高抗辐射存储器件及其制备方法与流程

本发明涉及高抗辐射存储器件及其制备方法，属于存储器制造技术领域。

背景技术：

随着人类对太空探索的持续深入以及航天事业的快速发展，航天电子系统及电子元器件的抗辐射特性变得越来越重要。不同于普通的地面环境，空间环境中充斥着多种高能粒子及射线。这些辐射源会影响在太空工作的电子设备和元件，继而导致元器件功能紊乱和性能衰退，甚至造成芯片永久性损坏和电子系统的崩溃。

非易失存储器作为宇航电子系统中存储数据和程序的核心部件，必须具备一定程度的抗辐射能力，以满足空间应用中的性能指标。目前的nram（nanorandomaccessmemory，随机存储器）存储器是由硅基的场效应晶体管与nram存储单元构成的，经试验研究，nram存储单元的抗辐照剂量在10mrad(si)以上，而cmos器件的抗辐射能力较弱，即使经过抗辐射加固，其最大可承受的抗辐照剂量也只能达到1~2mrad(si)，这极大了限制了nram在空间环境中的应用。为有效推进nram在航空领域中的应用，亟需一种改进现有的nram存储器以提升抗辐射性能的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高抗辐射存储器件及其制备方法，用于解决现有技术中存在的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据第一方面，本发明实施例提供了一种高抗辐射存储器件，所述存储器件包括；

衬底；

形成在所述衬底上的碳纳米管晶体管；

碳纳米管存储单元，所述碳纳米管存储单元形成在所述碳纳米管晶体管的上方，所述碳纳米管存储单元由绝缘层、金属阻挡层和碳纳米管膜层上中下堆叠组成，并通过金属通孔与所述碳纳米管晶体管的漏极垂直电相连。

