一種相變存儲器選通管及其存儲單元的製作方法
2023-08-09 00:34:31
一種相變存儲器選通管及其存儲單元的製作方法
【專利摘要】相變存儲技術是具有優異性能的新一代存儲技術，它不受技術節點限制，其體積越小性能越優異，速度越快，功耗越低。本發明提出的相變存儲器器件單元由場效應管和基於硫系化合物材料的阻變元件構成，其中MoS2場效應管作為選通管，硫系化合物阻變元件實現信息存儲。MoS2是一種極薄的二維硫系化合物半導體材料，與通常的矽場效應管相比，MoS2場效應管體積更小，能耗極低，目前報導其功耗僅有矽材料的十萬分之一，室溫遷移率達到200cm2/Vs，室溫電流開關比達到108。將MoS2場效應管和硫系化合物阻變元件結合形成的相變存儲器器件單元，可實現低功耗、高速、高密度的相變存儲器。
【專利說明】一種相變存儲器選通管及其存儲單元
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於高速、低功耗、高密度相變存儲的新型器件單元。鑑於目前的現狀和Si半導體技術面臨的技術瓶頸問題，提出一種以MoS2場效應管作為選通管的相變存儲器器件單元。相變存儲器器件單元由一個基於納米MoS2材料的場效應管和基於硫系化合物材料的阻變元件構成，其中MoS2場效應管作為選通管，硫系化合物阻變元件實現信息存儲。將MoS2場效應管和硫系化合物阻變元件結合形成的相變存儲器器件單元，可實現低功耗、高速、高密度的相變存儲器。本發明屬於微電子學中新型器件與工藝領域。
【背景技術】
[0002]在目前的新型存儲技術中，基於硫系半導體材料的相變存儲器(chalcogenidebased PCRAM)具有成本低，速度快，存儲密度高，製造簡單且與當前的CMOS (互補金屬-氧化物-半導體)集成電路工藝兼容性好的突出優點，受到世界範圍的廣泛關注。此外，PCRAM具有抗輻照、耐高低溫、抗強振動、抗電子幹擾等性能，在國防和航空航天領域有重要的應用前景。自2003年起，國際半導體工業協會一直認為相變存儲器最有可能取代目前的SRAM(靜態隨機存取存儲器)、DRAM (動態隨機存取存儲器)和FLASH存儲器(閃速存儲器)等當今主流產品而成為未來存儲器主流產品的下一代半導體存儲器件。
[0003]目前國際上主要的電子和半導體公司都在致力於PCRAM的研製。主要研究單位有Ovonyx> Intel、Samsung、IBM、Bayer> ST Micron、AMD、Panasonic、Sony、Philips、BritishAreospace、Hitachi 和 Macronix 等。2007 年，Samsung 發表了 90nm, 512Mb PCRAM 晶片論文。2011年和2012年Samsung在ISSCC上相繼發表了容量IGb和8Gb的PCRAM實驗晶片，進一步提升了相變存儲器的存儲潛力。2011年12月，海力士(Hynix)在國際電子器件會議上(IEDM)上公布了 IGb的相變存儲器晶片。已有的研究表明PCRAM微縮到7nm時仍能實現高阻和低阻的轉換，因此選通管器件就成為PCRAM微縮到1nm甚至更小的主要技術瓶頸。典型的選通器件為電晶體(如FET或BJT)或兩端器件(如二極體)。目前，PCRAM按照選通器件的不同主要分為如下幾類:NM0SFET選通、BJT選通、二極體(D1de)等。MOSFET作為一種主流的半導體器件，由於其成熟的工藝技術和相對較低的成本，大多數企業採用標準MOSFET加相變電阻的結構。為獲得足夠大的驅動電流以保證所有存儲單元正常工作，每個存儲單元的選通管也必須足夠大，使得存儲單元面積增大，功耗增大的同時降低了存儲密度和集成度。
