[發明專利]一種相變納米晶體管單元器件及其制作方法

有效

• 申請號: 200810037819.X
• 申請日: 2008-05-22
• 公開（公告）號: CN101587905A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 周偉民;宋志棠;鈕曉鳴;劉彥伯;閔國全;李小麗;萬永中;張靜;封松林
• 申請（專利權）人: 上海市納米科技與產業發展促進中心;中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L27/24
• 分類號: H01L27/24;H01L21/822;G11C11/56;G11C16/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種相變晶體管器件單元及其制作方法，屬于納米制造和納電 子器件領域。

背景技術

相變存儲器是基于Ovshinsky在20世紀60年代提出Ovshinsky電子效益 的存儲器，又稱為CRAM。相變存儲器是一個兩端薄膜器件，薄膜材料主要使 用的是硫系化合物Ge₂Sb₂Te₅(GST)，利用電能GST在晶態(低阻)和非晶態(高 阻)之間相互轉換實現數據的寫入和擦除。但是由于制作工藝的限制，在最初 的30多年內幾乎沒有發展，直到近些年隨著半導體技術快速發展以及市場巨大 的需求，CRAM技術才逐漸顯示出來，并被認為是最有希望的下一代主要存儲 技術。然而，目前相變存儲器還存在許多問題，離商業化還有一段距離，如最 重要的問題是寫電流(Ireset)過大。解決此問題主要有兩方面：(1)對器件幾 何尺寸優化，減少GST相變材料與電極的接觸面積；(2)對相變材料進行優化 改性，設計出相變材料的最佳組份。Samsung公司在GST中摻N，明顯提高了 GST的電阻率，這樣就降低了操作電流。采用GST薄膜CRAM的Reset電流 為1.5mA，摻雜N后，電流降為0.6mA。耐久性能實驗顯示，經過2×10^-7次循 環后，摻雜N的存儲器的開關比大于10，而未摻雜的開關比僅為2[Horri，H，Yi? JH，Park?J?H，etc“A?novel?cell?technology?using?N-doped?GeSbTe?film?for?phase? change?RAM，”Symposium?on?VLSI?technology，2003，177-178]。

納米材料具有量子尺寸效應、小體積效應、表面效應和宏觀量子隧道效應 等，這使得納米體系材料的光、電、磁、熱等物理性質與常規材料表現不同， 出現許多新奇的特性。2005年Nature報道了Philips研究實驗室用相變納米線 作為存儲材料的存儲結果。實驗中用光刻工藝實現了Sb/Te相變材料納米線， 其納米線周圍被SiO₂包裹，具有低熱導和低功耗和低電流。減少納米線的長度 (50nm)就減少了閾值電壓(0.7V)，測試結果表明，其讀寫速度比Flash快 100-200倍，期望可以代替動態RAM[Nature.Mater.(2005)4(4)，347]。

集成電路的基礎是三極管和場效應晶體管(MOSFET)。隨著下一代納米 器件的發展，出現了納電子器件模型有：雙柵FET，環繞柵FET和勢壘FET等。 其中環繞柵FET結構最優，可能成為納電子主流模型，其器件溝道的長度更容 易實現30nm以下甚至更小，具有低功耗和高密度集成特點。

中科院上海微系統研究所提出了一種相變薄膜場效益晶體管，用相變材料 代替了場效應晶體管里的硅，實現了多級存儲性能。[參見中國專利：申請號 200610024614.9，公開號CN1845339A，公開日期2006年10月11號]。日本學 者也提出了相變薄膜效益晶體管的概念。[Microelectronic?Engineering?73-74 (2004)736-740]。這為本發明提供了理論依據，即晶體管具有存儲特性。經對現 有的文獻檢索發現，至今還沒有報道過納米同軸環繞柵相變存儲器。

發明內容

本發明提出了一種相變晶體管器件單元及其制作方法，與現有的半導體加 工工藝兼容性良好、工藝簡單、實現柵-源-漏自對準，提供芯片集成密度。 真正實現相變存儲器的高集成度、高速、低壓低功耗以及大容量的特點。

本發明通過以下技術方案實現的，包含以下步驟：一種相變晶體管器件單 元的制作方法，所述制作方法包括如下步驟：步驟一，提供Si襯底，在Si襯 底上制備下電極；步驟二，在所述下電極上制作柱狀相變材料；步驟三，在所 述柱狀相變材料周圍生長一層柵介質，再在所述柵介質周圍包裹一層金屬柵極； 步驟四，在所述金屬柵極上旋涂一層光刻膠，等離子刻蝕，光刻膠作為掩模來 控制金屬柵極長度，再用等離子刻蝕掉留下的光刻膠；步驟五，在所述金屬柵 極周圍沉積SiO₂介質；步驟六，在所述SiO₂介質上沉積金屬層作為上電極；步 驟七，然后退火，引線，封裝，形成相變晶體管器件單元。