CN107665894A - 基于二维半导体材料的半浮栅存储器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体存储器技术领域，具体为一种基于二维半导体材料的半浮栅存储器及其制备方法。本发明利用二维材料能带工程，实现了准‑非挥发存储特性，在写入速度纳秒级的情况下，数据保持能力达到几十秒，这一特性对于大幅降低随机存储器的功耗有重大帮助。本发明的二维半浮栅存储器的制备方法，包括能带设计、材料堆叠设计和电极版图设计。该存储器在保持纳秒级写入特性的前提下，大幅提升数据保持能力至几十秒；数据保持能力的提高可以极大的降低高速存储技术由于频繁刷新导致的功耗问题。

Description

基于二维半导体材料的半浮栅存储器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体存储器技术领域，具体涉及一种基于二维半导体材料的半浮栅存储器及其制备方法。
背景技术
现今主流的存储技术分为两类：挥发性存储技术和非挥发性存储技术。对于挥发性存储技术，主要是SRAM (static random access memory)和DRAM (dynamic randomaccess memory)。挥发性存储技术有着纳秒级的写入速度，然而其数据保持能力只有毫秒级，使得其只能用在缓存等有限的存储领域。对于非挥发性存储技术，如闪存技术，其数据保持能力可以达到10年，然而相对较慢的写入操作，极大的限制了其在高速存储领域的应用。
另一方面，二维材料开始走进人们的视线中受到越来越多的关注，如过渡金属硫化物。过渡族金属化合物不仅有较高的迁移率，而且当其薄膜厚度减到单层，仍然保持着优异的电学特性，是作半导体器件的良好材料。更为可贵的是二维材料表面没有悬挂键并且有着丰富的能带体系，这使得其在能带工程设计电子器件领域有着天然的优势。没有悬挂键的特性使得其可以自由堆叠电子器件，丰富的能带体系使得其可以满足各种新型电子器件所需的能带结构。
注意到，挥发性存储技术和非挥发性存储技术二者各有优点却也各有其弊端。挥发性技术有着高速写入的特点，使得其在高速存储领域有着不可动摇的地位，然而其毫秒级的数据保持能力极大的限制了其应用，带来了可观的功耗。与之相对的非挥发存储技术有着优秀的数据保持能力，然而低写入速度限制了其在高速存储领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在保持纳秒级写入特性的前提下，大幅提升数据保持能力的基于二维半导体材料的半浮栅存储器及其制备方法。
为了简化本发明，下文中对特定例子的材料和方法进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和其他材料的使用。
首先，根据本发明提供的两个能带设计原则（图2和图3），进行材料选取如下：材料1-WSe2，材料2-MoS2，材料3-hBN，材料4-HfS2，材料5-Al2O3。材料1、材料2、材料4有着依次增加的电子亲和能，WSe2~3.5eV,MoS2~4.0eV，HfS2~5.5eV。WSe2和MoS2构成了一个可以高速开关的PN结，WSe2、MoS2和HfS2构成了一个可以存储数据的阶梯层状能带。材料3、材料4、材料5构成传统的闪存势阱能带结构。
本发明提供的基于二维半导体材料的半浮栅存储器，其结构如图1所示，包括：衬底；位于衬底中间部位的栅极；覆盖衬底和栅极的材料5-Al2O3；材料5-Al2O3上与栅极对齐的材料4-HfS2；材料4-HfS2上的材料2-MoS2和材料3-hBN；材料2-MoS2和材料3-hBN上的材料1-WSe2；材料1-WSe2上的源极和漏极。这里，WSe2、MoS2构成一个可以高速开关的PN结，WSe2、MoS2、HfS2构成一个可以存储数据的阶梯层状能带。材料3-hBN、材料4-HfS2、材料5-Al2O3构成了传统的闪存势阱能带结构。源极电极对准WSe2（材料1）、MoS2（材料2）、HfS2（材料4）的重叠部分。
本发明提供的基于二维半导体材料的半浮栅存储器的制备方法，其流程如图4所示。具体步骤为：
（1）首先，在衬底上利用光刻技术或者电子束光刻等技术定义金属栅极的位置，采用物理气相沉积等技术淀积金属并进行剥离工艺获得金属栅极；
（2）随后，采用原子层淀积等技术淀积栅介质材料Al2O3（材料5）；
（3）转移二维材料，首先将浮栅材料HfS2（材料4）转移到栅极上方，MoS2（材料2）和hBN（材料3）彼此平行的转移到HfS2（材料4）上方，作为半闭合隧穿层，沟道材料WSe2（材料1）最后转移到最上方；
（4）制备源极和漏极电极，采用和栅极金属类似的手段实现。特别注意的是，源极电极需对准WSe2（材料1）、MoS2（材料2）、HfS2（材料4）的重叠部分，从而保证栅-源间的电场可以高速开关PN结，进而实现纳秒级的写入特性。另外，源极和漏极金属不能和MoS2（材料2）/HfS2（材料4）接触，否则将不能获得存储特性。
本发明可制备基于二维材料的半浮栅存储器，从而实现高速低功耗的随机存取存储器。
本发明将二维材料独特的特性和半浮栅架构相结合，提供了一种基于二维半导体材料的半浮栅存储器（Semi-floatingGateMemory, SFGmemory）。该存储器在保持纳秒级写入特性的前提下，大幅提升数据保持能力至几十秒。数据保持能力的提高可以极大的降低高速存储技术由于频繁刷新导致的功耗问题。
附图说明
图1为二维材料半浮栅存储器结构图示。
图2为源极能带结构图示。
图3为漏极能带结构图示。
图4为器件制备流程图示。
图中标号：材料1-5分别表示1为WSe2，2为MoS2，3为hBN，4为HfS2，5为Al2O3，6为衬底标，7为栅极标，8为源极标，9为漏极标。
具体实施方式
本发明提供的基于二维半导体材料的半浮栅存储器的制备方法，其流程如图4所示。具体步骤为：
（1）首先，在衬底上利用光刻技术或者电子束光刻等技术定义金属栅极的位置，采用物理气相沉积等技术淀积金属并进行剥离工艺获得金属栅极；
（2）随后，采用原子层淀积等技术淀积栅介质材料Al2O3（材料5）；
（3）转移二维材料，首先将浮栅材料HfS2（材料4）转移到栅极上方，MoS2（材料2）和hBN（材料3）彼此平行的转移到HfS2（材料4）上方，作为半闭合隧穿层，沟道材料WSe2（材料1）最后转移到最上方；
（4）制备源极和漏极电极，采用和栅极金属类似的手段实现。特别注意的是，源极电极需对准WSe2（材料1）、MoS2（材料2）、HfS2（材料4）的重叠部分，从而保证栅-源间的电场可以高速开关PN结，进而实现纳秒级的写入特性。另外，源极和漏极金属不能和MoS2（材料2）/HfS2（材料4）接触，否则将不能获得存储特性。
本发明的半浮栅存储器具体的写入和擦除操作叙述如下。对于写入操作，通过施加负极性栅压脉冲同时保持源/漏接地，材料1和材料2构成的PN结打开，大量电荷注入到浮栅层材料4，从而实现状态“1”的纳秒级的高速写入。撤去栅压后，浮栅中存储的电荷导致器件的阈值漂移，输出高电流。通过施加正极性栅压脉冲同时保持源/漏接地，材料1和材料2构成的PN结关闭，电荷隧穿通过材料3到浮栅层材料4，与其浮栅存储的电荷复合，从而实现状态“1”的擦除。值得注意的是，由于PN结漏电流的存在，状态并不能够一直保持，而是会随时间衰减。通过合理的能带设计，数据的保持能力可以相对于其它挥发性的存储技术的毫秒级保持量级提升到数十秒。
以上，对本发明的基于二维材料的半浮栅存储器制备方法进行了详细地说明，但本发明不限于以上的例子，在不脱离本发明的要旨的范围中，可以进行各种改良、变形。

