專利名稱：使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用肖特基二極管的相變存儲單元及制備方法，屬于微電 子技術(shù)中相變存儲器領(lǐng)域。
技術(shù)背景存儲器在半導(dǎo)體市場中占有重要地位，僅DRAM(Dynamnic Randam Access Memory)和FLASH兩種就占有整個市場的15%，隨著便攜式龜子設(shè)備的逐步普 及,不揮發(fā)存儲器的市場也越來越大，目前FLASH占不揮發(fā)存儲器的主流，約 占90。X。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)LASH遇到了越來越多的技術(shù)瓶頸，首 先存儲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，此外，F(xiàn)LASH 技術(shù)的其它一些缺點也限制了它的應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)寫入慢、寫數(shù)據(jù)時需要高 電壓因而功耗大，需要特殊的電壓提升結(jié)構(gòu)增加了電路和設(shè)計的復(fù)雜度，可 擦寫次數(shù)低，必須對指定的單元塊而不能對指定的單元進(jìn)寫操作等。鑒于這 種情況，目前世界上幾乎所有電子和半導(dǎo)體行業(yè)巨頭及其它相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)都 在競相研發(fā)新一代不揮發(fā)存儲器技術(shù)，以期在未來激烈的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭中 保有技術(shù)和市場優(yōu)勢.PCM (Phase Change Memory)--相變存儲器作為一種新 興的不揮發(fā)存儲技術(shù)，在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時間、單元面積、 多值實現(xiàn)等諸多方面都具有極大的優(yōu)越性，成為未來不揮發(fā)存儲技術(shù)市場主 流產(chǎn)品最有力的競爭者之一。隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，芯片技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入65nm、 45nm技術(shù) 階段。在典型的1T1R (T: transistor, R: phase change resistor)結(jié)構(gòu)中，選 通管T通常用MOS管。在相變存儲器中的一個關(guān)鍵的問題是寫操作電流大， 要達(dá)到lmA左右，當(dāng)集成電路制造技術(shù)進(jìn)入65nm、 45nm技術(shù)階段后，顯 然MOS選通管提供不了足夠的驅(qū)動電流。因此，意法半導(dǎo)體公司提出用雙 極性晶體管用于1T1R來解決相變存儲器中寫操作電流大的問題[Bedeschi,F.; Bonizzoni, E.; Casagrande, G.; Gastaldi， R.; Resta， C.; Torelli, G.; ZelLa, D; SET and RESET pulse characterization in BJT-selected phase-change memories; Circuits and Systems, 2005. ISCAS 2005. IEEE International Symposium on; 23-26 May 2005 Page(s): 1270 -1273 Vol. 2]。然而雙極性 晶體管在芯片集成度繼續(xù)提高也有難度。在2006年標(biāo)題為"使用二極管的相 變存儲器件及制造方法"的中國專利(公開號CN1832190A)中，韓國三星 電子株式會社公開了用PN 二極管作為選通管用于相變存儲器的方法來解決 相變存儲存儲器密度進(jìn)一步提高遇到的問題[中國專利公開CN 1832190A, 使用單元二極管的相變存儲器及其制造方法]。