本发明专利技术公开了一种具有低ｋ介质绝热材料的相变存储器结构及制备方法，其相变存储单元包括：二极管、加热电极、可逆相变电阻、顶电极等；在加热电极和可逆相变电阻周围包裹有低ｋ介质绝热层；在可逆相变电阻与其周围的低ｋ介质绝热层之间设有防扩散介质层。本发明专利技术利用低ｋ介质材料作为绝热材料，避免了相变存储单元之间的热串扰及操作时的相互影响，提高了器件可靠性，消除了非晶向多晶转变时温度、压力等对ＰＣＲＡＭ数据保持力的影响。此外，在低ｋ介质材料与相变材料之间制备了一层防扩散介质层，可防止相变材料中的元素向低ｋ介质材料的扩散。其制造工艺与ＣＭＯＳ标准工艺兼容，抛光采用了低压力与低腐蚀的ＣＭＰ工艺。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种相变存储器结构及制备方法，特别涉及一种采用低k介质材料作 为绝热材料的相变存储器结构及相应的制备方法，属于微电子学中特殊器件与工艺领域。
技术介绍
在目前的新型存储技术中，基于硫系半导体材料的相变存储器(PCRAM)具有成本 低，速度快，存储密度高，制造简单且与当前的CMOS (互补金属-氧化物-半导体)集成电 路工艺兼容性好的突出优点，受到世界范围的广泛关注。降低电流和功耗、提高数据保持 力和相变材料的可靠性是目前最主要的研究方向之一，全世界各大公司相继投入了相变存 储器的研究行列，主要研究单位有 Ovonyx、Intel、Samsung、IBM、Bayer、STMicron、AMD、 Panasonic、Sony、Philips、British Areospace、Hitachi 禾口 Macronix 等。降低功耗、提高数据保持力和可靠性可以从材料和器件结构两个方面进行改善。 其中，器件结构方面的改善方法也是多种多样的，相变存储器的结构大致分为经典“蘑菇 型”结构、μ -Trench结构、Pore结构、GST限制结构、边缘接触结构、量子线结构、GST侧墙 结构等。经典T-shape的结构关键在于底部加热电极的制备方法，此种结构的操作区域的 减小只能通过缩小底部电极的方法来实现，从而达到降低操作电压和降低功耗的目的。各 种结构的目的都是为了减小电极和相变材料的接触区域，从而实现set与reset的可逆相 变区域的减小，达到降低电流和功耗的目的。相变区域的减小与操作电流的降低呈现明显 的线性关系，减小相变操作区域的方法大致有两种，分别为减小相变材料的尺寸和减小加 热电极的尺寸，同时通过电极与相变材料间的介质过渡层，有效阻止可逆相变过程的热量 扩散也是实现低压、低功耗的有效途径。此外，随着集成电路技术和CMOS工艺朝45nm以及22nm发展，CMOS电路中越来越 多地使用低k(low-k)介质材料。使用low-k介质材料作为ILD(Inter Layer Dielectrics, 层间电介质)，可以减少寄生电容容量，降低信号串扰，这样就允许互连线之间的距离更近， 进一步提高芯片的集成度，同时使用low-k介质材料缩短了信号传播延时，有利于提高芯 片速度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供。为了达到上述目的及其他目的，本专利技术采用如下技术方案—种具有低k介质绝热材料的相变存储器结构，包括衬底以及位于所述衬底之上 的由多个相变存储单元组成的相变存储单元阵列；其中，每个所述相变存储单元包括一个二极管；位于所述二极管之上的加热电极；位于所述加热电极之上的可逆相变电阻；位于所述可逆相变电阻之上的顶电极；在所述加热电极和可逆相变电阻周围包裹有低k介质绝热层；在所述可逆相变电阻与其周围的低k介质绝热层之间设有防扩散介质层。较佳的，所述衬底可以是常用的Si衬底，也可以是SOI衬底或其他半导体材料作 为衬底。所述加热电极不受限制，可以是W、Pt等常用的导体材料，也可以是其它的导电材 料，如TiN、Tiff, TiAlN等，从而提高加热效果，降低操作电流。所述低k介质绝热层采用低k介质材料，包括低k的掺杂氧化物、低k的有机聚 合物和低k的多孔材料。优选的，所述低k介质绝热层采用氟掺杂氧化硅(SiOF)、多孔碳掺 杂氧化硅(SiOC)、旋涂有机聚合物介质、旋涂有机硅基聚合物介质、多孔SiLK或多孔氧化硅等。所述顶电极不受限制，可以是Al、W、Cu等常用的导体材料，也可以是其它的导电 材料，如TiN等。较佳的，所述防扩散介质层可采用氮化物材料如SiN、SiON等或氧化物材料如 Ta205、Al203、Zr02等，可有效地防止相变材料的扩散，增强相变材料的附着力，提高相变材料 的加热效果和可靠性。较佳的，所述可逆相变电阻采用相变材料GeSbTe、SiSbTe，或者Sn、Ag、N等掺杂的 GeSbTe,或者 Sn、Ag、N 等掺杂的 SiSbTe0此外，本专利技术还提供一种上述具有低k介质绝热材料的相变存储器结构的制备方 法，包括如下步骤(1)利用标准的CMOS工艺制备二极管阵列；(2)在二极管阵列上制备50nm-1000nm厚的第一低k介质绝热层；(3)在第一低k介质绝热层上分别形成多个直径为30-300nm的第一孔洞，每个第 一孔洞的底部与二极管阵列的每个二极管顶端相连；(4)在上述孔洞内填充加热电极材料，接着进行CMP(化学机械抛光)工艺，除去表 面多余的加热电极材料，形成柱状加热电极阵列；(5)在柱状加热电极阵列上制备50nm-200nm厚的第二低k介质绝热层；在第二低 k介质绝热层上分别形成多个直径为50-500nm的第二孔洞，每个第二孔洞的底部与柱状加 热电极阵列中的每个柱状加热电极顶端相连；(6)在第二孔洞中制备l-30nm厚的防扩散介质层；(7)在制备了防扩散介质层的第二孔洞内接着填充相变材料，然后进行CMP工艺， 除去表面多余的相变材料，形成柱状可逆相变电阻阵列；(8)在柱状可逆相变电阻阵列上形成一层电极材料；(9)利用光刻和湿法刻蚀形成相变存储单元阵列的顶电极。