一種相變存儲(chǔ)器選通管及其存儲(chǔ)單元的制作方法
【專(zhuān)利摘要】相變存儲(chǔ)技術(shù)是具有優(yōu)異性能的新一代存儲(chǔ)技術(shù)，它不受技術(shù)節(jié)點(diǎn)限制，其體積越小性能越優(yōu)異，速度越快，功耗越低。本發(fā)明提出的相變存儲(chǔ)器器件單元由場(chǎng)效應(yīng)管和基于硫系化合物材料的阻變?cè)?gòu)成，其中MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管，硫系化合物阻變?cè)?shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)。MoS2是一種極薄的二維硫系化合物半導(dǎo)體材料，與通常的硅場(chǎng)效應(yīng)管相比，MoS2場(chǎng)效應(yīng)管體積更小，能耗極低，目前報(bào)道其功耗僅有硅材料的十萬(wàn)分之一，室溫遷移率達(dá)到200cm2/Vs，室溫電流開(kāi)關(guān)比達(dá)到108。將MoS2場(chǎng)效應(yīng)管和硫系化合物阻變?cè)Y(jié)合形成的相變存儲(chǔ)器器件單元，可實(shí)現(xiàn)低功耗、高速、高密度的相變存儲(chǔ)器。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種相變存儲(chǔ)器選通管及其存儲(chǔ)單元

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于高速、低功耗、高密度相變存儲(chǔ)的新型器件單元。鑒于目前的現(xiàn)狀和Si半導(dǎo)體技術(shù)面臨的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，提出一種以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元。相變存儲(chǔ)器器件單元由一個(gè)基于納米MoS2材料的場(chǎng)效應(yīng)管和基于硫系化合物材料的阻變?cè)?gòu)成，其中MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管，硫系化合物阻變?cè)?shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)。將MoS2場(chǎng)效應(yīng)管和硫系化合物阻變?cè)Y(jié)合形成的相變存儲(chǔ)器器件單元，可實(shí)現(xiàn)低功耗、高速、高密度的相變存儲(chǔ)器。本發(fā)明屬于微電子學(xué)中新型器件與工藝領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]在目前的新型存儲(chǔ)技術(shù)中，基于硫系半導(dǎo)體材料的相變存儲(chǔ)器(chalcogenidebased PCRAM)具有成本低，速度快，存儲(chǔ)密度高，制造簡(jiǎn)單且與當(dāng)前的CMOS (互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體)集成電路工藝兼容性好的突出優(yōu)點(diǎn)，受到世界范圍的廣泛關(guān)注。此外，PCRAM具有抗輻照、耐高低溫、抗強(qiáng)振動(dòng)、抗電子干擾等性能，在國(guó)防和航空航天領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。自2003年起，國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)一直認(rèn)為相變存儲(chǔ)器最有可能取代目前的SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、DRAM (動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)和FLASH存儲(chǔ)器(閃速存儲(chǔ)器)等當(dāng)今主流產(chǎn)品而成為未來(lái)存儲(chǔ)器主流產(chǎn)品的下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件。
[0003]目前國(guó)際上主要的電子和半導(dǎo)體公司都在致力于PCRAM的研制。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(fā)表了 90nm, 512Mb PCRAM 芯片論文。2011年和2012年Samsung在ISSCC上相繼發(fā)表了容量IGb和8Gb的PCRAM實(shí)驗(yàn)芯片，進(jìn)一步提升了相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)潛力。2011年12月，海力士(Hynix)在國(guó)際電子器件會(huì)議上(IEDM)上公布了 IGb的相變存儲(chǔ)器芯片。已有的研究表明PCRAM微縮到7nm時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)高阻和低阻的轉(zhuǎn)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(shù)瓶頸。典型的選通器件為晶體管(如FET或BJT)或兩端器件(如二極管)。目前，PCRAM按照選通器件的不同主要分為如下幾類(lèi):NM0SFET選通、BJT選通、二極管(D1de)等。MOSFET作為一種主流的半導(dǎo)體器件，由于其成熟的工藝技術(shù)和相對(duì)較低的成本，大多數(shù)企業(yè)采用標(biāo)準(zhǔn)MOSFET加相變電阻的結(jié)構(gòu)。為獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)電流以保證所有存儲(chǔ)單元正常工作，每個(gè)存儲(chǔ)單元的選通管也必須足夠大，使得存儲(chǔ)單元面積增大，功耗增大的同時(shí)降低了存儲(chǔ)密度和集成度。
