CN111029341B - 钛酸铜钙栅介质层柔性底栅闪存存储器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性器件领域，为设计并制备一种基于柔性PET衬底的高介电常数栅介质层的底栅结构浮栅MOS管，采用磁控溅射的低温工艺，在较为简单的工艺中设计并制备底部驱动的柔性浮栅MOS管，极大丰富浮栅MOS管作为存储单元的存储器的用途，使得该柔性器件在大规模集成电路和可穿戴电子等领域得到广泛应用。本发明，钛酸铜钙栅介质层柔性底栅闪存存储器件及其制作方法，在PET衬底上依次形成有ITO底栅电极、CCTO栅介质层、ITO浮栅层和CCTO隧穿介质层，CCTO隧穿介质层上是在SOI层及在该层内形成的掺杂区，即MOS管的源极和漏极。本发明主要应用于柔性电子器件的设计制造场合。
Description
技术领域
本法明属于柔性器件领域，具体涉及到一种基于CCTO栅介质层的底栅结构浮栅MOS管的结构设计以及制备方法。
背景技术
柔性电子是将有机、无机材料电子器件制作在柔性、可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子科技，在信息、能源、医疗、国防等领域都具有广泛应用。如印刷射频识别标签(RFID)、电子用表面粘贴、有机发光二极管OLED、柔性电子显示器等。与传统集成电路(IC)技术一样，柔性电子技术发展的主要驱动力是制造工艺和装备。在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器件成为了制造的关键。
浮栅结构存储单元具有结构简单、耐久性和保持特性较为理想等优点，在存储器领域具有广泛应用和重要地位。如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存等。高介电常数材料的引入有助于缩减浮栅结构存储单元的物理尺寸，提高了存储速度和可靠性，从而实现更高性能和更高集成度的存储器。底栅结构的设计将控制栅和浮栅置于底部，使得器件从底部驱动，相比于传统结构，底栅结构在光刻方面减小了对准精度要求，工艺简单。
本发明采用一种基于钛酸铜钙(CCTO)介质层制备的新型工艺，主要工艺是：由磁控溅射技术淀积底栅电极、介质层、浮栅层和隧穿介质层，其中CCTO靶材采用固相法制备。光刻后离子刻蚀以及氢氟酸(HF)湿法刻蚀的技术，将SOI上的硅纳米膜剥离以及转移到柔性可弯曲PET衬底上，随后通过光刻和真空电子束蒸镀技术形成金属源漏电极，器件制备完成。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在设计并制备一种基于柔性PET衬底的高介电常数栅介质层的底栅结构浮栅MOS管，采用磁控溅射的低温工艺，在较为简单的工艺中设计并制备底部驱动的柔性浮栅MOS管，极大丰富浮栅MOS管作为存储单元的存储器的用途，使得该柔性器件在大规模集成电路和可穿戴电子等领域得到广泛应用。为此，本发明采取的技术方案是，钛酸铜钙栅介质层柔性底栅闪存存储器件，在PET衬底上依次形成有ITO底栅电极、CCTO栅介质层、ITO浮栅层和CCTO隧穿介质层，CCTO隧穿介质层上是在SOI层及在该层内形成的掺杂区，即MOS管的源极和漏极。
钛酸铜钙栅介质层柔性底栅闪存存储器件制作方法，采用磁控溅射工艺在PET衬底上形成ITO底栅电极、CCTO栅介质层、ITO浮栅层和CCTO隧穿介质层，随后在SOI上采用光刻工艺形成掺杂区图案以及离子注入的方式形成掺杂区，采用湿法HF刻蚀的方式剥离硅纳米膜层，通过转移技术将硅纳米薄膜转移到镀好底栅电极、栅介质层、浮栅层和隧穿介质层的PET衬底上，最后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式形成源漏电极，这样就完成了晶体管的制作。
硅纳米薄膜通过离子注入形成掺杂区，即MOS管的源极和漏极，未掺杂的部分作为MOS管的衬底。
具体的制作工艺如下：
a、选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到干净的衬底；
b、制备CCTO靶材：按化学计量比称取CaCO3粉末、CuO粉末和TiO2粉末，加入酒精作为溶剂充分研磨得到均匀细小颗粒，然后倒入坩埚中，预烧结，充分研磨预烧的粉末，再次预烧结，第二次预烧过后的粉末中加入浓度为5％的聚乙烯醇PVA溶液并充分研磨，然后加入靶材磨具中，在压力为40MPa，保压时间为10min的条件下压制成CCTO块体，最后进行烧结，将块体放在石英垫片上，先升温至600℃保温30min，随后升温至1100℃保温10h，得到CCTO薄膜靶材；
c、淀积控制栅电极层、CCTO栅介质层、浮栅层和隧穿介质层：采用磁控溅射技术在PET衬底上镀200nmITO膜、80nmCCTO薄膜、10nmITO薄膜和50nmCCTO薄膜；
