CN114551585B - 一种基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发公开了一种基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器及其制作方法，将氮化硅和石墨烯结合，通过在纳米晶颗粒上形成氮化硅和石墨烯，石墨烯作为栅极，纳米晶粒存储数据+氮化硅消除双光子吸收效应和自由载流子效应的影响+石墨烯超大的光吸收带宽这种组合可以有效提高器件对入射光的收集效率，增强光电转换效率，降低接触电阻，从而达到了在低操作电压的情况下，也能有很高的器件的存储密度和读取写入速度，同时该器件也可兼容标准CMOS工艺，大大提高了其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种存储器及其制作方法，具体涉及一种场效应晶体管存储器及其制作方法。
背景技术
存储器件一般可分为挥发性存储器和非挥发性存储器，非挥发性存储器在不加电的情况下仍能够长期保持存储的信息。在众多非易失性存储器件当中，硅(Si) -氧化物(SiO2) -氮化硅(Si3N4)-氧化物(SiO2)-硅(Si)存储器(SONOS)以其稳定性高、与半导体工艺兼容性好等优点成为一种极具应用前景的场效应晶体管存储器件，其中紧邻Si衬底的SiO2为隧穿层，Si3N4为存储层，紧挨着多晶硅栅极电极的SiO2为阻挡层。器件在编程操作下，电荷穿过隧穿层，进入到存储层，被存储层中的缺陷陷阱俘获，从而达到信息存储的目的，其中阻挡层和隧穿层的存在，抑制了存储电荷在数据保持状态下，向衬底和栅极电极方向的泄漏。
SONOS存储器工作原理为：在编程时，通过施加一种电压，使沟道内的载流子穿过隧穿层，进入存储层存储数据；擦除时，通过施加与编程相反的操作电压，使存储层内的载流子回到沟道内。这种频繁长时间的正反操作电压情况下，很容易使得阻挡层被穿通，存储层内的载流子流入多晶硅栅极电极内，导致器件失效，更严重的是，随着用户对于存储器件高的读写速度的要求，编程和擦除会分别施加更大的工作电压，促使提高读写速度。编程和擦除两种相反的电压导致出现的极大压差会大大降低了器件的工作寿命，因此在低压情况下也能有较高的存储密度和读取写入速度是非常有必要的。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器及其制作方法，使得在低压情况下，具有高的存储密度和高读取写入速度并提升了器件的工作寿命。
技术方案：一种基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器，包括硅衬底，所述硅衬底的上表面设有包裹相互分散的金属纳米晶粒的绝缘介质层，所述绝缘介质层的上表面设有氮化硅层，所述氮化硅层的上表面设有单层的石墨烯层，所述石墨烯层作为场效应晶体管的栅极；在所述绝缘介质层两侧的硅衬底表面掺杂形成所述场效应晶体管的源区和漏区。
进一步的，所述绝缘介质层中的金属纳米晶粒为单层结构，各颗粒的直径取值范围为1-50nm；所述绝缘介质层中，所述单层结构下方的绝缘介质厚度范围为25-250nm，所述单层结构上方的绝缘介质厚度范围为40-350nm，并满足：所述单层结构上方的绝缘介质厚度大于所述单层结构下方的绝缘介质厚度。
进一步的，所述氮化硅层的厚度范围为270-600nm。
一种基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器的制作方法，包括：
步骤1：在掺杂类型为第一导电类型的硅衬底上表面氧化生长一层第一氧化绝缘介质；
步骤2：采用物理气相沉积工艺或者原子层沉积方式在所述第一氧化绝缘介质上生长一层金属薄膜，然后放置于快速热退火炉中对所述金属薄膜进行退火，将所述金属薄膜团聚成为相互分散的金属纳米晶粒；
步骤3：在器件表面继续氧化生长一层第二氧化绝缘介质，将所述金属纳米晶粒包裹起来，所述第一氧化绝缘介质和第二氧化绝缘介质共同形成绝缘介质层；
步骤4：在所述绝缘介质层的上表面淀积氮化硅层；
步骤5：根据所述场效应晶体管的设计尺寸，对器件表面进行前烘，然后通过光刻与刻蚀，去掉多余的绝缘介质层、纳米晶粒和氮化硅层；
步骤6：在器件表面淀积氧化硅，淀积的所述氧化硅高于所述氮化硅层，随后再通过光刻与刻蚀，露出所述氮化硅层的上表面；
步骤7：采用湿法转移方法将单层石墨烯转移至器件的上表面；
步骤8：通过光刻与刻蚀工艺去除掉所述氧化硅和位于所述氧化硅上的石墨烯，保留位于所述氮化硅层上表面的石墨烯层，所述石墨烯层作为场效应晶体管的栅极；
步骤9：通过离子注入掺杂方式，在所述绝缘介质层两侧的硅衬底表面进行第二导电类型掺杂形成所述场效应晶体管的源区和漏区。
