CN104347800B - 一种相变存储器选通管及其存储单元 - Google Patents

一种相变存储器选通管及其存储单元 Download PDF

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Abstract

相变存储技术是具有优异性能的新一代存储技术，它不受技术节点限制，其体积越小性能越优异，速度越快，功耗越低。本发明提出的相变存储器器件单元由场效应管和基于硫系化合物材料的阻变元件构成，其中MoS2场效应管作为选通管，硫系化合物阻变元件实现信息存储。MoS2是一种极薄的二维硫系化合物半导体材料，与通常的硅场效应管相比，MoS2场效应管体积更小，能耗极低，目前报道其功耗仅有硅材料的十万分之一，室温迁移率达到200cm2/Vs，室温电流开关比达到108。将MoS2场效应管和硫系化合物阻变元件结合形成的相变存储器器件单元，可实现低功耗、高速、高密度的相变存储器。

Description

一种相变存储器选通管及其存储单元
技术领域
本发明涉及一种用于高速、低功耗、高密度相变存储的新型器件单元。鉴于目前的现状和Si半导体技术面临的技术瓶颈问题，提出一种以MoS2场效应管作为选通管的相变存储器器件单元。相变存储器器件单元由一个基于纳米MoS2材料的场效应管和基于硫系化合物材料的阻变元件构成，其中MoS2场效应管作为选通管，硫系化合物阻变元件实现信息存储。将MoS2场效应管和硫系化合物阻变元件结合形成的相变存储器器件单元，可实现低功耗、高速、高密度的相变存储器。本发明属于微电子学中新型器件与工艺领域。
背景技术
在目前的新型存储技术中，基于硫系半导体材料的相变存储器（chalcogenidebased PCRAM）具有成本低，速度快，存储密度高，制造简单且与当前的CMOS（互补金属-氧化物-半导体）集成电路工艺兼容性好的突出优点，受到世界范围的广泛关注。此外，PCRAM具有抗辐照、耐高低温、抗强振动、抗电子干扰等性能，在国防和航空航天领域有重要的应用前景。自2003年起，国际半导体工业协会一直认为相变存储器最有可能取代目前的SRAM（静态随机存取存储器）、DRAM（动态随机存取存储器）和FLASH 存储器（闪速存储器）等当今主流产品而成为未来存储器主流产品的下一代半导体存储器件。
目前国际上主要的电子和半导体公司都在致力于PCRAM的研制。主要研究单位有Ovonyx、Intel、Samsung、IBM、Bayer、ST Micron、AMD、Panasonic、Sony、Philips、BritishAreospace、Hitachi和Macronix等。2007年，Samsung发表了90nm，512Mb PCRAM芯片论文。2011年和2012年Samsung在ISSCC上相继发表了容量1Gb和8Gb的PCRAM实验芯片，进一步提升了相变存储器的存储潜力。2011年12月，海力士(Hynix)在国际电子器件会议上(IEDM)上公布了1Gb的相变存储器芯片。已有的研究表明PCRAM微缩到7nm时仍能实现高阻和低阻的转换，因此选通管器件就成为PCRAM微缩到10nm甚至更小的主要技术瓶颈。典型的选通器件为晶体管（如FET或BJT）或两端器件（如二极管）。目前，PCRAM按照选通器件的不同主要分为如下几类：NMOSFET选通、BJT选通、二极管(Diode)等。MOSFET作为一种主流的半导体器件，由于其成熟的工艺技术和相对较低的成本，大多数企业采用标准MOSFET加相变电阻的结构。为获得足够大的驱动电流以保证所有存储单元正常工作，每个存储单元的选通管也必须足够大，使得存储单元面积增大，功耗增大的同时降低了存储密度和集成度。
为了进一步提高相变存储器的开关速度、集成度等性能，降低功耗，本发明提出一种非硅基材料作为选通管的相变存储器件，也就是将MoS2场效应管作为相变存储器的选通管。与通常的硅场效应管相比，MoS2场效应管体积更小，能耗极低，将MoS2场效应管作为相变存储器的选通管有望实现低功耗、高速、高密度的相变存储器。
发明内容
本发明提出一种以MoS2场效应管作为相变存储器的选通管。相变存储器器件单元由一个基于纳米MoS2材料的场效应管和基于硫系化合物材料的阻变元件构成，其中MoS2场效应管作为选通管，硫系化合物阻变元件实现信息存储。MoS2是一种极薄的二维硫系化合物半导体材料，可以制作出尺寸更小的器件。与通常的硅场效应管相比，MoS2场效应管体积更小，能耗极低，目前报道其功耗仅有硅材料的十万分之一，室温迁移率达到200cm2/Vs，室温电流开关比达到108。将MoS2场效应管和硫系化合物阻变元件结合形成的相变存储器器件单元，可实现低功耗、高速、高密度的相变存储器。本发明的主要工艺步骤如下：
1. 在石英等衬底上制备SiN等绝缘介质薄膜，薄膜厚度50~150 nm；
2. 在上述绝缘介质薄膜上制备MoS2薄膜，薄膜厚度5~100 nm；
3. 利用电子束曝光和反应离子刻蚀法制备MoS2场效应管有源区；
4. 在MoS2场效应管有源区左右两端分别制备源、漏区；
5. 沉积栅介质薄膜，薄膜厚度在5~15nm；
6. 利用电子束曝光和反应离子刻蚀栅介质薄膜从而在MoS2场效应管有源区上制作出栅区；
7. 沉积电极薄膜，电极材料可选用钨、钛、TiN、金、钼、镍等，厚度50~200 nm；
8. 利用电子束曝光和反应离子刻蚀电极薄膜在MoS2场效应管源、漏和栅区上分别制作出源、漏和栅极；
9. 在源或漏极上制备SiO2等介质薄膜，薄膜厚度50~100 nm；
10. 利用电子束曝光和反应离子刻蚀或者FIB原位形成纳米介质孔洞，孔洞的深度50 nm~100 nm，孔洞直径20~1000 nm；
11. 利用磁控溅射、CVD或ALD等方法在孔洞中淀积相变材料；
12. 在上述孔洞内填充相变材料后，利用电子束曝光和反应离子刻蚀或者FIB、CMP去除孔洞以外的相变材料；
13. 或者在上述孔洞中填充加热电极材料，孔洞填满后，利用CMP抛除孔洞口以外的加热电极材料，形成柱状加热电极；然后利用磁控溅射淀积相变材料、缓冲层；
14. 利用CVD、ALD或高真空磁控溅射方法、电子束蒸发等方法在源或漏端淀积一层顶电极材料，厚度50~200 nm；
