專利名稱：一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種相變存儲器結構及制備方法，特別涉及一種采用低k介質材料作 為絕熱材料的相變存儲器結構及相應的制備方法，屬于微電子學中特殊器件與工藝領域。
背景技術：
在目前的新型存儲技術中，基于硫系半導體材料的相變存儲器(PCRAM)具有成本 低，速度快，存儲密度高，制造簡單且與當前的CMOS (互補金屬-氧化物-半導體)集成電 路工藝兼容性好的突出優點，受到世界范圍的廣泛關注。降低電流和功耗、提高數據保持 力和相變材料的可靠性是目前最主要的研究方向之一，全世界各大公司相繼投入了相變存 儲器的研究行列，主要研究單位有 Ovonyx、Intel、Samsung、IBM、Bayer、STMicron、AMD、 Panasonic、Sony、Philips、British Areospace、Hitachi 禾口 Macronix 等。降低功耗、提高數據保持力和可靠性可以從材料和器件結構兩個方面進行改善。 其中，器件結構方面的改善方法也是多種多樣的，相變存儲器的結構大致分為經典“蘑菇 型”結構、μ -Trench結構、Pore結構、GST限制結構、邊緣接觸結構、量子線結構、GST側墻 結構等。經典T-shape的結構關鍵在于底部加熱電極的制備方法，此種結構的操作區域的 減小只能通過縮小底部電極的方法來實現，從而達到降低操作電壓和降低功耗的目的。各 種結構的目的都是為了減小電極和相變材料的接觸區域，從而實現set與reset的可逆相 變區域的減小，達到降低電流和功耗的目的。相變區域的減小與操作電流的降低呈現明顯 的線性關系，減小相變操作區域的方法大致有兩種，分別為減小相變材料的尺寸和減小加 熱電極的尺寸，同時通過電極與相變材料間的介質過渡層，有效阻止可逆相變過程的熱量 擴散也是實現低壓、低功耗的有效途徑。此外，隨著集成電路技術和CMOS工藝朝45nm以及22nm發展，CMOS電路中越來越 多地使用低k(low-k)介質材料。使用low-k介質材料作為ILD(Inter Layer Dielectrics, 層間電介質)，可以減少寄生電容容量，降低信號串擾，這樣就允許互連線之間的距離更近， 進一步提高芯片的集成度，同時使用low-k介質材料縮短了信號傳播延時，有利于提高芯 片速度。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構及制備方法。為了達到上述目的及其他目的，本發明采用如下技術方案—種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構，包括襯底以及位于所述襯底之上 的由多個相變存儲單元組成的相變存儲單元陣列；其中，每個所述相變存儲單元包括一個二極管；位于所述二極管之上的加熱電極；
位于所述加熱電極之上的可逆相變電阻；位于所述可逆相變電阻之上的頂電極；在所述加熱電極和可逆相變電阻周圍包裹有低k介質絕熱層；在所述可逆相變電阻與其周圍的低k介質絕熱層之間設有防擴散介質層。較佳的，所述襯底可以是常用的Si襯底，也可以是SOI襯底或其他半導體材料作 為襯底。所述加熱電極不受限制，可以是W、Pt等常用的導體材料，也可以是其它的導電材 料，如TiN、Tiff, TiAlN等，從而提高加熱效果，降低操作電流。所述低k介質絕熱層采用低k介質材料，包括低k的摻雜氧化物、低k的有機聚 合物和低k的多孔材料。優選的，所述低k介質絕熱層采用氟摻雜氧化硅(SiOF)、多孔碳摻 雜氧化硅(SiOC)、旋涂有機聚合物介質、旋涂有機硅基聚合物介質、多孔SiLK或多孔氧化硅等。所述頂電極不受限制，可以是Al、W、Cu等常用的導體材料，也可以是其它的導電 材料，如TiN等。較佳的，所述防擴散介質層可采用氮化物材料如SiN、SiON等或氧化物材料如 Ta205、Al203、Zr02等，可有效地防止相變材料的擴散，增強相變材料的附著力，提高相變材料 的加熱效果和可靠性。