[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗辐照高可靠的相变存储器器件单元及其制作方法，更确切地说涉及一种用于辐照等环境下的高可靠新型相变存储器。属于微电子学中特殊器件与工艺领域。

背景技术

在目前的各种存储技术中，基于硫系半导体材料的相变存储器(chalcogenide based RAM，C-RAM)具有成本低，速度快，存储密度高，制造简单，且具有与当前的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。此外，C-RAM具有抗辐照(抗总剂量的能力大于1Mrad(Si))、耐高低温(-55～125℃)、抗强振动、抗电子干扰等性能，在国防和航空航天领域有重要的应用前景。自2003年起，国际半导体工业协会一直认为相变存储器最有可能取代目前的SRAM(静态随机存取存储器)、DRAM(动态随机存取存储器)和FLASH存储器(闪速存储器)等当今主流产品而成为未来存储器主流产品的下一代半导体存储器件，最近美国空间理事会发表声明认为：C-RAM技术是高安全高可靠计算机芯片材料的突破，该存储技术的研究为战用计算机芯片提供前所未有的保障，该技术可能会引发计算机的一次革命性的变革。

目前国际上主要的电子和半导体公司都在致力于C-RAM的研制。主要研究单位有Ovonyx、Intel、Samsung、IBM、Bayer、ST Micron、AMD、Panasonic、Sony、Philips、British Areospace、Hitachi和Macronix等。2005年5月份，美国IBM、德国英飞凌科技、台湾旺宏电子(Macronix International)宣布联合研究开发相变存储器，派遣20～25名技术人员专门参与此项研究。3家公司分别提供各自擅长的技术进行研究，具体来说，就是将把IBM拥有的有关材料以及物理特性的基础研究能力，英飞凌拥有的各种内存产品的研究、开发和量产技术能力，以及旺宏电子的非挥发性内存技术能力集成到这项研究中。

虽然C-RAM存储单元本身具有抗辐照(抗总剂量的能力大于1Mrad(Si))、耐高低温(-55-125℃)、抗强振动、抗电子干扰等性能，但是由于通常的C-RAM外围电路和1T1R结构存储单元的T都是制备在普通单晶硅衬底上，不具有抗辐照的性能。本发明就是针对通常的C-RAM存在的可靠性问题，提出一种新的相变存储器结构，该相变存储器的存储单元一个可逆相变电阻和一个pn结构成1D1R结构。1D1R结构的存储单元本身具有抗辐照性能，SOI衬底上的外围控制电路也具有抗辐照性能，这样整个相变存储器芯片就具有抗辐照能力，在军工、国防和航空航天等辐照和电子干扰等领域具有很大的实际应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗辐照高可靠的相变存储器器件单元及其制作方法，提供的相变存储器用于高辐照等环境下，它是一种具有高速、低功耗、高擦写次数，尤其是具有很好的抗辐照性能的相变存储器结构。具体地说，所述的相变存储器的外围控制电路在具有能力的SOI衬底上形成，存储单元由一个可逆相变电阻和一个pn结(二极管，diode)构成，形成1D1R结构，不同于通常的1T1R结构的存储单元，其中pn结作为开关，代替通常的晶体管开关。所提供的高可靠的C-RAM克服了通常的C-RAM外围电路和1T1R结构存储单元的T(晶体管)都是制备在普通单晶硅衬底上而不具有抗辐照性能的缺点，在抗辐照等环境下的存储芯片领域具有很大的应用前景。

在辐照的条件下，虽然α粒子、γ射线的穿透能力很强，但因作用在相变材料中的时间很短，产生的热量不大，不会引起材料的结构发生变化，这对于基于结构变化的相变材料，其阻值不会发生变化。pn结也同样是基于材料结构的开关器件，同样在结构不发生变化的情况下性能不发生变化。

本发明的主要工艺步骤如下：

(1)在抗辐照加固的SOI衬底上，利用标准的CMOS工艺制备外围控制电路(包括逻辑电路、译码电路、写擦驱动电路和读出放大电路等)；

(2)在上述SOI衬底的相应区域，利用标准的CMOS工艺制备1D1R存储阵列的pn结，并且原位形成相变材料的孔洞，孔洞的深度50nm-150nm，孔洞直径100-300nm；

(3)利用CVD、原子层沉积(ALD)、高真空磁控溅射方法、电子束蒸发等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CMP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；