CN101587905B

CN101587905B - 一种相变纳米晶体管单元器件及其制作方法

Info

Publication number: CN101587905B
Application number: CN200810037819XA
Authority: CN
Inventors: 周伟民; 宋志棠; 钮晓鸣; 刘彦伯; 闵国全; 李小丽; 万永中; 张静; 封松林
Original assignee: SHANGHAI NANOTECHNOLOGY PROMOTION CENTER; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: SHANGHAI NANOTECHNOLOGY PROMOTION CENTER; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: CN101587905A

Abstract

本发明是关于纳米同轴环绕栅晶体管相变存储器单元器件及其纳米加工方法。其特征在于：与传统薄膜场效应晶体管(MOSFET)不同的是，在柱(线)状的相变材料周围沉积结缘层后再制作环绕栅，即为同轴环绕栅，作为晶体管的栅极，在柱(线)状相变材料的两端制作源极和漏极。这样的结构即为纳米同轴环绕栅相变存储器(Coaxial Surrounding Gate phase changememory---CSGPCM)。本发明的显著特点是采用纳米同轴环绕栅作为栅极，来调节相变材料沟道电流，实现相变存储和晶体管特性，极大地提高集成密度，从而实现了低压、低功耗的相变存储功能。

Description

一种相变纳米晶体管单元器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种相变晶体管器件单元及其制作方法，属于纳米制造和纳电子器件领域。

背景技术

相变存储器是基于Ovshinsky在20世纪60年代提出Ovshinsky电子效益的存储器，又称为CRAM。相变存储器是一个两端薄膜器件，薄膜材料主要使用的是硫系化合物Ge₂Sb₂Te₅(GST)，利用电能GST在晶态(低阻)和非晶态(高阻)之间相互转换实现数据的写入和擦除。但是由于制作工艺的限制，在最初的30多年内几乎没有发展，直到近些年随着半导体技术快速发展以及市场巨大的需求，CRAM技术才逐渐显示出来，并被认为是最有希望的下一代主要存储技术。然而，目前相变存储器还存在许多问题，离商业化还有一段距离，如最重要的问题是写电流(Ireset)过大。解决此问题主要有两方面：(1)对器件几何尺寸优化，减少GST相变材料与电极的接触面积；(2)对相变材料进行优化改性，设计出相变材料的最佳组份。Samsung公司在GST中掺N，明显提高了GST的电阻率，这样就降低了操作电流。采用GST薄膜CRAM的Reset电流为1.5mA，掺杂N后，电流降为0.6mA。耐久性能实验显示，经过2×10^-7次循环后，掺杂N的存储器的开关比大于10，而未掺杂的开关比仅为2[Horri，H，YiJH，Park J H，etc“A novel cell technology using N-doped GeSbTe film for phasechange RAM，”Symposium on VLSI technology，2003，177-178]。

纳米材料具有量子尺寸效应、小体积效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，这使得纳米体系材料的光、电、磁、热等物理性质与常规材料表现不同，出现许多新奇的特性。2005年Nature报道了Philips研究实验室用相变纳米线作为存储材料的存储结果。实验中用光刻工艺实现了Sb/Te相变材料纳米线，其纳米线周围被SiO₂包裹，具有低热导和低功耗和低电流。减少纳米线的长度(50nm)就减少了阈值电压(0.7V)，测试结果表明，其读写速度比Flash快100-200倍，期望可以代替动态RAM[Nature.Mater.(2005)4(4)，347]。

集成电路的基础是三极管和场效应晶体管(MOSFET)。随着下一代纳米器件的发展，出现了纳电子器件模型有：双栅FET，环绕栅FET和势垒FET等。其中环绕栅FET结构最优，可能成为纳电子主流模型，其器件沟道的长度更容易实现30nm以下甚至更小，具有低功耗和高密度集成特点。

中科院上海微系统研究所提出了一种相变薄膜场效益晶体管，用相变材料代替了场效应晶体管里的硅，实现了多级存储性能。[参见中国专利：申请号200610024614.9，公开号CN1845339A，公开日期2006年10月11号]。日本学者也提出了相变薄膜效益晶体管的概念。[Microelectronic Engineering 73-74(2004)736-740]。这为本发明提供了理论依据，即晶体管具有存储特性。经对现有的文献检索发现，至今还没有报道过纳米同轴环绕栅相变存储器。