但是該技術(shù)目前也遇到一些問 題，比如該方法制備的二極管會產(chǎn)生寄生的三極管，干擾對臨近單元的讀寫 操作[丄H. Oh,丄H. Park' Y.S. Lim卞，H.S. Lim, Y.T. Oh，丄S. Kim,丄M. Shin, 丄H. Park, 丫.丄Song, K.C. Ryoo,D.W. Lim, S.S. Park,丄l. Kim,丄H. Kim，丄 Yu， F. Yeung, C.W. Jeong,丄H. Kong, D.H. Kang, G.H. Koh,G.T. Jeong, H.S. Jeong， and Kinam Kim; Full Integration of Highly Manufacturable 512Mb PRAM based on 90nm Technology; Electron Devices Meeting, 2006. IEDM '06. International, 11-13 Dec. 2006 Page(s):1 -4]。本發(fā)明試圖提出的基于 肖特基二極管的相變存儲器單元，不但具有可望與PN 二極管技術(shù)同樣可以 用與高密度相變存儲器的優(yōu)點，同時也可望克服產(chǎn)生寄生的三極管缺點，并 且還具有工藝與CMOS工藝完全兼容，成本低，開關(guān)速度快，驅(qū)動電流大等發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元 及制備方法，以用于高密度相變存儲器，降低成本，提高存儲器性能。本發(fā)明公開了使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié)構(gòu)，所提供 的相變存儲單元器件具有平行的導(dǎo)電字線，字線與肖特基二極管的一端相連， 肖特基二極管的另一段與存儲器件的下電極相連，相變存儲器件的上電極與 平行的導(dǎo)電位線相連，這里肖特基二極管是相變存儲器的選通管。本發(fā)明同時公開使有肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié)構(gòu)的制備方法，其步驟為在N型單晶硅襯底ll (或是P型襯底)制備多條平行的位 線13，位線是高濃度摻雜的N型單晶硅、多晶硅或非晶硅(或是P型單晶 硅、多晶硅或非晶硅)，再在位線上面沉積絕緣介質(zhì)層113，在預(yù)定暴露區(qū)域開孔，在孔中用外延制備低摻雜的N型導(dǎo)電型硅14 (或P型導(dǎo)電型硅)，再 沉積金屬層，刻蝕出要求的圖形15，沉積絕緣介質(zhì)層114，制備出相變單元 下電極16，沉積絕緣介質(zhì)層115，在絕緣介質(zhì)層115中刻蝕要求的孔，沉積 相變材料17與上電極18，制備出要求的圖形，沉積絕緣介質(zhì)層116，刻蝕孔， 制備上電極19，制備平行的金屬導(dǎo)線字線111。以上制作步驟包括了以下幾 步(i )形成多條平行的位線，包括沉積絕緣介質(zhì)層112，刻蝕多條平行字線， 露出襯底ll，在襯底上外延高濃度的N導(dǎo)電型硅，也可以是P型硅；這里可 以是固相外延或者其它外延技術(shù)，外延層可以是單晶硅，再在導(dǎo)電硅12的基 礎(chǔ)上，外延位線13，位線是高摻雜的N導(dǎo)電型單晶硅、多晶硅或非晶硅或者 是P導(dǎo)電型單晶硅、多晶硅或非晶硅，摻雜可以用原位摻雜也可以用離子注 入，然后刻蝕或者CMP磨平。(ii) 制備肖特基二極管，包括沉積絕緣介質(zhì)層113，刻蝕孔與字線相連， 在孔中用外延制備低摻雜濃度的N導(dǎo)電型單晶硅、多晶硅或非晶硅14，再沉 積金屬層或硅化物層15，刻蝕或者磨平得到要求的圖形，這里外延可以用固 相外延，導(dǎo)電型硅14可以是單晶硅、多晶硅或非晶硅。所述的金屬可以是 Au、 Mo、 Ni、 W、 Al、 Ti或Pt，所述的或者硅化物層為NiSi、 CoSi2或TiSi2 等。(iii) 制備相變存儲單元下電極16，包括沉積絕緣介質(zhì)層114，刻蝕孔，沉 積金屬如W， TiN等，下電極則與肖特基二極管的金屬層或硅化物層相連， 磨平或者刻蝕出要求的現(xiàn)狀。