專利名稱：共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器及其制造方法，特別涉及一種共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器及其制造方法。
背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器技術(shù)是基于Ovshinsky在20世紀(jì)60年代末(Phys. Rev. Lett.，21， 1450 1453，1968) 70 年代初(Appl. Phys. Lett.，18，254 257，1971)提出的相變薄膜可 以應(yīng)用于相變存儲(chǔ)介質(zhì)的構(gòu)想建立起來的，是一種價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定的存儲(chǔ)器件。相變存 儲(chǔ)器可以做在硅晶片襯底上，其關(guān)鍵材料是可記錄的相變薄膜，而加熱電極材料、絕熱材料 和引出電極材料的研究熱點(diǎn)也就圍繞其器件工藝展開器件的物理機(jī)制研究，包括如何減 小器件料等。相變存儲(chǔ)器的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材料在 非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)時(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻，可以實(shí) 現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。相變存儲(chǔ)器由于具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非易失性、元件尺寸小、功耗低、 抗強(qiáng)震動(dòng)和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，被國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)認(rèn)為最有可能取代目前的閃存存儲(chǔ)器 而成為未來存儲(chǔ)器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件。在申請?zhí)枮?00810041393.5、 200510030637.6,200810034940.7,200610028107. 2,200810033601. 7,200710043924. X、 200410053752. 0,200310109372. X,200710044609. 9、及 200910045816. 5 的各中國專利中， 公開了多種相變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。相變存儲(chǔ)器的讀、寫、擦操作就是在器件單元上施加不同寬 度和高度的電壓或電流脈沖信號擦操作(RESET)，當(dāng)加一個(gè)短且強(qiáng)的脈沖信號使器件單 元中的相變材料溫度升高到熔化溫度以上后，再經(jīng)過快速冷卻從而實(shí)現(xiàn)相變材料多晶態(tài)到 非晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即“1”態(tài)到“0”態(tài)的轉(zhuǎn)換；寫操作(SET)，當(dāng)施加一個(gè)長且中等強(qiáng)度的脈沖 信號使相變材料溫度升到熔化溫度之下、結(jié)晶溫度之上后，并保持一段時(shí)間促使晶核生長， 從而實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)到多晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即“0”態(tài)到“ 1，，態(tài)的轉(zhuǎn)換；讀操作，當(dāng)加一個(gè)對相變材料 的狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生影響的很弱的脈沖信號后，通過測量器件單元的電阻值來讀取它的狀態(tài)。由于目前相變存儲(chǔ)器的制造方法較為繁瑣，不利于企業(yè)降低成本，因此，迫切需要 對現(xiàn)有相變存儲(chǔ)器制造方法的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器及其制造 方法。為了達(dá)到上述目的及其他目的，本發(fā)明提供的共用金屬層的肖特基二極管和相變 存儲(chǔ)器陣列制造方法，包括步驟1)在半導(dǎo)體襯底上，通過離子注入，形成具有重?fù)诫s層的 夾層結(jié)構(gòu)，其中，所述重?fù)诫s層為夾層；2)對所述夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻以形成分離的第一線 陣，其中，光刻的深度超過所述重?fù)诫s層；3)在所述第一線陣根部形成多個(gè)重?fù)诫s的區(qū)域， 以便電學(xué)隔離所述第一線陣包含的各線；4)在形成了重?fù)诫s區(qū)域的結(jié)構(gòu)上采用化學(xué)氣相沉積法沉積絕緣材料，并通過化學(xué)機(jī)械拋光法及平坦化操作使所述絕緣材料填充在所述第 一線陣中；5)對填充了絕緣材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離子注入，使處于表面的半導(dǎo)體材料輕度摻雜 形成輕度摻雜層；6)在所述輕度摻雜層上覆蓋半導(dǎo)體材料并用光刻工藝刻蝕出多個(gè)第一 窗口，其中，各第一窗口都處于所述輕度摻雜層上；7)在各第一窗口中填充能與所述輕度 摻雜層形成肖特基勢壘的金屬材料，以形成作為相變存儲(chǔ)器的各金屬電極；8)在具有金屬 電極的結(jié)構(gòu)上沉積僅具有一上電極的各相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，以使所述金屬電極成為各相變存 儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的下電極；以及9)在形成了相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)上沉積金屬層以形成第二線 陣。