DE112018005625B4 - Auf ioneneinfang basierende einheit mit mehreren zuständen und herstellungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Halbleiterstruktur, aufweisend:ein Halbleitersubstrat (10), welches mindestens eine Kanalzone (11) umfasst, die zwischen Source/Drain-Zonen (12L, 12R) positioniert ist;ein Gate-Dielektrikumsmaterial (14), welches auf der Kanalzone des Halbleitersubstrats angeordnet ist; undeinen Batteriestapel (16), welcher auf dem Gate-Dielektrikumsmaterial angeordnet ist, wobei der Batteriestapel einen Kathodenstromkollektor (18), der auf dem Gate-Dielektrikumsmaterial angeordnet ist, ein Kathodenmaterial (20), das auf dem Kathodenstromkollektor angeordnet ist, ein erstes lonendiffusionsbarrieren-Material (22), das auf dem Kathodenmaterial angeordnet ist, einen Elektrolyten (24), der auf dem ersten lonendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist, ein zweites lonendiffusionsbarrieren-Material (26), das auf dem Elektrolyten angeordnet ist, eine Anodenzone (28), die auf dem zweiten lonendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist, und einen Anodenstromkollektor (30) aufweist, der auf der Anodenzone angeordnet ist,wobei die Anodenzone (28) eine Anhäufungszone ist, die sich während eines Lade /Wiederaufladeverfahrens bildet.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Halbleitertechnologie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Halbleiterstruktur, welche eine nichtflüchtige Batterie enthält, die eine Gate-Vorspannung steuert, wobei die Struktur bei der neuromorphen Datenverarbeitung verwendet werden kann.
  • Die neuromorphe Technologie zielt darauf ab, die neuronale Netzwerkarchitektur eines menschlichen Gehirns nachzuahmen. Die Ursprünge der Technologie datieren aus den späten 1980er-Jahren. In den letzten Jahren ist das Interesse an der neuromorphen Technik neu aufgekommen. Die Grundvoraussetzung des gehirnartigen Chips ist es, die Morphologie einzelner Neuronen zu replizieren und künstliche neuronale Systeme aufzubauen. Das Endziel ist es, einen Computer zu erzeugen, welcher einige der grundlegenden Eigenschaften des menschlichen Gehirns repliziert.
  • Obwohl die neurowissenschaftliche Untersuchung des menschlichen Gehirns nirgendwo nahezu abgeschlossen ist, wird daran gearbeitet, die Gehirn-Computer-Analogie zu realisieren. Obwohl in der Neurowissenschaft noch nicht vollständig die Komplexität des menschlichen Gehirns verstanden wird, sind Praktiker neuromorpher Technologie bestrebt, einen Computer zu entwerfen, der drei der Eigenschaften des Gehirns aufweist, die heute bekannt sind: niedriger Energieverbrauch (menschliche Gehirne verbrauchen weniger Energie, sind aber dennoch äußerst komplex), hohe Fehlertoleranz (Gehirne verlieren Neuronen und sind immer noch funktionsfähig, während Mikroprozessoren vom Verlust eines Transistors beeinträchtigt werden können) und kein Erfordernis, programmiert zu werden (anders als Computer sind Gehirne in der Lage, zu lernen und spontan auf Signale aus der Umgebung zu reagieren).
  • Es sind somit Fortschritte bei der neuromorphen Datenverarbeitung erforderlich, um einen Computer zu entwerfen, der die Eigenschaften eines menschlichen Gehirns aufweist.
  • Zum Stand der Technik wird auf die Druckschriften US 2009 / 0 289 290 A1 und US 2008 / 0 032 236 A1 verwiesen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Es wird eine Halbleiterstruktur bereitgestellt, welche eine nichtflüchtige Batterie enthält, die eine Gate-Vorspannung steuert. Die nichtflüchtige Batterie weist einen verbesserten Erhalt der Ausgabespannung und eine erhöhte Spannungsauflösung auf und daher kann die Struktur bei der neuromorphen Datenverarbeitung verwendet werden. Mit „nichtflüchtige Batterie“ ist eine analoge Speichereinheit mit mehreren Zuständen gemeint, welche auf einer batterieartigen Struktur basiert.
  • In einer Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleiterstruktur bereitgestellt. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Halbleiterstruktur ein Halbleitersubstrat umfassen, welches mindestens eine Kanalzone umfasst, die zwischen Source/Drain-Zonen positioniert ist. Auf der Kanalzone des Halbleitersubstrats ist ein Gate-Dielektrikumsmaterial angeordnet. Auf dem Gate-Dielektrikumsmaterial ist ein Batteriestapel angeordnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Batteriestapel einen Kathodenstromkollektor, der auf dem Gate-Dielektrikumsmaterial angeordnet ist, ein Kathodenmaterial, das auf dem Kathodenstromkollektor angeordnet ist, ein erstes lonendiffusionsbarrieren-Material, das auf dem Kathodenmaterial angeordnet ist, einen Elektrolyten, der auf dem ersten Ionendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist, ein zweites lonendiffusionsbarrieren-Material, das auf dem Elektrolyten angeordnet ist, eine Anodenzone, die auf dem zweiten lonendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist, und einen Anodenstromkollektor, der auf der Anodenzone angeordnet ist.
