CN116761439B - 一种原子级团簇存算器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息技术领域，特别涉及一种原子级团簇存算器件及其制造方法。所述原子级团簇存算器件自下而上依次设置衬底及氧化层、栅电极和栅介质层；所述栅介质层上设置有至少一根导电电极，每根导电电极上设置有一个纳米级间隙；所述纳米级间隙的两边为源电极和漏电极，纳米级间隙中设置组合分子体系；所述组合分子体系为一个以上功能原子与单个分子的复合体系，其与源电极、漏电极形成良好的接触，所述组合分子体系具备单电偶极子双稳态的特征。

Description

一种原子级团簇存算器件及其制造方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，特别涉及一种原子级团簇存算器件及其制造方法。

背景技术

摩尔定律认为，处理器芯片上所能集成的晶体管的数目每两年翻一番。但是，随着集成度的不断提高，晶体管的特征尺寸不断缩小，核心元件的尺度降低到几纳米，仅有几十个原子的大小，趋近单原子极限。因此，单原子存储晶体管是当前存储器件的未来极限。2017年，IBM基于扫描隧道显微镜在单个磁性原子中演示了单原子存储的概念。然而，基于单个裸露磁性原子的体系在器件室温化有很大的困难，此外基于扫描隧道显微镜的方式不利于器件的集成化。

自1950年开始，就有人提出利用单个分子的特性来代替半导体产业中的电子元件。经过长时间的发展，各种单个分子的器件被陆续提出，例如分子二极管，分子场效应晶体管，分子开关，分子传感器等。2002年，康奈尔大学等利用单个分子来构建原子晶体管，其中明确指出，单原子晶体管不是只有一个原子的晶体管（单个原子事实上也不能成为独立的器件），而是利用电场操控单个功能原子的状态实现器件功能的晶体管。2017年，IBM公司演示了利用单个功能原子进行存储的可能性。2020年，南京大学等单位发现了单分子的驻极体效应，并在2 K低温下实现了几个月稳定的存储。2022年，厦门大学等单位，在室温下实现了秒级的存储操作。

这些工作为利用单分子器件为平台开发原子级存储晶体管提供了机会，然而受到目前的技术瓶颈，没有明确的同时实现稳定且高温的单个原子级存储器件的方案，进一步阻碍了其集成化的未来需求。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明提供一种原子级存算器件及其制造方法，该制造方法可以大大提高器件的成功率，制备的器件存储时间长，且能获得更高的工作温度。本发明采用锚点修饰组合分子体系，并设计了新结构的栅电极和源漏电极，使得这种原子级存算器件能获得更高的工作温度、成功率、稳定性和集成潜力。进一步地，通过器件的集成，可以形成具有存算一体功能的神经网络。

本发明所述一种原子级团簇存算器件，自下而上依次设置衬底及氧化层、栅电极和栅介质层；所述在栅介质层上有至少一根导电电极，每根导电电极上设置有一个纳米级间隙，纳米级间隙的两边即为源电极、漏电极，纳米级间隙中设置组合分子体系，所述组合分子体系为一个以上功能原子与单个分子的复合体系，其与源电极、漏电极形成良好的接触，所述组合分子体系具备单电偶极子双稳态的特征。

优选的，所述组合分子体系为内嵌富勒烯的分子体系。

优选的，所述单电偶极子双稳态的特征为单分子驻极体或单分子铁电体特征。

优选的，所述组合分子体系经过锚点的修饰处理，使得组合分子体系通过锚点结构与源电极、漏电极结合。

优选的，所述锚点为硫醇或氨基或硝基或氰基或杂环。

优选的，所述导电电极为点接触的沙漏型，所述纳米级间隙位于沙漏最细处。

优选的，所述导电电极的材料为金、银、铜、铂、镍或铟。

优选的，所述栅电极为导电纳米线，所述导电纳米线为金属纳米线或石墨烯纳米线或硅锗原子线。

优选的，所述衬底为单晶硅、钛酸锶、云母、蓝宝或玻璃；所述氧化层为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪或掺杂氧化铪。

