CN109560104A - 一种相变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种相变存储器，自下而上包括衬底、掺杂层、二极管和相变电阻，其中，所述衬底的上方为掺杂层，所述掺杂层和衬底中包括至少两个浅沟槽隔离；所述二极管位于两个浅沟槽隔离之间，所述二极管包括第一二维晶体膜和第二二维晶体膜，所述第二二维晶体膜位于所述第一二维晶体膜的上方，所述相变电阻包括下电极、具有相变能力的硫化物和上电极，其中，所述下电极、硫化物和上电极依次位于所述第二二维晶体膜上方。本发明提供的一种相变存储器及其制备方法，采用二维晶体制备的二极管和相变电阻组成的1D1R结构的相变存储器器件单元，其单元尺寸很小，可以提升相变存储器的存储密度，同时采用石墨烯作为下电极，能降低器件功耗。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种相变存储器及其制备方法、
背景技术
随着大数据、物联网、云计算和移动互联网等一系列的新型信息技术的出现，对存储器提出了高读写速度、低功耗、高存储密度、长使用寿命和高可靠性等要求。目前内存的存储方式主要是DRAM+Flash，NAND Flash的集成度高、成本低，但是速度慢、寿命短。DRAM虽然速度快，寿命长，但是掉电后会丢失数据且成本高。因此研发出一种新型的存储技术成为业界近年来的研究热点，该类新型存储技术须同时拥有DRAM和NAND Flash的优点，即读写速度可与DRAM相匹敌，在成本和非易失性方面与NAND Flash相似，而相变存储器正是这类新型存储技术中的一员。
目前的相变存储器采用的结构一般是1T1R结构即1个三极管加上1个相变材料电阻，三极管作为相变材料电阻的选通器。但是，由于受到三极管的尺寸限制，无法进一步提高相变存储器的单元密度。近几年，出现1D1R的结构即采用1个二极管加上1个相变材料电阻的结构，采用垂直型二极管替代三极管作为选通器，可以大大降低相变存储器器件单元的尺寸，提高存储器的存储密度。但是，一般传统的二极管驱动电流不够大，不能满足相变单元的操作电流要求，并且制作工艺复杂。因此，需要一种新型的相变存储单元结构，满足相变存储器器件的高密度存储的需求。
近几年来，二维晶体材料制备晶体管技术发展迅猛。二维晶体材料通常是指具有单层二维蜂窝状网格结构、有电子能带隙和高的电子迁移率的材料。二维晶体材料一般包括：硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳，过渡金属二硫属化物(TMD)等。过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenide，TMD)的化学式为MX2型，M为金属，X代表硫族元素(如S、Se、Te)。由于TMD材料的带隙与硅很接近，近年来常被用于制备二维晶体管。采用二维晶体膜作为沟道的晶体管，其性能远超现有的硅晶体管，因而将成为7nm以下最具前景的新型晶体管。
采用二维晶体制备的二极管，其串联电阻小，饱和电子漂移速度高，能有效提高二极管的驱动能力。但是二维晶体材料与任何金属接触，其接触电阻很高，影响了二维晶体作为二极管的电学性能。因此，如何将二维晶体制备的二极管和相变电阻结合成为相变存储器器件单元是急待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种相变存储器及其制备方法，采用二维晶体制备的二极管和相变电阻组成的1D1R结构的相变存储器器件单元，其单元尺寸很小，可以提升相变存储器的存储密度，同时采用石墨烯作为下电极，能降低器件功耗。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种相变存储器，自下而上包括衬底、掺杂层、二极管和相变电阻，其中，所述衬底的上方为掺杂层，所述掺杂层和衬底中包括至少两个浅沟槽隔离，所述浅沟槽隔离的深度大于所述掺杂层的深度；所述二极管位于两个浅沟槽隔离之间，所述二极管包括第一二维晶体膜和第二二维晶体膜，且所述第一二维晶体膜与所述掺杂层接触，所述第二二维晶体膜位于所述第一二维晶体膜的上方，所述相变电阻包括下电极、具有相变能力的硫化物和上电极，其中，所述下电极、硫化物和上电极依次位于所述第二二维晶体膜上方。
