CN103915566A - 基于相变量子点的存储器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于相变量子点的存储器件及其制备方法，其中基于相变量子点的存储器件包括半导体衬底、隧穿层、相变量子点薄膜层、阻挡层、第一电极以及第二电极。隧穿层设置于半导体衬底。相变量子点薄膜层设置于隧穿层，相变量子点薄膜层包括相变量子点，相变量子点可通过俘获隧穿电荷以及晶态和非晶态间的可逆转变来实现信息存储。阻挡层设置于所述相变量子点薄膜层，阻挡层可阻挡相变量子点俘获的电荷进入第一电极。第一电极给阻挡层供电。第二电极给半导体衬底供电。

Description

基于相变量子点的存储器件及其制备方法

背景技术

近年来消费型电子市场的快速发展，作为半导体和信息产业重要组成部分的存储器的市场越来越大。目前市场上主流的存储器是动态随机存储器和闪速存储器。动态随机存储器虽然具有高容量低成本的优点，但是动态随机存储器在供电电源关闭后数据不能保存，这样就限制了动态随机存储器的应用范围。此外，动态随机存储器的特征尺寸缩小到接近45纳米后对材料的要求很高，需采用介电常数大于700的超高介电常数的材料才能保持足够高的电容量。闪速存储器虽然是一种非易失性的存储技术，但是闪速存储器也存在功耗大、抗辐照能力差、循环寿命短、面临尺寸缩小的限制等缺点。

随着半导体信息技术的飞速发展，以纳米晶浮栅存储器和相变存储器为代表的具有低压、低功耗、高速、循环寿命长等优异性能的新型存储器受到产业界的广泛关注。纳米晶浮栅存储器以介质中的纳米晶或纳米点作为电荷存储单元，而相变存储器是利用相变材料所具有的非晶态与晶态相变特性实现信息存储的一种新型存储器。但这两种存储器只能单一的通过电荷存储或相变存储来实现信息存储，存储状态简单。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存储状态单一的问题，提供一种基于相变量子点的存储器件及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明供一种基于相变量子点的存储器件，包括半导体衬底、隧穿层、相变量子点薄膜层、阻挡层、第一电极以及第二电极。隧穿层设置于半导体衬底。相变量子点薄膜层设置于隧穿层，相变量子点薄膜层包括相变量子点，相变量子点在不同的外部能量下具有晶态和非晶态两种状态，且晶态和非晶态间的变化是可逆变的，相变量子点通过俘获隧穿电荷以及晶态的转变来实现信息存储。阻挡层设置于相变量子点薄膜层，阻挡层可阻挡相变量子点俘获的电荷进入第一电极。第一电极给阻挡层供电。第二电极给半导体衬底供电。

于本发明一实施例中，相变量子点薄膜层由GeTe组成，且厚度为3～10纳米。

于本发明一实施例中，隧穿层为二氧化硅，且隧穿层的厚度为1～3纳米。

于本发明一实施例中，阻挡层为具有物理厚度大等效厚度小的高介电常数材料，且所述阻挡层厚度为15～50纳米。

于本发明一实施例中，半导体衬底的材料为硅、锗或绝缘体上硅中的任一种。

于本发明一实施例中，半导体衬底的导电类型为P型或N型。

相应的，本发明还提供一种基于相变量子点的存储器件的制备方法，包括选取半导体衬底，并对半导体衬底进行清洗。在半导体衬底上形成隧穿层。在隧穿层上形成相变量子点薄膜层。对相变量子点薄膜层、位于相变量子点薄膜层下的隧穿层以及位于隧穿层下的半导体衬底进行退火，使相变量子点薄膜层具有相变量子点。在已形成相变量子点的相变量子点薄膜层上形成阻挡层。形成给阻挡层供电的第一电极以及给半导体衬底供电的第二电极。

