[發明專利]寬帶隙半導體二極管作為選通管相變存儲器及方法

有效

• 申請號: 201010252343.9
• 申請日: 2010-08-13
• 公開（公告）號: CN101976675A
• 公開（公告）日: 2011-02-16
• 發明（設計）人: 吳良才;宋志棠;倪鶴南
• 申請（專利權）人: 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;H01L29/861;H01L29/12;H01L21/77
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種利用寬帶隙半導體二極管作為選通管的相變存儲器器件單元及方法。所述的相變存儲器器件單元是由一個寬帶隙半導體二極管和一個可逆相變存儲介質構成。本發明屬于微電子學中特殊器件與工藝領域。

背景技術

以硅為基礎的微電子技術在信息技術中仍占據著重要的地位，但是寬帶隙半導體材料具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強、擊穿電場強度高以及良好的化學穩定性等特點，非常適合于制作高速、高密度、抗輻射的電子器件，在高速、高頻、大功率、輻射等方面得到越來越廣泛的應用。寬帶隙半導體是繼以Si、GaAs為代表的第一代、第二代半導體之后發展起來的第三代半導體，是一項戰略性的高新技術，具有極其重要的應用價值。世界各國政府以及商業部門十分重視寬帶隙半導體的研究，近年來，寬帶隙半導體技術的發展十分迅速。

基于硫系半導體材料的相變存儲器(chalcogenide?based?RAM，PCRAM)具有成本低，速度快，存儲密度高，制造簡單且與當前的CMOS(互補金屬-氧化物-半導體)集成電路工藝兼容性好的突出優點，是目前新型存儲技術中最有競爭力的下一代存儲技術，受到世界企業界和科研工作者的關注。此外，PCRAM具有抗輻照(抗總劑量的能力大于1Mrad(Si))、耐高低溫(-55-125℃)、抗強振動、抗電子干擾等性能，在國防和航空航天領域有重要的應用前景。自2003年起，國際半導體工業協會一直認為相變存儲器最有可能取代目前的SRAM(靜態隨機存取存儲器)、DRAM(動態隨機存取存儲器)和FLASH存儲器(閃速存儲器)等當今主流產品而成為未來存儲器主流產品的下一代半導體存儲器件。

目前國際上主要的電子和半導體公司都在致力于PCRAM的研制。主要研究單位有Ovonyx、Intel、Samsung、IBM、Bayer、ST?Micron、AMD、Panasonic、Sony、Philips、British?Areospace、Hitachi和Macronix等。2005年5月份，美國IBM、德國英飛凌科技、臺灣旺宏電子(Macronix?International)宣布聯合研究開發相變存儲器，派遣20～25名技術人員專門參與此項研究。3家公司分別提供各自擅長的技術進行研究，具體來說，就是將把IBM擁有的有關材料以及物理特性的基礎研究能力，英飛凌擁有的各種內存產品的研究、開發和量產技術能力，以及旺宏電子的非揮發性內存技術能力集成到這項研究中。2009年，三星宣布將進行512Mb的量產。

為了實現高密度的相變存儲，進一步提高相變存儲器的速度、抗輻照等性能，本發明擬提出一種利用寬帶隙半導體二極管作為選通管的相變存儲器器件單元。由于寬帶隙半導體材料具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強、擊穿電場強度高以及良好的化學穩定性等特點，適合制作高速、高密度、抗輻射的電子器件。本發明提出的相變存儲器件單元由一個由寬帶隙半導體形成的二極管和一個可逆相變存儲介質構成，寬帶隙半導體二極管不僅具有高速開關、低熱導率、耐高壓等特性，而且具有很強的抗輻照能力，寬帶隙半導體二極管與具有高速、高縮微能力、具有天然抗輻射等性能的相變存儲介質結合，可以集成出高速、高密度、低功耗、耐壓、抗輻照的相變存儲單元，進而制備出高速、高密度、抗輻射的的相變存儲器芯片。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用寬帶隙半導體二極管作為選通管的相變存儲器件單元及方法。所述的相變存儲單元是由一個基于寬帶隙半導體的二極管(二極管可以是p-n結二極管，也可以是肖特基二極管)和一個相變存儲介質構成，其中二極管作為開關。作為開關的寬帶隙半導體二極管可以是由寬帶隙半導體材料形成的p-n結二極管，也可以是由寬帶隙半導體材料和金屬材料形成的肖特基勢壘二極管。相變存儲器件單元中的寬帶隙半導體二極管在下，相變存儲介質在上，呈縱向排列結構，從而可以形成高密度的相變存儲器件單元。由于寬帶隙半導體材料具有禁帶寬度大(禁寬帶度Eg介于2.0-6.0eV之間)、飽和電子漂移速度高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強、擊穿電場強度高以及良好的化學穩定性等特點，適合制作高速、高密度、抗輻射的電子器件。寬帶隙半導體二極管與具有高速、高縮微能力、具有天然抗輻射等性能的相變存儲介質結合，可以集成出高速、低功耗、耐壓、抗輻照的相變存儲單元，進而制備出高速、高密度、抗輻射的的相變存儲器芯片，在高速、高密度、輻照等領域具有應用價值。

本發明的主要工藝步驟如下(分p-n結二極管和肖特基二極管兩種情況說明)：