較佳的，所述可逆相變電阻采用相變材料GeSbTe、SiSbTe，或者Sn、Ag、N等摻雜的 GeSbTe,或者 Sn、Ag、N 等摻雜的 SiSbTe0此外，本發明還提供一種上述具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構的制備方 法，包括如下步驟(1)利用標準的CMOS工藝制備二極管陣列；(2)在二極管陣列上制備50nm-1000nm厚的第一低k介質絕熱層；(3)在第一低k介質絕熱層上分別形成多個直徑為30-300nm的第一孔洞，每個第 一孔洞的底部與二極管陣列的每個二極管頂端相連；(4)在上述孔洞內填充加熱電極材料，接著進行CMP(化學機械拋光)工藝，除去表 面多余的加熱電極材料，形成柱狀加熱電極陣列；(5)在柱狀加熱電極陣列上制備50nm-200nm厚的第二低k介質絕熱層；在第二低 k介質絕熱層上分別形成多個直徑為50-500nm的第二孔洞，每個第二孔洞的底部與柱狀加 熱電極陣列中的每個柱狀加熱電極頂端相連；(6)在第二孔洞中制備l-30nm厚的防擴散介質層；(7)在制備了防擴散介質層的第二孔洞內接著填充相變材料，然后進行CMP工藝， 除去表面多余的相變材料，形成柱狀可逆相變電阻陣列；(8)在柱狀可逆相變電阻陣列上形成一層電極材料；(9)利用光刻和濕法刻蝕形成相變存儲單元陣列的頂電極。優選地，制備所述第一低k介質絕熱層和第二低k介質絕熱層，采用低k介質材 料，包括低k的摻雜氧化物、低k的有機聚合物和低k的多孔材料。優選的，所述第一低k 介質絕熱層和第二低k介質絕熱層采用氟摻雜氧化硅(SiOF)、多孔碳摻雜氧化硅(SiOC)、 旋涂有機聚合物介質、旋涂有機硅基聚合物介
優選地，所述第一孔洞和第二孔洞可以用聚焦離子束或電子束曝光和反應離子刻 蝕法等方法形成。優選地，所述防擴散介質層利用ALD (原子層沉積)或CVD (化學氣相沉積)方法 制備。優選地，步驟(7)所用的CMP工藝，拋光壓力在0. 5psi以下，使用膠體氧化硅拋光 液對第二低k介質絕熱層和相變材料進行拋光，利用拋光液對相變材料和低k介質的高選 擇比60 1)以及對低k介質的低損傷(低腐蝕，薄膜穩定、體積不變以及不改變薄膜 熱機械性質)，可實現相變材料的拋光以及停留在第二低k介質絕熱層。本發明提供的具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構及制備方法，在加熱電極 和相變電阻以外區域利用了低k介質材料作為相變存儲器的絕熱材料，巧妙的利用了低k 介質材料的特性，提高了相變存儲器的器件性能。低k介質材料由于具有較低的介電常數，在CMOS電路中常被用作為層間電介質， 可以起到減少寄生電容容量，降低信號串擾，提高芯片的集成度，縮短信號傳播延時，提高 芯片速度等作用。然而，通常低k介質材料具有多孔結構，質地較軟密度較低，熱傳導性能 較差，這些特點為低k介質材料在CMOS中的應用帶來一定難度。而本發明正是利用了低 k介質材料的這些特點，以低k介質材料作為相變存儲器的絕熱材料，避免了相變存儲單元 之間的熱串擾及操作時的相互影響。同時由于低k介質材料的可伸縮性，可以減小相變材 料相變過程中體積變化所引起的壓力對存儲單元的影響，提高了器件的可靠性，消除了非 晶向多晶轉變時溫度、壓力等對PCRAM數據保持力的影響。此外，由于低k介質材料的松軟 結構和易滲透性，為了防止GST等相變材料中的元素向低k介質材料的擴散，在低k介質材 料與相變材料之間制備了一層防擴散介質層。在制造工藝上，二極管開關或外圍電路由標準的CMOS工藝制備，可逆相變電阻由 后續的特定工藝制備，不影響CMOS標準工藝。拋光時，采用低壓力與低腐蝕的CMP工藝，避 免了拋光工藝對器件造成的損傷。
圖1至圖6為實施例中制備相變存儲器結構的工藝流程示意圖，最終完成的相變 存儲器結構如圖6所示，其中，各附圖標記說明如下1.襯底；2. 二極管；3.第一低k介質絕熱層；4.加熱電極；5.第二低k介質絕熱層；6.防擴散介質層；7.可逆相變電阻；8.頂電極
具體實施例方式下面結合圖示更完整的描述本發明，本發明提供優選的實施例，不應被認為僅限 于在此闡述的實施例中。在圖中，為了更清楚的反應結構，適當放大了層和區域的厚度，但 作為示意圖不應該被認為嚴格反映了幾何尺寸的比例關系，圖中的表示只是示意性質的， 不應該被認為限制本發明的范圍。請參見圖6，本發明提供的一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構，包括襯 底1以及位于所述襯底1之上的由多個相變存儲單元組成的相變存儲單元陣列。通常，相變存儲單元由一個可逆相變電阻和一個二極管構成。可逆相變電阻通過加熱電極操作實現其 在非晶(高阻態)與多晶(低阻態)之間的可逆轉變。本發明提供的相變存儲單元包括 一個二極管2 ；位于二極管2之上的加熱電極4 ；位于加熱電極4之上的可逆相變電阻7 ；位 于可逆相變電阻7之上的頂電極8 ；在加熱電極4和可逆相變電阻7周圍分別包裹有第一 低k介質絕熱層3和第二低k介質絕熱層5 ；在可逆相變電阻7與其周圍的第二低k介質 絕熱層5之間設有防擴散介質層6。其中，襯底1可以是常用的Si襯底，也可以是SOI襯底或其他半導體材料作為襯 底。