可选的，所述碳纳米管膜层通过多次旋涂碳纳米管溶液并后烘形成。

可选的，所述碳纳米管晶体管通过cmos互联工艺与所述碳纳米管存储单元相连。

可选的，所述衬底为硅片、氮化硅、石英、玻璃和氧化铝中的至少一种。

第二方面，提供了一种高抗辐射存储器件的制备方法，所述方法包括：

在衬底的上方制备碳纳米管晶体管；

制备连接所述碳纳米管晶体管漏极和碳纳米管存储单元的金属通孔；

在所述金属通孔的顶部涂布碳纳米管膜层、淀积金属阻挡层、光刻并刻蚀金属阻挡层与碳纳米管膜层，沉积绝缘层，得到碳纳米管存储单元；

将所述碳纳米管存储单元的电极通过所述金属通孔与所述碳纳米管晶体管的漏极垂直电相连。

可选的，所述在所述金属通孔的顶部涂布碳纳米管膜层、淀积金属阻挡层、光刻并刻蚀金属阻挡层与碳纳米管膜层，沉积绝缘层，得到碳纳米管存储单元，包括：

多次旋涂碳纳米溶液后烘干，得到目标厚度的碳纳米管膜层；

沉积金属阻挡层；

光刻并刻蚀所述碳纳米管膜层和所述金属阻挡层；

继续沉积所述绝缘层。

可选的，所述碳纳米管溶液浓度范围为0.6~1mg/ml。

可选的，旋涂速度从第一速度逐渐增大至第二速度，所述第二速度低于1000rpm。

可选的，所述将所述碳纳米管存储单元的电极通过所述金属通孔与所述碳纳米管晶体管的漏极垂直电相连，包括：

通过cmos互联工艺，将所述碳纳米管存储单元的电极引出，实现cmos工艺集成制备由所述碳纳米管晶体管与所述碳纳米管存储单元构成的存储器。

可选的，所述通过cmos互联工艺，将所述碳纳米管存储单元的电极引出，包括：

在所述衬底的表面沉积介质层，刻蚀所述介质层和所述绝缘层形成连接所述碳纳米管晶体管的深接触孔位置；

继续旋涂barc和光刻胶，刻蚀所述barc、所述介质层和所述绝缘层，形成连接所述碳纳米管存储单元的接触孔位置；

沉积金属形成金属通孔和电极。

通过提供一种高抗辐射存储器件，器件包括衬底；形成在所述衬底上的碳纳米管晶体管；碳纳米管存储单元，所述碳纳米管存储单元形成在所述碳纳米管晶体管的上方，所述碳纳米管存储单元由绝缘层、金属阻挡层和碳纳米管膜层上中下堆叠组成，并通过金属通孔与所述碳纳米管晶体管的漏极垂直电相连。所述碳纳米管膜层通过多次旋涂碳纳米管溶液并后烘形成。不仅能够进一步提高nram存储器的运行速度，还能大幅度提高nram存储器的抗辐射能力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的高抗辐射存储器件的制备方法的方法流程图；

图2为本发明一个实施例提供的高抗辐射存储器件的制备过程中的结构示意图；

图3为本发明一个实施例提供的高抗辐射存储器件的制备过程中的结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供的高抗辐射存储器件的制备过程中的结构示意图；

图5为本发明一个实施例提供的高抗辐射存储器件的制备过程中的结构示意图；

图6为本发明一个实施例提供的一种高抗辐射存储器件的结构示意图。

1衬底；2第一绝缘层；3碳纳米管；4第一金属层；5高k栅介质材料；6第二金属层；7第一介质层；8金属通孔；9碳纳米管膜层；10金属阻挡层；11第二绝缘层；12第二介质层；13金属通孔；14电极；15barc。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参考图1，其示出了本申请一个实施例提供的高抗辐射存储器件的制备方法的方法流程图，如图1所示，所述方法包括：

步骤101，在衬底的上方制备碳纳米管晶体管；

实际实现时，本步骤包括：

步骤1：取干净衬底（1）如图2中的2a所示，并将一根单壁碳纳米管（3）放置在衬底（1）表面的第一绝缘层（2）上面，如图2中2b所示。其中碳纳米管的直径范围为1.1~2nm，用于n型碳纳米管晶体管的碳纳米管优选直径为1.3nm，用于p型碳纳米管晶体管的碳纳米管优选直径为1.5nm。

步骤2：用胶头滴管取适量光刻胶滴在衬底（1）表面的第一绝缘层（2）上，并旋涂形成光阻层，如2c所示。

步骤3：通过光刻定义接触单壁碳纳米管（3）的源极和漏极区域，曝光步骤2所述光阻层，显影，使用光学显微镜检查源漏极区域显影情况，如2d所示。

步骤4：淀积第一金属层（4），如2e所示。可选的用于淀积的金属材料包括但不仅限于金属钯（pd）、钪（sc）、钇（y），其中无掺杂n型碳纳米管晶体管优选金属钪（sc），厚度范围为50~90nm，优选为70nm，无掺杂p型碳纳米管晶体管优选金属钯（pd），厚度范围为50~90nm，优选为70nm。

步骤5：去除光刻胶，在单壁碳纳米管（3）上留下源漏电极，如2f所示。

步骤6：在步骤5所述衬底（1）上旋涂一层厚光刻胶，如2g所示，其中厚光刻胶的厚度范围为1.0~1.4μm，其中优选1.2μm。

步骤7：光刻并显影，暴露出单壁碳纳米管（3）上形成栅氧化层的区域，如2h所示。

步骤8：采用原子层沉积（ald）方法在步骤7所述衬底（1）沉积高k栅介质材料（5），可选材料包括但不仅限于zro2、hfo2、al2o3等，如2i所示。其中高k栅介质材料（5）优选为hfo2，厚度范围为10~20nm，优选为15nm。

