使用石墨烯作為電荷捕獲層的存儲器件以及其操作方法
【專利摘要】一種使用石墨烯層作為電荷捕獲層的石墨烯存儲器和該石墨烯存儲器的操作方法。該石墨烯存儲器包括：導電的半導體基板；在基板上的彼此間隔開的源極和漏極；石墨烯層，接觸基板并且在源極和漏極之間與源極和漏極間隔開；以及在石墨烯層上的柵電極。肖特基勢壘形成在基板和石墨烯層之間使得石墨烯層用作儲存電荷的電荷捕獲層。
【專利說明】使用石墨烯作為電荷捕獲層的存儲器件以及其操作方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及通過利用在石墨烯和半導體基板之間的肖特基勢壘而使用石墨烯作為電荷捕獲層的非易失性存儲器件。
【背景技術】
[0002]石墨烯具有2維六方碳結構，并且作為用于代替半導體的新材料，對石墨烯的研究已經在全世界積極進行。特別地，石墨烯是零帶隙半導體，具有金屬特性，并且接觸金屬以在其間形成肖特基勢壘。
[0003]作為非易失性存儲器件，快閃存儲器在設置在控制電極和溝道之間的浮置柵中儲存電荷。為了防止電荷在浮置柵處泄漏，浮置柵由絕緣層圍繞。
[0004]為了從溝道捕獲電荷至浮置柵，電荷應該穿過其間的絕緣層(隧道氧化物)，因而需要高操作電壓。
[0005]作為電荷捕獲非易失性存儲器件，硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)存儲器件可具有低操作電壓。SONOS存儲器件具有其中由硅氧化物形成的隧道層、由硅氮化物形成的電荷捕獲層、由硅氧化物形成的阻擋層和柵電極順序層疊在半導體溝道上的結構。

【發(fā)明內容】

[0006]提供一種通過使用在石墨烯和半導體之間的肖特基勢壘而使用石墨烯(而不是典型的隧穿氧化物)作為電荷捕獲層的非易失性存儲器件。
[0007]額外的方面將在以下的描述中被部分地闡述，且部分將自該描述明顯，或者可以通過對所給出實施方式的實踐而習知。
[0008]根據一示例實施方式，一種石墨烯存儲器包括:導電的半導體基板；在基板上的彼此間隔開的源極和漏極；石墨烯層，接觸基板并且在源極和漏極之間且與源極和漏極間隔開；以及在石墨烯層上的柵電極，其中肖特基勢壘形成在基板和石墨烯層之間使得石墨烯層用作儲存電荷的電荷捕獲層。
[0009]基板可以包括由硅、鍺、硅-鍺或II1- V族半導體。
[0010]石墨烯層可以包括一層至四層石墨烯。
[0011 ] 石墨烯層可以包括至少一個孔或縫。
[0012]石墨烯存儲器還可以包括導電層，該導電層接觸石墨烯層并且相對于石墨烯層面對基板。
[0013]導電層可以包括金屬或多晶硅。
[0014]石墨烯層和導電層的每個可以包括孔或縫。
[0015]石墨烯層的孔或縫可以連接到導電層的孔或縫。
[0016]肖特基勢壘的大小可以隨著施加到柵電極的電壓而變化。
[0017]從俯視圖看時，柵電極可以覆蓋石墨烯層并且可以面對通過石墨烯層暴露的基板。[0018]根據另一示例實施方式，上述石墨烯存儲器的操作方法包括:用于通過施加漏電壓到漏極以及施加第一柵電壓到柵電極而從石墨烯層去除儲存電荷的擦除操作；通過施加具有與第一柵電壓相反極性的第二柵電壓到柵電極而在石墨烯層中儲存所述儲存電荷的編程操作；以及施加具有與第二柵電壓相同的極性的第三柵電壓并且測量流過漏極的漏電流的讀取操作。
[0019]編程操作可以包括在增大肖特基勢壘時用儲存電荷摻雜石墨烯層。
[0020]擦除操作可以包括在減小肖特基勢壘時用具有與儲存電荷相反極性的電荷摻雜石墨稀層。
[0021]第三柵電壓可以比第二柵電壓低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]從結合附圖對實施方式的以下描述，這些和/或其它方面將變得明顯且更易于理解，在附圖中:
[0023]圖1是根據一示例實施方式的使用石墨烯作為電荷捕獲層的存儲器件的截面圖；
[0024]圖2是圖1所示的存儲器件的平面圖；
[0025]圖3A至圖3G是為了描述圖1所示的存儲器件的功能的，在基板和石墨烯層之間的能帶圖；