进一步的，在开始步骤2之前，将器件依次放入丙酮溶液和异丙醇溶液中浸泡，然后用等离子水冲洗器件表面后，对器件进行吹干。
进一步的，所述绝缘介质层中的金属纳米晶粒的单层结构，各颗粒的直径取值范围为1-50nm；所述绝缘介质层中，所述第一氧化绝缘介质的厚度范围为25-250nm，所述第二氧化绝缘介质的厚度范围为40-350nm，并满足：所述第二氧化绝缘介质的厚度大于所述第一氧化绝缘介质的厚度。
进一步的，所述步骤4中，通过电感耦合等离子体化学气相沉积方法，在300 ℃下加入SiH4和N2作为反应气体，最终在所述绝缘介质层的上表面形成所述氮化硅层，所述氮化硅层的厚度为270nm-600nm。
进一步的，所述步骤4中，通过物理气相沉积方法，对纯氮化硅靶材进行磁控溅射制备所述氮化硅层，所述氮化硅层的厚度为270nm-600nm。
进一步的，所述步骤7具体包括：
步骤7-1：对带有石墨烯的铜箔进行预处理，依次包括固定、匀胶、加热；
步骤7-2：对铜箔进行腐蚀操作，依次包括配置腐蚀液、腐蚀铜箔、捞取石墨烯后并用去离子水清洗干净；
步骤7-3：将石墨烯转移至器件的上表面；
步骤7-4：对器件依次进行风干和烘干操作；
步骤7-5：去除器件表面的PMMA胶，包括：依次将带有石墨烯的器件置于丙酮溶液和异丙醇溶液中浸泡，然后将器件取出后立刻用去离子水冲洗，随后用气枪吹干器件表面，最后在热板上烘干。
进一步的，所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型；或者，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
有益效果：现有研究发现，光可以激发沟道内的载流子被存储层陷阱俘获，因此利用光电转化使得存储器件在低操作电压的情况下就可达到较高存储密度和读取写入速度，并最终提升器件的工作寿命。
氮化硅相比于硅有着较低的传输损耗且它的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相对更为简单，其中由于其近乎绝缘的属性且有着较大的带隙基准，使得它很有可能去消除双光子吸收效应和自由载流子效应的影响。
石墨烯是一种优异二维碳原子材料，由于石墨烯有着极为优异的光学和电学性能，经研究发现石墨烯有着很高的热导系数，超大的光吸收带宽，很好的非线性以及可调的费米能级等。
本发明提供的一种基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器及其制作方法，将氮化硅和石墨烯结合，通过在纳米晶颗粒上形成氮化硅和石墨烯，石墨烯作为栅极，纳米晶存储数据+氮化硅消除双光子吸收效应和自由载流子效应影响+石墨烯超大的光吸收带宽这种组合可以有效提高器件对入射光的收集效率，增强光电转换效率，降低接触电阻，从而达到了在低操作电压的情况下，器件也能有很高的的存储密度和读取写入速度，同时该器件也可兼容标准CMOS工艺，大大提高了其应用范围。
附图说明
图1为本发明场效应晶体管存储器的剖面结构示意图；
图2-图7为本发明场效应晶体管存储器的制作步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器，包括硅衬底100，硅衬底100的上表面设有包裹相互分散的金属纳米晶粒102的绝缘介质层101，绝缘介质层101的上表面设有氮化硅层103，氮化硅层103的上表面设有单层的石墨烯层105，石墨烯层105作为场效应晶体管的栅极。在绝缘介质层101两侧的硅衬底100表面掺杂形成场效应晶体管的源区106A和漏区106B。
其中，绝缘介质层101中的金属纳米晶粒102为单层结构，各颗粒的直径取值范围为1-50nm；绝缘介质层101中，单层结构下方的绝缘介质101A厚度范围为25-250nm，单层结构上方的绝缘介质101B厚度范围为40-350nm，并满足：单层结构上方的绝缘介质101B厚度大于单层结构下方的绝缘介质101A厚度。氮化硅层103的厚度范围为270-600nm。
以上基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器的制作方法，包括：
步骤1：在掺杂类型为第一导电类型的硅衬底100上表面氧化生长一层第一氧化绝缘介质101A，第一氧化绝缘介质101A厚度范围为25-250nm，如图2所示。该第一氧化绝缘介质101A作为隧穿介质层，可以有效阻碍电荷流通。
在开始步骤2之前，将器件放置于丙酮溶液中浸泡5分钟，这样可以去除存储器件表面的残胶或者灰尘杂质；然后再放到异丙醇（IPA）溶液中浸泡5分钟，这是为了去除丙酮的影响；最后用等离子水冲洗器件表面，然后吹干，使器件表面不再残留等离子水。其中，在对器件进行清洗的时候，可利用超声波等操作，使得器件的表面被清洗更干净。