步骤9：采用电子束蒸发（ebe）方法在步骤8所述衬底（1）淀积第二金属层（6），形成碳纳米管存储器的栅极，如2j所示，金属层厚度范围为20~50nm，优选为30nm。

步骤10：旋涂一层底部抗反射涂层（barc）（15）,依次刻蚀barc层（15）至金属层表面，接着刻蚀第二金属层（6）、高k栅介质材料（5）至光刻胶层，如图2k~2n所示。

步骤11：去除brac层和光刻胶，如2o所示，至此完成碳纳米管晶体管制备。

步骤102，制备连接所述碳纳米管晶体管漏极和碳纳米管存储单元的金属通孔；

可选的，本步骤包括：

步骤12：淀积第一介质层（7），并进行化学机械抛光（cmp），如图3中的3a所示。

步骤13：旋涂光刻胶，曝光并显影，接着刻蚀出接触孔位置，随后去除光刻胶，如3b~3e所示。

步骤14：淀积金属形成金属通孔（8），随后进行（cmp），如3f和3g所示。

步骤103，在所述金属通孔的顶部涂布碳纳米管膜层、淀积金属阻挡层、光刻并刻蚀金属阻挡层与碳纳米管膜层，沉积绝缘层，得到碳纳米管存储单元；

第一，多次旋涂碳纳米溶液后烘干，得到目标厚度的碳纳米管膜层；

旋涂速度从第一速度逐渐增大至第二速度，所述第二速度低于1000rpm。

第二，沉积金属阻挡层；

第三，光刻并刻蚀所述碳纳米管膜层和所述金属阻挡层；

第四，继续沉积所述绝缘层。

实际实现时，可以具体实现成为：

步骤15：在步骤14所述衬底（1）表面滴适量碳纳米管溶液，旋涂、后烘，重复该步骤多次至目标厚度形成碳纳米管膜层（9），如图4中的4a所示，其中碳纳米管溶液浓度范围为0.6~1mg/ml，优选浓度为0.8mg/ml。旋涂速度先低速（低于100rpm）后逐渐增大，但速度始终保持在1000rpm以下，优选转速80rpm、800rpm作为前转速和后转速，时间优选分别为5秒和60秒。后烘温度范围200~250℃，时间为60~120秒，其中后烘温度优选为220℃，时间优选100秒。碳纳米管膜层（9）的目标厚度为30~50nm，优选35nm。

步骤16：在步骤15所述衬底（1）表面沉积一层tin作为金属阻挡层（10），如4b所示。其中金属阻挡层厚度为10~30nm，优选17nm。

步骤17：在步骤16所述衬底（1）表面旋涂光刻胶，曝光并显影，随后先后刻蚀tin层（10）和碳纳米管膜层（9），如4c~4e所示。

步骤18：在步骤17所述衬底（1）表面沉积一层sin作为第二绝缘层（11），如4f所示。

步骤104，将所述碳纳米管存储单元的电极通过所述金属通孔与所述碳纳米管晶体管的漏极垂直电相连。

通过cmos互联工艺，将所述碳纳米管存储单元的电极引出，实现cmos工艺集成制备由所述碳纳米管晶体管与所述碳纳米管存储单元构成的存储器。

可选的，本步骤包括：

第一，在所述衬底的表面沉积介质层，刻蚀所述介质层和所述绝缘层形成连接所述碳纳米管晶体管的深接触孔位置；

第二，继续旋涂barc和光刻胶，刻蚀所述barc、所述介质层和所述绝缘层，形成连接所述碳纳米管存储单元的接触孔位置；

第三，沉积金属形成金属通孔和电极。

在一种可能的实施例中，本步骤可以实现为：

步骤19：淀积第二介质层（12），并进行化学机械抛光（cmp），如图4g所示。

步骤20：在步骤19所述衬底（1）表面旋涂光刻胶，曝光并显影，接着刻蚀第二介质层（12）、sin绝缘层（11）、刻蚀第一介质层（7），形成连接碳纳米管晶体管的深接触孔位置，随后去除光刻胶，如图4h~4m所示。