(iv) 制備相變存儲單元與上電極，包括沉積絕緣介質(zhì)層115，刻蝕出要求 的孔，沉積相變材料與上電極18，相變材料包括(Ge2Sb2Te5、 GeiSb2Te4、 摻雜的Ge2Sb2Te5、 Ge,Sb2丁e4或其它相變材料GeSi， Sb2Te3， GeTi， GeSb， Si2Sb2Te5，Si,Sb2Te4等)，上電極18可以是W或者TiN，，刻蝕或者磨平，然6后沉積絕緣介質(zhì)層116，刻蝕露出上電極，沉積金屬如Cu， Al， W等與上電極接觸，磨平或者刻蝕出要求的圖形形成金屬栓19。(v )平行字線111制備，包括沉積絕緣介質(zhì)層117，刻蝕出平行圖形， 形成多條平行字線的方法是在沉積的絕緣介質(zhì)層上沉積金屬包括(W， Al 等)，刻蝕形成平行字線lll，字線與金屬栓19相連。PN 二極選通管技術(shù)可以用于高密度相變存儲器，但是其有產(chǎn)生寄生 三極管的缺點，使用肖特基二極管為選通管可以克服產(chǎn)生寄生的三極管缺 點。肖特基二極管是一種低功耗、驅(qū)動電流大、超高速半導(dǎo)體的器件，由于 只有一種載流子作用，其反向恢復(fù)時間極短(可以小到幾納秒，PN 二極管 為幾百納秒)，正向?qū)▔航祪H0.4V左右,并且還具有工藝與CMOS工藝完 全兼容，本發(fā)明采用Si單晶作為半導(dǎo)體一端，提高了器件性能的穩(wěn)定性和 一致性，具有PN二極管不具備的多項優(yōu)點。


圖1A是使用肖特基二極管為選通管的相變存儲器陣列的示意1B是使用肖特基二極管的相變存儲器陣列的剖面1C是與圖1B垂直方向相變存儲器陣列的剖面示意2是根據(jù)本發(fā)明的實施例形成位線時刻蝕出位線圖形的示意3是根據(jù)本發(fā)明的實施例形成位線的示意4是在位線上形成肖特基二極管的圖形的示意5是在位線上形成肖特基二極管的示意6是制備相變存儲單元下電極的示意7是制備相變存儲單元上電極與相變材料層的示意8是形成導(dǎo)電通孔的示意9是形成多條平行字線的示意中標(biāo)號ll為襯底，12為外延緩沖層，13為位線，14為外延低摻雜濃度 硅，15為金屬，16為相變材料下電極，17為相變材料，18為相變材料上電 極，19為金屬栓，111為字線，112為絕緣介質(zhì)1， 113為絕緣介質(zhì)2， 114 為絕緣介質(zhì)3， 115為絕緣介質(zhì)4， 116為絕緣介質(zhì)5， 117為絕緣介質(zhì)6。
具體實施方式
下面結(jié)合圖示中更完全的描述本發(fā)明，本發(fā)明提供的優(yōu)選實施例，但不 應(yīng)被認(rèn)為僅限于在此闡述的實施例中。在圖中，為了清楚起見適當(dāng)放大了層 和區(qū)域的厚度，但作為示意圖不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān) 系。在此，參考圖是本發(fā)明的示意圖，圖中的表示只是示意性質(zhì)的，不應(yīng)該 被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。圖2至圖9給出了本發(fā)明的所述實施例的制備方法。下面結(jié)合圖示進(jìn)一步介紹制備這種環(huán)狀相變存儲器單元的操作步驟1. 如圖2所示在襯底N型單晶硅11上用等離子化學(xué)氣相沉積(PECVD) 方法沉積絕緣介質(zhì)層112，絕緣介質(zhì)層112可以是氧化硅或者氮氧化硅， 光刻刻蝕出平行的溝槽，露出襯底硅。2. 如圖3所示，在步驟l形成的平行的溝槽中用固相外延方法生長高濃 度摻雜的N型單晶硅緩沖層12 (如摻雜濃度達(dá)1021原子/cm3的磷，砷)。 作為本發(fā)明的另一個實施例，緩沖層12可以是高濃度摻雜的P型單晶硅(如摻雜濃度達(dá)1021原子/0113的硼)，作為本發(fā)明的又一個實施例，緩沖 層12可以是高濃度摻雜的多晶硅或者非晶硅，制備方法可以用濺射或者 低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)，導(dǎo)電類型可以是N型或者P型3. 如圖3所示，在高濃度摻雜的N型單晶硅緩沖層12上面用固相外延 方法生長高濃度摻雜的平行的N型單晶硅位線13，作為本發(fā)明的另一個 實施例，位線13可以是高濃度摻雜的P型單晶硅，作為本發(fā)明的另一個 實施例，位線13可以是高濃度摻雜的多晶硅或者非晶硅，制備方法可以 用濺射或者低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)，導(dǎo)電類型可以是N型或者P 型4. 