[0004]為了進一步提高相變存儲器的開關速度、集成度等性能，降低功耗，本發明提出一種非矽基材料作為選通管的相變存儲器件，也就是將MoS2場效應管作為相變存儲器的選通管。與通常的矽場效應管相比，MoS2場效應管體積更小，能耗極低，將MoS2場效應管作為相變存儲器的選通管有望實現低功耗、高速、高密度的相變存儲器。
【發明內容】
[0005]本發明提出一種以MoS2場效應管作為相變存儲器的選通管。相變存儲器器件單元由一個基於納米MoS2材料的場效應管和基於硫系化合物材料的阻變元件構成，其中MoS2場效應管作為選通管，硫系化合物阻變元件實現信息存儲。MoS2是一種極薄的二維硫系化合物半導體材料，可以製作出尺寸更小的器件。與通常的矽場效應管相比，MoS2場效應管體積更小，能耗極低，目前報導其功耗僅有矽材料的十萬分之一，室溫遷移率達到200cm2/Vs，室溫電流開關比達到108。將MoS2場效應管和硫系化合物阻變元件結合形成的相變存儲器器件單元，可實現低功耗、高速、高密度的相變存儲器。本發明的主要工藝步驟如下:
1.在石英等襯底上製備SiN等絕緣介質薄膜，薄膜厚度5(Tl50nm ；
2.在上述絕緣介質薄膜上製備MoS2薄膜，薄膜厚度5?100nm ；
3.利用電子束曝光和反應離子刻蝕法製備MoS2%效應管有源區；
4.在MoS2%效應管有源區左右兩端分別製備源、漏區；
5.沉積柵介質薄膜，薄膜厚度在5?15nm；
6.利用電子束曝光和反應離子刻蝕柵介質薄膜從而在MoS2場效應管有源區上製作出柵區；
7.沉積電極薄膜，電極材料可選用鎢、鈦、TiN、金、鑰、鎳等，厚度5(T200nm ；
8.利用電子束曝光和反應離子刻蝕電極薄膜在MoS2場效應管源、漏和柵區上分別製作出源、漏和柵極；
9.在源或漏極上製備Si02等介質薄膜，薄膜厚度5(Tl00nm ；
10.利用電子束曝光和反應離子刻蝕或者FIB原位形成納米介質孔洞，孔洞的深度50nm?100 nm,孔洞直徑20?1000 nm ；
11.利用磁控濺射、CVD或ALD等方法在孔洞中澱積相變材料；
12.在上述孔洞內填充相變材料後，利用電子束曝光和反應離子刻蝕或者FIB、CMP去除孔洞以外的相變材料；
13.或者在上述孔洞中填充加熱電極材料，孔洞填滿後，利用CMP拋除孔洞口以外的加熱電極材料，形成柱狀加熱電極；然後利用磁控濺射澱積相變材料、緩衝層；
14.利用CVD、ALD或高真空磁控濺射方法、電子束蒸發等方法在源或漏端澱積一層頂電極材料，厚度5(T200 nm；
15.利用光刻或溼法刻蝕形成本發明所述的以MoS2場效應管為選通管的相變存儲器器件單元的頂電極；
16.通過以上工藝步驟，即可製備出可測試的基於MoS2%效應管為選通管的相變存儲器器件單元；
17.將上述相變存儲器器件單元連接到電學測量系統中，即可進行相應的寫、擦、讀操作，研究其存儲特性、疲勞特性和其它電學特性等。
[0006]所述的用於製作MoS2場效應管的襯底材料不受限制，可以是任何單質或化合物半導體材料或介質材料。
[0007]所述的MoS2場效應管襯底上的絕緣介質薄膜不受限制，可以是任何單質或化合物及其氧化物、氮化物、碳化物等介質材料。
[0008]所述的MoS2場效應管的柵介質薄膜不受限制，可以是氧化物、氮化物等介質材料。
[0009]所述的下電極材料不受限制，不限於鋁、金、鑰、鎳和鈦等，可以是其它任何金屬材料或導電材料，其厚度為5(T200 nm。
[0010]所述的在源、漏上製備納米介質孔洞的介質材料種類不受限制，可以為常用的S12, SiNx材料，也可以是其它的介質材料。
[0011]所述的納米介質孔洞可以用聚焦離子束刻蝕法、電子束曝光和反應離子刻蝕法等任何微納加工方法獲得。
[0012]所述的加熱電極不受限制，可以為W等具有較高電阻率的金屬類材料及其摻雜後的材料，也可以為TiN等具有較聞電阻率的氣化物材料及其慘雜後的材料，從而進一步提高加熱效果，降低操作電流。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1 基於 MoS2 的 MOSFET 結構示意圖(1、MoS2 MOSFET)