  • In einer anderen Erscheinungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterstruktur bereitgestellt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren Bereitstellen eines Materialstapels eines Gate-Dielektrikumsmaterials und eines Batteriestapels auf einer Fläche eines Halbleitersubstrats umfassen. Der Batteriestapel umfasst einen Kathodenstromkollektor, der auf dem Gate-Dielektrikumsmaterial angeordnet ist, ein Kathodenmaterial, das auf dem Kathodenstromkollektor angeordnet ist, ein erstes lonendiffusionsbarrieren-Material, das auf dem Kathodenmaterial angeordnet ist, einen Elektrolyten, der auf dem ersten Ionendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist, eine zweite lonendiffusionsbarriere, die auf dem Elektrolyten angeordnet ist, und einen Anodenstromkollektor, der oben auf dem zweiten lonendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist. In dem Halbleitersubstrat und auf gegenüberliegenden Seiten des Materialstapels können Source/Drain-Zonen gebildet werden. Die Source/Drain-Zonen können vor oder nach der Bildung des Materialstapels gebildet werden.
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird vor dem Bilden des Anodenstromkollektors eine Anodenzone auf dem zweiten lonendiffusionsbarrieren-Material abgeschieden. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird während eines Lade-/Wiederaufladeverfahrens, das nach dem Bilden des Batteriestapels durchgeführt wird, zwischen dem zweiten lonendiffusionsbarrieren-Material und dem Anodenstromkollektor eine Anodenzone gebildet.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur, welche die Erfindung verkörpert, umfassend einen Materialstapel eines Gate-Dielektrikumsmaterials und eines Batteriestapels, der auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die in 1 dargestellt ist, nach dem Bilden von Abstandhaltern.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. Es sei angemerkt, dass die Zeichnungen lediglich Veranschaulichungszwecken dienen, und daher sind die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu. Es sei ebenfalls angemerkt, dass gleiche und entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind.
  • In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten ausgeführt, z.B. bestimmte Strukturen, Komponenten, Materialien, Abmessungen, Verarbeitungsschritte und Techniken, um für ein Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu sorgen. Der Fachmann erkennt jedoch, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung auch ohne diese speziellen Einzelheiten ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen oder Verarbeitungsschritte nicht detailliert beschrieben worden, um zu verhindern, dass die vorliegende Erfindung verschleiert wird.
  • Es versteht sich, dass, wenn ein Element, wie z.B. eine Schicht, eine Zone oder ein Substrat, als „auf“ oder „über“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, es sich direkt auf dem anderen Element befinden kann oder auch dazwischen angeordnete Elemente vorhanden sein können. Wenn hingegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt über“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, sind keine dazwischen angeordneten Elemente vorhanden. Es versteht sich auch, dass, wenn ein Element als „unterhalb“ oder „unter“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, es sich direkt unterhalb oder unter dem anderen Element befinden kann oder auch dazwischen angeordnete Elemente vorhanden sein können. Wenn hingegen ein Element als „direkt unterhalb“ oder „direkt unter“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, sind keine dazwischen angeordneten Elemente vorhanden.
  • Zunächst Bezug nehmend auf 1, ist dort eine Halbleiterstruktur veranschaulicht, welche die Erfindung verkörpert. Die Struktur, die in 1 dargestellt ist, umfasst einen Materialstapel eines Gate-Dielektrikumsmaterials 14 und eines Batteriestapels 16, der auf einem Halbleitersubstrat 10 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung (und wie dargestellt) weist das Gate-Dielektrikumsmaterial 14 Seitenwandränder auf, welche vertikal an den Seitenwandrändern des Batteriestapels 16 ausgerichtet sind.
  • Der Materialstapel (14/16) ist zwischen Source/Drain-Zonen 12L, 12R angeordnet, welche in dem Substrat 10 ausgebildet sind. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann sich ein Abschnitt des Materialstapels (14/16) oberhalb jeder der Source/Drain-Zonen 12L, 12R erstrecken. Obwohl ein einzelner Materialstapel (14/16) beschrieben und veranschaulicht ist, werden Ausführungsformen der Erfindung in Betracht gezogen, bei denen eine Mehrzahl von Materialstapeln (14/16) auf dem Substrat 10 ausgebildet sind, wobei jeder Materialstapel zwischen anderen Source/Drain-Zonen angeordnet ist, die in dem Halbleitersubstrat 10 vorhanden sind.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Source/Drain-Zone 12L eine Source-Zone sein, während die Source/Drain-Zone 12R eine Drain-Zone sein kann. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Source/Drain-Zone 12L eine Drain-Zone sein, während die Source/Drain-Zone 12R eine Source-Zone sein kann. Die Zone des Substrats 10, die zwischen den Source/Drain-Zonen 12L, 12R und unterhalb des Materialstapels (14/16) angeordnet ist, kann hierin als eine Kanalzone 11 bezeichnet werden.