Claims (2)

1.一种基于二维半导体材料的半浮栅存储器，其特征在于，包括：衬底，位于衬底中间部位的栅极，覆盖衬底和栅极的材料Al2O3，Al2O3上与栅极对齐的材料HfS2，HfS2上的材料MoS2和hBN，材料MoS2和hBN上的材料WSe2，WSe2上的源极和漏极；这里，WSe2、MoS2构成一个高速开关的PN结，WSe2、MoS2、HfS2构成一个存储数据的阶梯层状能带；材料hBN、HfS2、Al2O3构成闪存势阱能带结构；源极电极对准WSe2、MoS2、HfS2的重叠部分。
2.一种如权利要求1所述的基于二维半导体材料的半浮栅存储器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）首先，在衬底上利用光刻技术或者电子束光刻等技术定义金属栅极的位置，采用物理气相沉积技术淀积金属并进行剥离工艺获得金属栅极；
（2）随后，采用原子层淀积技术淀积栅介质材料Al2O3；
（3）转移二维材料，首先将浮栅材料HfS2转移到栅极上方，将MoS2和hBN彼此平行的转移到HfS2上方，作为半闭合隧穿层，沟道材料WSe2最后转移到最上方；
（4）制备源极和漏极电极，源极电极对准WSe2、MoS2、HfS2的重叠部分；源极和漏极金属不与材料MoS2、HfS2接触。
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