[0004]為了進(jìn)一步提高相變存儲(chǔ)器的開(kāi)關(guān)速度、集成度等性能，降低功耗，本發(fā)明提出一種非硅基材料作為選通管的相變存儲(chǔ)器件，也就是將MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為相變存儲(chǔ)器的選通管。與通常的硅場(chǎng)效應(yīng)管相比，MoS2場(chǎng)效應(yīng)管體積更小，能耗極低，將MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為相變存儲(chǔ)器的選通管有望實(shí)現(xiàn)低功耗、高速、高密度的相變存儲(chǔ)器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為相變存儲(chǔ)器的選通管。相變存儲(chǔ)器器件單元由一個(gè)基于納米MoS2材料的場(chǎng)效應(yīng)管和基于硫系化合物材料的阻變?cè)?gòu)成，其中MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管，硫系化合物阻變?cè)?shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)。MoS2是一種極薄的二維硫系化合物半導(dǎo)體材料，可以制作出尺寸更小的器件。與通常的硅場(chǎng)效應(yīng)管相比，MoS2場(chǎng)效應(yīng)管體積更小，能耗極低，目前報(bào)道其功耗僅有硅材料的十萬(wàn)分之一，室溫遷移率達(dá)到200cm2/Vs，室溫電流開(kāi)關(guān)比達(dá)到108。將MoS2場(chǎng)效應(yīng)管和硫系化合物阻變?cè)Y(jié)合形成的相變存儲(chǔ)器器件單元，可實(shí)現(xiàn)低功耗、高速、高密度的相變存儲(chǔ)器。本發(fā)明的主要工藝步驟如下:
1.在石英等襯底上制備SiN等絕緣介質(zhì)薄膜，薄膜厚度5(Tl50nm ；
2.在上述絕緣介質(zhì)薄膜上制備MoS2薄膜，薄膜厚度5?100nm ；
3.利用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕法制備MoS2%效應(yīng)管有源區(qū)；
4.在MoS2%效應(yīng)管有源區(qū)左右兩端分別制備源、漏區(qū)；
5.沉積柵介質(zhì)薄膜，薄膜厚度在5?15nm；
6.利用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕柵介質(zhì)薄膜從而在MoS2場(chǎng)效應(yīng)管有源區(qū)上制作出柵區(qū)；
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(yīng)離子刻蝕電極薄膜在MoS2場(chǎng)效應(yīng)管源、漏和柵區(qū)上分別制作出源、漏和柵極；
9.在源或漏極上制備Si02等介質(zhì)薄膜，薄膜厚度5(Tl00nm ；
10.利用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕或者FIB原位形成納米介質(zhì)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等方法在孔洞中淀積相變材料；
12.在上述孔洞內(nèi)填充相變材料后，利用電子束曝光和反應(yīng)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，孔洞填滿后，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；然后利用磁控濺射淀積相變材料、緩沖層；
14.利用CVD、ALD或高真空磁控濺射方法、電子束蒸發(fā)等方法在源或漏端淀積一層頂電極材料，厚度5(T200 nm；
15.利用光刻或濕法刻蝕形成本發(fā)明所述的以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元的頂電極；
16.通過(guò)以上工藝步驟，即可制備出可測(cè)試的基于MoS2%效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元；
17.將上述相變存儲(chǔ)器器件單元連接到電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中，即可進(jìn)行相應(yīng)的寫(xiě)、擦、讀操作，研究其存儲(chǔ)特性、疲勞特性和其它電學(xué)特性等。