于本发明一实施例中，采用氧化法或淀积法形成隧穿层。

于本发明一实施例中，采用合金靶溅射法、共溅射法、原子层沉积法、化学气相沉积法或蒸发法中的任一种形成相变量子点薄膜层。

于本发明一实施例中，采用原子层沉积方法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、磁控溅射法或电子束蒸发法中的任一种形成阻挡层。

综上所述，与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：通过在半导体衬底上设置隧穿层，并在隧穿层上设置相变量子点薄膜层，半导体衬底中的电荷受外电压的影响可发生隧穿效应穿过隧穿层进入相变量子点薄膜层，相变量子点薄膜层内的相变量子点可俘获隧穿电荷并对俘获的电荷进行存储，实现数据的写入。相同的，相变量子点俘获的电荷亦可受外电压的影响发生隧穿效应从而穿过隧穿层进入半导体衬底，实现数据的擦除。此外，相变量子点还可根据外电压的不同在晶态和非晶态间发生可重复性的相变转换，晶态和非晶态具有不同的电阻率，因而可分别代表不同的存储状态，从而实现相变存储。结合电荷存储，本发明在非晶态具有两个存储状态，在晶态下也有两个存储状态，实现多态存储。通过设置阻挡层，其可提高相变量子点薄膜层内的电荷存储量，并阻挡相变量子点薄膜层俘获的电荷进入第一电极，提高信息存储准确性。通过设置第一电极和第二电极，外加电压通过第一电极和第二电极作用于半导体衬底、隧穿层、相变量子点薄膜层以及阻挡层。

通过设置隧穿层的厚度为1～3纳米，厚度超薄的隧穿层有利于电荷的隧穿，从而实现数据的快速写入和擦除。通过设置物理厚度大等效厚度小的高介电常数材料为阻挡层，其可大大增加电荷的存储量，同时可减少电荷泄露，提高信息存储可靠性。采用GeTe作为相变薄膜材料，其不但具有电荷存储以及相变存储的功能，且其具有良好的热稳定性以及数据存储能力。采用氧化法或淀积法形成所述隧穿层，制备方法简单且厚度均匀可控。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明一实施例提供的基于相变量子点的存储器件的剖面结构图。

图2所示为本发明一实施例提供的基于相变量子点的存储器件制备方法流程图。

图3所示为本发明一实施例提供的基于相变量子点的存储器件制备方法的工艺示意图。

具体实施方式

图1所示为本发明一实施例提供的基于相变量子点的存储器件的剖面结构图。图2所示为本发明一实施例提供的基于相变量子点的存储器件制备方法流程图。图3所示为本发明一实施例提供的基于相变量子点的存储器件制备方法的工艺示意图。请一并参阅图1至图3。

本发明提供的基于相变量子点的存储器件包括半导体衬底1、隧穿层2、相变量子点薄膜层3、阻挡层4、第一电极5以及第二电极6。隧穿层2设置于半导体衬底1。相变量子点薄膜层3设置于隧穿层2，相变量子点薄膜层3经退火后形成相变量子点31，相变量子点31在不同的外部能量下具有晶态和非晶态两种状态，且晶态和非晶态间的变化是可逆变的。而晶态和非晶态具有不同的电阻率，因而相变量子点31通过俘获隧穿电荷以及晶态的转变来实现信息存储。

阻挡层4设置于相变量子点薄膜层3，阻挡层4阻挡相变量子点31俘获到的电荷进入第一电极5，提高信息存储准确性。同时还可提高相变量子点薄膜层3内的电荷存储量。第一电极5给阻挡层4供电，第二电极6给半导体衬底1供电。于本实施例中，第一电极5设置于阻挡层4，第二电极6设置于与隧穿层2相对的半导体衬底1的一侧。然而，本发明对此不作任何限定。

当在第一电极5和第二电极6间加外电压，受外电压的影响，半导体衬底1内的电荷发生隧穿效应穿过隧穿层2进入相变量子点薄膜层3。相变量子点薄膜层3中的相变量子点31俘获隧穿电荷，实现数据的写入。相同的，当外电压发生变化，相变量子点31俘获的电荷亦会受外电压的影响穿过隧穿层2进入半导体衬底1内，实现数据的擦除。