  • Das Substrat 10 kann aus mindestens einem Halbleitermaterial aufgebaut sein. Der Begriff „Halbleitermaterial“ wird hierin verwendet, um ein Material zu benennen, welches Halbleitereigenschaften aufweist. Beispiele für Halbleitermaterialien, welche als das Substrat 10 eingesetzt werden können, umfassen Silicium (Si), Germanium (Ge), Siliciumgermanium-Legierungen (SiGe), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumgermaniumcarbid (SiGeC), Ill-V-Verbindungshalbleiter oder II-VI-Verbindungshalbleiter. Ill-V-Verbindungshalbleiter sind Materialien, welche mindestens ein Element aus der Gruppe III des Periodensystems der Elemente und mindestens ein Element aus der Gruppe V des Periodensystems der Elemente umfassen. II-VI-Verbindungshalbleiter sind Materialien, welche mindestens ein Element aus der Gruppe II des Periodensystems der Elemente und mindestens ein Element aus der Gruppe VI des Periodensystems der Elemente umfassen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleitermaterial, welches das Substrat 10 bereitstellen kann, ein massives Halbleitersubstrat. Mit „massiv“ ist gemeint, dass das Halbleitersubstrat 10 vollständig aus mindestens einem Halbleitermaterial, wie oben definiert, aufgebaut ist. In einem Beispiel kann das Substrat 10 vollständig aus Silicium aufgebaut sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat 10 einen mehrschichtigen Halbleiter-Materialstapel umfassen, welcher mindestens zwei verschiedene Halbleitermaterialien, wie oben definiert, umfasst. In einem Beispiel kann der mehrschichtige Halbleiter-Materialstapel einen Stapel von Si und einer Siliciumgermanium-Legierung in beliebiger Reihenfolge aufweisen.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat aus einer obersten Halbleiter-Materialschicht eines Halbleiter-auf-Isolator(Semiconductor-on-Insulator, SOI)-Substrats aufgebaut. Das SOI-Substrat würde auch ein (nicht dargestelltes) Handle-Substrat, umfassend eines der oben erwähnten Halbleitermaterialien, und eine (nicht dargestellte) Isolatorschicht umfassen, wie z.B. ein vergrabenes Oxid unterhalb der obersten Halbleiter-Materialschicht.
  • In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Struktur 10 aus einer obersten Halbleiter-Materialschicht und einem (nicht dargestellten) Dielektrikumsmaterial aufgebaut, wie zum Beispiel Siliciumdioxid.
  • In jeder der oben erwähnten Ausführungsformen der Erfindung kann das Halbleitermaterial, welches das Substrat 10 bereitstellen kann, ein monokristallines Halbleitermaterial sein. Das Halbleitermaterial, welches das Substrat 10 bereitstellen kann, kann eine beliebige der wohlbekannten Kristallorientierungen aufweisen. Beispielsweise kann die Kristallorientierung des Halbleitermaterials, welches das Substrat 10 bereitstellen kann, {100}, {110} oder {111} sein. Andere kristallographische Orientierungen außer den speziell erwähnten können ebenfalls verwendet werden.
  • Das Substrat 10 kann eine Dicke von 10 µm bis 5 mm aufweisen. Andere Dicken, die kleiner oder größer als die vorstehend angegebenen Werte für die Dicke sind, können für das Substrat 10 ebenfalls verwendet werden.
  • Die Source/Drain-Zonen 12L, 12R liegen in einem oberen Halbleitermaterial-Abschnitt des Substrats 10 vor und sind auf gegenüberliegenden Seiten des Materialstapels (14/16) angeordnet. Die Source/Drain-Zonen 12L, 12R umfassen einen Dotierstoff des p-Typs oder des n-Typs.
  • Der Begriff „p-Typ“ bezieht sich auf die Zugabe von Verunreinigungen zu einem intrinsischen Halbleiter, durch welche Fehlstellen von Valenzelektronen erzeugt werden. In einem Silicium enthaltenden Halbleitermaterial umfassen Beispiele für Dotierstoffe des p-Typs, d.h. Verunreinigungen, ohne darauf beschränkt zu sein, Bor, Aluminium, Gallium und Indium. Der Begriff „Dotierstoff des n-Typs“ bezieht sich auf die Zugabe von Verunreinigungen, wodurch freie Elektronen zu einem intrinsischen Halbleiter beigesteuert werden. In einem Silicium enthaltenden Halbleitermaterial umfassen Beispiele für Dotierstoffe des n-Typs, d.h. Verunreinigungen, ohne darauf beschränkt zu sein, Antimon, Arsen und Phosphor. Die Source/Drain-Zonen 12L, 12R weisen eine Dotierstoffkonzentration (p- oder n-Typ) auf, die innerhalb von Bereichen liegt, die dem Fachmann wohlbekannt sind. In einem Beispiel weisen die Source/Drain-Zonen 12L, 12R eine Dotierstoffkonzentration von 1 × 1018 Atome/cm3 bis 1 × 1020 Atome/cm3 auf.