[0026]圖3H是顯示在編程和擦除條件下的閾值電壓的電流-電壓(1-V)特征曲線圖；
[0027]圖4是根據另一示例實施方式的使用石墨烯作為電荷捕獲層的存儲器件的截面圖；
[0028]圖5是根據又一示例實施方式的使用石墨烯作為電荷捕獲層的存儲器件的截面圖；和
[0029]圖6是圖5的一部分的放大圖。
【具體實施方式】
[0030]現(xiàn)在將詳細參考實施方式，其實例在附圖中示出，其中相似的參考標記始終表示相似的元件。在這點上，本實施方式可具有不同的形式并且不應被理解為限于在此闡述的描述。因此，以下僅通過參考附圖描述實施方式來說明本說明書的多個方面。
[0031]圖1是根據一示例實施方式的使用石墨烯作為電荷捕獲層的存儲器件100的截面圖。
[0032]參考圖1，源極區(qū)122和漏極區(qū)124形成在基板110上，其中源極區(qū)122和漏極區(qū)124是彼此間隔開的雜質區(qū)?；蹇梢杂砂雽w形成。存儲器件100包括在源極區(qū)122和漏極區(qū)124之間的作為電荷捕獲層的石墨烯層130。絕緣層140和柵電極150順序地層疊在石墨烯層130上。
[0033]基板110可以由硅、鍺、硅-鍺或II1- V族半導體形成。在以下描述中，假設基板110由娃形成?；?10用P型雜質或η型雜質摻雜。
[0034]源極區(qū)122和漏極區(qū)124可以是用具有與基板110相反的極性的雜質摻雜的區(qū)域。例如，如果基板Iio用P型雜質摻雜，則源極區(qū)122和漏極區(qū)124可以用η型雜質摻雜。
[0035]石墨烯層130形成為與源極區(qū)122和漏極區(qū)124間隔開并且接觸基板110。也就是說，石墨烯層130形成在源極區(qū)122和漏極區(qū)124之間的溝道區(qū)123上。石墨烯層130是用于從溝道區(qū)123捕獲電子或空穴的層。
[0036]肖特基勢壘由于石墨烯層130和基板110之間的接觸而形成在其間。根據一示例實施方式，在石墨烯層130和基板110之間不存在典型的隧道層，并且肖特基勢壘起隧道層的作用。
[0037]石墨烯層130可以包括一至四層石墨烯。與金屬類似，石墨烯層130具有高電荷遷移率。因此，如果石墨烯層130用作電荷捕獲層，被俘獲的電荷可以均勻分布且因而可以實現(xiàn)優(yōu)良的電荷儲存特性。此外，當石墨烯層130是具有優(yōu)良的層間絕緣特性的多層石墨烯時，只要柵電壓不改變，被俘獲的電荷就可以幾乎不泄漏，于是可以實現(xiàn)優(yōu)良的保留特性(retention characteristics)。
[0038]石墨烯層130可具有大約20nm至150nm的寬度。
[0039]絕緣層140可以由例如硅氧化物(Si02)、氧化鋁(Al2O3)或鉿氧化物(HfO2)形成。
[0040]柵電極150可以由例如鋁(Al)、金(Au)、鈹(Be)、鉍(Bi)、鈷(Co)、銅(Cu)、鉿(Hf)、銦(In)、錳(Mn)、鑰(Mo)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銠(Rh)、錸(Re)、釕(Ru)、鉭(Ta)、碲(Te)、鈦(Ti)、鎢(W)、鋅(Zn)或鋯(Zr)形成。
[0041]圖2是圖1所示的存儲器件100的平面圖。為了方便，沒有示出絕緣層140。
[0042]參考圖2，柵電極150形成在石墨烯層130上方且形成為比石墨烯層130寬，于是覆蓋石墨烯層130。源自基板110上的柵電極150的電場效應可由于石墨烯層130而減少。因為柵電極150形成為面對通過石墨烯層130暴露的基板110，所以源自柵電極150的電場被施加到基板110。
[0043]現(xiàn)在將參考圖3A至圖3H詳細描述存儲器件100的操作方法。
[0044]圖3A至圖3G是為了描述圖1所示的存儲器件100的功能的、在基板110和石墨烯層130之間的能帶圖。在以下的描述中，假設基板110是P型硅基板并且源極區(qū)122和漏極區(qū)124是η+摻雜區(qū)。在該情形下，在石墨烯層130中儲存的儲存電荷是電子，與儲存電荷相反的電荷是空穴。在電荷被充至石墨烯層130中之前的狀態(tài)(擦除狀態(tài))被稱為狀態(tài)“0”，在電荷被充至石墨烯層130中時的狀態(tài)(編程狀態(tài))被稱為狀態(tài)“I”。
