專利名稱：一種硫屬相變存儲器cram存儲元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于存儲器CRAM存儲元的結構，更具體而言，是一種硫屬 相變存儲器CRAM存儲元。
背景技術：
硫屬相變存儲器C隨(Chalcogenide-based phase-change RAM), 是以硫屬化合物為存儲介質，通入電流產生焦耳熱使硫屬化合物發(fā)生可 逆性結構相變，利用其晶態(tài)和非晶態(tài)之間高達四個數量級的阻抗差來實 現二進制信息存儲的半導體隨機存取存儲器。研究比較成熟的可用于 CRAM的硫屬化合物多為Ge2Sb2Te5，簡稱GST。當外部脈沖電路給以短時 間、高脈沖電流時，GST薄膜達到熔點，隨后急劇冷卻，GST變成非晶 態(tài)，呈現出高阻抗值，此時記錄信息"0"(或'T，)；當給以長時間、 低脈沖電流時，GST薄膜處于玻璃化溫度和熔化溫度之間，并保持一段 時間，GST變成晶態(tài)，呈現出低阻抗值，此時記錄信息"1"(或"O"); 當給薄膜通入較低的讀電流，此時GST溫度在玻璃化溫度以下，不足以 改變GST的薄膜的結構相，通過探測GST存儲元的阻抗值大小來讀出二 進制信息"0"或"1"。溫度隨時間變化圖(0vonyx公司技術資料)如 圖1所示。硫屬相變存儲器CRAM具有非易失性、可多態(tài)存儲、讀寫信息速度 快、使用壽命長、制造成本低、可研制成即插式或嵌入式存儲器等特 點。由于其存儲機理與材料帶電粒子的狀態(tài)無關，使其具有抗電子干 擾、抗強輻射的優(yōu)點，能滿足航天和國防需求，是目前國內外重點研制 的新型存儲器。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存儲器的研究，并于2004年初采用0. 18jum工藝制備出64M的存 儲器測試樣片，以及利用傳統(tǒng)工藝技術和U形槽結構構建出2D結構， 美國空軍也正斥巨資研究CRAM以裝備其天基雷達，2006年初Samsung 公司采用0.12jum工藝制作了 256M測試樣片。國內主要是中科院上海 微系統(tǒng)所及少數重點高校在進行CRAM的深入研究，而且CRAM芯片關鍵 技術已列入863計劃"十一五"規(guī)劃。硫屬相變存儲器CRAM存儲元的結構也得到國內外越來越多的關 注。其基本結構是由上下電極及加熱層對硫屬相變材料層進行加熱操作 而構成的簡單拓樸的薄膜結構的二端結構，見圖2。此結構主要利用較 小尺寸的加熱層形成較大的電流密度，對GST層進行局部加熱，以實現 低功率下的結構相轉換，達到二進制信息存儲的目的。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存儲元 結構進行了較大的改進，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等人的相變線存儲元結構、Carnegie Mellon大學的 'T，形結構等都有了較多的理論探討。這些新的結構已經使存儲元的性能得到了客觀的改善，但依然存在 著可以進一步提升的空間，其主要存在于盡管已經制作出了硫屬相變 存儲器CRAM測試樣片，但是在實際測試時電流依然偏高，功率消耗 大，難以實現產品化；在結構設計時，基本沒有將作為字線選擇開關的 n-MOS晶體管作為重要因素加以考察，而且存儲元制作工藝相對較復 雜；沒有考慮加熱之后的溫度分布，是否會超過CMOS的溫度承受能 力；沒有合理利用GST除了相變特性之外的隔熱性能；從目前的熱計算 模擬來看，通常使用的加熱層材料W、 TiN等無法在1mA左右的電流脈
沖下使GST發(fā)生能夠識別的結構相變。發(fā)明內容本發(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"形存儲元結構的硫屬相變存儲器CRAM存儲元， 一方面實現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的可逆性結構相變存儲二進制信息之外還合理利用其熱導率較小的特性起到隔熱作用，以克服上述的不足.為了實現上述目的，本發(fā)明的特點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"形結構。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通過電極直接接地，柵極接存儲器的字線，或先接柵極 電極，柵極電極再接字線。上述在制造存儲元的不同材料層結構過程中，組成存儲元的材料之 外的絕緣材料薄膜是同 一物質，或在不同步驟中使用不同絕緣物質。上述相變層的相變材料為硫屬化合物Ge2Sb2Te5,或能用于實現相變 存儲的其它硫屬化合物。