一种基于二维半导体材料的围栅存储器及其制备方法与流程

本发明属于存储器技术领域，具体涉及一种基于二维半导体材料的围栅存储器及其制备方法。

背景技术：

半导体材料存储器是现代科学技术中一大重要领域。传统的半导体存储器采用单一栅极（顶栅结构或背栅结构）来控制器件，当沟道材料的厚度较大时，在控制栅极施加电压后，可能会出现沟道没有完全耗尽的现象，因此栅极对沟道的控制能力还需加强。

另一方面，随着半导体技术的发展，摩尔定律已经接近极限，半导体器件的特征尺寸的缩小对互连技术、微加工技术等也提出了更高的要求，同时也出现一些相应的问题，例如短沟道效应、量子效应等会在很大程度上降低硅基器件的性能。因此，需要找到一种能取代传统半导体硅的新材料。近些年来，石墨烯等二维材料受到了越来越多的关注。凭借其独特的结构和优异的性能，这些二维材料在存储器中得到了广泛应用，有望取代硅成为新型电子器件的有力候选者。

在本发明中，采用二维材料薄膜作为沟道材料，用围栅结构替代传统的单一栅极，极大的增强了栅极对沟道的控制能力，得到存储窗口更大、保持时间更长的存储器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种器件性能优异的基于二维半导体材料的围栅存储器及其制备方法。

本发明将传统的垂直堆叠式的金属栅极、绝缘氧化层、电荷俘获层、隧穿层、沟道材料的结构改为包围式结构，实现更好的栅调控性。

本发明提供的基于二维半导体材料的围栅存储器的制备方法，具体步骤为：

（1）在预先准备好的衬底上制备金属栅极

具体方法包括：采用光刻工艺在样品上将光刻胶曝光成所需的电极图形；然后在样品上淀积金属形成电极。

优选为，所述光刻工艺采用紫外光刻或者电子束光刻工艺。

优选为，所述淀积金属的方法可以是物理气相沉积或电子束蒸发。

优选为，所述金属为常见的au、cr、pt等。

（2）在金属栅极上生长氧化绝缘层

所述氧化绝缘层可以为氧化铝或氧化硅等。

所述氧化绝缘层的生长方法为原子层沉积方法。

（3）在绝缘层上生长二维材料电荷俘获层

优选为，所述二维电荷俘获层材料为石墨烯。

优选为，所述二维电荷俘获层材料可以通过两种方法制备：一种是通过在块状材料上机械剥离的方法直接获取；另一种是通过化学气相沉积生长大面积并可控层数的薄膜。

（4）在电荷俘获层上生长二维材料隧穿层

优选为，所述二维隧穿层材料为bn。

优选为，所述二维隧穿层材料可以通过机械剥离或化学气相沉积的方法获得。

（5）在隧穿层上生长二维沟道材料

优选为，所述二维沟道材料为mos2。

优选为，所述二维沟道材料的长度要大于围栅结构的长度。

优选为，所述二维沟道材料可以通过机械剥离或化学气相沉积的方法获得。

（6）在沟道材料上依次生长bn、石墨烯、氧化绝缘层、金属电极，形成围栅结构

优选为，所述bn和石墨烯通过机械剥离方法或者化学气相沉积方法获得。

优选为，所述氧化绝缘层、金属电极分别通过原子层沉积和电子束蒸发获得。

（7）在上述样品上制备一定图形的金属电极作为源极和漏极

优选为，所述金属电极的制备方法与上述金属电极的制备方法相同。

本发明效果

本发明采用围栅结构以增强栅极对沟道的控制能力，栅极施加控制电压后，确保沟道处于完全耗尽状态，增大了存储窗口。同时，由于有更多数目的电荷进入俘获层中，撤去栅压后需要有更长时间回到沟道中，因此与传统存储器相比数据的保存时间更长。

本发明实现了栅极电压对沟道的强控制作用，极大地提升了器件性能，在未来的二维材料存储器领域具有很大的发展潜力。

附图说明

图1是生长了金属栅极后的示意图。

图2是生长了氧化绝缘层后的示意图。

图3是生长了电荷俘获层后的示意图。

图4是生长了隧穿层后的示意图。

图5是制备了沟道材料后的示意图。

图6是在沟道材料上覆盖了隧穿层后的示意图。

图7是在隧穿层上覆盖了电荷俘获层后的示意图。

图8是在电荷俘获层上覆盖了绝缘氧化层后的示意图。

图9是制备了围栅结构后的示意图。

图10是淀积了金属源极和漏极后的示意图。

图11是制备基于二维半导体材料的围栅存储器的流程图。

具体实施方式

下面为详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的材料或具有相同或类似功能的方法。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的材料和方法进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。

