[发明专利]一种相变纳米晶体管单元器件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种相变晶体管器件单元及其制作方法，属于纳米制造和纳电 子器件领域。

背景技术

相变存储器是基于Ovshinsky在20世纪60年代提出Ovshinsky电子效益 的存储器，又称为CRAM。相变存储器是一个两端薄膜器件，薄膜材料主要使 用的是硫系化合物Ge₂Sb₂Te₅(GST)，利用电能GST在晶态(低阻)和非晶态(高 阻)之间相互转换实现数据的写入和擦除。但是由于制作工艺的限制，在最初 的30多年内几乎没有发展，直到近些年随着半导体技术快速发展以及市场巨大 的需求，CRAM技术才逐渐显示出来，并被认为是最有希望的下一代主要存储 技术。然而，目前相变存储器还存在许多问题，离商业化还有一段距离，如最 重要的问题是写电流(Ireset)过大。解决此问题主要有两方面：(1)对器件几 何尺寸优化，减少GST相变材料与电极的接触面积；(2)对相变材料进行优化 改性，设计出相变材料的最佳组份。Samsung公司在GST中掺N，明显提高了 GST的电阻率，这样就降低了操作电流。采用GST薄膜CRAM的Reset电流 为1.5mA，掺杂N后，电流降为0.6mA。耐久性能实验显示，经过2×10^-7次循 环后，掺杂N的存储器的开关比大于10，而未掺杂的开关比仅为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]。

纳米材料具有量子尺寸效应、小体积效应、表面效应和宏观量子隧道效应 等，这使得纳米体系材料的光、电、磁、热等物理性质与常规材料表现不同， 出现许多新奇的特性。2005年Nature报道了Philips研究实验室用相变纳米线 作为存储材料的存储结果。实验中用光刻工艺实现了Sb/Te相变材料纳米线， 其纳米线周围被SiO₂包裹，具有低热导和低功耗和低电流。减少纳米线的长度 (50nm)就减少了阈值电压(0.7V)，测试结果表明，其读写速度比Flash快 100-200倍，期望可以代替动态RAM[Nature.Mater.(2005)4(4)，347]。

集成电路的基础是三极管和场效应晶体管(MOSFET)。随着下一代纳米 器件的发展，出现了纳电子器件模型有：双栅FET，环绕栅FET和势垒FET等。 其中环绕栅FET结构最优，可能成为纳电子主流模型，其器件沟道的长度更容 易实现30nm以下甚至更小，具有低功耗和高密度集成特点。

中科院上海微系统研究所提出了一种相变薄膜场效益晶体管，用相变材料 代替了场效应晶体管里的硅，实现了多级存储性能。[参见中国专利：申请号 200610024614.9，公开号CN1845339A，公开日期2006年10月11号]。日本学 者也提出了相变薄膜效益晶体管的概念。[Microelectronic Engineering 73-74 (2004)736-740]。这为本发明提供了理论依据，即晶体管具有存储特性。经对现 有的文献检索发现，至今还没有报道过纳米同轴环绕栅相变存储器。

发明内容

本发明提出了一种相变晶体管器件单元及其制作方法，与现有的半导体加 工工艺兼容性良好、工艺简单、实现栅-源-漏自对准，提供芯片集成密度。 真正实现相变存储器的高集成度、高速、低压低功耗以及大容量的特点。

本发明通过以下技术方案实现的，包含以下步骤：一种相变晶体管器件单 元的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：步骤一，提供Si衬底，在Si衬 底上制备下电极；步骤二，在所述下电极上制作柱状相变材料；步骤三，在所 述柱状相变材料周围生长一层栅介质，再在所述栅介质周围包裹一层金属栅极； 步骤四，在所述金属栅极上旋涂一层光刻胶，等离子刻蚀，光刻胶作为掩模来 控制金属栅极长度，再用等离子刻蚀掉留下的光刻胶；步骤五，在所述金属栅 极周围沉积SiO₂介质；步骤六，在所述SiO₂介质上沉积金属层作为上电极；步 骤七，然后退火，引线，封装，形成相变晶体管器件单元。