如圖4所示，在步驟(3)的基礎(chǔ)上用等離子化學(xué)氣相沉積(PECVD) 方法制備絕緣介質(zhì)層113，絕緣介質(zhì)層113可以是氧化硅或者氮氧化硅， 光刻刻蝕所要求的孔，與位線13相聯(lián)接。5. 如圖5所示，在位線13露出孔洞處，用固相外延方法生長低濃度摻雜 的N型單晶硅14，然后沉積金屬層或硅化物層15，所述的金屬層可以為Au、 Mo、 M、 W、 Al、 Ti和Pt中的任一種，所述的硅化物為NiSi、 CoSi2 或TiSi2等，光刻刻蝕出要求的圖形，作為本發(fā)明的另一個實施例，14可 以是低濃度摻雜的P型單晶硅，作為本發(fā)明的另一個實施例，14可以是 低濃度摻雜的多晶硅，制備方法可以用濺射或者低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)，導(dǎo)電類型可以是N型或者P型6. 如圖6所示，在步驟(5)沉積的金屬或硅化物表面，用等離子化學(xué)氣 相沉積(PECVD)沉積絕緣介質(zhì)層114，絕緣介質(zhì)層114可以是氧化硅 或者氮氧化硅，光刻刻蝕要求的孔，露出15，在孔內(nèi)沉積金屬下電極16， CMP磨平或者光刻刻蝕出要求的形狀。7. 如圖7所示，在步驟(6)沉積的金屬下電極16上面，用等離子化學(xué) 氣相沉積(PECVD)沉積絕緣介質(zhì)層115，絕緣介質(zhì)層115可以是氧化 硅或者氮氧化硅，光刻刻蝕要求的孔，露出16，沉積相變材料17和上電 極18，然后光刻刻蝕或者CMP磨平到要求的形狀。8. 如圖8所示，在歩驟(7)沉積的金屬上電極18上面，用等離子化學(xué) 氣相沉積(PECVD)沉積絕緣介質(zhì)層116，絕緣介質(zhì)層116可以是氧化 硅或者氮氧化硅，光刻刻蝕要求的孔，露出18，在孔內(nèi)沉積金屬19，光 刻刻蝕出要求的形狀。9. 如圖9所示，在步驟(8)孔內(nèi)沉積金屬并光刻刻蝕基礎(chǔ)上，用等離子 化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積絕緣介質(zhì)層117，絕緣介質(zhì)層117可以是 氧化硅或者氮氧化硅，光刻刻蝕要求的平行溝槽，在溝槽中沉積金屬Al 或者Cu，光刻形成字線lll。
權(quán)利要求
1、一種使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所提供的相變存儲單元具有平行的導(dǎo)電位線，位線與肖特基二極管的一端相連；肖特基二極管的另一端則與相變存儲單元的下電極相連，相變存儲單元的上電極與平行的導(dǎo)電字線相連。
2、 按權(quán)利要求1所述的使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié) 構(gòu)，其特征在于肖特基二極管的半導(dǎo)體一端是低摻雜濃度的單晶硅、多晶硅 或非晶硅。
3、 按權(quán)利要求1所述的使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié) 構(gòu)，其特征在于肖特基二極管的另一端為金屬層或硅化物層。
4、 按權(quán)利要求3所述的使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié) 構(gòu)，其特征在于所述的金屬為Au、 Mo、 Ni、 W、 Al、 Ti或Pt;所述的硅化 物為NiSi、 CoSi2或TiSi2。