本发明所述一种原子级团簇存算器件制造方法，包括以下步骤：

S1：取衬底及氧化层；

S2：在衬底及氧化层的氧化层上制作栅电极；

S3：在栅电极的上表面制备栅介质层；

S4：在栅介质层的上表面制备导电电极；

S5：在导电电极上进行电迁移断节形成纳米级间隙，纳米级间隙两侧形成源电极和漏电极；

S6：在导电电极上滴加含有单电偶极子双稳态的特征的组合分子的易挥发性溶液，并等待充分挥发，使得组合分子体系落入纳米级间隙并与源电极和漏电极形成耦合；

S7:对源电极和漏电极施加固定偏压，对栅电极施加来回不同方向的电压，当栅压大小超过一定阈值时将实现分子笼内原子状态的切换。

优选的，所述单电偶极子双稳态的特征的分子为Gd@C₈₂(EDA)₈分子。

本发明构建单个分子与几个功能原子的组合分子体系；组合分子体系具备单电偶极子双稳态的特征；通过锚点对组合分子体系进行修饰，从而增加锚点与电极稳定的接触；在电极施加电场，可控切换单电偶极子的双稳态，对应着功能原子位置的改变，通过设置检测和切换电场的程序，从而具备初始化、存取和擦写“0”、“1”态的功能，实现热数据的存储运算等。同时，设计发展新结构栅电极和源漏电极，进一步提高存算器件的集成度。

附图说明

图1是本发明的组合分子体系特征示意图；

图2是本发明的锚点修饰后的组合分子体系特征示意图；

图3是本发明的原子存储器实现非易失存储的逻辑示意图。

图4是本发明的原子存储器的截面示意图。即本发明器件的简化图（结构示意图）。

图5是本发明的三端原子存储器的三维图。

图6是本发明的原子量子存储器示意图；

图7是本发明的原子级存储的在不同温度下一段时间的实际测试结果图。

附图标记：1-衬底及氧化层，2-栅电极，3-栅介质层，4-源电极,5-漏电极。

其中源电极、漏电极即通常所说的source、drain。

实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作更进一步的说明。

本发明所述一种原子级团簇存算器件包括自下而上依次设置的衬底及氧化层1、栅电极2和栅介质层3，所述栅介质层3上设置有至少一根导电电极，每根导电电极上设置有一个纳米级间隙，纳米级间隙的两边即为源电极4和漏电极5，所述纳米级间隙中含组合分子体系，其分别与源电极4和漏电极5形成良好的接触。如图4-5所示，为本发明所述原子级团簇存算器件的简化结构。所述组合分子体系具备单电偶极子双稳态的特征，如图1所示。

所述组合分子体系，为一个以上功能原子与单个分子的复合体系。所述组合分子体系，可以为包含内嵌富勒烯的分子体系。所述组合分子体系，含单个功能原子时，称之为单原子存算器件。所述单电偶极子双稳态特征，具体可以为单分子驻极体或单分子铁电体特征。

作为一个优选方案，所述组合分子体系经过锚点的修饰处理，如图2所示。通过在组合分子体系外侧连接特定的结构，这些结构具有和源电极4、漏电极5结合的能力更强的基团，这些基团称为锚点，在组合分子体系外侧连接这些特定的结构就是对所述组合分子体系进行锚点的修饰。所述的锚点，具体可以使用硫醇、氨基、硝基、氰基或杂环等。通过对组合分子体系的锚点修饰，使得组合分子体系与导电电极具有更强的结合作用，从而带来更好的对抗温度扰动的能力，使得存算器件可以在更高的温度下工作。同时，组合分子体系与导电电极具有更强的结合作用也为存算器件带来对电势差、振动、原子移位等干扰的抵抗能力，提高了稳定性，提高工作寿命。

作为一个优选方案，栅电极2采用原子宽度导电纳米线的形式，从而提高组合分子体系的定位，有利于存储器的集成。这里的导电纳米线，具体为金属纳米线或石墨烯纳米线或硅锗原子线等。所述原子宽度导电纳米线可以通过电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀、脉冲激光沉积、化学气相沉积或分子束外延等方法形成。