  • Das Gate-Dielektrikumsmaterial 14 des Materialstapels (14/16) kann ein dielektrisches Oxid, Nitrid und/oder Oxynitrid umfassen. In einem Beispiel kann das Gate-Dielektrikumsmaterial 14 ein High-k-Material mit einer Dielektrizitätskonstante aufweisen, die höher ist als die von Siliciumdioxid. Beispielhafte High-k-Dielektrika umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, HfO2, ZrO2, La2O3, Al2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, Y2O3, HfOxNy, ZrOxNy, La2OxNy, Al2OxNy, TiOxNy, SrTiOxNy, LaAlOxNy, Y2OxNy, SiON, SiNx, ein Silicat davon und eine Legierung davon. Jeder Wert von x beträgt unabhängig 0,5 bis 3 und jeder Wert von y beträgt unabhängig 0 bis 2. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine mehrschichtige Gate-Dielektrikumsstruktur, die aus verschiedenen Gate-Dielektrikumsmaterialien aufgebaut ist, z.B. aus Siliciumdioxid und einem High-k-Gate-Dielektrikum, gebildet und als das Gate-Dielektrikumsmaterial 14 verwendet werden.
  • Das Gate-Dielektrikumsmaterial 14 kann durch ein beliebiges Abscheidungsverfahren gebildet werden, umfassend zum Beispiel chemische Abscheidung aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition, CVD), plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (Plasma Enhanced CVD, PECVD), physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD), Sputtern oder Atomschichtabscheidung. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Gate-Dielektrikumsmaterial 14 eine Dicke in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm aufweisen. Andere Dicken, die kleiner oder größer als der vorstehend erwähnte Bereich für die Dicke sind, können für das Gate-Dielektrikumsmaterial 14 ebenfalls verwendet werden.
  • Der Batteriematerialstapel 16, der auf dem Gate-Dielektrikumsmaterial 14 ausgebildet ist, kann von unten nach oben einen Kathodenstromkollektor 18, ein Kathodenmaterial 20, ein erstes Ionendiffusionsbarrieren-Material 22, einen Elektrolyten 24, ein zweites lonendiffusionsbarrieren-Material 26, eine Anodenzone 28 und einen Anodenstromkollektor 30 umfassen. Der Kathodenstromkollektor 18, das Kathodenmaterial 20, das erste lonendiffusionsbarrieren-Material 22, der Elektrolyt 24, das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material 26, die Anodenzone 28 und der Anodenstromkollektor 30 sind aufeinander gestapelt. Die Anodenzone 28 kann ein abgeschiedenes Anodenmaterial sein oder sie kann eine Anhäufungszone sein, die sich während eines Lade-/Wiederaufladeverfahrens bildet.
  • Der Kathodenstromkollektor 18 kann ein beliebiges metallisches Elektrodenmaterial umfassen, wie zum Beispiel Titan (Ti), Platin (Pt), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) und Titannitrid (TiN). In einem Beispiel umfasst der Kathodenstromkollektor 18 von unten nach oben einen Stapel aus Titan (Ti), Platin (Pt) und Titan (Ti). Die Kathodenstromkollektor-Elektrode 18 kann durch ein Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD), plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (PECVD), Verdampfung, Sputtern oder Plattieren gebildet werden. Die Kathodenstromkollektor-Elektrode 18 kann eine Dicke von 5 nm bis 20 nm aufweisen. Andere Dicken, die kleiner oder größer als die vorstehend erwähnten Werte für die Dicke sind, können für den Kathodenstromkollektor 18 ebenfalls verwendet werden.
  • Das Kathodenmaterial 20 kann aus einem beliebigen Material aufgebaut sein, das in einer Batterie verwendet wird. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Kathodenmaterial 20 aus einem lithiierten Material aufgebaut, wie zum Beispiel aus einem Mischoxid auf Lithiumbasis. Beispiele für Mischoxide auf Lithiumbasis, die verwendet werden können, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), Lithiumnickeloxid (LiNiO2), Lithiummanganoxid (LiMn2O4), Lithiumkobaltmanganoxid (LiCoMnO4), ein Lithiumnickelmangankobaltoxid (LiNixMnyCozO2), Lithiumvanadiumpentoxid (LiV2O5) oder Lithiumeisenphosphat (LiFePO4).
  • Das Kathodenmaterial 20 kann durch ein Sputterverfahren gebildet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Sputtern die Verwendung eines beliebigen Vorstufen-Ausgangsmaterials oder einer beliebigen Kombination von Vorstufen-Ausgangsmaterialien umfassen. In einem Beispiel werden beim Bilden eines Lithium-Kobalt-Mischoxids ein Lithium-Vorstufen-Ausgangsmaterial und ein Kobalt-Vorstufen-Ausgangsmaterial verwendet. Ein Sputtern kann bei einer Beimischung eines Inertgases und von Sauerstoff durchgeführt werden. In einer solchen Ausführungsform der Erfindung kann der Sauerstoffgehalt der Inertgas/Sauerstoff-Beimischung 0,1 Atomprozent bis 70 Atomprozent betragen, wobei der Rest der Beimischung das Inertgas umfasst. Beispiele für Inertgase, die verwendet werden können, umfassen Argon, Helium, Neon, Stickstoff oder eine beliebige Kombination davon.
