可逆相变电阻与晶体管合二为一的相变存储器单元及制备方法技术

本发明专利技术提供一种可逆相变电阻与晶体管合二为一的相变存储器单元及制备方法。主要利用相变材料的半导体特性，通过对相对稳定且易微细加工的可逆相变材料所具有的Ｎ型与Ｐ型特性制备出微米到纳米量级的小尺寸场效应晶体管，利用纳米加工技术，在晶体管的源、漏上制备１０－１００ｎｍ的引出电极，这样就可实现构成相变存储单元的１Ｒ１Ｔ（一个可逆相变电阻，一个场效应晶体管）在结构上的一体化与功能上的集成，可有效提高相变存储器的集成度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种相变存储器单元及制备方法。具体地说，涉及P型与N型相变材料，N型向P型或P型向N型的离子注入转型以及一种采用微细加工技术制备出相变存储器单元、器件。本专利技术属于微电子

技术介绍
相变存储器(C-RAM)是基于相变材料可逆变化使电阻值大、小可逆变化而实现信息的存储技术。与目前市场上的主流半导体存储技术相比，C-RAM具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照(抗总剂量的能力大于1Mrad)、耐高低温(-55～125℃)、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单等优点，不仅能够在移动电话、数码相机、MP3播放器、移动存储卡等民用微电子领域得到广泛应用，而且在航空航天或导弹系统等军用领域中有重要的应用前景。因此，国际上的Ovonyx、英特尔、三星、意法半导体和日立等半导体行业的大公司以及美国空军研究实验室都致力于C-RAM的研发，并且在最近五年内取得了一系列重大技术的突破，让业界看到了其实用化的曙光。为此，2003-04二年的国际半导体工业协会把C-RAM排在有可能实现产业化的新型存储技术的第一位，被认为是最有可能取代目前的闪存(FLASH)、动态随机存储器(DRAM)成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。目前C-RAM正在进行技术完善和可制造性方面的研发工作。英特尔公司于2001年制备出4MB的样机；三星公司则于2004年初制备出了64MB的测试样片。虽然C-RAM的研发势头非常喜人，但是还有许多工艺性和基础性的问题没有得到很好解决，在基础性方面，新型相变材料的研发，如相变材料在非晶时的半导体特性，导电机理研究，P/N型的研究，P型向N型或N型向P型转型，P/N型热稳定性与电阻稳定性的研究。在器件方面，减小器件单元提高器件密度的新型器件结构研究，相变材料与优良电极材料在纳米尺度的加工工艺与欧姆接触的研究等，这些研究将伴随C-RAM产业化与推进的整个过程。如何有效地利用相变材料的半导体特性实现场效应晶体管的开关特性，如何有效地利用可逆相变材料的存储特性实现相变存储单元的1R1T在形状上的一体化与功能上的集成是本专利技术的出发点，最为重要是不破坏场效应晶体管的开关特性的前提下实现对信息的存储功能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种相变存储器单元及制备方法。提供的相变存储器单元是由一个可逆相变电阻和一个场效应晶体管结构上一体化和功能上集成。结构上一体化有下面两种结构中任意一种(1)在P型双面抛光硅衬底上，漏和源为N型Ge2Sb2Te5薄膜，栅区域性的可逆相变电阻材料则是通过元素掺杂的由N型向P型转换的材料；(2)在N型双面抛光硅衬底上，漏和源为P型Ge2Sb2Te5薄膜，栅区域性的可逆相变电阻材料则是通过元素掺杂的由P型向N型转换的材料。所述的栅区域由N型向P型转换或P型向N型转换的可逆相变电阻材料厚度为20-150nm；所述的源和漏的孔为10-100nm。具体制备工艺包括1、相变材料的制备Si与非晶硫系化合物都属半导体材料，Si是制备半导体器件最成熟主流的半导体材料，但从材料本身不能实现存储功能，利用硫系化合物可逆相变过程可以实现信息的存储功能，但此种材料材质软、多组元、与硅材料、金属材料等界面力学性能不好，因此不是一种很好的半导体材料。采用磁控溅射手段，通过Si与非晶硫系化合物复合，优化组份实现多层薄膜附着力好，易微纳加工，并能在纳秒量级发生可逆相变的复合材料。通过离子注入，实现材料由N型向P型或P型向N型硫系化合物的转化。2、器件单元的制备采用N型与P型硫系化合物复合材料，通过曝光、刻蚀或离子注入改性掺杂实现NPN或PNP的晶体管结构，优化工艺实现低电压的开关性能，利用纳米加工工艺在SiO2绝热与钝化层实现源、漏纳米电极的引出与栅电极的引出。3、由上所述，本专利技术提供的工艺过程为(a)在P型或N型硅衬底上，采用磁控溅射法制备N型或P型Ge2Sb2Te5相变薄膜；(b)在步骤(a)制备的N型或P型Ge2Sb2Te5薄膜上采用涂胶、曝光和显影方法开出相变材料转型的窗口，离子注入Ge2Sb2Te5薄膜，使之呈P型或N型；(c)沉积多晶硅栅，在作为源和漏的N型或P型Ge2Sb2Te5薄膜上涂光刻胶保护；(d)去胶，并剥离胶上多余的多晶硅；(e)沉积SiO2绝热层；(f)分别用聚焦离子束法和刻蚀方法露出源、漏和栅极；(g)蒸发金属电极并刻出金属引线。所述的硅衬底材料上采用磁控溅射方法制备出的N型或P型Ge2Sb2Te5薄膜的厚度为5-200nm。所述的离子注入使Ge2Sb2Te5转型，使用的注入离子为硅、磷、硼、氧或氮中任一种。所述的金属电极引线为W、Pt、Al、RuO或LaNiO3中一种，制备方法为磁控溅射、高真空电子束蒸发、等离子体增强化学气相沉积或金属有机分子化学气相沉积中一种。由本专利技术提供的方法制备的相变存储单元的选址与开关特性是通过相变场效应晶体管实现的，存储过程的写、擦操作是通过有效控制电压或电流脉冲信号脉高与脉宽的情况下，在不破坏相变场效应晶体管开关特性的情况下，实现相变场效应晶体管源、漏局部纳米范围内的可逆相变过程，读出数据通过测量源、漏的阻值大小并加以逻辑比较。附图说明图1在P型硅片上沉积N型Ge2Sb2Te5薄膜图2离子注入使Ge2Sb2Te5薄膜呈P型(原N型Ge2Sb2Te5薄膜用光刻胶挡住)图3淀积多晶硅栅图4去胶，并剥离胶上多余的多晶硅图5淀积SiO2绝热层图6分别用聚焦离子束方法和刻蚀的方法露出源漏和栅极图7蒸发金属电极图8刻出金属引线，完成整个相变存储器的制作具体实施方式实施例1在P型硅衬底材料上采用磁控溅射法制备N型Ge2Sb2Te5相变薄膜(图1)，工艺参数为本底气压为3×10-4Pa，溅射时Ar气气压为0.15Pa，溅射功率为200W，衬底温度为25℃，薄膜厚度为200nm。再在Ge2Sb2Te5相变薄膜上采用涂胶、曝光与显影方法开出相变材料转型的窗口，离子注入N使Ge2Sb2Te5呈P型(图2)，工艺参数为注入能量为65keV，注入剂量为4.51×1016/cm2。淀积多晶硅栅(图3)。去胶，并剥离胶上多余的多晶硅(图4)。淀积SiO2绝热层(图5)。分别用聚焦离子束方法和刻蚀的方法露出源、漏和栅极(图6)。采用磁控溅射法制备金属电极W(图7)，工艺参数为本底气压为5×10-4Pa，溅射时Ar气气压为0.08Pa，溅射功率为300W，衬底温度为25℃，薄膜厚度为100nm。刻出金属引线，完成整个相变存储器的制作(图8)。在上述工艺下制备的NPN相变晶体管结构可实现开关性能和存储特性。实施例2把实施例1中的P型硅衬底材料改为N型硅衬底材料，其它与实施例1相同。实施例3把实施例1和2中的Ge2Sb2Te5相变薄膜改为由Si与Ge2Sb2Te5复合的相变薄膜，其它与实施例1和2相同。实施例4把实施例1和2中的注入离子N改为B，工艺参数为注入能量为60keV，注入剂量为3.86×1016/cm2，其它与实施例1和2相同。实施例5把实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中引出电极W改为Pt，或Al，或RuO，或LaNiO3，其它与实施例1、2、3和4相同。实施例6把实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可逆相变电阻与晶体管合二为一的相变存储器单元，其特征在于可逆相变电阻和场效应晶体管结构上一体化和功能上集成。