优选地，制备所述第一低k介质绝热层和第二低k介质绝热层，采用低k介质材 料，包括低k的掺杂氧化物、低k的有机聚合物和低k的多孔材料。优选的，所述第一低k 介质绝热层和第二低k介质绝热层采用氟掺杂氧化硅(SiOF)、多孔碳掺杂氧化硅(SiOC)、 旋涂有机聚合物介质、旋涂有机硅基聚合物介优选地，所述第一孔洞和第二孔洞可以用聚焦离子束或电子束曝光和反应离子刻 蚀法等方法形成。优选地，所述防扩散介质层利用ALD (原子层沉积)或CVD (化学气相沉积)方法 制备。优选地，步骤(7)所用的CMP工艺，抛光压力在0. 5psi以下，使用胶体氧化硅抛光 液对第二低k介质绝热层和相变材料进行抛光，利用抛光液对相变材料和低k介质的高选 择比60 1)以及对低k介质的低损伤(低腐蚀，薄膜稳定、体积不变以及不改变薄膜 热机械性质)，可实现相变材料的抛光以及停留在第二低k介质绝热层。本专利技术提供的具有低k介质绝热材料的相变存储器结构及制备方法，在加热电极 和相变电阻以外区域利用了低k介质材料作为相变存储器的绝热材料，巧妙的利用了低k 介质材料的特性，提高了相变存储器的器件性能。低k介质材料由于具有较低的介电常数，在CMOS电路中常被用作为层间电介质， 可以起到减少寄生电容容量，降低信号串扰，提高芯片的集成度，缩短信号传播延时，提高 芯片速度等作用。然而，通常低k介质材料具有多孔结构，质地较软密度较低，热传导性能 较差，这些特点为低k介质材料在CMOS中的应用带来一定难度。而本专利技术正是利用了低 k介质材料的这些特点，以低k介质材料作为相变存储器的绝热材料，避免了相变存储单元 之间的热串扰及操作时的相互影响。同时由于低k介质材料的可伸缩性，可以减小相变材 料相变过程中体积变化所引起的压力对存储单元的影响，提高了器件的可靠性，消除了非 晶向多晶转变时温度、压力等对PCRAM数据保持力的影响。此外，由于低k介质材料的松软 结构和易渗透性，为了防止GST等相变材料中的元素向低k介质材料的扩散，在低k介质材 料与相变材料之间制备了一层防扩散介质层。在制造工艺上，二本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有低ｋ介质绝热材料的相变存储器结构，包括衬底以及位于所述衬底之上的由多个相变存储单元组成的相变存储单元阵列，其特征在于，每个所述相变存储单元包括：一个二极管；位于所述二极管之上的加热电极；位于所述加热电极之上的可逆相变电阻；位于所述可逆相变电阻之上的顶电极；在所述加热电极和可逆相变电阻周围包裹有低ｋ介质绝热层；在所述可逆相变电阻与其周围的低ｋ介质绝热层之间设有防扩散介质层。
【技术特征摘要】
1.一种具有低k介质绝热材料的相变存储器结构，包括衬底以及位于所述衬底之上 的由多个相变存储单元组成的相变存储单元阵列，其特征在于，每个所述相变存储单元包 括一个二极管；位于所述二极管之上的加热电极；位于所述加热电极之上的可逆相变电阻；位于所述可逆相变电阻之上的顶电极；在所述加热电极和可逆相变电阻周围包裹有低k介质绝热层；在所述可逆相变电阻与其周围的低k介质绝热层之间设有防扩散介质层。2.根据权利要求1所述一种具有低k介质绝热材料的相变存储器结构，其特征在于 所述低k介质绝热层采用低k介质材料，所述低k介质材料包括低k的掺杂氧化物、低k 的有机聚合物和低k的多孔材料。3.根据权利要求2所述一种具有低k介质绝热材料的相变存储器结构，其特征在于 所述低k介质绝热层采用氟掺杂氧化硅、多孔碳掺杂氧化硅、旋涂有机聚合物介质、旋涂有 机硅基聚合物介质、多孔SiLK或多孔氧化硅材料。4.根据权利要求1所述一种具有低k介质绝热材料的相变存储器结构，其征在于所 述防扩散介质层采用SiN、SiON, Ta2O5, Al2O3或材料。5.一种具有低k介质绝热材料的相变存储器结构的制备方法，其特征在于，该方法包 括以下步骤(1)利用标准的CMOS工艺制备二极管阵列；(2)在二极管阵列上制备50nm-1000nm厚的第一低k介质绝热层；(3)在第一低k介质绝热层上分别形成多个直径为30-300nm的第一孔洞，每个第一孔 洞的底部与二极管阵列的每个二极管顶端相连；(4)在上述孔洞内填充加热电极材料，接着进行CMP工艺，除去表面多余的加热电极材 料，形成柱状加热电极阵列；(5)在柱状加热电极阵列上制备50nm-200...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋志棠，吴良才，封松林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。