其中，所述各相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中包含能影響相變材料的過渡層；所述能影響相變 材料的過渡層所采用的材料可為能提高相變材料的結(jié)晶速率、降低相變材料熔點(diǎn)的加熱 材料、能提高熱效率的材料、和能提高加熱效率、降低操作電壓、抑制相變材料中Sb和Te向 底電極擴(kuò)散的材料，而所述加熱材料優(yōu)選為Zr02、Hf02, Ta205、或Ti02 ；所述能提高熱效 率的材料優(yōu)選為Pt、Ti、或TiN ；所述能降低操作電壓的材料優(yōu)選為LaNi03、LaSrCo03、 LaSrMn03、SrRu03、CaRu03、或 GeSiN。此外，所形成的各相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中的兩電極之間的層級結(jié)構(gòu)也可為申請?zhí)枮?200810041393.5,200510030637.6,200810034940. 7,200610028107. 2,200810033601. 7、 200710043924.X,200410053752. 0,200310109372. X,200710044609. 9、及 200910045816. 5
的各中國專利所公開的作為相變存儲(chǔ)器的兩電極之間的層級結(jié)構(gòu)中的一種。再有，所述半導(dǎo)體襯底材料優(yōu)選為硅，所述重?fù)诫s層優(yōu)選為摻磷η型重?fù)诫s層，所 述輕度摻雜層優(yōu)選為摻磷η型輕摻雜層。再有，填充在各第一窗口內(nèi)的金屬材料優(yōu)選為Al、Cu、Mo、Ni、W、Ti或Pt。本發(fā)明還提供一種共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列的結(jié)構(gòu)，即采用 上述方法所形成的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列共用金屬層的結(jié)構(gòu)。綜上所述，本發(fā)明的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器及其制造方法通過 這種肖特基二極管作為驅(qū)動(dòng)二極管和相變存儲(chǔ)器共用金屬的結(jié)構(gòu)，可以有較少的工藝步驟 制造了二極管和相變存儲(chǔ)器陣列，有效節(jié)省了光刻次數(shù)，通過采用特定的半導(dǎo)體，使得電極 金屬和半導(dǎo)體層之間形成穩(wěn)定的肖特基接觸。


圖1Α-1Ι為本發(fā)明共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法的實(shí) 施例1的工藝流程示意圖。圖2Α-2Ε為本發(fā)明共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法的實(shí) 施例2的工藝流程示意圖。圖3A-3G為本發(fā)明共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法的實(shí) 施例3的工藝流程示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，在本實(shí)施例中，絕緣材料采用氧化硅。
請參見圖1A-1I本發(fā)明的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方 法包括以下步驟1.在半導(dǎo)體襯底(例如本征硅襯底11)上，通過離子注入，形成具有重?fù)诫s層的 夾層結(jié)構(gòu)，其中，所述重?fù)诫s層為夾層，如圖IA所示。在本實(shí)施例中，所形成的重?fù)诫s層為 η型重?fù)诫s層12，摻雜原子種類為磷，其上為本征硅13(原屬于本征硅襯底11的一部分)。2.對所述夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻以形成分離的第一線陣，其中，光刻的深度超過所述 重?fù)诫s層12，如圖IB所示，所述第一線陣可作為字線或位線，其包含的各線通過淺溝道4分 隔開。3.在所述第一線陣根部形成多個(gè)重?fù)诫s的區(qū)域15，以便電學(xué)隔離所述第一線陣，使各線之間相互不導(dǎo)通，因此信號不受干擾，如圖IC所示。4.在形成了重?fù)诫s的結(jié)構(gòu)上采用化學(xué)氣相沉積法沉積絕緣材料，并通過化學(xué)機(jī)械 拋光法及平坦化操作使所述絕緣材料填充在所述第一線陣中，本實(shí)施例中，采用氧化硅作 為絕緣材料形成氧化硅層16，如圖ID所示。5.對填充了絕緣材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離子注入，使處于表面的半導(dǎo)體材料(即本征硅 13)輕度摻雜形成輕度摻雜層17，本實(shí)施例中離子注入的為磷原子，輕度摻雜，形成如圖IE 的結(jié)構(gòu)。6.在所述輕度摻雜層17上覆蓋半導(dǎo)體材料(如本征硅)并用光刻工藝刻蝕出多 個(gè)第一窗口，并在各第一窗口中填充能與所述輕度摻雜層形成肖特基勢壘的金屬材料，以 形成各金屬電極18，其中，各第一窗口都處于所述輕度摻雜層17上，如圖IF所示，所采用的 金屬材料為W，也可是Al、Cu、Mo、Ni、Ti或Pt等。