步骤21：在步骤20所述衬底(1)表面依次旋涂一层barc(15)、和一层光刻胶，曝光并显影，接着刻蚀barc(15)、刻蚀第二介质层(12)、sin绝缘层(11)，形成连接nram存储单元的接触孔位置，随后去除光刻胶、barc(15)，如图5中的4o～4s所示。

步骤22：淀积金属形成金属通孔（13），随后进行（cmp），如4t和4u所示。

步骤23：淀积金属形成电极（14），如4v所示。

步骤24：在步骤23所述衬底（1）表面旋涂光刻胶，曝光并显影，随后刻蚀电极（14），如4w~4z所示，至此完成高抗辐射存储器件的制备。

基于碳纳米管的类型的不同，上述制备方法略有差异，在一种可能的实施例中，以集成n型碳纳米管晶体管与碳纳米管存储单元组成高抗辐射存储单元来举例说明，在制备前准备硅片（1）和碳纳米管水溶液，其制备方法包括：

步骤1：取干净硅片（1），并将一根直径为1.3nm的单壁碳纳米管（3）放置在硅片（1）表面的二氧化硅层（2）上面，如图2中的2b所示。

步骤2：用胶头滴管取适量光刻胶滴在硅片（1）表面二氧化硅层（2）上，并旋涂形成光阻层，如2c所示。

步骤3：通过光刻定义接触单壁碳纳米管（3）的源极和漏极区域，曝光步骤2所述光阻层，显影，使用光学显微镜检查源漏极区域显影情况，如2d所示。

步骤4：淀积金属层（4），如2e所示为形成n型碳纳米管晶体管，淀积70纳米的金属钪（sc）。

步骤5：去除光刻胶，在单壁碳纳米管（3）上留下源漏电极，如2f所示。

步骤6：在步骤5所述硅片（1）上旋涂一层厚度达1.2μm的光刻胶，如2g所示。

步骤7：光刻并显影，暴露出单壁碳纳米管（3）上形成栅氧化层的区域，如2h所示。

步骤8：采用原子层沉积（ald）方法在步骤7所述硅片（1）沉积15纳米的hfo2层（5），如2i所示。

步骤9：采用电子束蒸发（ebe）方法在步骤8所述硅片（1）淀积30纳米金属钯（6），形成碳纳米管存储器的栅极，如2j所示。

步骤10：旋涂一层底部抗反射涂层（barc）（15），依次刻蚀barc层（15）至金属层表面，接着刻蚀金属层（6）、高k栅介质材料（5）至光刻胶层，如2k~2n所示。

步骤11：去除brac层和光刻胶，如2o所示，至此完成n型碳纳米管晶体管制备。

步骤12：淀积第一介质层（7），并进行化学机械抛光（cmp），如图种的3a所示。

步骤13：旋涂光刻胶，曝光并显影，接着刻蚀出接触孔位置，随后去除光刻胶，如3b~3e所示。

步骤14：淀积金属钨形成钨通孔（8），随后进行（cmp），如3f和3g所示。

步骤15：在步骤14所述硅片（1）表面滴适量0.8mg/ml的碳纳米管溶液，先以80rpm的转速旋涂5秒、后以800rpm的转速旋涂60秒，220℃下后烘100秒，重复该步骤多次至碳纳米管膜层（9）厚度达到35纳米，如图4中的4a所示。

步骤16：在步骤15所述硅片（1）表面沉积一层17纳米的tin作为金属阻挡层（10），如4b所示。

步骤17：在步骤16所述硅片（1）表面旋涂光刻胶，曝光并显影，随后先后刻蚀tin层（10）和碳纳米管膜层（9），如4c~4e所示。

步骤18：在步骤17所述衬底（1）表面沉积一层sin作为绝缘层（11），如4f所示。

步骤19：淀积第二介质层（12），并进行化学机械抛光（cmp），如4g所示。

步骤20：在步骤19所述衬底（1）表面旋涂光刻胶，曝光并显影，接着刻蚀第二介质层（12）、sin绝缘层（11）、刻蚀第一介质层（7），形成连接碳纳米管晶体管的深接触孔位置，随后去除光刻胶，如4h~4m所示。

