[发明专利]宽带隙半导体二极管作为选通管相变存储器及方法

权利要求书

1.一种利用宽带隙半导体二极管作为选通管的相变存储器器件单元，其特征在于

(a)所述的相变存储器器件单元是由一个基于宽带隙半导体二极管和一个相变存储介质构成，其中宽带隙半导体二极管作为开关；

(b)作为开关的宽带隙半导体二极管是由宽带隙半导体材料形成的p-n结二极管或是由宽带隙半导体材料和金属材料形成的肖特基势垒二极管；

(c)宽带隙半导体材料的禁带宽度Eg在2.0-6.0eV之间；

(d)存储单元中的宽带隙半导体二极管在下，相变存储介质在上，呈纵向排列结构，从而形成高密度的相变存储器件单元。

2.按权利要求1所述的相变存储器器件单元，其特征在于宽带隙半导体材料包括金刚石，III族氮化物，碳化物，氮化硼、ZnO在内的氧化物半导体及固溶体。

3.按权利要求2所述的相变存储器器件单元，其特征在于：

①所述的III族氮化物为GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN或AlInGaN；

②所述的碳化物为SiC、4H-SiC或6H-SiC；

③所述的氧化物为ZnO、TiO₂或W₂O₃。

4.按权利要求1所述的利用宽带隙半导体二极管作为相变存储器的选通管，其特征在于宽带隙半导体材料和金属材料形成的肖特基势垒二极管的上、下电极为包含铝、铜、钨或钛在内的金属材料。

5.制备如权利要求1-3中任一项所述的相变存储器器件单元，其特征在于

(A)制备宽带隙半导体p-n结二极管的主要步骤：

(a)在衬底上制备p型宽带隙半导体薄膜，厚度20-200nm；

(b)在p型宽带隙半导体薄膜上制备n型半导体薄膜，厚度20-200nm；

(c)刻蚀形成p-n结；

(d)在p-n结上制备加热电极，厚度在10-100nm；

(e)在加热电极上制备相变材料，厚度在30-300nm；

(f)光刻和湿法刻蚀在相变材料上形成存储单元的顶电极；

(B)制备宽带隙半导体肖特基二极管的主要步骤：

(a)在衬底上制备阴极，阴极材料为铝、金、钼、镍或钛；厚度50-500nm；

(b)在阴极上制备宽带隙半导体薄膜，厚度20-200nm；

(c)在宽带隙半导体薄膜上制备阳极，阳极材料为钨、钛、TiN、金、钼或镍，厚度50-500nm；

(d)在阳极上制备介质材料层，在介质层上原位形成加热电极材料的孔洞，孔洞底部与肖特基二极管阳极相连，孔洞的深度50nm-150nm，孔洞直径20-200nm；

(e)利用磁控溅射、CVD或ALD方法在孔洞中淀积可逆加热电极材料；

(f)在上述孔洞内填充相变材料后，进行刻蚀或CMP，除去孔洞以外的加热电极材料，形成柱状加热电极阵列；

(g)在加热电极上制备相变材料，厚度在30-300nm，然后光刻形成形变材料阵列；

(h)利用CVD、ALD或高真空磁控溅射方法、电子束蒸发方法在相变材料阵列上淀积一层电极材料；

(i)光刻形成存储单元的顶电极。

6.按权利要求5所述的制备方法，其特征在于方法A和B中衬底材料为蓝宝石、SiC、Si或GaN。

7.按权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

①所述的介质层材料为包括SiO₂或SiN_x在内的介质材料；所述的加热电极材料为W；

②介质层上原位形成孔洞的方法为聚焦离子束刻蚀、电子束曝光或反应离子刻蚀。

8.按权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的可逆相变材料为Ge-Sb-Te、SbTe、Ge-Te、Si-Sb、Si-Sb-Te、或掺杂Sn、Ag或N的GeSbTe和SiSbTe。

9.按权利要求7所述的制备方法，其特征在于在W加热电极上制备一层TiN或TiO₂高电阻率的薄膜，提高加热效果。