作为一个优选方案，导电电极的结构为点接触的沙漏型，其作用在于使得纳米级间隙的位置更为精准，靠近沙漏最细处，有利于进一步缩小尺寸、提高集成度。

所述衬底及氧化层1中，衬底为单晶硅层、钛酸锶层、云母层、蓝宝石层、玻璃中的一种；氧化层为氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层、氧化铪层或掺杂氧化铪层中的一种。

作为一个优选方案，所述导电电极的材料为金、银、铜、铂、镍或铟层中的一种，上述材料通过电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀、脉冲激光沉积或分子束外延等方法形成导电电极。

作为一个优选方案，所述纳米级间隙可以通过聚焦离子束刻蚀、机械法、电迁移、化学法或掩膜沉积法等方法形成，通过上述方法控制纳米级间隙的位置、方向和大小，从而控制存算器件的制作精度。

本发明所述原子级团簇存算器件在器件工作之前，组合分子体系在纳米级间隙中，与源电极4,漏电极5形成良好的接触。通过在栅电极2施加电压，调节器件中组合分子体系的原子态，实现器件量子态的切换，如图6所示。通过栅电极2的原子宽度导电纳米线构筑，实现分子的有效定位，可以提高存储器的集成能力。进一步的，通过器件的集成，可以形成具有存算一体功能的神经网络。

本发明所述一种原子级团簇存算器件制造方法，具体包括以下步骤：

S1：取衬底及氧化层；

S2：在衬底及氧化层的氧化层上制作栅电极；

S3：在栅电极的上表面制备栅介质层；

S4：在栅介质层的上表面制备导电电极；

S5：在导电电极上进行电迁移断节形成纳米级间隙，纳米级间隙两侧形成源电极和漏电极；

S6：在导电电极上滴加含有单电偶极子双稳态的特征的组合分子的易挥发性溶液，并等待充分挥发，使得组合分子体系落入纳米级间隙并与源电极和漏电极形成耦合；

S7:对源电极和漏电极施加固定偏压，对栅电极施加来回不同方向的电压，当栅压大小超过一定阈值时将实现分子笼内原子状态的切换。

本发明所述的原子级团簇存算器件制造方法能精确控制纳米级间隙位置，增加组合分子体系与源电极4,漏电极5形成良好的接触，从而增加制造的存算器件的集成能力。

下面结合具体实施例对原子级团簇存算器件的制造方法进行说明：

S1、选取含300 nm氧化硅层的单晶硅作为衬底及氧化层1，利用紫外光刻的方法裸露出栅电极2的目标位置，其他位置由光刻胶保护。将衬底及氧化层1投入HF中浸泡，用湿法刻蚀的方法去掉原本的氧化硅；

S2、用原子层沉积（ALD）的方法在原来被刻蚀掉氧化硅的位置重新生长30nm的薄层氧化硅作为栅介质层3，以此形成的更薄的栅介质层3使得存算器件具有更强的栅极调控能力；

S3、利用紫外光刻加电子束蒸镀方法制作外围电极，便于对存算器件测量时进行焊线；外围电极由5 nm厚的钛和150 nm厚金构成，钛作为粘附层；

S4、利用电子束曝光和电子束蒸镀的方法制备导电电极，此处导电电极为金纳米线；金纳米线设计为点接触的沙漏形，最细处的设计宽度为10 nm，厚度为20 nm，点接触的沙漏型有助于聚焦最终纳米级间隙形成的位置；

S5、将器件装入低温恒温器中，降温至液氦温度，进行电迁移断节形成纳米级间隙；断节采用根据电导反馈循环加电压的方法逐步减细电极，形成源电极4、漏电极5；

S6、在制备好的器件上滴加Gd@C₈₂(EDA)₈分子的易挥发性溶液，等溶液充分挥发后分子吸附在器件表面；分子溶液的浓度为0.1 mmol/L; Gd@C₈₂分子是单分子驻极体，具有电偶极矩，在电场作用下可实现两态调控；EDA为分子外围修饰的乙二胺基团，其终端的氨基与金电极结合作用强，可作为锚点来增强分子器件的稳定性。当Gd@C₈₂(EDA)₈分子落入纳米级间隙并与源电极4、漏电极5形成恰到的耦合时形成单分子器件；