圖2在MoS2 MOSFET的漏端(D端)製備介質層後的結構示意圖(1、MoS2 MOSFET ;2、介質層)
圖3在MoS2 MOSFET的D端介質層中製備納米加熱電極後的結構示意圖(1、MoS2MOSFET ;2、介質層；3、納米加熱電極)
圖4在納米加熱電極上製備相變材料層和緩衝層後的結構示意圖(1、MoS2 MOSFET ;2、介質層；3、納米加熱電極；4、相變材料層；5、緩衝層)
圖5在緩衝層上製備頂電極後的結構示意圖(1、MoS2 MOSFET ;2、介質層；3、納米加熱電極；4、相變材料層；5、緩衝層；6、頂電極)。
【具體實施方式】
[0014]下面通過具體實施例，進一步闡明本發明的實質性特點和顯著的進步，但本發明決非僅局限於所述的實施例。
[0015]實施例一:
1.利用光刻方法在MoS2襯底上製備出基於MoS2的MOSFET；
2.在MoS2MOSFET上製備50?300nm厚的S12介質層；
3.利用光刻方法在MoS2MOSFET的漏端(D端)製備出lOOnnTlOOOnm的直徑的S12介質層圖形；
4.利用電子束光刻和刻蝕技術在上述D端的S12介質層中製備出直徑50nnT500nm的孔洞，其底端與MoS2 MOSFET的D端相連；
5.利用ALD技術在上述孔洞中填充W，孔洞填滿後，利用CMP拋除孔洞口以外的W材料，形成柱狀W圖形；
6.利用磁控濺射澱積相變材料GeSbTe、緩衝層TiN，相變材料厚度在5(T200nm, TiN厚度為10?50 nm ；
7.利用光刻在MoS2MOSFET D端製備出GeSbTe/TiN圖形，直徑在60nnT600 nm ；
8.利用電子束蒸發製備頂電極薄膜，厚度在20(T300nm，通過光刻在MoS2MOSFET D端的GeSbTe/TiN上製備出頂電極，至此即完成基於MoS2 MOSFET作為開關的相變存儲單元的製備。
[0016]實施例二:
1.利用光刻方法在MoS2襯底上製備出基於MoS2的MOSFET ； 2.在MoS2MOSFET上製備50?300nm厚的Si02介質層；
3.利用光刻方法在MoS2MOSFET的漏端(D端)製備出lOOnnTlOOOnm直徑的Si02介質層圖形；
4.利用電子束光刻和刻蝕技術在上述D端的Si02介質層中製備出直徑50nnT500nm的孔洞，其底端與MoS2 MOSFET的D端相連；
5.利用ALD技術在上述孔洞中填充TiN，孔洞填滿後，利用CMP拋除孔洞口以外的TiN材料，形成柱狀TiN，利用TiN作為加熱電極可達到更好的加熱效果，同時可以改善加熱電極與相變材料的界面特性；
6.利用磁控濺射澱積相變材料GeSbTe、緩衝層TiN，相變材料厚度在5(T200nm, TiN厚度為10?50 nm ；
7.利用光刻在MoS2MOSFET D端製備出GeSbTe/TiN圖形，直徑在60ηπΓ600 nm ；
8.利用電子束蒸發製備頂電極薄膜，厚度在20(T300nm，通過光刻在MoS2MOSFET D端的GeSbTe/TiN上製備出頂電極。
[0017]實施例三:
1.利用光刻方法在MoS2襯底上製備出基於MoS2的MOSFET；
2.在MoS2MOSFET上製備50?300nm厚的Si02介質層；
3.利用光刻方法在MoS2MOSFET的漏端(D端)製備出lOOnm-lOOOnm的直徑的Si02介質層圖形；
4.利用電子束光刻和刻蝕技術在上述D端的Si02介質層中製備出直徑50nnT500nm的孔洞，其底端與MoS2 MOSFET的D端相連；
5.利用ALD技術在上述孔洞中填充W，孔洞填滿後，利用CMP拋除孔洞口以外的W材料，形成柱狀W圖形；