进一步地，所述第一二维晶体膜为硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳或过渡金属硫化物中的一种；所述第二二维晶体膜为硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳或过渡金属硫化物中的一种。
进一步地，所述过渡金属硫化物为MoTe2、MoS2、MoSe2、WSe2、ReSe2、TaS2、TaSe2、TaTe2、NbS2、NbSe2、NbTe2、MoS2、WTe2中的至少一种。
进一步地，所述第一二维晶体膜具有N型半导体性质，所述第二二维晶体膜具有金属性质。
进一步地，所述第一二维晶体膜具有N型半导体性质，所述第二二维晶体膜具有P型半导体性质。
进一步地，所述具有相变能力的硫化物为GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系、Sb掺杂体系中的至少一种，或者为掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系、Sb掺杂体系中的至少一种。
进一步地，所述下电极为石墨烯电极。
本发明提供的一种制备相变存储器的方法，包括如下步骤：
S01：在衬底表面通过离子注入形成掺杂层；
S02：通过光刻刻蚀在掺杂层和衬底中形成凹槽，且凹槽的深度大于掺杂层的深度；
S03：在凹槽中填充绝缘材料，并平坦化形成浅沟槽隔离；
S04：依次在掺杂层和浅沟槽隔离的表面沉积第一二维晶体膜、第二二维晶体膜和下电极；
S05：依次在下表面上沉积具有相变能力的硫化物和上电极；
S06：通过光刻刻蚀工艺图形化上电极、具有相变能力的硫化物、下电极、第二二维晶体膜和第一二维晶体膜，在两个浅沟槽之间形成包括二极管和相变电阻的相变存储器单元。
进一步地，所述步骤S04中依次在掺杂层和浅沟槽隔离表面沉积具有N型半导体性质的第一二维晶体膜、具有金属性质的第二二维晶体膜和石墨烯下电极；所述第一二维晶体膜、第二二维晶体膜和下电极在相同条件下沉积生长。
进一步地，所述步骤S04中依次在掺杂层和浅沟槽隔离表面沉积具有N型半导体性质的第一二维晶体膜、具有P型半导体性质的第二二维晶体膜和石墨烯下电极。
本发明的有益效果为：本发明中采用二维晶体制备的二极管，其串联电阻小，饱和电子漂移速度高，能有效提高二极管的驱动能力。采用石墨烯作为下电极与二维晶体材料接触，由于膜结构相似，两者接触电阻很小，能有效提升二维晶体二极管的电学性能。并且，石墨烯作为下电极能避免二极管的二维晶体材料成分发生扩散至相变单元影响相变电阻的组分。另外，石墨烯具有非常好的热传导性能和很高的载流子迁移率，作为相变电阻的下电极，可以提高相变层的加热效率，降低器件功耗。因此，采用二维晶体制备的二极管和相变电阻组成的1D1R结构的相变存储器器件单元，其单元尺寸很小，可以提升相变存储器的存储密度，同时采用石墨烯作为下电极，能降低器件功耗。
附图说明
附图1为衬底上形成掺杂层的结构图；
附图2为掺杂层上形成凹槽的结构图；
附图3为形成浅沟槽隔离的结构图；
附图4为依次沉积第一二维晶体膜、第二二维晶体膜和下电极之后的结构图；
附图5为依次沉积具有相变能力的硫化物和上电极之后的结构图。
附图6为最终形成的相变存储器的结构图。
图中：101衬底，102掺杂层，103凹槽，104浅沟槽隔离，105第一二维晶体膜，106第二二维晶体膜，107下电极，108具有相变能力的硫化物，109上电极，110相变存储器单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
请参阅附图1-6，为本发明制备相变存储器的方法，具体包括如下步骤：
S01：请参阅附图1，在衬底101表面通过离子注入形成掺杂层102。具体地，可采用常规P型Si衬底101，在P型Si衬底101上通过离子注入，在表面形成N型的重掺杂层102。在本实施例中，注入元素可以是As。
S02：请参阅附图2，通过光刻刻蚀在掺杂层和衬底中形成凹槽103，且凹槽的深度大于掺杂层的深度。通过光刻刻蚀形成凹槽103，凹槽的深度超过掺杂层102。