此外，在第一电极5和第二电极6间所加的外电压，还可对相变量子点31产生加热电流，使其温度增加。当温度超过相变量子点31的熔点温度时，相变量子点31进入非晶态，非晶态下的相变量子点31具有较高的电阻率。调整外电压的大小使得相变量子点31的温度高于再结晶温度低于熔点温度时，相变量子点31进入晶态，晶态下的相变量子点31具有较低的电阻率。

即通过改变外加电压的大小，可使相变量子点31处于非晶态或晶态，非晶态和晶态具有不同的电阻率，因而可分别代表不同的存储状态，从而实现相变存储。结合电荷存储，当相变量子点31处于非晶态时，相变量子点31可通过俘获或释放电荷从而实现两个存储状态。同理，当相变量子点31处于晶态时亦存在两个存储状态。然而，本发明对施加在相变量子点31上的外部能量的形式不作任何限定。于其它实施例中，可采用激光脉冲来对相变量子点31施加外部能量，从而使得相变量子点31在晶态和非晶态间做可逆转变。

本发明提供的基于相变量子点的存储器集电荷存储和相变存储为一体。相变量子点31不但能够通过电荷的写入、擦除操作实现信息存储功能，而且能够利用相变量子点31的晶态、非晶态两个不同的状态具有不同的电阻率来实现存储。因而相对于单一的半导体或金属量子点只能实现电荷存储而言，相变量子点可以获得多个不同的存储态，可以实现多态存储功能。

于本实施例中，半导体衬底1的材料为硅，半导体衬底1的导电类型为N型。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，半导体衬底1的导电类型可为P型，半导体衬底1的材料也可为锗或绝缘体上硅。

由于电荷穿过隧穿层2的时间与隧穿层2的厚度成反比；而数据的保持性能是与隧穿层2的厚度成正比。因此，本发明中设置隧穿层2的厚度可为1～3纳米。于本实施例中，优选的，设置隧穿层2的厚度为3纳米。该厚度的隧穿层2可在数据的读写以及保持性能方面得到最好的折中。然而，本发明对此不作任何限定。隧穿层2的厚度可为1～3纳米中的任一值。此外，由于二氧化硅与硅半导体衬底具有良好的晶格匹配性以及兼容性，因此，设置隧穿层2的材料可为二氧化硅。

于本实施例中，相变量子点薄膜层3由GeTe相变材料薄膜组成，相比传统的GeSbTe相变材料，GeTe具有良好的热稳定性以及数据存储能力。相变量子点薄膜层3的厚度为5纳米。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，相变量子点薄膜层3的厚度可为3～10纳米中的任一值。

阻挡层4为具有物理厚度大等效厚度小的高介电常数材料，所述的高介电常数材料是指介电常数大于二氧化硅（介电常数等于3.9）的介电材料，可为TiO₂、HfO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅、SiN_x中的任一种。于本实施例中，阻挡层4的材料为Al₂O₃薄膜，其介电常数为7。阻挡层4的厚度为30纳米。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，阻挡层4的厚度可为15～50纳米中的任一值，且形成阻挡层4的材料也可为TiO₂、HfO₂、Ta₂O₅或SiN_x。

本发明提供的基于相变量子点的存储器件的制备方法包括以下步骤：

步骤S1，选取半导体衬底1，并对半导体衬底1进行清洗。

步骤S2，在半导体衬底1上形成隧穿层2。

步骤S3，在隧穿层2上形成相变量子点薄膜层3。

步骤S4，对相变量子点薄膜层3、位于相变量子点薄膜层3下的隧穿层2以及位于隧穿层2下的半导体衬底1进行退火，使得相变量子点薄膜层3上形成相变量子点31。

步骤S5，在形成相变量子点的相变量子点薄膜层3上形成阻挡层4。

步骤S6，形成给阻挡层4供电的第一电极5以及给半导体衬底1供电的第二电极6。于本实施例中，在阻挡层4上形成第一电极5并在与隧穿层2相对的半导体衬底1的一侧形成第二电极6。