发明内容

本发明提出了一种相变晶体管器件单元及其制作方法，与现有的半导体加工工艺兼容性良好、工艺简单、实现栅-源-漏自对准，提供芯片集成密度。真正实现相变存储器的高集成度、高速、低压低功耗以及大容量的特点。

本发明通过以下技术方案实现的，包含以下步骤：一种相变晶体管器件单元的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：步骤一，提供Si衬底，在Si衬底上制备下电极；步骤二，在所述下电极上制作柱状相变材料；步骤三，在所述柱状相变材料周围生长一层栅介质，再在所述栅介质周围包裹一层金属栅极；步骤四，在所述金属栅极上旋涂一层光刻胶，等离子刻蚀，光刻胶作为掩模来控制金属栅极长度，再用等离子刻蚀掉留下的光刻胶；步骤五，在所述金属栅极周围沉积SiO₂介质；步骤六，在所述SiO₂介质上沉积金属层作为上电极；步骤七，然后退火，引线，封装，形成相变晶体管器件单元。

在步骤二中，采用纳米压印方法或光学光刻方法，或电子束光刻方法，或催化生长相变纳米线阵列方法形成柱状相变材料。

在步骤三中，所述栅介质为SiO₂、Si₃N₄、ZrO₂、HfO₂、Al₂O₃、TiO₂、TiN中的一种，其厚度为10～100nm。

在步骤三中，所述金属栅极为Al或Ti。

在步骤四中，所述栅极长度为20～100nm。

所述上电极和下电极为W、Au、Ag、Cu、Al、或Ti，上电极和下电极厚度均为40～100nm，所述上电极和下电极的加工方法采用溅射，蒸发，或化学气相沉积法。

所述柱状相变材料为Ge-Te-Sb，或为Si-Ge-Te-Sb，或为Si-Te-Sb，或为GeN，或为GeSiN，或为GeTi。

所述柱状相变材料为圆柱状或为方块柱状相变材料。

本发明还提供了一种根据权利要求以上任意一项所述的制作方法制作的相变晶体管器件单元。

本发明又提供了一种根据以上制作的相变晶体管器件单元制作成的高密度集成的纳米同轴环绕栅阵列存储器。

本发明的显著结构特征是提出了一种纳米同轴环绕栅结构的相变存储器晶体管。这种存储器具有存储和晶体管的双重特性，提高集成密度，实现高密度的三维立体集成。很容易实现高密度、低成本、大容量和低功耗相变存储功能。

本发明也为阵列式同轴环绕栅存储器设计提供了思想。

附图说明

图1是纳米同轴环绕栅相变晶体管的示意图。

图2是在Si衬底上制备下电极的示意图。

图3是在下电极上制备相变材料的示意图。

图4是制作相变材料阵列的示意图。

图5是制作相变材料-栅介质-栅金属结构，形成同轴环绕栅结构的示意图。

图6是栅极长度的控制的示意图。

图7是去掉残留光刻胶，SiO2沉积，CMP工艺后的结构的示意图。

图8是上电极的制作的示意图。

图9是源极(下电极)、漏极(上电极)和栅极的引出，形成纳米同轴环绕栅相变存储器晶体管的示意图。

图2～9中符号说明：

1：Si衬底

2：下电极(源极)

3：相变材料

4：栅介质层(栅极)

5：栅金属

6：光刻胶

7：介质层

8：上电极(漏极)

具体实施方式

本发明提供一种相变晶体管器件单元的制作方法，其包含以下步骤：

1.在Si衬底上制备下电极(如图2)，采用常规的微电子技术制作薄膜电极，电极材料为W、Au、Ag、Cu、Al、Ti等中的一种，电极厚度为40～100nm。

2.在下电极上制作相变材料薄膜，相变薄膜材料为GST等系列(如图3)。

3.制作相变材料阵列，采用光学光刻和刻蚀方法或采用纳米压印技术(如图4)。

4.用CVD方法在相变材料周围生长一层栅介质，栅介质为SiO₂、Si₃N₄、ZrO₂、HfO₂、Al₂O₃、TiO₂、TiN中的一种，厚度为10～100nm；再用电子束蒸发方法在栅介质周围包裹一层金属层，金属为Al，Ti等常见的栅金属；厚度为20～50nm(如图5)。

