[发明专利]一种相变存储器选通管及其存储单元

说明书

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（chalcogenide based 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、British Areospace、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；