S7、对成功制备且具有分子输运行为的器件进行栅压调控分子态的测量：对源电极4、漏电极5施加2 mV的固定偏压，对栅电极2施加来回不同方向的电压，当栅压大小超过一定阈值时将实现分子笼内原子状态的切换，对应不同的电子态。

S8、两套电子态在同一栅压下具有不同的源漏电流，利用这一特点，调控器件的栅压，以源漏电流的值作为输出，可作为非易失性的存储器件。具体方式如图3所示：此处将栅压+4 V选为测量的状态，通过将栅压调至20 V以改变分子态，从而实现在栅压为+4 V下的高低源漏电流值切换。同时由于锚点结构与电极形成稳定的接触，随着不断增加的温度，器件放至24小时后，温度达到95 K时，器件依然保持两态的切换特性，如图7所示。

上述实施方法中，步骤S1、S2可以使用衬底及氧化层硅片本身的硅作为底部栅电极，也可以采用导电纳米线作为栅电极2，在其上方以氧化物质作为栅介质层3；以导电纳米线作为栅电极2可以使此处上方的栅介质层3为凸起的拱形，此时蒸镀的金纳米线更易在电场作用下发生电迁移从而形成纳米级间隙，这种新结构的栅电极2进一步精确了间隙的定位，有助于器件的集成化。其中所述的电极施加电场，电极可以是栅电极，也可以是源漏电极。若源电极，漏电极施加电场，则器件可以是两端子器件。所述的电场，包括稳态和高频电场等。所述的高频电场，包括微波和太赫兹波等。

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 (9)

1.一种原子级团簇存算器件，其特征在于自下而上依次设置衬底及氧化层、栅电极和栅介质层；所述栅介质层上设置有至少一根导电电极，每根导电电极上设置有一个纳米级间隙；所述纳米级间隙的两边为源电极和漏电极，纳米级间隙中设置组合分子体系；所述组合分子体系为一个以上功能原子与单个分子的复合体系，其与源电极、漏电极形成良好的接触，所述组合分子体系具备单电偶极子双稳态的特征，所述栅电极为导电纳米线，所述导电纳米线为金属纳米线或石墨烯纳米线或硅锗原子线，所述组合分子体系为Gd@C₈₂(EDA)₈。

2.根据权利要求1所述的一种原子级团簇存算器件，其特征在于所述组合分子体系为内嵌富勒烯的分子体系。

3.根据权利要求1所述的一种原子级团簇存算器件，其特征在于所述单电偶极子双稳态的特征为单分子驻极体或单分子铁电体特征。

4.根据权利要求1所述的一种原子级团簇存算器件，其特征在于所述组合分子体系经过锚点的修饰处理，使得组合分子体系通过锚点结构与源电极、漏电极结合。

5.根据权利要求4所述的一种原子级团簇存算器件，其特征在于所述锚点为硫醇或氨基或硝基或氰基或杂环。

6.根据权利要求1所述的一种原子级团簇存算器件，其特征在于所述导电电极为点接触的沙漏型，所述纳米级间隙位于沙漏最细处。

7.根据权利要求1所述的一种原子级团簇存算器件，其特征在于所述导电电极的材料为金、银、铜、铂、镍或铟。

8.根据权利要求1所述的一种原子级团簇存算器件，其特征在于所述衬底为单晶硅、钛酸锶、云母、蓝宝或玻璃；所述氧化层为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪或掺杂氧化铪。

9.一种原子级团簇存算器件制造方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：取衬底及氧化层；

S2：在衬底及氧化层的氧化层上制作栅电极，所述栅电极为导电纳米线；

S3：在栅电极的上表面制备栅介质层；

S4：在栅介质层的上表面制备导电电极；

S5：在导电电极上进行电迁移断节形成纳米级间隙，纳米级间隙两侧形成源电极和漏电极；

S6：在导电电极上滴加含有单电偶极子双稳态的特征的组合分子的易挥发性溶液，并等待充分挥发，使得组合分子体系落入纳米级间隙并与源电极和漏电极形成耦合，所述组合分子体系为Gd@C₈₂(EDA)₈；

S7:对源电极和漏电极施加固定偏压，对栅电极施加来回不同方向的电压，当栅压大小超过一定阈值时将实现分子笼内原子状态的切换。