一种相变存储器选通管及其存储单元制造技术

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种相变存储器选通管及其存储单元
本专利技术涉及一种用于高速、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。本专利技术属于微电子学中新型器件与工艺领域。
技术介绍
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IGb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 IGb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1nm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:NM0SFET选通、BJT选通、二极管(D1de)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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术提出一种以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。本专利技术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5(Tl50nm ；2.在上述绝缘介质薄膜上制备MoS2薄膜，薄膜厚度5?100nm ；3.利用电子束曝光和反应离子刻蚀法制备MoS2%效应管有源区；4.在MoS2%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、钥、镍等，厚度5(T200nm ；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Si02等介质薄膜，薄膜厚度5(Tl00nm ；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50nm?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5(T200 nm；15.利用光刻或湿法刻蚀形成本专利技术所述的以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%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、钥、镍和钛等，可以是其它任何金属材料或导电材料，其厚度为5(T200 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S12, 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等具有较闻电阻率的氣化物材料及其惨杂后的材料，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、MoS2 MOSFET ;2、介质层；3、纳米加热电极；本文档来自技高网...

【技术保护点】
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是一种极薄的二维硫系化合物半导体材，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。

【技术特征摘要】
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是一种极薄的二维硫系化合物半导体材，其禁带宽度Eg在1.(Γ2.0 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.—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.—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。4.一种以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...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩培高，钱波，吴良才，宋志棠，孟云，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37