15. 利用光刻或湿法刻蚀形成本发明所述的以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元的顶电极；
16. 通过以上工艺步骤，即可制备出可测试的基于MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元；
17. 将上述相变存储器器件单元连接到电学测量系统中，即可进行相应的写、擦、读操作，研究其存储特性、疲劳特性和其它电学特性等。
所述的用于制作MoS2场效应管的衬底材料不受限制，可以是任何单质或化合物半导体材料或介质材料。
所述的MoS2场效应管衬底上的绝缘介质薄膜不受限制，可以是任何单质或化合物及其氧化物、氮化物、碳化物等介质材料。
所述的MoS2场效应管的栅介质薄膜不受限制，可以是氧化物、氮化物等介质材料。
所述的下电极材料不受限制，不限于铝、金、钼、镍和钛等，可以是其它任何金属材料或导电材料，其厚度为50~200 nm。
所述的在源、漏上制备纳米介质孔洞的介质材料种类不受限制，可以为常用的SiO2、SiNx材料，也可以是其它的介质材料。
所述的纳米介质孔洞可以用聚焦离子束刻蚀法、电子束曝光和反应离子刻蚀法等任何微纳加工方法获得。
所述的加热电极不受限制，可以为W等具有较高电阻率的金属类材料及其掺杂后的材料，也可以为TiN等具有较高电阻率的氮化物材料及其掺杂后的材料，从而进一步提高加热效果，降低操作电流。
附图说明
图1基于MoS2的MOSFET结构示意图（1、MoS2 MOSFET）
图2 在MoS2 MOSFET的漏端（D端）制备介质层后的结构示意图（1、MoS2 MOSFET；2、介质层）
图3 在MoS2 MOSFET的D端介质层中制备纳米加热电极后的结构示意图（1、MoS2MOSFET；2、介质层；3、纳米加热电极）
图4 在纳米加热电极上制备相变材料层和缓冲层后的结构示意图（1、MoS2MOSFET；2、介质层；3、纳米加热电极；4、相变材料层；5、缓冲层）
图5 在缓冲层上制备顶电极后的结构示意图（1、MoS2 MOSFET；2、介质层；3、纳米加热电极；4、相变材料层；5、缓冲层；6、顶电极）。
具体实施方式
下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于所述的实施例。
实施例一：
1.利用光刻方法在MoS2衬底上制备出基于MoS2的MOSFET；
2.在MoS2 MOSFET上制备50~300nm厚的SiO2介质层；
3.利用光刻方法在MoS2 MOSFET的漏端（D端）制备出100nm~1000nm的直径的SiO2介质层图形；
4.利用电子束光刻和刻蚀技术在上述D端的SiO2介质层中制备出直径50nm~500nm的孔洞，其底端与MoS2 MOSFET的D端相连；
5.利用ALD技术在上述孔洞中填充W，孔洞填满后，利用CMP抛除孔洞口以外的W材料，形成柱状W图形；
6.利用磁控溅射淀积相变材料GeSbTe、缓冲层TiN，相变材料厚度在50~200 nm，TiN厚度为10~50 nm；
7.利用光刻在MoS2 MOSFET D端制备出GeSbTe/TiN图形，直径在60nm~600 nm；
8.利用电子束蒸发制备顶电极薄膜，厚度在200~300nm，通过光刻在MoS2 MOSFETD端的GeSbTe/TiN上制备出顶电极，至此即完成基于MoS2 MOSFET 作为开关的相变存储单元的制备。
实施例二：
1.利用光刻方法在MoS2衬底上制备出基于MoS2的MOSFET；
2.在MoS2 MOSFET上制备50~300nm厚的SiO2介质层；
3.利用光刻方法在MoS2 MOSFET的漏端（D端）制备出100nm~1000nm直径的SiO2介质层图形；
4.利用电子束光刻和刻蚀技术在上述D端的SiO2介质层中制备出直径50nm~500nm的孔洞，其底端与MoS2 MOSFET的D端相连；
5.利用ALD技术在上述孔洞中填充TiN，孔洞填满后，利用CMP抛除孔洞口以外的TiN材料，形成柱状TiN，利用TiN作为加热电极可达到更好的加热效果，同时可以改善加热电极与相变材料的界面特性；
6.利用磁控溅射淀积相变材料GeSbTe、缓冲层TiN，相变材料厚度在50~200 nm，TiN厚度为10~50 nm；
7.利用光刻在MoS2 MOSFET D端制备出GeSbTe/TiN图形，直径在60nm~600 nm；
8.利用电子束蒸发制备顶电极薄膜，厚度在200~300nm，通过光刻在MoS2 MOSFETD端的GeSbTe/TiN上制备出顶电极。
实施例三：
1.利用光刻方法在MoS2衬底上制备出基于MoS2的MOSFET；
2.在MoS2 MOSFET上制备50~300nm厚的SiO2介质层；
3.利用光刻方法在MoS2 MOSFET的漏端（D端）制备出100nm-1000nm的直径的SiO2介质层图形；
4.利用电子束光刻和刻蚀技术在上述D端的SiO2介质层中制备出直径50nm~500nm的孔洞，其底端与MoS2 MOSFET的D端相连；
5.利用ALD技术在上述孔洞中填充W，孔洞填满后，利用CMP抛除孔洞口以外的W材料，形成柱状W图形；
6.利用磁控溅射淀积相变材料TiSbTe、缓冲层TiN，相变材料厚度在50~200 nm，TiN厚度为10~50 nm；利用TiSbTe材料可以获得更快的相变能力，同时所需功耗可以大大降低，从而取得更好的实施效果；
7.利用光刻在MoS2 MOSFET D端制备出TiSbTe/TiN图形，直径在60nm~600 nm；
8.利用电子束蒸发制备顶电极薄膜，厚度在200~300nm，通过光刻在MoS2 MOSFETD端的GeSbTe/TiN上制备出顶电极，至此即完成基于MoS2 MOSFET 作为开关的相变存储单元的制备。
实施例四：
将实施例1-3中加热电极更换为TiSiN、GeSiN等更高电阻率的材料，其它同实施例1-3，可以得到更好的加热结果，这样可以利用更小的电流或电压驱动相变，从而降低器件操作功耗。
实施例五：
将实施例1-3中的SiO2介质材料更换为SiN材料，其它同实施例1-3，可以得到更好的防氧化扩散效果，阻止相变材料的氧化和扩散，从而提高器件的可靠性。