加熱電極4不受限制，可以是W、Pt等常用的導體材料，也可以是其它的導電材料，如 TiN, Tiff, TiAlN等，從而提高加熱效果，降低操作電流。頂電極8不受限制，可以是Al、W、 Cu等常用的導體材料，也可以是其它的導電材料，如Ti N等。第一低k介質絕熱層3和第二低k介質絕熱層5采用低k介質材料，包括低k的 摻雜氧化物、低k的有機聚合物和低k的多孔材料。優選的，第一低k介質絕熱層3和第二 低k介質絕熱層5采用氟摻雜氧化硅(SiOF)、碳摻雜氧化硅(SiOC)、旋涂有機聚合物介質、 旋涂有機硅基聚合物介質、多孔SiLK或多孔氧化硅等。這些低k介質材料具有多孔結構， 質地較軟密度較低，熱傳導性能較差，作為相變存儲器的絕熱材料，避免了相變存儲單元之 間的熱串擾及操作時的相互影響。同時由于低k介質材料的可伸縮性，可以減小相變材料 相變過程中體積變化所引起的壓力對存儲單元的影響，提高了器件的可靠性，消除了非晶 向多晶轉變時溫度、壓力等對PCRAM數據保持力的影響。較佳的，防擴散介質層6可采用氮化物材料如SiN、SiON等或氧化物材料如Ta205、 Al2O3、&O2等，可有效地防止相變材料(可逆相變電阻7)的擴散，增強相變材料的附著力， 提高相變材料的加熱效果和可靠性。實施例1 參見圖1-圖6，一種上述具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構的制備方法，包 括如下步驟(1)如圖1所示，利用標準的CMOS工藝在襯底1上制備由多個二極管2構成的二 極管陣列，用作相變存儲單元陣列的開關，尺寸在lOO-lOOOnm，其中襯底1采用Si襯底；(2)如圖2所示，利用MOCVD(金屬有機化學氣相沉積)技術在二極管陣列上淀積 一層100-500nm厚的第一低k介質絕熱層3 ；(3)在上述100-500nm厚的第一低k介質絕熱層3上利用電子束刻蝕技術制備納 米孔洞，孔洞底部與二極管2上端相連，孔洞直徑在100-300nm范圍；(4)利用CVD技術在上述孔洞里淀積W薄膜，直至孔洞填滿；(5)利用化學機械拋光技術(CMP)拋除孔洞以外區域的W電極材料，形成加熱電極 4如圖3所示；(6)利用MOCVD技術在W電極上淀積一層50-200nm厚的第二低k介質絕熱層5 ；(7)在上述50-200nm厚的第二低k介質絕熱層5上利用電子束刻蝕技術制備納米 孔洞，孔洞底部與W電極上端相連，孔洞直徑在50nm-500nm范圍，如圖4所示；(8)利用PECVD技術在上述孔洞里淀積SiN薄膜，厚度5-20nm，作為防擴散介質層 6 ；(9)磁控濺射相變材料GeSbTe，厚度約lOOnm，本底真空為3 X 10_6Torr，濺射真空為0. 08Pa,功率100W，形成可逆相變電阻7 ；(10)利用CMP拋除孔洞以外區域的GeSbTe薄膜，接著制備Al頂電極8，從而得到 Si襯底上的IDlR結構的相變存儲器器件單元，如圖6所示。實施例2 將實施例1第(8)步SiN薄膜換成厚度5-20nm左右的SiON薄膜，其它同實施例 1，也可以得到與實施例1類似的結果。實施例3:將實施例1的加熱電極W換成TiN或其它更高電阻率的材料，其它同實施例1，可 以得到比實施例1更好的結果。實施例4 將實施例1的Si襯底換成SOI襯底或其它半導體材料的襯底，其它同實施例1，可 以得到類似實施例1的結果，甚至在某些性能，如抗輻照方面，有所提高。實施例5 將實施例1的相變材料GeSbTe換成SiSbTe，或者換成Sn、Ag、N等摻雜的GeSbTe 和Sn、Ag、N等摻雜的SiSbTe，其它步驟同實施例1。這樣可以得到更好的器件性能，如降低 器件的操作電流或提高器件速度等。本發明中涉及的其他工藝條件為常規工藝條件，屬于本領域技術人員熟悉的范 疇，在此不再贅述。上述實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案。任何不脫離本發 明精神和范圍的技術方案均應涵蓋在本發明的專利申請范圍當中。
權利要求
1.一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構，包括襯底以及位于所述襯底之上 的由多個相變存儲單元組成的相變存儲單元陣列，其特征在于，每個所述相變存儲單元包 括一個二極管；位于所述二極管之上的加熱電極；位于所述加熱電極之上的可逆相變電阻；位于所述可逆相變電阻之上的頂電極；在所述加熱電極和可逆相變電阻周圍包裹有低k介質絕熱層；在所述可逆相變電阻與其周圍的低k介質絕熱層之間設有防擴散介質層。