S03：请参阅附图3，在凹槽中填充绝缘材料，并平坦化形成浅沟槽隔离104。在凹槽中填充绝缘材料为SiO2，并通过抛光工艺平坦化晶片表面，形成浅沟道隔离104。
S04：请参阅附图5，依次在掺杂层和浅沟槽隔离的表面沉积第一二维晶体膜、第二二维晶体膜和下电极。
本步骤中第一二维晶体膜和第二二维晶体膜有以下两种不同的情况：
(1)依次在掺杂层和浅沟槽隔离表面沉积具有N型半导体性质的第一二维晶体膜105、具有金属性质的第二二维晶体膜106和石墨烯下电极107，第一二维晶体膜、第二二维晶体膜和石墨烯下电极是在同一台设备中沉积生长的，可以采用化学气相沉积或者原子层沉积的方法。
具体地，第一二维晶体膜105为过渡金属硫族化合物具有N型半导体性质的MoS2，第二二维晶体膜106为过渡金属硫族化合物MoTe2，由于过渡金属硫化物在空气中不稳定，因此需要和石墨烯在同一台沉积设备中连续生长，有效减少了膜之间的界面缺陷，减低了接触电阻，提高了肖特基二极管的电学性能。沉积设备可以是化学气相沉积或者原子层沉积设备。具有半导体性质的第一二维晶体膜和具有金属性质的第二二维晶体膜形成一个肖特基二极管，其串联电阻小，饱和电子漂移速度高，能有效提高二极管的驱动能力。
(2)依次在掺杂层和浅沟槽隔离表面沉积具有N型半导体性质的第一二维晶体膜105和具有P型半导体性质的第二二维晶体膜材料106和和石墨烯下电极107。
本发明中若第一二维晶体膜本身具有N型半导体性质，则可以直接沉积不做掺杂处理，若本身不具有N型半导体性质，则可以在沉积时进行N型原位掺杂来形成具有N型半导体性质的第一二维晶体膜，掺杂元素可以是As，P等。同样地，若第二二维晶体膜本身具有P型半导体性质，则可以直接沉积不做掺杂处理，若本身不具有P型半导体性质，则可以在沉积时进行P型原位掺杂来形成具有P型半导体性质的第二二维晶体膜，掺杂元素可以是B、In等。具体地，具有N型半导体性质的第一二维晶体膜105可以是原位P掺杂的硅烯，具有P型半导体性质的第二二维晶体膜106可以是黑磷。N型的第一二维晶体膜和P型的第二二维晶体膜形成一个PN结二极管，其串联电阻小，饱和电子漂移速度高，能有效提高二极管的驱动能力。
上述两种情况中，第一二维晶体膜和第二二维晶体膜材料均可以为硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳或过渡金属硫化物。过渡金属硫化物为MoTe2、MoS2、MoSe2、WSe2、ReSe2、TaS2、TaSe2、TaTe2、NbS2、NbSe2、NbTe2、MoS2、WTe2中的至少一种。
本发明采用石墨烯作为下电极与二维晶体材料接触，由于膜结构相似，两者接触电阻很小，能有效提升二维晶体二极管的电学性能。并且，石墨烯作为下电极能避免二极管的二维晶体材料成分发生扩散至相变单元影响相变电阻的组分。另外，石墨烯具有非常好的热传导性能和很高的载流子迁移率，作为相变电阻的下电极，可以提高相变层的加热效率，降低器件功耗。
S05：请参阅附图5，依次在下表面上沉积具有相变能力的硫化物和上电极。
其中，具有相变能力的硫系化合物为GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系、Sb掺杂体系中的至少一种，或者为掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系、Sb掺杂体系中的至少一种。在本实施例中，依次在晶片表面沉积具有相变能力的硫化物108和上电极109，采用的硫化物为C掺杂的Ge2Sb2Te5，上电极为TiN。
S06：请参阅附图6，通过光刻刻蚀工艺图形化上电极、具有相变能力的硫化物、下电极、第二二维晶体膜和第一二维晶体膜，在两个浅沟槽之间形成包括二极管和相变电阻的相变存储器。
在本实施例中，通过光刻刻蚀工艺图形化上电极109、具有相变能力的硫化物108、石墨烯下电极107、第二二维晶体膜106和第一二维晶体膜105，将STI上方的所有膜去除，最后在2个STI之间形成由一个肖特基二极管和一个相变电阻组成的相变存储器单元110，相变存储器单元110的横向尺寸小于2个浅沟槽隔离之间的距离。