5.在4所得的基础上用Spin-coating工艺一层光刻胶作为掩模，用化学方法或等离子刻蚀方法控制栅极的长度(如图6)。

6.用等离子刻蚀去掉光刻胶，生长SiO₂介质填充，用CMP工艺抛去多余的SiO2，(如图7)。相变材料以及栅金属包裹在SiO₂里面。

7.沉积金属层，作为上电极，采用常规的微电子技术制作薄膜电极，电极材料为W、Au、Ag、Cu、Al、Ti等中的一种，电极厚度为40～100nm(如图8)。

8.对以上形成的器件退火，引线，封装，形成相变晶体管器件单元(如图9)。

实施例1

一种纳米同轴环绕栅相变存储器晶体管单元的具体工艺如下：

1.在Si衬底1上用直流磁控溅射制备一层W下电极2，厚度为80nm(图2)。制备W电极2工艺参数为：腔室气压为2×10^-4Pa，Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为200W，衬底温度为25℃。

2.在W薄膜上直流磁控溅射GST相变材料3，工艺参数为：腔室气压为1×10^-5Pa，Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为30W，衬底温度为25℃，厚度为200nm。(图3)

3.用光学光刻和刻蚀工艺制作GST阵列3。(图4)刻蚀工艺参数为：CF₄气体，20sccm/20W/1min。

4.采用CVD方法在GST阵列3周围生长一层Si0₂栅介质4，工艺参数为：腔室气压为2×10^-4Pa，Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为100W，衬底温度为25℃，厚度为60nm。再用电子束蒸发的方法蒸发Al，包裹在栅介质周围即为栅极5，厚度为35nm。(图5)

5.以3000rmp/min旋涂聚酰亚胺6，350℃下固化30min，用标准的腐蚀Al工艺腐蚀掉未被聚酰亚胺包裹的Al层。(如图6)

6.用O₂刻蚀掉聚酰亚胺6。生长SiO₂介质7填充，工艺参数为：腔室气压为2×10^-4Pa，Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为100W，衬底温度为25℃。用CMP工艺抛去多余的SiO₂。(如图7)

7.用直流磁控溅射制备一层W上电极8，厚度为80nm(图8)。制备W电极工艺参数为：腔室气压为2×10^-4Pa，Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为200W，衬底温度为25℃。

8.在Ar气保护下退火，550℃/10min。

9.利用光刻和刻蚀工艺把上电极，下电极和栅极引出来，形成纳米同轴环绕栅相变晶体管单元(图9)。

实施例2

把实施例1中的W电极改为TiN，其余与实施例1中相似。

实施例3

对于把实施例1中的相变柱阵列材料的制备，采用纳米压印和刻蚀工艺制备。压印工艺为：EVG620，紫外曝光，500mbar300s。GST阵列的刻蚀工艺：CF₄气体，20sccm/20W/1min。其余与实施例1中相似。

Claims

1.一种相变晶体管器件单元的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括如下步骤：

步骤一，提供Si衬底，在Si衬底上制备下电极；

步骤二，在所述下电极上制作柱状相变材料；

步骤三，在所述柱状相变材料周围生长一层栅介质，再在所述栅介质周围包裹一层金属栅极；

步骤四，在所述金属栅极上旋涂一层光刻胶，等离子刻蚀，光刻胶作为掩模来控制金属栅极长度，再用等离子刻蚀掉留下的光刻胶；

步骤五，在所述金属栅极周围沉积SiO₂介质；

步骤六，在所述SiO₂介质上沉积金属层作为上电极；

步骤七，然后退火，引线，封装，形成相变晶体管器件单元。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在步骤二中，采用纳米压印方法或光学光刻方法，或电子束光刻方法，或催化生长相变纳米线阵列方法形成柱状相变材料。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在步骤三中，所述栅介质为SiO₂、Si₃N₄、ZrO₂、HfO₂、Al₂O₃、TiO₂、TiN中的一种，其厚度为10～100nm。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在步骤三中，所述金属栅极为Al或Ti。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在步骤四中，所述栅极长度为20～100nm。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述上电极和下电极为W、Au、Ag、Cu、Al、或Ti等，上电极和下电极厚度均为40～100nm，所述上电极和下电极的加工方法采用溅射，蒸发，或化学气相沉积法。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述柱状相变材料为Ge-Te-Sb，或为Si-Ge-Te-Sb，或为Si-Te-Sb，或为GeN，或为GeSiN，或为GeTi。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述柱状相变材料为圆柱状或为方块柱状相变材料。

9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的制作方法制作的相变晶体管器件单元。

10.一种根据权利要求9所述的相变晶体管器件单元制作成的高密度集成的纳米同轴环绕栅阵列存储器。