[发明专利]高密度相变存储器的结构与制备的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种高密度相变存储器的结构与制备工艺，更确切地说涉及一种高密度相变存储芯片(PCRAM)电路、器件工艺与相变存储器单元器件结构。通过全新的三维电路设计方式、电路与器件优化设计、模拟技术、低温键合技术、离子注入技术、ALD(原子层淀积)与AVD(原子气相沉淀)的沉积技术、低K(介电常数)材料的制备技术与铜互联技术实现高密度、低压、低功耗与高速的PCRAM芯片，本发明属于微纳电子学技术领域。

背景技术

PCRAM(相变存储器)的基本概念最初是Ovshinsky在1968年提出的，它是基于相变材料的可逆相变，利用其非晶态时的半导体高阻特性与多晶态时的半金属低阻特性实现存储的技术。

新型相变材料与器件的制备工艺的发展经历了非常漫长的过程，在20世纪七、八十年代，由于受材料研究及器件加工水平的限制，原型器件的功耗与速度无法与常规半导体存储技术相比拟，不能实现与CMOS工艺和功能的集成，因此没有引起国际上的重点关注。自20世纪九十年代以来，相变材料及其光学可逆转变特性的研究取得重大突破，在相变光存储应用方面得到了飞速发展，可擦写HD-DVD相变光盘已实现产业化，取得了巨大的商业价值，现在的研发水平已达到100GB的容量。随着集成电路技术的发展，特别是光刻等微纳加工技术水平的迅速提高，利用纳米尺度相变材料的电阻特性实现非挥发的存储技术引起了工业界的重视。2001年，英特尔公布了容量为4Mb的PCRAM试验芯片，其性能表明，当器件特征尺寸进入纳米量级，PCRAM体现出比SRAM(静态随机存储器)、DRAM(动态随机存储器)和FLASH(闪存)等商用化存储技术以及FERAM(铁电存储器)和MRAM(磁电存储器)等新型存储技术更优越的综合存储性能，被认为是固态存储技术继FLASH后的重大突破，在国际上掀起了PCRAM存储技术的研究热潮。

自1999年之后，英特尔、Ovonyx和意法半导体公司先后组成PCRAM研发联盟。现已研发出基于90nm工艺的128Mb测试芯片，将提供客户试用，该存储器重复擦写次数超过亿次，数据保持能力达10年，将在今年年底进行批量生产。英特尔和意法半导体两家公司还进一步开展了PCRAM的标准化制定工作。

韩国三星公司凭借雄厚的财力，投入大量的研发人员，2001年紧跟英特尔之后发展PCRAM技术。2006年9月宣布制备出512Mb的PCRAM芯片样品，这是国际上目前报道的最大存储容量，其数据传输速度为266Mb/s、写入数据的最大传输速度为4.64Mb/秒、操作电压为1.8V。并计划于2008年将PCRAM芯片推向市场。

2005年5月IBM、英飞凌和旺宏公司宣布进行PCRAM的联合开发研究。2006年12月，IBM公开了一种基于GeSb新型相变材料的桥式结构存储单元，其RESET(复位)电流降至0.09mA，这是国际上报道的最好结果。

最近五年内，世界上各大公司雄厚的人力、物力与财力使PCRAM技术研究取得了一系列重大突破。在关键技术与基础研究方面，如纳米尺度相变材料的纳秒级可逆相变与导电特性、器件制备尺寸的物理极限探索以及新型相变材料研究等方面取得了较大进展。在NATURE、PHYS.REV.LETT.等国际著名杂志上发表一批重要论文，充分说明PCRAM在产业化进程中还有很多重要的基础问题亟待解决。

目前PCRAM所用的相变材料主要是Ge₂Sb₂Te₅(GST)，该材料已在可擦写相变光盘中得到广泛应用。但是，GST是否是基于电阻特性的低压、低功耗、高速、高密度PCRAM的最佳材料体系与组份，还需要大量的实验与数据积累。

针对高密度PCRAM，器件制备尺寸的物理极限的研究又是一个研究热点。IBM最新研发的PCRAM(存储单元尺寸为3nm×20nm)显示出了其替代计算机硬盘的潜力；英特尔的模拟结果认为其存储单元的尺寸可以小到φ5nm；韩国三星公司的研究结果显示φ10nm的相变颗粒也可实现存储。因此，基于电阻特性的PCRAM技术在高密度存储方面具有很大的发展空间。这些最小的存储单元与CMOS工艺的优化设计(从低压、低功耗、高速的角度，为实现存储过程读、写、擦的一致性与可靠性为目的，对高密度的存储阵列进行多层次的分割，实现合理的功耗分配)、高密度集成(在单位面积上存储单元的高密度，外围控制电路所占面积的缩小由为重要)。