  • Das Kathodenmaterial 20 kann eine Dicke von 20 nm bis 200 nm aufweisen. Andere Dicken, die kleiner oder größer als die vorstehend erwähnten Werte für die Dicke sind, können für das Kathodenmaterial 20 ebenfalls verwendet werden. Dicke Kathodenmaterialien 20 können für eine verbesserte Batteriekapazität sorgen, da es einen größeren Bereich, d.h. mehr Volumen, zum Speichern der Batterieladung gibt.
  • Das erste Ionendiffusionsbarrieren-Material 22 ist aus einem Material aufgebaut, welches eine niedrige lonendiffusionskonstante aufweist. Mit „niedrige lonendiffusionskonstante“ ist eine lonendiffusionskonstante von 1 × 10-6 cm2/s oder weniger gemeint. In einem Beispiel und für Lithiumionen beträgt die Diffusionskonstante des ersten lonendiffusionsbarrieren-Materials 22 1 x 10-13 cm2/s bis 1 × 10-10 cm2/s. Veranschaulichende Beispiele für Materialien, die eine niedrige lonendiffusionskonstante aufweisen, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumfluorid oder Magnesiumoxid. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das erste lonendiffusionsbarrieren-Material 22 aus einem einzelnen Material mit niedriger lonendiffusionskonstante aufgebaut sein. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das erste lonendiffusionsbarrieren-Material 22 aus einem mehrschichtigen Stapel von Materialien mit niedriger lonendiffusionskonstante aufgebaut sein.
  • Das erste Ionendiffusionsbarrieren-Material 22 kann durch ein beliebiges Abscheidungsverfahren gebildet werden, wie zum Beispiel chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD), plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (PECVD), physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD), Sputtern oder Atomschichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD). In einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung kann das erste lonendiffusionsbarrieren-Material 22 eine Dicke in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm aufweisen. Andere Dicken, die kleiner oder größer als der vorstehend erwähnte Bereich für die Dicke sind, können für das erste lonendiffusionsbarrieren-Material 22 ebenfalls verwendet werden.
  • Der Elektrolyt 24 kann ein beliebiges herkömmliches Elektrolytmaterial umfassen. Der Elektrolyt 24 kann ein flüssiger Elektrolyt, ein Festkörperelektrolyt oder ein Elektrolyt des Geltyps sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Festkörperelektrolyt verwendet werden, der aus einem Material auf Polymerbasis oder aus einem anorganischen Material aufgebaut ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Festkörperelektrolyt verwendet werden, der ein Material umfasst, welches die Übertragung von Lithiumionen ermöglicht. Solche Materialien können elektrisch isolierend, aber ionisch leitend sein. Beispiele für Materialien, die als ein Festkörperelektrolyt verwendet werden können, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) oder Lithiumphosphosilicatoxynitrid (LiSiPON).
  • In Ausführungsformen der Erfindung, bei denen eine Festkörperelektrolyt-Schicht verwendet wird, kann der Festkörperelektrolyt durch ein Abscheidungsverfahren wie Sputtern, Lösungsabscheidung oder Plattieren gebildet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Festkörperelektrolyt durch Sputtern unter Verwendung eines beliebigen herkömmlichen Vorstufen-Ausgangsmaterials gebildet. Das Sputtern kann in Gegenwart von mindestens einem stickstoffhaltigen Umgebungsmedium durchgeführt werden. Beispiele für stickstoffhaltige Umgebungsmedien, die verwendet werden können, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, N2, NH3, NH4, NO oder NHx, wobei x 0 bis 1 beträgt. Gemische der vorstehend erwähnten stickstoffhaltigen Umgebungsmedien können ebenfalls verwendet werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das stickstoffhaltige Umgebungsmedium pur verwendet, d.h. unverdünnt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das stickstoffhaltige Umgebungsmedium mit einem Inertgas verdünnt werden, wie zum Beispiel Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar) und Gemischen davon. Der Gehalt an Stickstoff (N2) in dem verwendeten stickstoffhaltigen Umgebungsmedium beträgt typischerweise 10 % bis 100 %, wobei ein Stickstoffgehalt von 50 % bis 100 % in dem Umgebungsmedium typischer ist.
  • Das Trennelement, welches verwendet wird, wenn ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird, kann eines oder mehreres aus einem flexiblen porösen Material, einem Gel oder einem Blatt umfassen, das aus Cellulose, Cellophan, Polyvinylacetat (PVA), PVA/Cellulose-Mischungen, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder einem Gemisch aus PE und PP aufgebaut ist. Das Trennelement kann auch aus anorganischen isolierenden Nano-/Mikropartikeln aufgebaut sein. Das Trennelement wäre irgendwo innerhalb des Elektrolyten 24 positioniert, um eine obere Elektrolytzone und eine untere Elektrolytzone bereitzustellen.
  • Der Elektrolyt 24 kann eine Dicke von 3 nm bis 500 nm aufweisen. Andere Dicken, die kleiner oder größer als der vorstehend erwähnte Bereich für die Dicke sind, können für den Elektrolyten 24 ebenfalls verwendet werden.