以下结合附图对以上步骤做进一步详细说明。

参考图2和图3，执行步骤S1，选取半导体衬底1，并对半导体衬底1进行清洗。半导体衬底1的材料可为硅、锗或绝缘体上硅，导电类型可为N型或P型。本实施例中选取N型硅为半导体衬底1。然而，本发明对此不做任何限定。采用由氨水、过氧化氢以及去离子水组成的SC1清洗液以及由盐酸、过氧化氢以及去离子水组成的SC2清洗液对半导体衬底1进行清洗。其中SC1可去除粒子污染，SC2可去除金属污染。

执行步骤S2，在半导体衬底1上形成隧穿层2。隧穿层2可采用氧化法或淀积法形成。氧化法可为热氧化、等离子体氧化或化学氧化中的任一种。淀积法可为原子层沉积法或化学气相沉积法。本实施例中，采用热氧化法在半导体衬底1上生长厚度为3纳米的二氧化硅薄膜作为隧穿层2。热氧化法工艺简单、厚度可控且形成的二氧化硅薄膜均匀性好。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可采用等离子体氧化或化学氧化中的任一种形成厚度在1～3纳米中的任一值的隧穿层2。

执行步骤S3，在隧穿层2上形成相变量子点薄膜层3。相变量子点薄膜层3可采用合金靶溅射法、共溅射法、原子层沉积法、化学气相沉积法或蒸发法中的任一种形成。本实施例中，通过磁控溅射GeTe合金靶在隧穿层2上沉积厚度为5纳米的GeTe相变材料薄膜作为相变量子点薄膜层3。然而，本发明对此不作任何限定，于其它实施例中，相变量子点薄膜层3的厚度可为3～10纳米内的任一值，且形成方法也可为共溅射法、原子层沉积法、化学气相沉积法或蒸发法中的任一种。

执行步骤S4，对相变量子点薄膜层3、位于相变量子点薄膜层3下的隧穿层2以及位于隧穿层2下的半导体衬底1进行退火，使得相变量子点薄膜层3形成相变量子点31。本实施例中，退火温度为200摄氏度，退火时间为1分钟。

执行步骤S5，在相变量子点薄膜层3上形成阻挡层4。阻挡层4可采用原子层沉积方法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、磁控溅射法或蒸发法中的任一种形成。本实施例中，采用蒸发法在相变量子点薄膜层3上沉积厚度为30纳米Al₃O₂作为阻挡层4。

执行步骤S6，在阻挡层4上形成第一电极5并在与隧穿层2相对的半导体衬底1的一侧形成第二电极6。第二电极5和第一电极6的材料可为镍、铝、银、钛以及多晶硅中的一种或其组合。本实施例中，第一电极5和第二电极6的材料相同均为铝。在阻挡层4上以及与隧穿层2相对的半导体衬底1的一侧同时形成铝薄膜。与隧穿层2相对的半导体衬底1的一侧的铝薄膜则为第二电极6。而阻挡层4上的铝薄膜经掩膜、曝光、蚀刻后形成第一电极5。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中第一电极5和第二电极6的材料可不同。