d、选用SOI材料，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗，随后采用异丙醇洗净丙酮残留物，吹干SOI；
e、在SOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特定的掺杂区图案，随后采用离子注入进行N型注入，产生源漏掺杂区，快速热退火后，在丙酮溶液中除去光刻胶；
f、在3:1的氢氟酸HF溶液中，放入之前做好的SOI，两小时后SOI上的埋氧层将被腐蚀干净，随后硅纳米膜层将脱落，将硅纳米膜转移到已经镀好ITO和栅介质层的柔性PET衬底之上，烘干；
g、在转移到PET上的硅纳米膜上涂胶，对准光刻，形成源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀的方式形成金属源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。
本发明的特点及有益效果是：
本发明采用极大丰富浮栅MOS管作为存储单元的存储器，该存储单元的存储信息情况由此可被检测。此外，柔性衬底可以减少传统硅基衬底晶体管的寄生效应，并可以在不同的弯曲程度下工作，为高性能柔性电路的大规模集成以及可穿戴电子设备的广泛应用提供了可能。
附图说明：
附图1为柔性底栅结构浮栅MOS管的主视图，附图2为柔性底栅结构浮栅MOS管的三维立体图。
具体实施方式
本发明的技术方案在于采用磁控溅射工艺在PET衬底上形成ITO底栅电极、CCTO栅介质层、ITO浮栅层和CCTO隧穿介质层，随后在SOI上采用光刻工艺形成掺杂区图案以及离子注入形成掺杂区，采用湿法HF刻蚀的方式剥离硅纳米膜层，通过转移技术将硅纳米薄膜转移到PET衬底上，最后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式形成源漏电极，这样就完成了晶体管的制备。
该柔性底栅结构浮栅MOS管的主要工作原理在于，当器件作为flash存储单元进行写入或擦除时，在控制栅和漏极间施加负向或正向的高电压差，使得电子由于隧穿效应，在浮栅和沟道区之间转移，实现信息的存储和删除。当进行读取操作时，浮栅中有无隧穿电子，MOS管的阈值电压不同，此时在控制栅上施加一个中间电压，其值在两个阈值电压之间，这样就可以检测该存储单元的存储信息情况。此外，柔性衬底可以减少传统硅基衬底晶体管的寄生效应，并可以在不同的弯曲程度下工作，为高性能柔性电路的大规模集成以及可穿戴电子设备的广泛应用提供了可能。
下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。
浮栅MOS管作为flash存储单元时，在ITO底栅控制栅电极上施加不同偏压，从而实现存储单元不同的工作状态。存储单元写入信息是浮栅上电子进入衬底的过程，即当控制栅和漏极间施加较大负电压时，浮栅上电子穿过隧穿介质层进入衬底完成信息写入过程。存储单元擦除信息是衬底电子进入浮栅的过程，即当控制栅和漏极间施加较大正电压时，衬底沟道区反型层电子穿过隧穿介质层进入浮栅，并受到阻挡层的阻挡停留在浮栅内，完成信息的擦除。读取存储单元信息的原理是浮栅中电子改变了MOS管阈值电压大小，即当存储单元有信息写入时，浮栅中没有隧穿电子堆积，此时阈值电压设为Vth1，当存储单元无信息写入时，浮栅中有隧穿电子堆积，此时阈值电压设为Vth2，有Vth1>Vth2，在控制栅上施加介于两阈值电压之间的中间电平，则有信息写入时MOS管关断，无信息写入时MOS管导通，从而实现读取信息。
本发明选用高介电常数材料制作浮栅MOS管的阻挡层和隧穿介质层，有利于器件尺寸按比例缩减，提高存储器集成度和存储速度。底栅结构设计实现器件从底部进行驱动，减少了光刻工艺对准精度，使得工艺更加简单。此外，本发明将存储单元集成在柔性塑料衬底上，当衬底弯曲时存储器依旧可以正常工作。该器件可以在可穿戴电子、人工皮肤、生物医疗等方面取得广泛应用。
具体的制作工艺如下：
a、选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到较为清洁的衬底。
b、制备CCTO(CaCu3Ti4O12)靶材：按化学计量比称取CaCO3粉末、CuO粉末和TiO2粉末，加入酒精作为溶剂充分研磨得到均匀细小颗粒。然后倒入坩埚中，在900℃的温度下预烧结10h。充分研磨预烧的粉末，在1000℃下再次预烧结10h。第二次预烧过后的粉末中加入浓度为5％的聚乙烯醇(PVA)溶液并充分研磨，然后加入靶材磨具中，在压力为40MPa，保压时间为10min的条件下压制成CCTO块体。最后进行烧结，将块体放在石英垫片上，先升温至600℃保温30min，随后升温至1100℃保温10h，得到CCTO薄膜靶材。淀积控制栅电极层、CCTO栅介质层、浮栅层和隧穿介质层：采用磁控溅射技术在PET衬底上镀200nmITO膜、80nmCCTO薄膜、10nmITO薄膜和50nmCCTO薄膜。