[0006]所述的用于制作MoS2場(chǎng)效應(yīng)管的襯底材料不受限制，可以是任何單質(zhì)或化合物半導(dǎo)體材料或介質(zhì)材料。
[0007]所述的MoS2場(chǎng)效應(yīng)管襯底上的絕緣介質(zhì)薄膜不受限制，可以是任何單質(zhì)或化合物及其氧化物、氮化物、碳化物等介質(zhì)材料。
[0008]所述的MoS2場(chǎng)效應(yīng)管的柵介質(zhì)薄膜不受限制，可以是氧化物、氮化物等介質(zhì)材料。
[0009]所述的下電極材料不受限制，不限于鋁、金、鑰、鎳和鈦等，可以是其它任何金屬材料或?qū)щ姴牧希浜穸葹?(T200 nm。
[0010]所述的在源、漏上制備納米介質(zhì)孔洞的介質(zhì)材料種類(lèi)不受限制，可以為常用的S12, SiNx材料，也可以是其它的介質(zhì)材料。
[0011]所述的納米介質(zhì)孔洞可以用聚焦離子束刻蝕法、電子束曝光和反應(yīng)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(lèi)材料及其摻雜后的材料，也可以為T(mén)iN等具有較聞電阻率的氣化物材料及其慘雜后的材料，從而進(jìn)一步提高加熱效果，降低操作電流。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1 基于 MoS2 的 MOSFET 結(jié)構(gòu)示意圖(1、MoS2 MOSFET)
圖2在MoS2 MOSFET的漏端(D端)制備介質(zhì)層后的結(jié)構(gòu)示意圖(1、MoS2 MOSFET ;2、介質(zhì)層)
圖3在MoS2 MOSFET的D端介質(zhì)層中制備納米加熱電極后的結(jié)構(gòu)示意圖(1、MoS2MOSFET ;2、介質(zhì)層；3、納米加熱電極)
圖4在納米加熱電極上制備相變材料層和緩沖層后的結(jié)構(gòu)示意圖(1、MoS2 MOSFET ;2、介質(zhì)層；3、納米加熱電極；4、相變材料層；5、緩沖層)
圖5在緩沖層上制備頂電極后的結(jié)構(gòu)示意圖(1、MoS2 MOSFET ;2、介質(zhì)層；3、納米加熱電極；4、相變材料層；5、緩沖層；6、頂電極)。

【具體實(shí)施方式】
[0014]下面通過(guò)具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，但本發(fā)明決非僅局限于所述的實(shí)施例。
[0015]實(shí)施例一:
1.利用光刻方法在MoS2襯底上制備出基于MoS2的MOSFET；
2.在MoS2MOSFET上制備50?300nm厚的S12介質(zhì)層；
3.利用光刻方法在MoS2MOSFET的漏端(D端)制備出lOOnnTlOOOnm的直徑的S12介質(zhì)層圖形；
4.利用電子束光刻和刻蝕技術(shù)在上述D端的S12介質(zhì)層中制備出直徑50nnT500nm的孔洞，其底端與MoS2 MOSFET的D端相連；
5.利用ALD技術(shù)在上述孔洞中填充W，孔洞填滿后，利用CMP拋除孔洞口以外的W材料，形成柱狀W圖形；
6.利用磁控濺射淀積相變材料GeSbTe、緩沖層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端制備出GeSbTe/TiN圖形，直徑在60nnT600 nm ；
8.利用電子束蒸發(fā)制備頂電極薄膜，厚度在20(T300nm，通過(guò)光刻在MoS2MOSFET D端的GeSbTe/TiN上制備出頂電極，至此即完成基于MoS2 MOSFET作為開(kāi)關(guān)的相變存儲(chǔ)單元的制備。
[0016]實(shí)施例二:
1.利用光刻方法在MoS2襯底上制備出基于MoS2的MOSFET ； 2.在MoS2MOSFET上制備50?300nm厚的Si02介質(zhì)層；
3.利用光刻方法在MoS2MOSFET的漏端(D端)制備出lOOnnTlOOOnm直徑的Si02介質(zhì)層圖形；
4.利用電子束光刻和刻蝕技術(shù)在上述D端的Si02介質(zhì)層中制備出直徑50nnT500nm的孔洞，其底端與MoS2 MOSFET的D端相連；
5.利用ALD技術(shù)在上述孔洞中填充TiN，孔洞填滿后，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(dá)到更好的加熱效果，同時(shí)可以改善加熱電極與相變材料的界面特性；
6.利用磁控濺射淀積相變材料GeSbTe、緩沖層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端制備出GeSbTe/TiN圖形，直徑在60ηπΓ600 nm ；
8.利用電子束蒸發(fā)制備頂電極薄膜，厚度在20(T300nm，通過(guò)光刻在MoS2MOSFET D端的GeSbTe/TiN上制備出頂電極。
[0017]實(shí)施例三:
1.利用光刻方法在MoS2襯底上制備出基于MoS2的MOSFET；
2.在MoS2MOSFET上制備50?300nm厚的Si02介質(zhì)層；
3.利用光刻方法在MoS2MOSFET的漏端(D端)制備出lOOnm-lOOOnm的直徑的Si02介質(zhì)層圖形；
4.利用電子束光刻和刻蝕技術(shù)在上述D端的Si02介質(zhì)層中制備出直徑50nnT500nm的孔洞，其底端與MoS2 MOSFET的D端相連；
5.利用ALD技術(shù)在上述孔洞中填充W，孔洞填滿后，利用CMP拋除孔洞口以外的W材料，形成柱狀W圖形；
