(即凹槽5)，長寬都為0.25μm，如圖7。往凹槽5內(nèi)淀積一層50nmGST，如圖8。再往覆蓋了相變材料的凹槽中填滿SiO2，如圖9。之后用CMP對(duì)器件表面進(jìn)行拋光，磨去凹槽外多余的GST以及SiO2，CMP在終止層SiN停止，如圖10。最后器件表面淀積上0.5μmSiO2，如圖11，在附于凹槽側(cè)壁的GST上方并刻出直徑0.25μm電極孔，如圖12。往電極孔里濺射金屬，形成相變電阻的上電極接觸，如圖13。
參考文獻(xiàn)(1)Stefan Lai，Current status of the phase change memory and its future，in IEEE IEDM2003-255.
(2)Y.J.Song etal.Advanced Ring Type Contact Technology for High DensityPhase Change Memory，Proceedings of ESSDERC，Grenoble，F(xiàn)rance，2005.
(3)F.Pellzzer etal.Novel μTrench Phase-Change Memory Cell for Embedded andStand-Alone Non-Volatile Memory Applications，Symposium on VLSI Technology Digest ofTechnical Papers，2004，18.
(4)一種提高相變存儲(chǔ)器密度的方法及其實(shí)現(xiàn)電路 中國專利申請(qǐng)?zhí)? 200510110252.0，林殷茵 劉欣 丁益青 李瑩 湯庭鰲 陳邦明。
權(quán)利要求
1.一種溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器，其特征是相變材料分布于溝槽側(cè)壁，溝槽下方是用作下電極的金屬塞，金屬塞與存儲(chǔ)單元選通管相連，不同存儲(chǔ)單元共用位于溝槽底部的下電極和與下電極連通的選通管；溝槽側(cè)壁上方為上電極，上電極尺寸通過光刻條件控制；單個(gè)存儲(chǔ)單元的相變作用面積由相變材料的厚度和上電極的寬度決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器，其特征在于利用相變材料自身厚度來控制接觸尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溝槽結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器，其特征在于在相變材料依附的溝槽側(cè)壁上同時(shí)有多個(gè)上電極，形成多個(gè)存儲(chǔ)器單元，個(gè)數(shù)為1到64。
全文摘要
本發(fā)明屬微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種相變存儲(chǔ)器件中新的溝槽結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元。該結(jié)構(gòu)的基本特征是相變材料分布于溝槽側(cè)壁，不同存儲(chǔ)單元共用溝槽底部的下電極和與選通管連通的同一個(gè)選通管。它利用相變材料自身的厚度來控制接觸面積，在一個(gè)方向上突破光刻條件的限制達(dá)到納米尺度。本發(fā)明的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可降低操作電流，并可在不占用額外硅片面積的情況下提高存儲(chǔ)密度，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)H01L45/00GK1901217SQ20061002917
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者林殷茵, 廖菲菲, 湯庭鰲, 陳邦明 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué), 硅存儲(chǔ)技術(shù)公司