[发明专利]一种降低相变存储器功耗的单元结构及其制备方法

说明书

技本领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种降低相变存储器功耗的单元结构及其制备方法。

背景技术

相变存储器(Phase Change Memory，PCM)至今已经被研究了40年，但由于加工技术和只有存储单元的尺寸达到纳米尺度才能充分体现出其优越性这两个因素的制约，在1970到1999年近30年的时间内，相变存储器进展缓慢。随着半导体工业的制备技术和工艺达到深亚微米甚至是纳米尺度，器件中相变材料的尺寸可以缩小到纳米量级，发生相变所需的电压和功耗大大降低，可与现有的CMOS相匹配，相变存储器的优势才体现出来。在2001年之后，Intel、Samsung、Ovonyx、STMicroelectronics、IBM、Hitachi等大公司对该技术非常重视，纷纷投入大量的精力开展相变存储器的可制造性和商业化推进的研究工作，在最近几年取得了很大的突破，相变存储技术进入了快速的发展阶段。

相变存储器以相变材料为存储介质，利用电能(热量)使材料在晶态(低阻)与非晶态(高阻)之间相互转换实现信息的写入与擦除，信息的读出靠测量电阻的变化实现。采用传统结构的相变存储器，Reset过程(由低阻到高阻)的电流过大，造成功耗过高。Sadegh M.Sadeghipour等研究发现针对T型结构的相变存储单元，真正应用于硫系材料薄膜层相变的热量仅仅占到外部供给热量总额的0.21.4％，却有60-72％的热量通过底W电极扩散回衬底方向(ITHERM′06.TheTenth Intersociety Conference on，660，2006)。针对此，工业界提出了各种解决方案，其中之一就是在电极和相变材料之间添加加热电极。目前通常采用的加热电极材料包括W(IEDM，897，2003)、TiN(IEDM，901，2003)、TiON(Jpn.J.Appl.Phys.，43(8A)：5243，2004)等，通过低热导率电极或者过渡层的引入，试图提高热量的利用率，降低功耗，使相变存储器更加符合低功耗的要求，但效果有限。本发明从另一个角度出发，提出了一种在下电极和驱动器件之间加入低热导率过渡层的结构，达到降低相变存储器功耗的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出一种降低相变存储器功耗的结构及其制备方法能够降低编程过程中经由下电极的热散失，同时能够对下边的二极管加热增大其正向导通电流，从而达到降低相变存储器功耗。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种降低相变存储器功耗的单元结构，该单元结构包括集成电路衬底、位于集成电路衬底上的第一绝缘介质层、被第一绝缘介质层包围并与集成电路衬底连接的驱动二极管、被第一绝缘介质层包围并位于驱动二极管上的过渡层、位于第一绝缘介质层上的第二绝缘介质层、被第二绝缘介质层包围并位于过渡层上的下电极、位于第二绝缘介质层上的第三绝缘介质层、被第三绝缘介质层包围并位于下电极上的相变材料层和位于相变材料层上的上电极。

本发明还涉及一种降低相变存储器功耗的单元结构的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)利用标准工艺制备出集成电路衬底，其中包括相变存储器单元结构所需的字线；

(2)在步骤(1)的基础上用等离子化学气相沉积PECVD方法制备第一绝缘介质层，光刻刻蚀出所要求的第一孔洞，该第一孔洞与集成电路衬底的字线相连；

(3)在步骤(2)所刻孔洞处，用固相外延方法生长N型单晶硅和P型单晶硅并形成驱动二极管；

(4)在步骤(3)形成的驱动二极管的上表面，沉积过渡层，然后采用CMP磨平或者光刻出要求的形状；

(5)在步骤(4)的基础上，用等离子体化学气相沉积PECVD方式制备第二绝缘介质层，光刻刻蚀要求的第二孔洞，直至露出过渡层；

(6)在步骤(5)所刻第二孔洞内，沉积下电极，然后采用CMP磨平或者光刻出要求的形状；

(7)在步骤(6)的基础上，用等离子化学气相沉积PECVD方式制备第三绝缘介质层，光刻刻蚀要求的第三孔洞，直至露出下电极；

(8)在步骤(7)所刻第三孔洞内，依次沉积相变材料层和上电极，然后光刻刻蚀或者采用CMP磨平到要求的形状。