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 現相變存儲的其它加熱材料。上述上電極直接用作存儲器位線，或將上電極用作接觸電極，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)明相比目前的硫屬相變存儲器CRAM的結構，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"形結構，并且不僅在理論上給出了其優(yōu)良性能的說 明，而且通過模擬計算熱場分布給出了較好的證明。在熱分析時，本發(fā) 明通過熱傳導方程計算存儲元的溫度分布，首次采用了熱輻射散熱來分 析上下邊界的溫度條件，并首次明確提出了在結構設計時考察存儲元的 熱擴散與CMOS的溫度承受能力關系的概念。
圖1為現有相變層溫度隨時間變化圖。圖2為現有存儲元結構示意圖。圖3為本發(fā)明存儲元連接關系示意圖。圖4為本發(fā)明"工"形存儲元結構示意圖。圖5為本發(fā)明GST在U時刻的溫度變化6為本發(fā)明W電極底層的溫度變化圖具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。 本發(fā)明使用n-MOS場效應管用作門器件來連接字線Word Line (見 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存儲元，存儲元的上電極直接存儲器位線Bit Line。這樣，當柵 極的電壓V。大于n-MOS的閾值電壓VT時，存儲器選中此n-MOS管連接的 存儲元，此時晶體管形成n型導電溝道。當位線通入存儲元的讀寫電流 時，此電流l更經過CRAM存儲元在漏源極之間流通，并加熱存儲元相變 材料實現信息的存儲及讀寫。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。這樣的結構， 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的熱導率較低，合理利 用了GST的隔熱功能，避免了 n-M0S晶體管過熱，提高了器件性能。本發(fā)明利用上述設計的結構，針對晶體管漏極及其上存儲元在目前 廣泛適用的特征尺寸條件下作出了熱場分析，通過熱場模擬計算，得出 了此結構不僅可以滿足存儲器讀寫功能需求，而且可以保護底邊n-M0S 漏極處的溫度不超過其能承受的溫度范圍，更重要的是此結構可以在光 刻尺寸為120nm時減小寫電流到0. 6mA以下。本發(fā)明的存儲單元總體結構(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，設置柵極電極 104并連接于字線(可為W或A1等)之上。在構成n-MOS晶體管的n型 層102之上，連接貫穿絕緣膜106的硫屬相變存儲器CRAM存儲元相變 單元200。在相變單元之上是用作連接存儲元與外圍驅動電路的位線 300，多為金屬Al。本發(fā)明相變存儲元的具體結構(圖4)是相變存儲元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之上預先形成絕緣膜205,圖案化絕緣 膜，設置開口，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 短的時間內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，達到減小存儲器消耗功率和縮短讀寫時間的目的，就目前的研究和計算模擬來看，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， 通過減小加熱層的尺寸來減小整個存儲元中固定電阻(在電流作用下不 發(fā)生相變的材料的電阻)所占比例，有利于擴大在相變前后的阻抗值之 差，便于存儲器識別所存儲的"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，目前這一點已經得到了 CRAM研究人員的普遍認可。本發(fā)明形成的第一 GST相變層+加熱層+第二 GST相變層的"工，， 形結構，其優(yōu)點除了滿足上述加熱器的三個特點之外，相比其它結構， 最能體現本發(fā)明特點的理由為 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，還根據熱導率低的特點利用了其隔熱 作用，其功能主要體現為阻止熱量太快擴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，實現 了兩端加熱，因為上下兩層GST在電流加熱的條件下會同時發(fā)生相變， 充分利用了加熱器的熱能，相變材料內的熱傳導速度及相變速度相比之 下提高了一倍，減小了存儲器消耗的功率，也提高了數據寫入速率。