7.在具有金屬電極18的結(jié)構(gòu)上沉積絕緣材料，并用光刻工藝刻蝕出多個(gè)第二窗 口 19，其中，各第二窗口分別處于相應(yīng)金屬電極上方，如圖IG所示，一個(gè)第一窗口上僅有一 個(gè)較寬的第二窗口。8.在各第二窗口 19內(nèi)依次沉積過渡性材料PtllO、相變材料GSTlll和金屬W 112 作為相變存儲(chǔ)器電極，如圖IH所示。需注意的是，相變材料也可是SiSbTe、SiSe、SiSb等材 料。9.在形成了相變存儲(chǔ)器電極的結(jié)構(gòu)上沉積Al金屬層113，以形成第二線陣，如圖 II所示。實(shí)施例2 請參見圖2A-2E，本發(fā)明的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方 法包括以下步驟1.按照實(shí)施例1中1-7步驟形成金屬電極21，氧化硅層22，如圖2A所示。2.用光刻工藝在氧化硅層22刻蝕出第二窗口 23，如圖2B所示，即一個(gè)第一窗口 上有兩個(gè)較窄的第二窗口。3.在第二窗口 23中沉積相變材料層24，并在相變材料層24上覆蓋金屬25，如圖 2C所示。4.刻蝕金屬25，形成相變存儲(chǔ)器電極26，并填充氧化硅27，如圖2D所示5.沉積金屬Cu28，形成第二線陣，如圖2E所示。實(shí)施例3
請參見圖3A-3G，本發(fā)明的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方 法包括以下步驟a)按照實(shí)施例1中1-5步驟形成金屬電極31，如圖3A。b)在形成了金屬電極31的結(jié)構(gòu)上沉積能影響相變材料的過渡層32 (如圖3B)，并 用光刻工藝刻蝕出多個(gè)過渡層窗口 33以形成相互隔離的過渡區(qū)域，并使每一金屬電極31 上都存在過渡區(qū)域(如圖3C)，再在各過渡層窗口 33中填充絕緣材料(如氧化硅)34 (如圖 3D)，所述過渡層所采用的材料可為能提高相變材料的結(jié)晶速率、降低相變材料熔點(diǎn)的加熱 材料、能提高熱效率的材料、或能提高加熱效率、降低操作電壓、抑制相變材料中Sb和Te向 底電極擴(kuò)散的材料等，其中，所述加熱材料可為&02、Hf02, Ta205、或Ti02等，所述能提高 熱效率的材料可為Pt、Ti、或TiN等；所述能降低操作電壓的材料可為LaNi03、LaSrCo03, LaSrMn03、SrRu03、CaRu03、或 GeSiN 等。c)在填充了絕緣材料的結(jié)構(gòu)上沉積相變材料，并刻蝕以形成多個(gè)相變材料區(qū)35， 其中，每一相變材料區(qū)35處于至少一個(gè)過渡區(qū)域之上、且該過渡區(qū)域位于一金屬電極上， 如圖3E，本實(shí)施例中，相變材料區(qū)35堆疊在兩個(gè)過渡區(qū)域上，其中一個(gè)過渡區(qū)域不處于金 屬電極上。d)在形成了相變材料區(qū)的結(jié)構(gòu)上沉積絕緣材料以便覆蓋所沉積的相變材料(如 圖3F)，并對其進(jìn)行刻蝕后填充金屬材料以形成相變存儲(chǔ)器的上電極36，如圖3G，每一上電 極也處于一過渡區(qū)域上，但該過渡區(qū)域不在金屬電極上。需要說明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可參照申請?zhí)枮?00810041393. 5、 200510030637.6,200810034940.7,200610028107.2,200810033601.7,200710043924.X、 200410053752. 0,200310109372. X,200710044609. 9、及 200910045816. 5 的各中國專利所
公開相變存儲(chǔ)器兩電極之間的層級結(jié)構(gòu)，對上述各實(shí)施例中形成相變存儲(chǔ)器的步驟進(jìn)行相 應(yīng)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器和肖特基二極管的金屬層共享。綜上所述，本發(fā)明的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法將作 為肖特基二極管的金屬層又作為相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的下電極，即可實(shí)現(xiàn)金屬層的共享，可以 有較少的工藝步驟制造了二極管和相變存儲(chǔ)器陣列，有效節(jié)省了光刻次數(shù)，通過采用特定 的半導(dǎo)體，使得電極金屬和半導(dǎo)體層之間形成穩(wěn)定的肖特基接觸。上述實(shí)施例僅列示性說明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉 此項(xiàng)技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修改。因此，本發(fā) 明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求
