[发明专利]一种提高相变存储器存储单元可靠性的结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高相变存储器存储单元可靠性的结构及其制作方法，属于微电子学中纳米器件与制备工艺领域。

背景技术

目前市场上还没有一种理想的同时具有动态随机存取存储器(DRAM)的高容量低成本、静态随机存取存储器(SRAM)的高速度、闪速存储器(FLASH)的数据非挥发性、同时可靠性高、操作电压低、功耗又小的存储器，而这些特性恰恰是新一代消费类电子工业、计算机工业等领域所需要的存储技术。相变存储器(PCRAM)具有存储单元尺寸小、非挥发性、循环寿命长、稳定性好、功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸的微缩方面的优势尤为突出，业界认为在不久的将来FLASH将遭遇尺寸缩小限制，而PCRAM在65nm节点后会有越来越大的技术优势。因此，PCRAM被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商用前景。国际知名半导体公司如英特尔、三星、意法半导体、飞利浦、国际商业机器公司和艾必达等花大量人力和物力对此技术进行开发，目前已研制出最大容量为512Mb的PCRAM试验芯片。我国从2003年开始进行PCRAM的研究，国家对该技术非常重视。目前PCRAM在国际上正处于产业化的前期，我国在新材料的研究和纳米加工方面与国际处于同步发展的水平，现在面临着大力发展和推广PCRAM技术的绝好机会。

通常的相变存储器器件单元结构基本上都是由底电极、介质层、柱状加热电极、相变材料、绝热材料和顶电极组成，(见图1a)利用小的加热电极操纵可逆相变材料。这种结构的关键问题主要在：(1)柱状加热电极和相变材料之间的力学、电学匹配问题，通常相变材料比较软，加热电极材料硬度比较大，致使加热电极在相变材料上容易发生龟裂现象；另外加热电极材料和相变材料之间的电学接触通常不是正常的欧姆型，存在一肖特基势垒，接触电阻过大，如果接触电阻达到10³欧姆以上就难以区分出相变材料的在多晶态时的阻值。(2)顶电极的散热过大，导致器件在擦写过程中的功耗大。(3)相变材料中的可逆相变区域在反复擦写过程中会发生扩展现象，影响器件的性能与可靠性。(4)需要增加一道工艺在相变材料周围制备一层绝热保温材料，阻止热量的散发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高相变存储器存储单元可靠性的结构及其制作方法。本发明提出的相变存储器存储单元的结构见图1b。在纳米尺度的加热电极(如：W)和同一直径的柱状相变材料(如：Ge-Sb-Te)之间增加一薄层缓冲材料(如：TiN)，一方面增强相变材料和加热电极之间的黏附性，另一方面有望改善相变材料和加热电极之间的电学接触。在相变材料和顶电极之间增加一薄层电阻率小、热导率适中的热阻材料(如：GeWN)，改善器件擦写时的热平衡，减小上电极的散热。相变材料中的可逆相变区域被限制在介质孔洞里，减小了相变区域的横向扩展。此外，这种结构中相变材料周围不需另外制备保温层。首先在衬底上依次制备底电极、介质材料层；接着通过纳米加工工艺在介质材料层中制作出相变存储单元的加热电极，并将加热电极的顶端刻蚀掉一定厚度，从而在电极上端形成介质孔洞；然后在孔洞中填充缓冲材料，依次抛光、刻蚀出孔洞，再依次填充、抛光出柱状相变材料图形，最后在相变材料顶端覆盖一层电阻率小、热导率适中的热阻材料，引出上电极，形成存储单元结构。该存储单元结构的优点是通过缓冲材料改善相变材料和加热电极之间的电学接触，形成良好的欧姆型接触，同时增强相变材料和加热电极之间的黏附性，改善相变材料和加热电极之间的应力匹配，阻止相变材料与加热电极之间的扩散和反复擦写过程中的界面失效，增强器件的可靠性。同时在相变材料和顶电极之间增加一薄层材料减小了上电极的散热，降低器件的功耗。本发明的特征是在纳米尺度的加热电极(如：W)和相变材料(如：Ge-Sb-Te)之间增加一薄层缓冲材料(如：TiN)，一方面增强相变材料和加热电极之间的黏附性；另一方面改善相变材料和加热电极之间的电学接触；并且改善相变材料和加热电极之间的应力匹配，阻止反复擦写过程中的界面失效；此外阻止相变材料与加热电极之间的扩散。本发明的另一特征是在相变材料和顶电极之间增加一薄层热阻材料(如：GeSiN)减小了上电极的散热，降低器件的功耗。本发明的第三个特征是加热电极、缓冲材料和相变区域限制在介质孔洞中形成自对准的柱状结构，相变材料限制在介质孔洞中，防止擦写过程中相变区域的横向扩展。

本发明的主要工艺步骤如下：