本发明专利技术涉及一种利用宽带隙半导体二极管作为相变存储器的选通管及方法，其特征在于所述的相变存储器器件单元是由一个宽带隙半导体二极管和一个可逆相变存储介质构成。宽带隙半导体材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强、击穿电场强度高以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作高速、高密度、抗辐射的电子器件，宽带隙半导体材料与具有高速、高缩微能力、具有天然抗辐射等性能的相变材料结合，集成出高速、高密度、低功耗、耐压、抗辐照等优异性能的相变存储单元，进而制备出高速、高密度、低功耗、抗辐射等优异性能的相变存储器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用宽带隙半导体二极管作为选通管的相变存储器器件单元及 方法。所述的相变存储器器件单元是由一个宽带隙半导体二极管和一个可逆相变存储介质 构成。本专利技术属于微电子学中特殊器件与工艺领域。
技术介绍
以硅为基础的微电子技术在信息技术中仍占据着重要的地位，但是宽带隙半导体 材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强、击穿电 场强度高以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作高速、高密度、抗辐射的电子器 件，在高速、高频、大功率、辐射等方面得到越来越广泛的应用。宽带隙半导体是继以Si、 GaAs为代表的第一代、第二代半导体之后发展起来的第三代半导体，是一项战略性的高新 技术，具有极其重要的应用价值。世界各国政府以及商业部门十分重视宽带隙半导体的研 究，近年来，宽带隙半导体技术的发展十分迅速。基于硫系半导体材料的相变存储器(chalcogenide based RAM, 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，是目前新型存储技术中最有竞争力的下一代存储技术， 受到世界企业界和科研工作者的关注。此外，PCRAM具有抗辐照(抗总剂量的能力大于 IMrad(Si))、耐高低温(_55_125°C )、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、British Areospace,Hitachi和Macronix等。2005年5月份，美国IBM、德国英飞凌科技、台湾旺宏 电子(Macronix International)宣布联合研究开发相变存储器，派遣20 25名技术人员 专门参与此项研究。3家公司分别提供各自擅长的技术进行研究，具体来说，就是将把IBM 拥有的有关材料以及物理特性的基础研究能力，英飞凌拥有的各种内存产品的研究、开发 和量产技术能力，以及旺宏电子的非挥发性内存技术能力集成到这项研究中。2009年，三星 宣布将进行512Mb的量产。为了实现高密度的相变存储，进一步提高相变存储器的速度、抗辐照等性能，本发 明拟提出一种利用宽带隙半导体二极管作为选通管的相变存储器器件单元。由于宽带隙半 导体材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强、击 穿电场强度高以及良好的化学稳定性等特点，适合制作高速、高密度、抗辐射的电子器件。 本专利技术提出的相变存储器件单元由一个由宽带隙半导体形成的二极管和一个可逆相变存 储介质构成，宽带隙半导体二极管不仅具有高速开关、低热导率、耐高压等特性，而且具有 很强的抗辐照能力，宽带隙半导体二极管与具有高速、高缩微能力、具有天然抗辐射等性能4的相变存储介质结合，可以集成出高速、高密度、低功耗、耐压、抗辐照的相变存储单元，进 而制备出高速、高密度、抗辐射的的相变存储器芯片。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用宽带隙半导体二极管作为选通管的相变存储器 件单元及方法。所述的相变存储单元是由一个基于宽带隙半导体的二极管(二极管可以是 p-n结二极管，也可以是肖特基二极管)和一个相变存储介质构成，其中二极管作为开关。 作为开关的宽带隙半导体二极管可以是由宽带隙半导体材料形成的p-n结二极管，也可以 是由宽带隙半导体材料和金属材料形成的肖特基势垒二极管。相变存储器件单元中的宽 带隙半导体二极管在下，相变存储介质在上，呈纵向排列结构，从而可以形成高密度的相变 存储器件单元。由于宽带隙半导体材料具有禁带宽度大(禁宽带度Eg介于2. 0-6. OeV之 间)、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强、击穿电场强度高以及良 好的化学稳定性等特点，适合制作高速、高密度、抗辐射的电子器件。宽带隙半导体二极管 与具有高速、高缩微能力、具有天然抗辐射等性能的相变存储介质结合，可以集成出高速、 低功耗、耐压、抗辐照的相变存储单元，进而制备出高速、高密度、抗辐射的的相变存储器芯 片，在高速、高密度、辐照等领域具有应用价值。本专利技术的主要工艺步骤如下(分p-n结二极管和肖特基二极管两种情况说明)(一 )制备宽带隙半导体p-n结二极管的主要步骤(1)在衬底上制备ρ型宽带隙半导体薄膜，厚度20-200nm ；(2)在ρ型宽带隙半导体薄膜上制备η型半导体薄膜，厚度20-200nm ；(3)刻蚀形成p-n结，尺寸在50-2000nm。(4)在p-n结上制备加热电极，厚度在lO-lOOnm，尺寸在20_1000nm。；(5)在加热电极上制备相变材料，厚度在30-300nm，尺寸在10_500nm。；(6)光刻和湿法刻蚀在相变材料上形成存储单元的顶电极；(7)将上述相变存储器件单元连接到电学测量系统中，进行相变存储器器件单元 的写、擦、读操作，研究其存储和疲劳等特性。( 二)制备宽带隙半导体肖特基二极管的主要步骤(1)在衬底上制备阴极，阴极材料可选用铝、金、钼、镍和钛等，厚度50-500nm ；(2)在阴极上制备宽带隙半导体薄膜，厚度20-200nm ；(3)在宽带隙半导体薄膜上制备阳极，阳极材料可选用钨、钛、TiN、金、钼、镍等，厚 度 50-500nm ；(4)在阳极上制备介质层，在介质层上原位形成加热电极材料的孔洞，孔洞的深度 50nm-150nm,孔洞直径 20_200nm ；(5)利用磁控溅射、CVD或ALD等方法在孔洞中淀积加热电极材料；(6)在上述孔洞内填充加热电极材料后，进行刻蚀或CMP，除去孔洞以外的加热电 极材料，形成柱状加热电极阵列；(7)在加热电极上制备相变材料，厚度在30-300nm，然后光刻形成相变材料阵列， 尺寸在10-500nm ；(8)利用CVD、ALD或高真空磁控溅射方法、电子束蒸发等方法在相变材料阵列上淀积一层电极材料；(9)光刻形成存储单元的顶电极；所述的衬底材料不受限制，为任何与该宽带隙半导体材料匹配的衬底，如蓝宝石 衬底，SiC衬底，Si衬底，或GaN衬底，等等。所述的用于制作肖特基二极管的宽带隙半导体材料不受限制，可以是金刚石，III 族氮化物，碳化物，氮化硼以及氧化物半导体(ZnO等)及固溶体等。所述制作肖特基二极管的阴极材料不受限制，不限于铝、金、钼、镍和钛等，可以是 其它任何与所用的宽带隙半导体材料匹配的金属材料，其厚度为50-500nm。所述的介质材料不受限制，可以为常用的Si02、SiNxM料，也可以是其它的介质材 料。所述的介质层上的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III族氮化物包括GaN、InN, AlN等及其三元和四元合金(包括InGaN、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴良才，宋志棠，倪鹤南，
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
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