[发明专利]一种含石墨烯电极材料的相变存储器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件制备领域，特别是涉及一种含石墨烯电极材料的相变存储器的制备方法。

背景技术

相变存储器(PRAM)是基于硫系化合物相变材料电阻的可逆变化实现信息的存储。与目前市场上的主流半导体存储技术相比，C-RAM具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照(其抗总剂量的能力大于1Mrad)、耐高温及低温(-55℃～125℃)、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单等优点，不仅能够在移动电话、数码相机、MP3播放器、移动存储卡等民用微电子领域得到广泛应用，而且在航空航天或导弹系统等军用领域中有重要的应用前景。因此，国际上的Ovonyx、英特尔、三星、意法半导体和日立等半导体行业的大公司以及美国空军研究实验室都致力于C-RAM的研发，并且在最近五年内取得了一系列重大技术的突破，让业界看到了其实用化的曙光。为此，2003年版的国际半导体工业协会规划中指出，PRAM最有可能取代目前的FLASH而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等制备出了石墨烯。石墨烯是目前世界上最薄的物质。由于碳原子间的作用力很强，因此即使经过多次的剥离，石墨烯的晶体结构依然相当完整，这就保证了电子能在石墨烯平面上畅通无阻的迁移，其迁移速率为传统半导体硅材料的数十至上百倍。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。目前科学家们已经研制出了石墨烯晶体管的原型，并且乐观地预计不久就会出现全由石墨烯构成的全碳电路并广泛应用于人们的日常生活中。此外，二维石墨烯材料中的电子行为与三维材料截然不同，无法用传统的量子力学加以解释，而必须运用更为复杂的相对论量子力学来阐释。卓越的导电能力以及足够的物理强度使科学家加快了对石墨烯的研究。并且为下一代半导体材料的选择提供一个新的途径。

虽然近年来对PRAM的研究有较大的进展，但是在真正实用化之前还有很多问题需要解决，如嵌入式应用中的低功耗方面的问题、动态存储中循环次数的提供问题、海量信息存储应用时高密度方面的问题等等。针对低功耗方面的研究提出了很多相应的方案，如对相变材料改性，将底层电极尽可能的减小以降低电极与相变材料接触的有效面积，选择新型的电极材料(石墨烯材料)也是一个可行的方法。

有鉴于此，如何将石墨烯作为电极材料制备于相变存储器件上，使其与相变材料接触时有效接触面积将比目前光刻技术可以达到的极限尺寸小的多，以达到充分降低器件操作电流以及功耗的目的，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种含石墨烯电极材料的相变存储器的制备方法，使石墨烯电极材料与相变材料接触时，二者的有效接触面积将比目前光刻技术可以达到的极限尺寸小的多，进而以达到充分降低器件操作电流以及功耗的目的。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种含石墨烯电极材料的相变存储器的制备方法，所述相变存储器的制备方法至少包括以下步骤：

1)提供一硅片衬底，并将所述硅片衬底做清洗处理；

2)采用化学气相沉积工艺在所述硅片衬底表面制备一层厚度为300～500nm的介质层；

3)采用化学分散法制备石墨烯纳米材料，并将制备的石墨烯纳米材料转移至所述介质层上形成单层石墨烯；

4)采用聚焦离子束沉积工艺在所述介质层上以及所述单层石墨烯的周围制备多个厚度为200nm的对准标记图形；

5)利用电子束光刻工艺结合反应离子刻蚀工艺将所述单层石墨烯加工成电极对阵列，刻蚀深度为15～20nm，电子束光刻后形成的相邻的两个电极对之间的间距小于30nm；

6)采用聚焦离子束沉积工艺在所述电极对的两端分别制备出厚度为200nm的独立电极及公共电极；

7)采用磁控溅射工艺并依据所述对准标记执行对准程序，在相对应的各电极对中电极之间的预接合处沉积厚度为100nm的相变材料；

8)采用沉积剥离工艺在所述相变材料上制备厚度为200nm绝热保护层；

9)采用沉积剥离工艺制备出厚度为200nm的用于连接所述独立电极的测试独立电极以及用于连接所述公共电极的测试公共电极。

在本发明相变存储器的制备方法的步骤1)中将所述硅片衬底做清洗处理的过程包括以下步骤：