本發(fā)明針對存儲元結構(圖4)結合存儲元上面的Al位線以及下面 的n型層Si和p型層硅做了熱場計算分析，在模擬過程中，主要是針 對從結晶態(tài)到非晶態(tài)的大電流加熱情況，使用差分法進行溫度計算。其中熱傳導方程為<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，為了更接近真實情況，考慮了存儲元與外界的溫度輻射散熱問題，輻射散熱公式為一fe蕓-《一r",).最終根據相變前后存儲元電阻值(包括了電流通過的位線電阻值和n型層硅的電阻值)之差至少大于兩個數量級來確定所發(fā)生的相變是否滿足存儲器存儲和識別信息的需要。圖5是計算模擬的在加熱脈沖結束時的GST層中相變點的溫度分 布?？梢钥闯銎錅囟确植驾^好地符合圖2中復位(reset)時的溫度變 化曲線，其中632。C即GST的熔化溫度Tm。圖6是對n型層硅與W電極之間的點的溫度模擬圖。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,不會由于加 熱對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 要存儲元結構能符合硫屬相變存儲器CRAM的存儲需求即可；在用熱傳 導公式計算存儲元熱場分布時，存儲元結構上下邊界條件釆用熱輻射散熱，并將無限遠處視為25。C的黑體；是以用作字線選擇存儲元的n-M0S 晶體管為例作為結構設計的一部分的，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元；本說明書在圖示說明過程中 使用平面圖示，但是不局限于平面圖，而是實際制作過程中與之對應的 三維立體圖。本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現 有技術。
權利要求
1、一種硫屬相變存儲器CRAM存儲元、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、 如權利要求1所述的硫屬相變存儲器CRAM存儲元、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"形結構。
3、 如權利要求1所述的硫屬相變存儲器CRAM存儲元、其特征在 于下電極直接連接一個n-M0S晶體管的漏極D，其中n-M0S晶體管的 源極S通過電極直接接地，柵極接存儲器的字線，或先接柵極電極，柵 極電極再接字線。
4、 如權利要求1所述的硫屬相變存儲器CRAM存儲元、其特征在 于在制造存儲元的不同材料層結構過程中，組成存儲元的材料之外還 有一層絕緣材料薄膜，絕緣材料薄膜是同一物質，或在不同步驟中使用 不同絕緣物質。
5、 如權利要求1所述的硫屬相變存儲器CRAM存儲元、其特征在 于相變層的相變材料為硫屬化合物Ge2Sb2Te5,或能用于實現相變存儲 的其它硫屬化合物。
6、如權利要求1所述的硫屬相變存儲器CRAM存儲元、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，或滿足于實現相變 存儲的其它加熱材料。
7、 如權利要求1所述的硫屬相變存儲器CRAM存儲元、其特征在 于上電極直接用作存儲器位線，或將上電極用作接觸電極，在上電極 之上另外接位線。
8、 如權利要求2所述的硫屬相變存儲器CRAM存儲元、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)明涉及一種硫屬相變存儲器CRAM存儲元，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”形結構。本發(fā)明相比目前的硫屬相變存儲器CRAM的結構，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”形結構，充分利用了加熱層的兩端同時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化制造工藝，不僅在理論上給出了其優(yōu)良性能的說明，而且通過模擬計算熱場分布給出了較好的證明。
文檔編號H01L45/00GK101159313SQ200710168408
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月22日 優(yōu)先權日2007年11月22日
發(fā)明者向宏酉, 娟 李, 王嘉賦 申請人:武漢理工大學