以下，根据所附附图针对本发明所涉及的基于二维半导体材料的围栅存储器的制备方式举例进行说明。

图1，示出了生长了金属栅极后的结构，包括衬底1001、位于衬底之上的金属栅极1002。

图2，示出了在金属栅极上生长了氧化绝缘层后的结构，包括衬底1001、位于衬底之上的金属栅极1002以及氧化绝缘层1003。

图3，示出了在氧化绝缘层上生长了电荷俘获层后的结构，包括衬底1001、位于衬底之上的金属栅极1002、位于栅极之上的氧化绝缘层1003以及位于氧化绝缘层之上的电荷俘获层1004。

图4，示出了在电荷俘获层上生长了隧穿层后的结构，包括衬底1001、位于衬底之上的金属栅极1002、位于栅极之上的氧化绝缘层1003、位于氧化绝缘层之上的电荷俘获层1004以及位于俘获层之上的隧穿层1005。

图5，示出了在隧穿层上生长了二维沟道材料后的结构，包括衬底1001、位于衬底之上的金属栅极1002、位于栅极之上的氧化绝缘层1003、位于氧化绝缘层之上的电荷俘获层1004、位于俘获层之上的隧穿层1005以及位于隧穿层之上的二维沟道材料1006。

图6至图9，示出了在二维沟道材料上依次生长了隧穿层、电荷俘获层、氧化绝缘层、金属栅极后的结构，包括衬底1001、金属栅极1002、氧化绝缘层1003、电荷俘获层1004、隧穿层1005以及二维沟道材料1006。

图10，示出了淀积源极和漏极后的结构，包括衬底1001、金属栅极1002、二维沟道材料1006以及源极和漏极1007。

以下按照制造基于二维半导体材料的围栅存储器的各步骤，结合图1至10，针对具体的一例进行说明。

首先，在步骤s11中，将硅衬底片放入丙酮溶液中，浸泡两分钟，然后用异丙醇去除残留的丙酮并用氮气枪吹干。然后再在干净的衬底上通过光刻定义电极图案，并淀积一层金属栅极。本实例中，通过电子束光刻技术，曝光、显影，在样品上得到含有金属图案的光刻胶。最后沉积一层金属，形成金属栅极1002。金属电极可以为au、cr、ag、pt等，可根据器件要求选择电极。沉积金属电极的方法，包括使用物理气相沉积、电子束蒸发、或者磁控溅射等沉积金属薄膜。优选为，通过电子束蒸发沉积一层金的薄膜。利用丙酮去除光刻胶后，剩下的金属图形便是所需的电极。

接着，在步骤s12中，通过原子层沉积的方法生长氧化绝缘层1003。在本实例中，沉积30纳米厚的氧化铝作为绝缘层。但是，本发明不限定于此，氧化绝缘层的厚度可根据需要进行调整。优选为，30至40纳米厚度的氧化绝缘层。

然后，在步骤s13中，在绝缘层1003上转移一层一定厚度的石墨烯（也可以是其他二维材料）1004作为电荷俘获层。

接下来，在步骤s14中，在俘获层1004上转移一层一定厚度的bn1005作为隧穿层。

接下来，在步骤s15中，在隧穿层1005上转移一层一定厚度的mos2（也可以是其他二维材料）1006作为二维沟道材料。沟道材料长度要大于最终所制备的围栅结构的长度。

本实例中采用机械剥离的方法生长二维材料石墨烯、bn、mos2。但是，本发明不限定于此，也可以采用化学气相沉积等方法获取这些二维材料。

之后，在步骤s16中，按照上述相应材料的生长方法依次制备隧穿层、电荷俘获层、氧化绝缘层及金属栅极，形成围栅结构。

最后，在步骤s17中，通过光刻定义电极图案，并淀积一层金属作为源极和漏极1007。本实例中，电极制备方法同上述制备金属栅极的方法相同。

根据本发明可制备基于二维半导体材料的围栅存储器，从而实现高性能的新型存储器。

以上，针对本发明的基于二维半导体材料的围栅存储器制备方法进行了详细地说明，但本发明不限于以上例子，在不脱离本发明要旨的范围中，也可以进行各种的改良、变形。