[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

说明书

技术领域

本发明涉及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及方法。所述的相变存储器器件单元是由一个宽带隙半导体二极管和一个可逆相变存储介质构成。本发明属于微电子学中特殊器件与工艺领域。

背景技术

以硅为基础的微电子技术在信息技术中仍占据着重要的地位，但是宽带隙半导体材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强、击穿电场强度高以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作高速、高密度、抗辐射的电子器件，在高速、高频、大功率、辐射等方面得到越来越广泛的应用。宽带隙半导体是继以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体之后发展起来的第三代半导体，是一项战略性的高新技术，具有极其重要的应用价值。世界各国政府以及商业部门十分重视宽带隙半导体的研究，近年来，宽带隙半导体技术的发展十分迅速。

基于硫系半导体材料的相变存储器(chalcogenide based RAM，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，是目前新型存储技术中最有竞争力的下一代存储技术，受到世界企业界和科研工作者的关注。此外，PCRAM具有抗辐照(抗总剂量的能力大于1Mrad(Si))、耐高低温(-55-125℃)、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。2005年5月份，美国IBM、德国英飞凌科技、台湾旺宏电子(Macronix International)宣布联合研究开发相变存储器，派遣20～25名技术人员专门参与此项研究。3家公司分别提供各自擅长的技术进行研究，具体来说，就是将把IBM拥有的有关材料以及物理特性的基础研究能力，英飞凌拥有的各种内存产品的研究、开发和量产技术能力，以及旺宏电子的非挥发性内存技术能力集成到这项研究中。2009年，三星宣布将进行512Mb的量产。

为了实现高密度的相变存储，进一步提高相变存储器的速度、抗辐照等性能，本发明拟提出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。由于宽带隙半导体材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强、击穿电场强度高以及良好的化学稳定性等特点，适合制作高速、高密度、抗辐射的电子器件。本发明提出的相变存储器件单元由一个由宽带隙半导体形成的二极管和一个可逆相变存储介质构成，宽带隙半导体二极管不仅具有高速开关、低热导率、耐高压等特性，而且具有很强的抗辐照能力，宽带隙半导体二极管与具有高速、高缩微能力、具有天然抗辐射等性能的相变存储介质结合，可以集成出高速、高密度、低功耗、耐压、抗辐照的相变存储单元，进而制备出高速、高密度、抗辐射的的相变存储器芯片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用宽带隙半导体二极管作为选通管的相变存储器件单元及方法。所述的相变存储单元是由一个基于宽带隙半导体的二极管(二极管可以是p-n结二极管，也可以是肖特基二极管)和一个相变存储介质构成，其中二极管作为开关。作为开关的宽带隙半导体二极管可以是由宽带隙半导体材料形成的p-n结二极管，也可以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。相变存储器件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，从而可以形成高密度的相变存储器件单元。由于宽带隙半导体材料具有禁带宽度大(禁宽带度Eg介于2.0-6.0eV之间)、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强、击穿电场强度高以及良好的化学稳定性等特点，适合制作高速、高密度、抗辐射的电子器件。宽带隙半导体二极管与具有高速、高缩微能力、具有天然抗辐射等性能的相变存储介质结合，可以集成出高速、低功耗、耐压、抗辐照的相变存储单元，进而制备出高速、高密度、抗辐射的的相变存储器芯片，在高速、高密度、辐照等领域具有应用价值。

本发明的主要工艺步骤如下(分p-n结二极管和肖特基二极管两种情况说明)：