步骤2：采用物理气相沉积工艺或者原子层沉积方式在第一氧化绝缘介质101A上生长一层金属薄膜，然后放置于快速热退火炉中对金属薄膜进行退火，将金属薄膜团聚成为相互分散的金属纳米晶粒102，如图3所示。绝缘介质层101中的金属纳米晶粒102的单层结构，作为浮栅存储层，各颗粒的直径取值范围为1-50nm。
步骤3：在器件表面继续氧化生长一层第二氧化绝缘介质101B，将金属纳米晶粒102包裹起来，起到绝缘保护作用。第一氧化绝缘介质101A和第二氧化绝缘介质101B的材质一样，共同形成绝缘介质层101，如图3所示。第二氧化绝缘介质101B的厚度范围为40-350nm，并满足：第二氧化绝缘介质101B的厚度大于第一氧化绝缘介质101A的厚度。
步骤4：在绝缘介质层101的上表面淀积氮化硅层103，如图4所示。
具体的，通过电感耦合等离子体化学气相沉积方法(ICP-CVD)，在300 ℃下加入SiH4和N2作为反应气体，最终在绝缘介质层101的上表面形成氮化硅层103，氮化硅层103的厚度为270nm-600nm。或通过物理气相沉积方法(PVD)，对纯氮化硅靶材进行磁控溅射制备氮化硅层103。
步骤5：根据场效应晶体管的设计尺寸，对器件表面进行前烘，然后进行匀胶、后烘、图形化曝光、显影、刻蚀，去掉多余的绝缘介质层、纳米晶粒和氮化硅层，如图5所示。
步骤6：在器件表面淀积氧化硅104，淀积的氧化硅104高于氮化硅层103，随后再通过匀胶、后烘、图形化曝光、显影、刻蚀步骤，露出氮化硅层103的上表面，如图6所示。
步骤7：采用湿法转移方法将单层石墨烯转移至器件的上表面，具体包括：
步骤7-1：对带有石墨烯的铜箔进行预处理，依次包括固定、匀胶(PMMA胶)、加热；
步骤7-2：对铜箔进行腐蚀操作，依次包括配置腐蚀液、腐蚀铜箔、捞取石墨烯后并用去离子水清洗干净；
步骤7-3：将石墨烯转移至器件的上表面；
步骤7-4：对器件依次进行风干和35分钟的烘干操作，去除多余的水分；
步骤7-5：去除器件表面的PMMA胶，包括：将带有石墨烯的器件置于丙酮溶液4分钟，此过程可在小功率的超声波仪器辅助下完成；然后再把器件置于异丙醇溶液中浸泡4分钟，这是为了去除存储器件表面上的丙酮；再将器件从异丙醇溶液中取出后，立刻用去离子水冲洗，随后用气枪吹干器件表面，最后在热板上烘干6分钟，得到表面覆盖有石墨烯的器件，如图7所示。
步骤8：通过光刻与刻蚀工艺去除掉氧化硅104和位于氧化硅104上的石墨烯，保留位于氮化硅层103上表面的石墨烯层105，石墨烯层105作为场效应晶体管的栅极，如图1所示。
步骤9：通过离子注入掺杂方式，在绝缘介质层101两侧的硅衬底100表面进行第二导电类型掺杂形成场效应晶体管的源区106A和漏区106B，如图1所示。
其中，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型；或者，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
步骤10：按标准CMOS后期工艺流程，进行介质层淀积、接触孔形成、金属淀积和刻蚀，形成源极、漏极和体极。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器，其特征在于，包括硅衬底（100），所述硅衬底（100）的上表面设有包裹相互分散的金属纳米晶粒（102）的绝缘介质层（101），所述绝缘介质层（101）的上表面设有氮化硅层（103），所述氮化硅层（103）的上表面设有单层的石墨烯层（105），所述石墨烯层（105）作为场效应晶体管的栅极；在所述绝缘介质层（101）两侧的硅衬底（100）表面掺杂形成所述场效应晶体管的源区（106A）和漏区（106B）；通过所述石墨烯层（105）的光吸收带宽，以及所述氮化硅层（103）消除双光子吸收效应和自由载流子效应的影响，利用光电转化使得所述存储器在低操作电压下进行读取写入。
2.根据权利要求1所述的基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器，其特征在于，所述绝缘介质层（101）中的金属纳米晶粒（102）为单层结构，各颗粒的直径取值范围为1-50nm；所述绝缘介质层（101）中，所述单层结构下方的绝缘介质（101A）厚度范围为25-250nm，所述单层结构上方的绝缘介质（101B）厚度范围为40-350nm，并满足：所述单层结构上方的绝缘介质（101B）厚度大于所述单层结构下方的绝缘介质（101A）厚度。