  • Das zweite Ionendiffusionsbarrieren-Material 26 ist ebenfalls aus einem Material aufgebaut, welches eine niedrige lonendiffusionskonstante aufweist, wie oben definiert. In einem Beispiel und für Lithiumionen beträgt die Diffusionskonstante des zweiten Ionendiffusionsbarrieren-Materials 26 1 × 10-12 cm2/s bis 1 × 10-7 cm2/s. Beispiele für Materialien, die eine niedrige lonendiffusionskonstante aufweisen, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumfluorid oder Magnesiumoxid. Das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material 26 kann aus demselben oder einem anderen Material aufgebaut sein als das erste lonendiffusionsbarrieren-Material 22. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material 26 aus einem einzelnen Material mit niedriger lonendiffusionskonstante aufgebaut sein. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material 26 aus einem mehrschichtigen Stapel von Materialien mit niedriger lonendiffusionskonstante aufgebaut sein.
  • Das zweite Ionendiffusionsbarrieren-Material 26 kann durch ein beliebiges Abscheidungsverfahren gebildet werden, wie zum Beispiel chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD), plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (PECVD), physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD), Sputtern oder Atomschichtabscheidung (ALD). In einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material 26 eine Dicke in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm aufweisen. Andere Dicken, die kleiner oder größer als der vorstehend erwähnte Bereich für die Dicke sind, können für das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material 26 ebenfalls verwendet werden.
  • Die Anodenzone 28 kann ein beliebiges herkömmliches Anodenmaterial umfassen, welches man in einer Batterie findet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Anodenzone 19 aus einem Lithiummetall, einer Legierung auf Lithiumbasis, wie zum Beispiel LixSi, oder einem Mischoxid auf Lithiumbasis aufgebaut, wie zum Beispiel Lithiumtitanoxid (Li2TiO3). Die Anodenzone 28 kann auch aus Silicium, Kupfer, Graphit oder amorphem Kohlenstoff aufgebaut sein.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Anodenzone 28 vor der Durchführung eines Lade-/Wiederaufladeverfahrens gebildet. In einer solchen Ausführungsform der Erfindung kann die Anodenzone 28 durch ein Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD), plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (PECVD), Verdampfung, Sputtern oder Plattieren gebildet werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Anodenzone 28 eine Lithium-Anhäufungszone, die während eines anschließend durchgeführten Lade-/Wiederaufladeverfahrens gebildet wird. Die Lithium-Anhäufungszone kann eine durchgängige Zone oder eine diskontinuierliche Zone sein.
  • Der Anodenstromkollektor 30 (anodenseitige Elektrode) kann ein beliebiges metallisches Elektrodenmaterial umfassen, wie zum Beispiel Titan (Ti), Platin (Pt), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) oder Titannitrid (TiN). In einem Beispiel umfasst der Anodenstromkollektor 30 von unten nach oben einen Stapel aus Nickel (Ni) und Kupfer (Cu). Der Anodenstromkollektor 30 kann durch ein Abscheidungsverfahren wie zu Beispiel chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD), Sputtern oder Plattieren gebildet werden. Der Anodenstromkollektor 30 kann eine Dicke von 20 nm bis 200 nm aufweisen.
  • Die Struktur, die in 1 dargestellt ist, kann gebildet werden, indem zuerst das Substrat 10 bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können an diesem Punkt die Source/Drain-Zonen 12L, 12R gebildet werden. In einer solchen Ausführungsform der Erfindung kann über der Kanalzone 11 eine Opfer-Gate-Struktur gebildet werden und anschließend können die Source/Drain-Zonen 12L, 12R durch herkömmliche Techniken gebildet werden, wie zum Beispiel Ionenimplantation oder Gasphasendotierung. Nach dem Bilden der Source/Drain-Zonen 12L, 12R wird die Opfer-Gate-Struktur entfernt und dann werden Materialschichten des Gate-Dielektrikumsmaterials 14, des Kathodenstromkollektors 18, des Kathodenmaterials 20, des ersten lonendiffusionsbarrieren-Materials 22, des Elektrolyten 24, des zweiten lonendiffusionsbarrieren-Materials 26, gegebenenfalls der Anodenzone 28 und des Anodenstromkollektors 30 durchgängig auf dem Substrat 10 gebildet, wobei für jede der Materialschichten eine der oben erwähnten Techniken angewendet wird; die Anodenzone 28 kann später während eines anschließend durchgeführten Lade-/Wiederaufladeverfahrens gebildet werden. Dann kann ein Strukturierungsverfahren angewendet werden, um jede der Materialschichten zu strukturieren, wodurch der Materialstapel (14/16) bereitgestellt wird, der in 1 dargestellt ist. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Strukturierungsverfahren Lithographie und Ätzen umfassen. Der Ätzschritt kann ein oder mehrere anisotrope Ätzverfahren umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Struktur, die in 1 dargestellt ist, gebildet werden, indem zuerst das Substrat 10 bereitgestellt wird. Materialschichten des Gate-Dielektrikumsmaterials 14, des Kathodenstromkollektors 18, des Kathodenmaterials 20, des ersten lonendiffusionsbarrieren-Materials 22, des Elektrolyten 24, des zweiten lonendiffusionsbarrieren-Materials 26, gegebenenfalls der Anodenzone 28 und des Anodenstromkollektors 30 werden durchgängig auf dem Substrat 10 gebildet, wobei für jede der Materialschichten eine der oben erwähnten Techniken angewendet wird; die Anodenzone 28 kann während eines anschließend durchgeführten Lade-/Wiederaufladeverfahrens gebildet werden. Dann kann ein Strukturierungsverfahren angewendet werden, um jede der Materialschichten zu strukturieren, wodurch der Materialstapel (14/16) bereitgestellt wird, der in 1 dargestellt ist. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Strukturierungsverfahren Lithographie und Ätzen umfassen. Der Ätzschritt kann ein oder mehrere anisotrope Ätzverfahren umfassen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können an diesem Punkt die Source/Drain-Zonen 12L, 12R unter Verwendung des Materialstapels (14/16) als eine Implantationsmaske gebildet werden. In einer solchen Ausführungsform der Erfindung können die Source/Drain-Zonen 12L, 12R durch herkömmliche Techniken gebildet werden, wie zum Beispiel Ionenimplantation oder Gasphasendotierung.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Abhebeverfahren angewendet werden, um den Materialstapel (14/16) bereitzustellen, der in 1 dargestellt ist. Wenn es angewendet wird, umfasst das Abhebeverfahren Bilden eines strukturierten Opfermaterials auf dem Substrat 10. Als Nächstes werden die verschiedenen Schichten des Materialstapels (14/16) gebildet; die Anodenzone kann vor oder nach dem Abheben gebildet werden. Anschließend wird ein Abhebeverfahren durchgeführt, um das strukturierte Opfermaterial und Materialien, die auf dem strukturierten Opfermaterial gebildet sind, von dem Substrat zu entfernen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird zuerst das Gate-Dielektrikumsmaterial 12 gebildet und dann wird die strukturierte Opfermaterialschicht gebildet, gefolgt von den verschiedenen Schichten des Batteriestapels 16, und anschließend erfolgt das Abheben. Die Source/Drain-Zonen 12L, 12R können vor oder nach der Durchführung des Abhebeverfahrens gebildet werden.
  • Ungeachtet des Verfahrens, das angewendet wird, um den Materialstapel (14/16) zu bilden, kann der Materialstapel (14/16) eine Höhe von 30 nm bis 800 nm und eine Breite von 10 nm bis 10.000 nm aufweisen. Andere Breiten und Höhen sind für den Materialstapel (14/16) ebenfalls möglich.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung, und wie in 2 dargestellt, kann zumindest entlang den Seitenwänden des Materialstapel (12/14), der in 1 dargestellt ist, ein Abstandhalter 32 gebildet werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann sich der Abstandhalter 32 oberhalb der obersten Fläche des Batteriestapels 16 erstrecken. Der Abstandhalter 32 kann aus einem beliebigen luft- und/oder feuchtigkeitsundurchlässigen Material oder einem mehrschichtigen Stapel solcher Materialien aufgebaut sein. Beispiele für luft- und/oder feuchtigkeitsundurchlässige Materialien, die in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Parylen, ein Fluorpolymer, Siliciumnitrid und/oder Siliciumdioxid. Der Abstandhalter 32 kann gebildet werden, indem das luft- und/oder feuchtigkeitsundurchlässige Material zuerst abgeschieden und anschließend das luft- und/oder feuchtigkeitsundurchlässige Material strukturiert wird. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Strukturieren durch Lithographie und Ätzen durchgeführt werden.
  • Der Batteriestapel 16, der in 1 oder 2 dargestellt ist, kann einem Laden/Wiederaufladen unterzogen werden. Das Lade-/Wiederaufladeverfahren kann unter Anwendung üblicher, dem Fachmann wohlbekannter Ladetechniken durchgeführt werden. Das Lade-/Wiederaufladeverfahren kann durchgeführt werden, indem der Batteriestapel 16 mit einer externen Stromversorgung verbunden wird und der Batterie Strom zugeführt wird oder eine Spannung an die Batterie angelegt wird. Bei einem solchen Lade-/Wiederaufladeverfahren wird ein konstanter Strom verwendet, bis eine maximale Spannung erreicht ist.
  • Die nichtflüchtige Batterie, die aus dem Batteriestapel 16 aufgebaut ist, hat den Erhalt der Ausgabespannung verbessert und die Spannungsauflösung erhöht und somit kann die Struktur bei der neuromorphen Datenverarbeitung verwendet werden. Der verbesserte Erhalt der Ausgabespannung und die erhöhte Spannungsauflösung wird mit einem Batteriestapel verglichen, der nicht das erste und das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material 22, 26 enthält, jedoch die anderen Komponenten (d.h. den Kathodenstromkollektor 18, das Kathodenmaterial 20, den Elektrolyten 24, die Anodenzone 28 und den Anodenstromkollektor 30) des Batteriestapels 16 enthält.