一種共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法，其特征在于包括步驟1)在半導(dǎo)體襯底上，通過離子注入，形成具有重?fù)诫s層的夾層結(jié)構(gòu)，其中，所述重?fù)诫s層為夾層；2)對所述夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻以形成分離的第一線陣，其中，光刻的深度超過所述重?fù)诫s層；3)在所述第一線陣根部形成多個(gè)重?fù)诫s的區(qū)域，以便電學(xué)隔離所述第一線陣包含的各線；4)在形成了重?fù)诫s區(qū)域的結(jié)構(gòu)上采用化學(xué)氣相沉積法沉積絕緣材料，并通過化學(xué)機(jī)械拋光法及平坦化操作使所述絕緣材料填充在所述第一線陣中；5)對填充了絕緣材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離子注入，使處于表面的半導(dǎo)體材料輕度摻雜形成輕度摻雜層；6)在所述輕度摻雜層上覆蓋半導(dǎo)體材料并用光刻工藝刻蝕出多個(gè)第一窗口，其中，各第一窗口都處于所述輕度摻雜層上；7)在各第一窗口中填充能與所述輕度摻雜層形成肖特基勢壘的金屬材料，以形成作為相變存儲(chǔ)器的各金屬電極；8)在具有金屬電極的結(jié)構(gòu)上沉積僅具有一電極的各相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，以使所述金屬電極成為各相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的另一電極；9)在形成了相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)上沉積金屬層以形成第二線陣。
2.如權(quán)利要求1所述的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法，其特 征在于所述各相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中包含能影響相變材料的過渡層。
3.如權(quán)利要求2所述的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法，其特 征在于所述能影響相變材料的過渡層所采用的材料包括能提高相變材料的結(jié)晶速率、 降低相變材料熔點(diǎn)的加熱材料、能提高熱效率的材料、和能提高加熱效率、降低操作電壓、 抑制相變材料中Sb和Te向底電極擴(kuò)散的材料。
4.如權(quán)利要求3所述的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法，其特 征在于所述加熱材料包括Zr02、Hf02, Ta205、及Ti02 ；所述能提高熱效率的材料包括 Pt、Ti、及TiN ；所述能降低操作電壓的材料包括LaNi03、LaSrCo03、LaSrMn03、SrRu03、 CaRu03、及 GeSiN。
5.如權(quán)利要求1所述的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方 法，其特征在于所形成的各相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中的兩電極之間的層級結(jié)構(gòu)為申請?zhí)枮?200810041393.5,200510030637.6,200810034940. 7,200610028107. 2,200810033601. 7、 200710043924.X,200410053752. 0,200310109372. X,200710044609. 9、及 200910045816. 5的各中國專利所公開的作為相變存儲(chǔ)器的兩電極之間的層級結(jié)構(gòu)中的一種。
6 如權(quán)利要求1所述的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法，其特 征在于所述半導(dǎo)體襯底材料為硅，所述重?fù)诫s層為摻磷η型重?fù)诫s層，所述輕度摻雜層為 摻磷η型輕摻雜層。
7.如權(quán)利要求1所述的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列制造方法，其特 征在于填充在各第一窗口內(nèi)的金屬材料是Al、Cu、Mo、Ni、W、Ti或Pt。
8. 一種共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列的結(jié)構(gòu)，其特征在于包括采用 權(quán)利要求1-7任意一種方法所形成肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器陣列共用金屬層的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供的共用金屬層的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)陣列的制造方法在制造形成肖特基二極管結(jié)構(gòu)后，以肖特基二極管的金屬層作為相變存儲(chǔ)器的下電極，在其金屬層上繼續(xù)沉積不具有下電極的相變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，由此實(shí)現(xiàn)肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器的金屬層共享，通過這種驅(qū)動(dòng)二極管和相變存儲(chǔ)器共用金屬層的結(jié)構(gòu)，可以有較少的工藝步驟制造了二極管和相變存儲(chǔ)器陣列，有效節(jié)省了光刻次數(shù)，提高器件穩(wěn)定性，通過采用特定的半導(dǎo)體，使得電極金屬和半導(dǎo)體層之間形成穩(wěn)定的肖特基接觸。作為本發(fā)明的一部分，還包括采用前述方法所形成的肖特基二極管和相變存儲(chǔ)器的共用金屬層的結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L45/00GK101826463SQ20101013816
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者凌云, 劉波, 宋志棠, 張挺, 李宜瑾, 龔岳峰 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所