c、选用SOI材料，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗，随后采用异丙醇洗净丙酮残留物，吹干SOI。
d、在SOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，设置转速为4000rpm，转动时间为30s，将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特定的掺杂区图案，随后采用离子注入进行N型掺杂，参数为注入能量为40Kev，剂量为4*1015cm-2，产生源漏掺杂区，在750℃的温度条件下，快速热退火10s之后，在丙酮溶液中除去光刻胶。
e、在3:1的氢氟酸(HF)溶液中，放入之前做好的SOI，两小时后SOI上的埋氧层将被腐蚀干净，随后硅纳米膜层将脱落，将硅纳米膜转移到已经镀好ITO和栅介质层的柔性PET衬底之上，烘干。
f、在转移到PET上的硅纳米膜上涂胶，对准光刻，形成源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀的方式形成100nm的金属源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。
Claims (4)
1.一种钛酸铜钙栅介质层柔性底栅闪存存储器件，其特征是，在PET衬底上依次形成有ITO底栅电极、CCTO栅介质层、ITO浮栅层和CCTO隧穿介质层，CCTO隧穿介质层上是在SOI层及在该层内形成的掺杂区，即MOS管的源极和漏极。
2.一种钛酸铜钙栅介质层柔性底栅闪存存储器件制作方法，其特征是，钛酸铜钙栅介质层柔性底栅闪存存储器件制作方法，采用磁控溅射工艺在PET衬底上形成ITO底栅电极、CCTO栅介质层、ITO浮栅层和CCTO隧穿介质层，随后在SOI上采用光刻工艺形成掺杂区图案以及离子注入的方式形成掺杂区，采用湿法HF刻蚀的方式剥离硅纳米膜层，通过转移技术将硅纳米薄膜转移到镀好底栅电极、栅介质层、浮栅层和隧穿介质层的PET衬底上，最后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式形成源漏电极，这样就完成了晶体管的制作。
3.如权利要求2所述的钛酸铜钙栅介质层柔性底栅闪存存储器件制作方法，其特征是，硅纳米薄膜通过离子注入形成掺杂区，即MOS管的源极和漏极，未掺杂的部分作为MOS管的衬底。
4.如权利要求2所述的钛酸铜钙栅介质层柔性底栅闪存存储器件制作方法，其特征是，具体的制作工艺如下：
a、选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到干净的衬底；
b、制备CCTO靶材：按化学计量比称取CaCO3粉末、CuO粉末和TiO2粉末，加入酒精作为溶剂充分研磨得到均匀细小颗粒，然后倒入坩埚中，预烧结，充分研磨预烧的粉末，再次预烧结，第二次预烧过后的粉末中加入浓度为5％的聚乙烯醇PVA溶液并充分研磨，然后加入靶材磨具中，在压力为40MPa，保压时间为10min的条件下压制成CCTO块体，最后进行烧结，将块体放在石英垫片上，先升温至600℃保温30min，随后升温至1100℃保温10h，得到CCTO薄膜靶材；
c、淀积控制栅电极层、CCTO栅介质层、浮栅层和隧穿介质层：采用磁控溅射技术在PET衬底上镀200nmITO膜、80nmCCTO薄膜、10nmITO薄膜和50nmCCTO薄膜；
d、选用SOI材料，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗，随后采用异丙醇洗净丙酮残留物，吹干SOI；
e、在SOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特定的掺杂区图案，随后采用离子注入进行N型注入，产生源漏掺杂区，快速热退火后，在丙酮溶液中除去光刻胶；
f、在3:1的氢氟酸HF溶液中，放入之前做好的SOI，两小时后SOI上的埋氧层将被腐蚀干净，随后硅纳米膜层将脱落，将硅纳米膜转移到已经镀好ITO和栅介质层的柔性PET衬底之上，烘干；
g、在转移到PET上的硅纳米膜上涂胶，对准光刻，形成源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀的方式形成金属源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。
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