Claims (10)

1.一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：
(a)场效应管是利用MoS2纳米薄膜制备；
(b)相变存储器器件单元由一个基于MoS2的场效应管和基于硫系化合物材料的阻变元件构成；
(c) MoS2场效应管作为选通管，硫系化合物阻变元件用作信息存储；
(d)MoS2是一种纳米的二维硫系化合物半导体材料，其禁带宽度Eg在1.0~2.0 eV之间，比无带隙的二维石墨烯材料具有更大的优势;
(e)相变存储器器件单元中硫系化合物阻变元件制作在MoS2场效应管的漏端或源端。
2.根据权利要求1所述的一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：与通常的硅场效应管作为选通管的相变存储器器件单元相比，以MoS2场效应管作为选通管的相变存储器器件单元的体积更小，可实现高密度的相变存储器，提高存储容量。
3.根据权利要求1所述的一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：与通常的硅场效应管作为选通管的相变存储器器件单元相比，以MoS2场效应管作为选通管的相变存储器器件单元的能耗极低，可实现极低功耗的相变存储器。
4.根据权利要求1所述的一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：相变存储器器件单元的上、下电极是金属材料。
5.根据权利要求1所述的一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：相变存储器器件单元的加热电极为金属材料W。
6.根据权利要求1所述的一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：相变存储器器件单元的加热电极为掺杂的金属材料W，且掺杂后的材料的电阻率高于金属材料W的电阻率。
7.根据权利要求1所述的一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：相变存储器器件单元的加热电极为氮化物材料TiN。
8.根据权利要求1所述的一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：相变存储器器件单元的加热电极为掺杂的氮化物材料TiN，且掺杂后的材料的电阻率高于氮化物材料TiN的电阻率。
9.根据权利要求1所述的一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：相变存储器器件单元的加热电极采用氮化物材料TiN可以改善硫系化合物阻变元件与加热电极的电接触性能，提高所述的以MoS2场效应管作为选通管的相变存储器器件单元的可靠性。
10.根据权利要求1所述的一种以MoS2场效应管为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于：器件单元用光学曝光、同时结合聚焦离子束、电子束曝光和反应离子刻蚀法方法制备；MoS2薄膜采用化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、电子束蒸发方法制备。
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