6.利用磁控濺射淀積相變材料TiSbTe、緩沖層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(shí)所需功耗可以大大降低，從而取得更好的實(shí)施效果；
7.利用光刻在MoS2MOSFET D端制備出TiSbTe/TiN圖形，直徑在60ηπΓ600 nm ；
8.利用電子束蒸發(fā)制備頂電極薄膜，厚度在20(T300nm，通過(guò)光刻在MoS2MOSFET D端的GeSbTe/TiN上制備出頂電極，至此即完成基于MoS2 MOSFET作為開(kāi)關(guān)的相變存儲(chǔ)單元的制備。
[0018]實(shí)施例四:
將實(shí)施例1-3中加熱電極更換為T(mén)iSiN、GeSiN等更高電阻率的材料，其它同實(shí)施例1-3，可以得到更好的加熱結(jié)果，這樣可以利用更小的電流或電壓驅(qū)動(dòng)相變，從而降低器件操作功耗。
[0019]實(shí)施例五:
將實(shí)施例1-3中的Si02介質(zhì)材料更換為SiN材料，其它同實(shí)施例1-3，可以得到更好的防氧化擴(kuò)散效果，阻止相變材料的氧化和擴(kuò)散，從而提高器件的可靠性。
【權(quán)利要求】
1.一種以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元，其特征在于: (a)場(chǎng)效應(yīng)管是利用MoS2納米薄膜制備； (b)相變存儲(chǔ)器器件單元由一個(gè)基于MoS2的場(chǎng)效應(yīng)管和基于硫系化合物材料的阻變?cè)?gòu)成； (c)MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管，硫系化合物阻變?cè)米餍畔⒋鎯?chǔ)； (d)MoS2是一種極薄的二維硫系化合物半導(dǎo)體材，其禁帶寬度Eg在1.(Γ2.0 eV之間，比無(wú)帶隙的二維石墨烯材料具有更大的優(yōu)勢(shì)； (e)相變存儲(chǔ)器器件單元中硫系化合物阻變?cè)谱髟贛oS2場(chǎng)效應(yīng)管的漏端或源端。
2.—種以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元，其特征在于:與通常的硅場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元相比，以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元的體積更小，可實(shí)現(xiàn)高密度的相變存儲(chǔ)器，提高存儲(chǔ)容量。
3.—種以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元，其特征在于:與通常的硅場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元相比，以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元的能耗極低，可實(shí)現(xiàn)極低功耗的相變存儲(chǔ)器。
4.一種以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元，其特征在于:相變存儲(chǔ)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(dǎo)體材料。
5.一種以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元，其特征在于:相變存儲(chǔ)器器件單元的加熱電極為W等具有較高電阻率的金屬類(lèi)材料，也可以通過(guò)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(chǎng)效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元，其特征在于:相變存儲(chǔ)器器件單元的加熱電極為T(mén)iN等具有較高電阻率的氮化物材料，也可以通過(guò)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(chǎng)效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元，其特征在于:采用TiN等氮化物材料可以改善硫系化合物阻變?cè)c加熱電極的電接觸性能，提高所述的以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管作為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元的可靠性。
8.—種以MoS2場(chǎng)效應(yīng)管為選通管的相變存儲(chǔ)器器件單元，其特征在于:器件單元用光學(xué)曝光、同時(shí)結(jié)合聚焦離子束、電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕法等方法制備；MoS2薄膜采用化學(xué)氣相沉積、磁控濺射、原子層沉積、電子束蒸發(fā)等方法制備。
【文檔編號(hào)】H01L27/24GK104347800SQ201410472304
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】韓培高, 錢(qián)波, 吳良才, 宋志棠, 孟云 申請(qǐng)人:曲阜師范大學(xué)