步骤21：在步骤20所述衬底（1）表面依次旋涂一层barc（15）、和一层光刻胶，曝光并显影，接着刻蚀barc（15）、刻蚀介质层（12）、sin绝缘层（11），形成连接nram存储单元的接触孔位置，随后去除光刻胶、barc（15），如图5中的4o~4s所示。

步骤22：淀积金属钨形成钨通孔（13），随后进行（cmp），如4t和4u所示。

步骤23：淀积金属形成电极（14），如4v所示。

步骤24：在步骤23所述硅片（1）表面旋涂光刻胶，曝光并显影，随后刻蚀电极（14），如4w~4z所示，至此完成高抗辐射存储器的制备。

在另一种可能的实施例中，以集成p型碳纳米管晶体管与碳纳米管存储单元组成高抗辐射存储单元来举例说明，在制备前准备硅片（1）和碳纳米管水溶液，其制备方法包括：

步骤1：取干净硅片（1），并将一根直径为1.5nm的单壁碳纳米管（3）放置在硅片（1）表面的二氧化硅层（2）上面，如图2中的2b所示。

步骤2：用胶头滴管取适量光刻胶滴在硅片（1）表面二氧化硅层（2）上，并旋涂形成光阻层，如2c所示。

步骤3：通过光刻定义接触单壁碳纳米管（3）的源极和漏极区域，曝光步骤2所述光阻层，显影，使用光学显微镜检查源漏极区域显影情况，如2d所示。

步骤4：淀积金属层（4），如2e所示为形成p型碳纳米管晶体管，淀积70纳米的金属钯（pd）。

步骤5：去除光刻胶，在单壁碳纳米管（3）上留下源漏电极，如2f所示。

步骤6：在步骤5所述硅片（1）上旋涂一层厚度为1.2μm的光刻胶，如2g所示。

步骤7：光刻并显影，暴露出单壁碳纳米管（3）上形成栅氧化层的区域，如2h所示。

步骤8：采用原子层沉积（ald）方法在步骤7所述硅片（1）沉积15纳米的hfo2层（5），如2i所示。

步骤9：采用电子束蒸发（ebe）方法在步骤8所述硅片（1）淀积30纳米金属钛（6），形成碳纳米管存储器的栅极，如2j所示。

步骤10：旋涂一层底部抗反射涂层（barc）（15），依次刻蚀barc层（15）至金属层表面，接着刻蚀金属层（6）、高k栅介质材料（5）至光刻胶层，如图2k~2n所示。

步骤11：去除brac层和光刻胶，如图2o所示，至此完成p型碳纳米管晶体管制备。

步骤12：淀积第一介质层（7），并进行化学机械抛光（cmp），如图3中的3a所示。

步骤13：旋涂光刻胶，曝光并显影，接着刻蚀出接触孔位置，随后去除光刻胶，如3b~3e所示。

步骤14：淀积金属钨形成钨通孔（8），随后进行（cmp），如3f和3g所示。

步骤15：在步骤14所述硅片（1）表面滴适量0.8mg/ml的碳纳米管溶液，先以80rpm的转速旋涂5秒、后以800rpm的转速旋涂60秒，220℃下后烘100秒，重复该步骤多次至碳纳米管膜层（9）厚度达到35纳米，如图4中的4a所示。