综上所述，与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：通过在半导体衬底1上设置隧穿层2，并在隧穿层2上设置相变量子点薄膜层3，半导体衬底1中的电荷受外电压的影响可发生隧穿效应穿过隧穿层2进入相变量子点薄膜层3。相变量子点薄膜层3内的相变量子点31可俘获隧穿电荷并对俘获的电荷进行存储，实现数据的写入。相同的，相变量子点俘获的电荷亦可受外电压的影响发生隧穿效应从而穿过隧穿层2进入半导体衬底1，实现数据的擦除。此外，相变量子点31还可根据外电压的不同在非晶态与晶态间发生可重复性的相变转换，非晶态和晶态具有不同的电阻率，因而可分别代表不同的存储状态，从而实现相变存储。结合电荷存储，本发明在非晶态具有两个存储状态，在晶态下也有两个存储状态。通过设置阻挡层4，其可提高相变量子点薄膜层3内的电荷存储量，并阻挡相变量子点薄膜层3俘获的电荷进入第一电极5，提高信息存储准确性。通过设置第一电极5和第二电极6，外加电压通过第一电极5和第二电极6作用于半导体衬底1、隧穿层2、相变量子点薄膜层3以及阻挡层4。

通过设置隧穿层2的厚度为1～3纳米，厚度超薄的隧穿层2有利于电荷的隧穿，从而实现数据的快速写入和擦除。通过设置物理厚度大等效厚度小的高介电常数材料为阻挡层4，其可大大增加电荷的存储量，同时可减少电荷泄露，提高信息存储可靠性。采用GeTe作为相变薄膜材料，其不但具有电荷存储以及相变存储的功能，且其具有良好的热稳定性以及数据存储能力。采用氧化法或淀积法形成所述隧穿层2，制备方法简单且厚度均匀可控。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于相变量子点的存储器件，其特征在于，包括：

半导体衬底；

隧穿层，设置于所述半导体衬底；

相变量子点薄膜层，设置于所述隧穿层，所述相变量子点薄膜层经退火后形成相变量子点，所述相变量子点在不同的外部能量下具有晶态和非晶态两种状态，且所述晶态和非晶态间的变化是可逆变的，所述相变量子点通过俘获隧穿电荷以及晶态的转变来实现信息存储；

阻挡层，设置于所述相变量子点薄膜层，所述阻挡层阻挡所述相变量子点俘获的电荷进入第一电极；

第一电极，给所述阻挡层供电；

第二电极，给所述半导体衬底供电。

2.根据权利要求1所述的基于相变量子点的存储器件，其特征在于，所述相变量子点薄膜层由GeTe组成，且厚度为3～10纳米。

3.根据权利要求1所述的基于相变量子点的存储器件，其特征在于，所述隧穿层为二氧化硅，且隧穿层的厚度为1～3纳米。

4.根据权利要求1所述的基于相变量子点的存储器件，其特征在于，所述阻挡层为具有物理厚度大等效厚度小的高介电常数材料，且所述阻挡层厚度为15～50纳米。

5.根据权利要求1所述的基于相变量子点的存储器件，其特征在于，所述半导体衬底的材料为硅、锗或绝缘体上硅中的任一种。

6.根据权利要求1所述的基于相变量子点的存储器件，其特征在于，所述半导体衬底的导电类型为P型或N型。

7.一种基于相变量子点的存储器件的制备方法，其特征在于，包括：

选取半导体衬底，并对所述半导体衬底进行清洗；

在所述半导体衬底上形成隧穿层；

在所述隧穿层上形成相变量子点薄膜层；

对所述相变量子点薄膜层、位于相变量子点薄膜层下的隧穿层以及位于隧穿层下的半导体衬底进行退火，形成相变量子点；

在已形成相变量子点的相变量子点薄膜层上形成阻挡层；

形成给所述阻挡层供电的第一电极以及给所述半导体衬底供电的第二电极。

8.根据权利要求7所述的基于相变量子点的存储器件的制备方法，其特征在于，采用氧化法或淀积法形成所述隧穿层。

9.根据权利要求7所述的基于相变量子点的存储器件的制备方法，其特征在于，采用合金靶溅射法、共溅射法、原子层沉积法、化学气相沉积法或蒸发法中的任一种形成所述相变量子点薄膜层。

10.根据权利要求7所述的基于相变量子点的存储器件的制备方法，其特征在于，采用原子层沉积方法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、磁控溅射法或蒸发法中的任一种形成所述阻挡层。