2.根據權利要求1所述一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構，其特征在于 所述低k介質絕熱層采用低k介質材料，所述低k介質材料包括低k的摻雜氧化物、低k 的有機聚合物和低k的多孔材料。
3.根據權利要求2所述一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構，其特征在于 所述低k介質絕熱層采用氟摻雜氧化硅、多孔碳摻雜氧化硅、旋涂有機聚合物介質、旋涂有 機硅基聚合物介質、多孔SiLK或多孔氧化硅材料。
4.根據權利要求1所述一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構，其征在于所 述防擴散介質層采用SiN、SiON, Ta2O5, Al2O3或材料。
5.一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構的制備方法，其特征在于，該方法包 括以下步驟(1)利用標準的CMOS工藝制備二極管陣列；(2)在二極管陣列上制備50nm-1000nm厚的第一低k介質絕熱層；(3)在第一低k介質絕熱層上分別形成多個直徑為30-300nm的第一孔洞，每個第一孔 洞的底部與二極管陣列的每個二極管頂端相連；(4)在上述孔洞內填充加熱電極材料，接著進行CMP工藝，除去表面多余的加熱電極材 料，形成柱狀加熱電極陣列；(5)在柱狀加熱電極陣列上制備50nm-200nm厚的第二低k介質絕熱層；在第二低k介 質絕熱層上分別形成多個直徑為50-500nm的第二孔洞，每個第二孔洞的底部與柱狀加熱 電極陣列中的每個柱狀加熱電極頂端相連；(6)在第二孔洞中制備l-30nm厚的防擴散介質層；(7)在制備了防擴散介質層的第二孔洞內接著填充相變材料，然后進行CMP工藝，除去 表面多余的相變材料，形成柱狀可逆相變電阻陣列；(8)在柱狀可逆相變電阻陣列上形成一層電極材料；(9)利用光刻和濕法刻蝕形成相變存儲單元陣列的頂電極。
6.根據權利要求5所述一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構的制備方法，其 特征在于制備所述第一低k介質絕熱層和第二低k介質絕熱層采用低k介質材料，所述低 k介質材料包括低k的摻雜氧化物、低k的有機聚合物和低k的多孔材料。
7.根據權利要求6所述一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構的制備方法，其 特征在于所述第一低k介質絕熱層和第二低k介質絕熱層采用氟摻雜氧化硅、多孔碳摻雜 氧化硅、旋涂有機聚合物介質、旋涂有機硅基聚合物介質、多孔SiLK或多孔氧化硅材料。
8.根據權利要求5所述一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構的制備方法，其 特征在于所述第一孔洞和第二孔洞用聚焦離子束或電子束曝光和反應離子刻蝕法方法形 成。
9.根據權利要求5所述一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構的制備方法，其 特征在于所述防擴散介質層利用ALD或CVD方法制備。
10.根據權利要求5所述一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構的制備方法，其 特征在于步驟(7)所用的CMP工藝，拋光壓力在0. 5psi以下，使用膠體氧化硅拋光液對第 二低k介質絕熱層和相變材料進行拋光。
全文摘要
本發明公開了一種具有低k介質絕熱材料的相變存儲器結構及制備方法，其相變存儲單元包括二極管、加熱電極、可逆相變電阻、頂電極等；在加熱電極和可逆相變電阻周圍包裹有低k介質絕熱層；在可逆相變電阻與其周圍的低k介質絕熱層之間設有防擴散介質層。本發明利用低k介質材料作為絕熱材料，避免了相變存儲單元之間的熱串擾及操作時的相互影響，提高了器件可靠性，消除了非晶向多晶轉變時溫度、壓力等對PCRAM數據保持力的影響。此外，在低k介質材料與相變材料之間制備了一層防擴散介質層，可防止相變材料中的元素向低k介質材料的擴散。其制造工藝與CMOS標準工藝兼容，拋光采用了低壓力與低腐蝕的CMP工藝。
文檔編號H01L45/00GK102005466SQ20101029591
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月28日 優先權日2010年9月28日
發明者吳良才, 宋志棠, 封松林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所