步骤16：在步骤15所述硅片（1）表面沉积一层17纳米的tin作为金属阻挡层（10），如4b所示。

步骤17：在步骤16所述硅片（1）表面旋涂光刻胶，曝光并显影，随后先后刻蚀tin层（10）和碳纳米管膜层（9），如4c~4e所示。

步骤18：在步骤17所述硅片（1）表面沉积一层sin作为绝缘层（11），如4f所示。

步骤19：淀积介质层（12），并进行化学机械抛光（cmp），如4g所示。

步骤20：在步骤19所述衬底（1）表面旋涂光刻胶，曝光并显影，接着刻蚀介质层（12）、sin绝缘层（11）、刻蚀介质层（7），形成连接碳纳米管晶体管的深接触孔位置，随后去除光刻胶，如4h~4m所示。

步骤21：在步骤20所述衬底（1）表面依次旋涂一层barc（15）、和一层光刻胶，曝光并显影，接着刻蚀barc（15）、刻蚀介质层（12）、sin绝缘层（11），形成连接nram存储单元的接触孔位置，随后去除光刻胶、barc（15），如图5中的4o~4s所示。

步骤22：淀积金属钨形成钨通孔（13），随后进行（cmp），如4t和4u所示。

步骤23：淀积金属形成电极（14），如4v所示。

步骤24：在步骤23所述硅片（1）表面旋涂光刻胶，曝光并显影，随后刻蚀电极（14），如4w~4z所示，至此完成高抗辐射存储器的制备。

请参考图6，其示出了通过上述方法制备得到的高抗辐射存储器的结构。

综上所述，通过提供在衬底的上方制备碳纳米管晶体管；制备连接所述碳纳米管晶体管漏极和碳纳米管存储单元的金属通孔；在所述金属通孔的顶部涂布碳纳米管膜层、淀积金属阻挡层、光刻并刻蚀金属阻挡层与碳纳米管膜层，沉积绝缘层，得到碳纳米管存储单元；将所述碳纳米管存储单元的电极通过所述金属通孔与所述碳纳米管晶体管的漏极垂直电相连。使得可以制备得到基于碳纳米管的存储器，而由于在室温下纳米管中载流子迁移率高达100000cm²/（v•s），大约是硅的100倍；由于碳-碳键是自然界中最强的化学键，因此，使用碳纳米管晶体管作为选通管，不仅能够进一步提高nram存储器的运行速度，还能大幅度提高nram存储器的抗辐射能力。此外，上述方法具有与现有的半导体工艺兼容、适合大规模量产、便于实施等优点。

本申请还提供了一种高抗辐射存储器件，所述高抗辐射存储器件为通过以上所述的制备方法制备得到，所述存储器件包括：

衬底；

形成在所述衬底上的碳纳米管晶体管；

碳纳米管存储单元，所述碳纳米管存储单元形成在所述碳纳米管晶体管的上方，所述碳纳米管存储单元由绝缘层、金属阻挡层和碳纳米管膜层上中下堆叠组成，并通过金属通孔与所述碳纳米管晶体管的漏极垂直电相连。

所述碳纳米管膜层通过多次旋涂碳纳米管溶液并后烘形成。

所述碳纳米管晶体管通过cmos互联工艺与所述碳纳米管存储单元相连。

所述衬底为硅片、氮化硅、石英、玻璃和氧化铝中的至少一种。

其具体结构可以结合上述制备方法的描述，在此不再赘述。

综上所述，通过提供一种高抗辐射存储器件，器件包括衬底；形成在所述衬底上的碳纳米管晶体管；碳纳米管存储单元，所述碳纳米管存储单元形成在所述碳纳米管晶体管的上方，所述碳纳米管存储单元由绝缘层、金属阻挡层和碳纳米管膜层上中下堆叠组成，并通过金属通孔与所述碳纳米管晶体管的漏极垂直电相连。所述碳纳米管膜层通过多次旋涂碳纳米管溶液并后烘形成。不仅能够进一步提高nram存储器的运行速度，还能大幅度提高nram存储器的抗辐射能力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。