Claims (18)

  1. Halbleiterstruktur, aufweisend: ein Halbleitersubstrat (10), welches mindestens eine Kanalzone (11) umfasst, die zwischen Source/Drain-Zonen (12L, 12R) positioniert ist; ein Gate-Dielektrikumsmaterial (14), welches auf der Kanalzone des Halbleitersubstrats angeordnet ist; und einen Batteriestapel (16), welcher auf dem Gate-Dielektrikumsmaterial angeordnet ist, wobei der Batteriestapel einen Kathodenstromkollektor (18), der auf dem Gate-Dielektrikumsmaterial angeordnet ist, ein Kathodenmaterial (20), das auf dem Kathodenstromkollektor angeordnet ist, ein erstes lonendiffusionsbarrieren-Material (22), das auf dem Kathodenmaterial angeordnet ist, einen Elektrolyten (24), der auf dem ersten lonendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist, ein zweites lonendiffusionsbarrieren-Material (26), das auf dem Elektrolyten angeordnet ist, eine Anodenzone (28), die auf dem zweiten lonendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist, und einen Anodenstromkollektor (30) aufweist, der auf der Anodenzone angeordnet ist, wobei die Anodenzone (28) eine Anhäufungszone ist, die sich während eines Lade /Wiederaufladeverfahrens bildet.
  2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei das Gate-Dielektrikumsmaterial Seitenwandränder aufweist, die vertikal an den Seitenwandrändern des Batteriestapels ausgerichtet sind.
  3. Halbeleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material eine lonendiffusionskonstante von weniger als 1 × 10-6 cm2/s aufweisen.
  4. Halbeleiterstruktur nach Anspruch 3, wobei das erste und das zweite Ionendiffusionsbarrieren-Material Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumfluorid, Magnesiumoxid oder einen mehrschichtigen Stapel davon aufweisen.
  5. Halbleiterstruktur nach Anspruch 3, wobei das erste und das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material vollständig aus Aluminiumoxid (Al2O3) aufgebaut sind.
  6. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat ein massives Halbleitersubstrat ist.
  7. Halbeleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat eine oberste Halbleitermaterialschicht eines Halbleiter-auf-Isolator-Substrats ist.
  8. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei sich ein Abschnitt des Gate-Dielektrikumsmaterials und des Batteriestapels oberhalb der Source/Drain-Zonen erstreckt.
  9. Halbeleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei das Gate-Dielektrikumsmaterial ein High-k-Gate-Dielektrikumsmaterial aufweist.
  10. Halbleiterstruktur nach Anspruch 9, wobei das High-k-Gate-Dielektrikumsmaterial HfO2, ZrO2, La2O3, Al2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, Y2O3, HfOxNy, ZrOxNy, La2OxNy, Al2OxNy, TiOxNy, SrTiOxNy, LaAlOxNy, Y2OxNy, SiON, SiNx, ein Silicat davon oder eine Legierung davon aufweist, wobei der Wert von x unabhängig 0,5 bis 3 beträgt und jeder Wert von y unabhängig 0 bis 2 beträgt.
  11. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei das Kathodenmaterial ein lithiiertes Material ist.
  12. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt einen Festkörperelektrolyten, einen Elektrolyten des flüssigen Typs oder einen Elektrolyten des Geltyps aufweist.
  13. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei der Batteriestapel nichtflüchtig ist.
  14. Verfahren zum Bilden einer Halbleiterstruktur, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Materialstapels eines Gate-Dielektrikumsmaterials (14) und eines Batteriestapels (16) auf einer Fläche eines Halbleitersubstrats (10), wobei der Batteriestapel einen Kathodenstromkollektor (18), der auf dem Gate-Dielektrikumsmaterial angeordnet ist, ein Kathodenmaterial (20), das auf dem Kathodenstromkollektor angeordnet ist, ein erstes lonendiffusionsbarrieren-Material (22), das auf dem Kathodenmaterial angeordnet ist, einen Elektrolyten (24), der auf dem ersten lonendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist, ein zweites lonendiffusionsbarrieren-Material (26), das auf dem Elektrolyten angeordnet ist, und einen Anodenstromkollektor (30) umfasst, der oben auf dem zweiten lonendiffusionsbarrieren-Material angeordnet ist; und Bilden von Source/Drain-Zonen (12L, 12R) in dem Halbleitersubstrat und auf gegenüberliegenden Seiten des Materialstapels, wobei das Bilden der Source/Drain-Zonen vor oder nach dem Bereitstellen des Materialstapels durchführbar ist; wobei das Verfahren ferner Abscheiden einer Anodenzone (28) auf dem zweiten lonendiffusionsbarrieren-Material vor dem Bilden des Anodenstromkollektors oder Bilden einer Anodenzone (28) zwischen dem zweiten lonendiffusionsbarrieren-Material und dem Anodenstromkollektor nach dem Bereitstellen des Materialstapels aufweist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das erste und das zweite lonendiffusionsbarrieren-Material eine Lithium-Diffusionskonstante von weniger als 1 × 10-6 cm2/s aufweisen.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das erste und das zweite Ionendiffusionsbarrieren-Material Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumfluorid, Magnesiumoxid oder einen mehrschichtigen Stapel davon aufweisen.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Source/Drain-Zonen vor dem Bilden des Gate-Dielektrikumsmaterials gebildet werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Source/Drain-Zonen nach dem Bilden des Materialstapels werden.
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