[发明专利]一种抗辐照高可靠的相变存储器器件单元及其制作方法

权利要求书

1.一种抗辐照高可靠相变存储器器件单元，其特征在于：

(a)存储单元由一个可逆相变电阻和一个pn结二极管组成，形成IDIR结构；可逆相变电阻作为信息存储介质，pn结作为开关；

(b)每个IDIR结构的pn结和可逆相变电阻纵向排列，pn结在下，可逆相变电阻在上，IDIR结构周围是介质材料；

(c)相变存储器器件单元构成存储阵列和外围电路制作在抗辐照加固的衬底材料上，由尺寸小的IDIR结构存储单元组成的相变存储器阵列位于衬底材料的相应区域。

2.按权利要求1所述的抗辐照高可靠相变存储器器件单元，其特征在于所述抗辐照的衬底材料为绝缘层上硅、绝缘层上锗硅或绝缘层上锗。

3.按权利要求1所述的抗辐照高可靠相变存储器器件单元，其特征在于所述的存储阵列各单元之间的IDIR结构由介质材料隔开。

4.按权利要求3所述的抗辐照高可靠相变存储器器件单元，其特征在于隔开的介质材料为SiO₂、SiN_x、Al₂O₃和HfO₂中的任一种；厚度为100nm-500nm。

5.按权利要求1所述的抗辐照高可靠相变存储器器件单元，其特征在于在pn结和可逆相变电阻之间加有一层Ta₂O₅、Al₂O₃或ZrO₂介质材料层。

6.制作如权利要求1所述的抗辐照高可靠相变存储器器件单元的方法，其特征在于制作步骤是：

(1)在抗辐照加固的衬底材料上，利用标准的CMOS工艺制备外围控制电路，所述的外围控制电路包括控制逻辑电路、译码电路、写擦驱动电路和读出放大电路；

(2)步骤1制作有外围控制电路的衬底材料的相应区域，利用标准的CMOS工艺制备1D1R存储阵列的pn结，并且原位形成纳米级相变材料的孔洞，孔洞的深度50nm-150nm，孔洞直径100-300nm；孔洞的底部与pn结上端相连；

(3)利用化学气相沉积、原子层沉积、高真空磁控溅射方法或电子束蒸发方法在孔洞中淀积一层电极材料，与pn结的顶端相连；

(4)利用化学机械抛光方法将表面抛平，去掉表面的金属材料，形成柱状的金属电极阵列，作为相变单元的底电极；

(5)在底电极上溅射生长10nm-80nm厚的SiO₂、SiN_x、Al₂O₃和HfO₂介质层；

(6)在步骤5制作的介质层上相变单元底电极的相应位置，刻蚀制备50-250nm的孔洞，孔洞的底部与底电极顶端相连；

(7)利用磁控溅射技术在上述孔洞内填充W、TiN等加热电极材料，直至孔洞填满，接着进行CMP，除去表面的加热电极材料，形成柱状加热电极阵列；

(8)在柱状加热电极上溅射生长50nm-200nm厚的SiO₂或SiN_x介质层；

(9)在SiO₂或SiN_x介质层上柱状加热电极的相应位置，刻蚀制备50-200nm的孔洞，孔洞的底部与柱状加热电极顶端相连；

(10)利用磁控溅射方法在上述孔洞内填充加热相变材料；

(11)抛除孔洞以外区域的相变材料，形成柱状可逆相变材料阵列；

(12)利用化学相沉积、原子层沉积、高真空磁控溅射方法或电子束蒸发方法在柱状相变材料阵列上淀积一层顶电极材料；

(13)进行湿法刻蚀，从而得到抗辐照加固的衬底上的1D1R结构的相变存储器器件单元；

(14)将该相变存储器器件单元连接到电学测量系统中，进行相变存储器器件单元的写、擦、读操作；

(15)1D1R存储阵列加上逻辑、译码、写擦驱动和读出放大等外围电路，构成基于抗辐加固的照衬底和1D1R结构存储阵列的具有抗辐照的可靠相变存储器芯片。

7.按权利要求6所述的抗辐照高可靠相变存储器器件单元的制作方法，其特征在于所述的底电极为铝或铜，厚度为200-400nm。