5、 制備如權(quán)利要求1_4中任一項所述的使用肖特基二極管為選通管的 相變存儲單元結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于包括形成多條平行位線、制備肖特基 二極管、制備相變存儲單元下電極、上電極以及平行字線制備，制備具體步 驟采用下述兩種方法中任一種方法A:(a)首先，在N型單晶硅襯底上制備多條平行的字線，位線是高濃度 摻雜的N型單晶硅、多晶硅或非晶硅；(b)再在位線上面沉積絕緣介質(zhì)層，在預(yù)定暴露區(qū)域開孔，在孔中用外延制備低摻雜的N型導(dǎo)電型硅；(C)再沉積金屬層，刻蝕出要求的圖形，沉積絕緣介質(zhì)層，制備出相變單元下電極； (d)沉積絕緣介質(zhì)層，再在絕緣介質(zhì)層中刻蝕要求的孔，沉積相變材料與上 電極，制備出要求的圖形，沉積絕緣介質(zhì)層，刻蝕孔，制備出上電極；(e) 最后，制備平行的金屬導(dǎo)線字線； 方法B:在P型單晶硅襯底制備多條平行的字線，位線是高濃度摻雜的P型單晶 硅、多晶硅或非晶硅；(b)再在位線上面沉積絕緣介質(zhì)層，在預(yù)定暴露區(qū)域開孔，在孔中用外延制備低摻雜的N型導(dǎo)電型硅；(C)再沉積金屬層，刻蝕 出要求的圖形，沉積絕緣介質(zhì)層，制備出相變單元下電極；(d)沉積絕緣介 質(zhì)層，再在絕緣介質(zhì)層中刻蝕要求的孔，沉積相變材料與上電極，制備出要 求的圖形，沉積絕緣介質(zhì)層，刻蝕孔，制備出上電極；(e)最后，制備平行 的金屬導(dǎo)線字線。
6、 按權(quán)利要求5所述的使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié)構(gòu) 的制備方法，.其特征在于在N型或P型單晶硅上制備多條平行的位線是用等 離子化學(xué)氣相沉積方法沉積絕緣介質(zhì)層，然后光刻刻蝕出平行的溝槽，露出 硅襯底，然后用固相外延方法生長高摻雜濃度的N型或P型單晶硅緩沖層， 然后用固相外延方法生長出高濃度摻雜的平行的N型或P型多條平行位線。
7、 按權(quán)利要求5所述的使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié)構(gòu) 的制備方法，其特征在于制備肖特基二極管包括沉積絕緣介質(zhì)層、刻蝕孔與 位線相連，在孔中用外延方法制備低摻雜的N型或P型導(dǎo)電的單晶硅、多晶 硅或非晶硅；再沉積金屬層或硅化物層，經(jīng)刻蝕或磨平，得到需要的圖形。
8、 按權(quán)利要求5所述的使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié)構(gòu) 的制備方法，其特征在于所述的相變存儲單元下電極制備包括沉積絕緣介質(zhì) 層，刻蝕孔并沉積金屬W或TiN形成下電極，形成的下電極與肖特基二極 管的金屬層或硅化物層相連；所述的相變存儲單元上電極為在相變材料上沉 積上電極W或TiN;經(jīng)刻蝕或磨平，再沉積絕緣介質(zhì)層，刻蝕露出上電極。
9、 按權(quán)利要求5所述的使用肖特基二極管為選通管的相變存儲單元結(jié)構(gòu) 的制備方法，其特征在于平行字線的制備是在上電極上沉積Cu、 A1或W與 上電極接觸、磨平形成金屬栓，再沉積絕緣介質(zhì)層，在沉積的絕緣介質(zhì)層上 再沉積W或A1，刻蝕形成平行字線，且與金屬栓相連。
10、 按權(quán)利要求5、 6、 7、 8或9所述的使用肖特基二極管為選通管的相 變存儲單元結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述的沉積的絕緣介質(zhì)層為氧化硅 或氮氧化硅。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明公開了一種具有肖特基二極管的相變存儲器件及其制備方法。其基本特征在于該結(jié)構(gòu)單元由肖特基二極管與相變存儲器構(gòu)成，肖特基二極管作為相變存儲器的選通管，肖特基二極管通過固相外延技術(shù)生長N型或者P型Si單晶薄膜，與金屬薄膜構(gòu)成金屬半導(dǎo)體接觸。該方法制備的肖特基二極管有性能穩(wěn)定，速度快，驅(qū)動電流大的特點。本發(fā)明公開的結(jié)構(gòu)特點是用于高密度相變存儲器，同時降低相變存儲器生產(chǎn)成本。
文檔編號H01L21/822GK101262005SQ200810035940
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者云 凌, 宋志棠, 封松林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所