[发明专利]基于相变量子点的存储器件及其制备方法

说明书

背景技术

近年来消费型电子市场的快速发展，作为半导体和信息产业重要组成部分的存储器的市场越来越大。目前市场上主流的存储器是动态随机存储器和闪速存储器。动态随机存储器虽然具有高容量低成本的优点，但是动态随机存储器在供电电源关闭后数据不能保存，这样就限制了动态随机存储器的应用范围。此外，动态随机存储器的特征尺寸缩小到接近45纳米后对材料的要求很高，需采用介电常数大于700的超高介电常数的材料才能保持足够高的电容量。闪速存储器虽然是一种非易失性的存储技术，但是闪速存储器也存在功耗大、抗辐照能力差、循环寿命短、面临尺寸缩小的限制等缺点。

随着半导体信息技术的飞速发展，以纳米晶浮栅存储器和相变存储器为代表的具有低压、低功耗、高速、循环寿命长等优异性能的新型存储器受到产业界的广泛关注。纳米晶浮栅存储器以介质中的纳米晶或纳米点作为电荷存储单元，而相变存储器是利用相变材料所具有的非晶态与晶态相变特性实现信息存储的一种新型存储器。但这两种存储器只能单一的通过电荷存储或相变存储来实现信息存储，存储状态简单。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存储状态单一的问题，提供一种基于相变量子点的存储器件及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明供一种基于相变量子点的存储器件，包括半导体衬底、隧穿层、相变量子点薄膜层、阻挡层、第一电极以及第二电极。隧穿层设置于半导体衬底。相变量子点薄膜层设置于隧穿层，相变量子点薄膜层包括相变量子点，相变量子点在不同的外部能量下具有晶态和非晶态两种状态，且晶态和非晶态间的变化是可逆变的，相变量子点通过俘获隧穿电荷以及晶态的转变来实现信息存储。阻挡层设置于相变量子点薄膜层，阻挡层可阻挡相变量子点俘获的电荷进入第一电极。第一电极给阻挡层供电。第二电极给半导体衬底供电。

于本发明一实施例中，相变量子点薄膜层由GeTe组成，且厚度为3～10纳米。

于本发明一实施例中，隧穿层为二氧化硅，且隧穿层的厚度为1～3纳米。

于本发明一实施例中，阻挡层为具有物理厚度大等效厚度小的高介电常数材料，且所述阻挡层厚度为15～50纳米。

于本发明一实施例中，半导体衬底的材料为硅、锗或绝缘体上硅中的任一种。

于本发明一实施例中，半导体衬底的导电类型为P型或N型。

相应的，本发明还提供一种基于相变量子点的存储器件的制备方法，包括选取半导体衬底，并对半导体衬底进行清洗。在半导体衬底上形成隧穿层。在隧穿层上形成相变量子点薄膜层。对相变量子点薄膜层、位于相变量子点薄膜层下的隧穿层以及位于隧穿层下的半导体衬底进行退火，使相变量子点薄膜层具有相变量子点。在已形成相变量子点的相变量子点薄膜层上形成阻挡层。形成给阻挡层供电的第一电极以及给半导体衬底供电的第二电极。

于本发明一实施例中，采用氧化法或淀积法形成隧穿层。

于本发明一实施例中，采用合金靶溅射法、共溅射法、原子层沉积法、化学气相沉积法或蒸发法中的任一种形成相变量子点薄膜层。

于本发明一实施例中，采用原子层沉积方法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、磁控溅射法或电子束蒸发法中的任一种形成阻挡层。

综上所述，与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：通过在半导体衬底上设置隧穿层，并在隧穿层上设置相变量子点薄膜层，半导体衬底中的电荷受外电压的影响可发生隧穿效应穿过隧穿层进入相变量子点薄膜层，相变量子点薄膜层内的相变量子点可俘获隧穿电荷并对俘获的电荷进行存储，实现数据的写入。相同的，相变量子点俘获的电荷亦可受外电压的影响发生隧穿效应从而穿过隧穿层进入半导体衬底，实现数据的擦除。此外，相变量子点还可根据外电压的不同在晶态和非晶态间发生可重复性的相变转换，晶态和非晶态具有不同的电阻率，因而可分别代表不同的存储状态，从而实现相变存储。结合电荷存储，本发明在非晶态具有两个存储状态，在晶态下也有两个存储状态，实现多态存储。通过设置阻挡层，其可提高相变量子点薄膜层内的电荷存储量，并阻挡相变量子点薄膜层俘获的电荷进入第一电极，提高信息存储准确性。通过设置第一电极和第二电极，外加电压通过第一电极和第二电极作用于半导体衬底、隧穿层、相变量子点薄膜层以及阻挡层。