【技术特征摘要】
1.一种可逆相变电阻与晶体管合二为一的相变存储器单元，其特征在于可逆相变电阻和场效应晶体管结构上一体化和功能上集成。2.按权利要求1所述的相变存储器单元，其特征在于所述的可逆相变电阻和一个场效应晶体管结构上一体化，为下述两种结构中的任意一种(1)在P型双面抛光硅衬底上，漏和源为N型Ge2Sb2Te5薄膜，栅区域性的可逆相变电阻材料则是通过元素掺杂方法由N型向P型转换的材料；(2)在N型双面抛光硅衬底上，漏和源为P型Ge2Sb2Te5薄膜，栅区域性的可逆相变电阻材料则是通过元素掺杂方法由P型向N型转换的材料。3.按权利要求2所述的相变存储器单元，其特征在于所述的栅区域由N型向P型转换或P型向N型转换的可逆相变电阻材料厚度为20-150nm。4.按权利要求2所述的相变存储器单元，其特征在于源和漏的孔为10-100nm。5.制备如权利要求1或2所述的相变存储器单元的方法，其特征在于制备工艺步骤是(a)先在P型硅衬底上，采用磁控溅射法或PECVD方法制备N型Ge2Sb2Te5相变薄膜；(b)然后在步骤(a)制备的N型Ge2Sb2Te5薄膜上采用涂胶、曝光和显影方法开出相变材料转型的窗口，离子注入Ge2Sb2Te5薄膜，使之呈P型；(c)沉积多晶硅栅，在作为源和漏的N型Ge2Sb2Te5薄膜上涂光刻胶保护；(d)去胶，并剥离胶上多余的多晶硅；(e)沉积SiO2绝热层；(f)分别用聚焦离子束法和刻蚀方法露出源、漏和栅极；(g)蒸发金属电极并刻出金属引线。6.制备如权利要求1或2所述的相变存储器单元的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志棠，刘波，徐成，徐嘉庆，刘卫丽，封松林，陈邦明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]