本发明中提供的一种相变存储器，自下而上包括衬底、掺杂层、二极管和相变电阻，其中，衬底的上方为掺杂层，掺杂层和衬底中包括至少两个浅沟槽隔离，浅沟槽隔离的深度大于掺杂层的深度；二极管位于两个浅沟槽隔离之间，二极管包括第一二维晶体膜和第二二维晶体膜，且第一二维晶体膜与掺杂层接触，第二二维晶体膜位于第一二维晶体膜的上方，相变电阻包括下电极、具有相变能力的硫化物和上电极，其中，下电极、硫化物和上电极依次位于第二二维晶体膜上方。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种相变存储器，其特征在于，自下而上包括衬底、掺杂层、二极管和相变电阻，其中，所述衬底的上方为掺杂层，所述掺杂层和衬底中包括至少两个浅沟槽隔离，所述浅沟槽隔离的深度大于所述掺杂层的深度；所述二极管位于两个浅沟槽隔离之间，所述二极管包括第一二维晶体膜和第二二维晶体膜，且所述第一二维晶体膜与所述掺杂层接触，所述第二二维晶体膜位于所述第一二维晶体膜的上方，所述相变电阻包括下电极、具有相变能力的硫化物和上电极，其中，所述下电极、硫化物和上电极依次位于所述第二二维晶体膜上方。
2.根据权利要求1所述的一种相变存储器，其特征在于，所述第一二维晶体膜为硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳或过渡金属硫化物中的一种；所述第二二维晶体膜为硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳或过渡金属硫化物中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种相变存储器，其特征在于，所述过渡金属硫化物为MoTe2、MoS2、MoSe2、WSe2、ReSe2、TaS2、TaSe2、TaTe2、NbS2、NbSe2、NbTe2、MoS2、WTe2中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种相变存储器，其特征在于，所述第一二维晶体膜具有N型半导体性质，所述第二二维晶体膜具有金属性质。
5.根据权利要求1所述的一种相变存储器，其特征在于，所述第一二维晶体膜具有N型半导体性质，所述第二二维晶体膜具有P型半导体性质。
6.根据权利要求1所述的一种相变存储器，其特征在于，所述具有相变能力的硫化物为GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系、Sb掺杂体系中的至少一种，或者为掺杂Sc、Ag、In、Al、In、C、S、Se、N、Cu、W元素的GeTe-Sb2Te3体系、GeTe-SnTe体系、Sb2Te体系、In3SbTe2体系、Sb掺杂体系中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种相变存储器，其特征在于，所述下电极为石墨烯电极。
8.一种制备相变存储器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：在衬底表面通过离子注入形成掺杂层；
S02：通过光刻刻蚀在掺杂层和衬底中形成凹槽，且凹槽的深度大于掺杂层的深度；
S03：在凹槽中填充绝缘材料，并平坦化形成浅沟槽隔离；
S04：依次在掺杂层和浅沟槽隔离的表面沉积第一二维晶体膜、第二二维晶体膜和下电极；
S05：依次在下表面上沉积具有相变能力的硫化物和上电极；
S06：通过光刻刻蚀工艺图形化上电极、具有相变能力的硫化物、下电极、第二二维晶体膜和第一二维晶体膜，在两个浅沟槽之间形成包括二极管和相变电阻的相变存储器单元。
9.根据权利要求8所述的制备相变存储器的方法，其特征在于，所述步骤S04中依次在掺杂层和浅沟槽隔离表面沉积具有N型半导体性质的第一二维晶体膜、具有金属性质的第二二维晶体膜和石墨烯下电极；所述第一二维晶体膜、第二二维晶体膜和下电极在同一设备中沉积生长。
10.根据权利要求8所述的制备相变存储器的方法，其特征在于，所述步骤S04中依次在掺杂层和浅沟槽隔离表面沉积具有N型半导体性质的第一二维晶体膜、具有P型半导体性质的第二二维晶体膜和石墨烯下电极。
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