6.利用磁控濺射澱積相變材料TiSbTe、緩衝層TiN，相變材料厚度在5(T200nm, TiN厚度為1(T50 nm ;利用TiSbTe材料可以獲得更快的相變能力，同時所需功耗可以大大降低，從而取得更好的實施效果；
7.利用光刻在MoS2MOSFET D端製備出TiSbTe/TiN圖形，直徑在60ηπΓ600 nm ；
8.利用電子束蒸發製備頂電極薄膜，厚度在20(T300nm，通過光刻在MoS2MOSFET D端的GeSbTe/TiN上製備出頂電極，至此即完成基於MoS2 MOSFET作為開關的相變存儲單元的製備。
[0018]實施例四:
將實施例1-3中加熱電極更換為TiSiN、GeSiN等更高電阻率的材料，其它同實施例1-3，可以得到更好的加熱結果，這樣可以利用更小的電流或電壓驅動相變，從而降低器件操作功耗。
[0019]實施例五:
將實施例1-3中的Si02介質材料更換為SiN材料，其它同實施例1-3，可以得到更好的防氧化擴散效果，阻止相變材料的氧化和擴散，從而提高器件的可靠性。
【權利要求】
1.一種以MoS2場效應管為選通管的相變存儲器器件單元，其特徵在於: (a)場效應管是利用MoS2納米薄膜製備； (b)相變存儲器器件單元由一個基於MoS2的場效應管和基於硫系化合物材料的阻變元件構成； (c)MoS2場效應管作為選通管，硫系化合物阻變元件用作信息存儲； (d)MoS2是一種極薄的二維硫系化合物半導體材，其禁帶寬度Eg在1.(Γ2.0 eV之間，比無帶隙的二維石墨烯材料具有更大的優勢； (e)相變存儲器器件單元中硫系化合物阻變元件製作在MoS2場效應管的漏端或源端。
2.—種以MoS2場效應管為選通管的相變存儲器器件單元，其特徵在於:與通常的矽場效應管作為選通管的相變存儲器器件單元相比，以MoS2場效應管作為選通管的相變存儲器器件單元的體積更小，可實現高密度的相變存儲器，提高存儲容量。
3.—種以MoS2場效應管為選通管的相變存儲器器件單元，其特徵在於:與通常的矽場效應管作為選通管的相變存儲器器件單元相比，以MoS2場效應管作為選通管的相變存儲器器件單元的能耗極低，可實現極低功耗的相變存儲器。
4.一種以MoS2場效應管為選通管的相變存儲器器件單元，其特徵在於:相變存儲器器件單元的上、下電極不受限制，可以是任何金屬材料，如鋁、銅、鎢、鈦等導體材料。
5.一種以MoS2場效應管為選通管的相變存儲器器件單元，其特徵在於:相變存儲器器件單元的加熱電極為W等具有較高電阻率的金屬類材料，也可以通過摻雜形成更高電阻率，如SiW、Tiff, Geff等二元或多元合金材料，從而提高加熱效果，降低操作電流。
6.一種以MoS2場效應管為選通管的相變存儲器器件單元，其特徵在於:相變存儲器器件單元的加熱電極為TiN等具有較高電阻率的氮化物材料，也可以通過摻雜形成更高電阻率，如TiSiN、TiGeN、TiAIN等多元合金材料，從而提高加熱效果，降低操作電流。
7.—種以MoS2場效應管為選通管的相變存儲器器件單元，其特徵在於:採用TiN等氮化物材料可以改善硫系化合物阻變元件與加熱電極的電接觸性能，提高所述的以MoS2場效應管作為選通管的相變存儲器器件單元的可靠性。
8.—種以MoS2場效應管為選通管的相變存儲器器件單元，其特徵在於:器件單元用光學曝光、同時結合聚焦離子束、電子束曝光和反應離子刻蝕法等方法製備；MoS2薄膜採用化學氣相沉積、磁控濺射、原子層沉積、電子束蒸發等方法製備。
【文檔編號】H01L27/24GK104347800SQ201410472304
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】韓培高, 錢波, 吳良才, 宋志棠, 孟雲 申請人:曲阜師範大學