3.根据权利要求2所述的基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器，其特征在于，所述氮化硅层（103）的厚度范围为270-600nm。
4.一种基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器的制作方法，其特征在于，包括：
步骤1：在掺杂类型为第一导电类型的硅衬底（100）上表面氧化生长一层第一氧化绝缘介质（101A）；
步骤2：采用物理气相沉积工艺或者原子层沉积方式在所述第一氧化绝缘介质（101A）上生长一层金属薄膜，然后放置于快速热退火炉中对所述金属薄膜进行退火，将所述金属薄膜团聚成为相互分散的金属纳米晶粒（102）；
步骤3：在器件表面继续氧化生长一层第二氧化绝缘介质（101B），将所述金属纳米晶粒（102）包裹起来，所述第一氧化绝缘介质（101A）和第二氧化绝缘介质（101B）共同形成绝缘介质层（101）；
步骤4：在所述绝缘介质层（101）的上表面淀积氮化硅层（103）；
步骤5：根据所述场效应晶体管的设计尺寸，对器件表面进行前烘，然后通过光刻与刻蚀，去掉多余的绝缘介质层、纳米晶粒和氮化硅层；
步骤6：在器件表面淀积氧化硅（104），淀积的所述氧化硅（104）高于所述氮化硅层（103），随后再通过光刻与刻蚀，露出所述氮化硅层（103）的上表面；
步骤7：采用湿法转移方法将单层石墨烯转移至器件的上表面；
步骤8：通过光刻与刻蚀工艺去除掉所述氧化硅（104）和位于所述氧化硅（104）上的石墨烯，保留位于所述氮化硅层（103）上表面的石墨烯层（105），所述石墨烯层（105）作为场效应晶体管的栅极；
步骤9：通过离子注入掺杂方式，在所述绝缘介质层（101）两侧的硅衬底（100）表面进行第二导电类型掺杂形成所述场效应晶体管的源区（106A）和漏区（106B）。
5.根据权利要求4所述的基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器的制作方法，其特征在于，在开始步骤2之前，将器件依次放入丙酮溶液和异丙醇溶液中浸泡，然后用等离子水冲洗器件表面后，对器件进行吹干。
6.根据权利要求4所述的基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器的制作方法，其特征在于，所述绝缘介质层（101）中的金属纳米晶粒（102）的单层结构，各颗粒的直径取值范围为1-50nm；所述绝缘介质层（101）中，所述第一氧化绝缘介质（101A）的厚度范围为25-250nm，所述第二氧化绝缘介质（101B）的厚度范围为40-350nm，并满足：所述第二氧化绝缘介质（101B）的厚度大于所述第一氧化绝缘介质（101A）的厚度。
7.根据权利要求4所述的基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤4中，通过电感耦合等离子体化学气相沉积方法，在300 ℃下加入SiH4和N2作为反应气体，最终在所述绝缘介质层（101）的上表面形成所述氮化硅层（103），所述氮化硅层（103）的厚度为270nm-600nm。
8.根据权利要求4所述的基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤4中，通过物理气相沉积方法，对纯氮化硅靶材进行磁控溅射制备所述氮化硅层（103），所述氮化硅层（103）的厚度为270nm-600nm。
9.根据权利要求4所述的基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤7具体包括：
步骤7-1：对带有石墨烯的铜箔进行预处理，依次包括固定、匀胶、加热；
步骤7-2：对铜箔进行腐蚀操作，依次包括配置腐蚀液、腐蚀铜箔、捞取石墨烯后并用去离子水清洗干净；
步骤7-3：将石墨烯转移至器件的上表面；
步骤7-4：对器件依次进行风干和烘干操作；
步骤7-5：去除器件表面的PMMA胶，包括：依次将带有石墨烯的器件置于丙酮溶液和异丙醇溶液中浸泡，然后将器件取出后立刻用去离子水冲洗，随后用气枪吹干器件表面，最后在热板上烘干。
10.根据权利要求4所述的基于纳米晶颗粒的场效应晶体管存储器的制作方法，其特征在于，所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型；或者，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
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