[0045]參考圖3Α，在溝道區(qū)123中的能帶可以被表示為P型基板110和石墨烯層130之間的能帶圖。由于基板Iio和石墨烯層130之間的接觸，能帶與石墨烯層130和基板110的功函數(shù)相應地形成。肖特基勢壘Eb形成在基板110和石墨烯層130之間。肖特基勢壘Eb限制基板110和石墨烯層130之間的電子遷移。Ef表示費米能級。
[0046]在不施加柵電壓時，電子幾乎不流過溝道區(qū)123。
[0047]圖3Α顯示了其中電壓沒有被施加到存儲器件100的初始狀態(tài)。
[0048]參考圖3Β，如果第一柵電壓(負電壓)被施加到柵電極150以及正電壓被施加到基板110，則在積累模式中，石墨烯層130被空穴摻雜并且石墨烯層130中的所有電子被移除。
[0049]在擦除操作中，肖特基勢壘的大小被減小，石墨烯層130用空穴摻雜。此外，在石墨烯層130中存儲的電荷(電子)隧穿到基板110，于是被去除。
[0050]圖3C是其中在完成圖3Β的擦除操作之后所有的電壓被去除的狀態(tài)(狀態(tài)“O”)的能帶圖。
[0051]參考圖3D，如果等于或大于擦除狀態(tài)的閾值電壓的第二柵電壓(正電壓)被施加到柵電極150以及預定的漏電壓被施加到漏極區(qū)124，則溝道區(qū)123轉變?yōu)榉崔D狀態(tài)，使得石墨烯層130用電子摻雜并且溝道區(qū)123的電子移到石墨烯層130。在編程操作中，肖特基勢壘Eb (見圖3E)增加并且石墨烯層130從空穴摻雜狀態(tài)變?yōu)殡娮訐诫s狀態(tài)。
[0052]圖3E是其中在完成圖3D的編程操作之后所有的電壓被去除的狀態(tài)(狀態(tài)“I”)的能帶圖。
[0053]如果預定的第三柵電壓(正電壓)被施加到存儲器件100，則可以讀取漏電流。如果漏電流相對較高，則信息“I”被記錄在存儲器件100中。如果漏電流相對較低，則信息“O”被記錄在存儲器件100中。漏電流可以被確定為與預設參考電流相比相對較高或相對較低。
[0054]圖3F和圖3G是用于描述讀取操作的圖示。
[0055]參考圖3F，如果在擦除狀態(tài)下第三柵電壓被施加到柵電極150并且預定的漏電壓被施加到漏極區(qū)124，則電子不從源極區(qū)122移動到漏極區(qū)124。
[0056]另外，參考圖3G，如果在編程操作下，第三柵電壓被施加到柵電極150并且預定的漏電壓被施加到漏極區(qū)124，則電子不從源極區(qū)122移動到漏極區(qū)124。
[0057]第三柵電壓具有與第二柵電壓相同的極性并且可具有比第二柵電壓小的絕對值。
[0058]圖3H顯示了擦除狀態(tài)和編程狀態(tài)之間的閾值電壓差。第三柵電壓位于擦除狀態(tài)的閾值電壓Vthtl和編程狀態(tài)的閾值電壓Vthl之間。
[0059]以上參考圖3A至圖3H描述了在存儲器件100的基板110用p型雜質摻雜以及源極區(qū)122和漏極區(qū)124用η型雜質摻雜時的情形。如果存儲器件100的基板110用η型雜質摻雜以及源極區(qū)122和漏極區(qū)124用P型雜質摻雜，除了在石墨烯層130中儲存的電荷是空穴以及所施加的柵電壓的極性不同之外，其它操作自以上描述被很好地了解并且在此不再重復提供存儲器件100的操作。
[0060]在使用石墨烯的存儲器件100中，根據示例實施方式，電荷可以均勻分布在作為電荷捕獲層的石墨烯層130中，被俘獲的電荷的泄漏可以通過肖特基勢壘被抑制從而實現(xiàn)優(yōu)良的保留特性。
[0061]圖4是根據另一示例實施方式的使用石墨烯作為電荷捕獲層的存儲器件200的截面圖。在圖1和圖4中，相同的附圖標記表示相同的元件，于是在此不再重復提供其詳細描述。
[0062]參考圖4，多個孔232形成在石墨烯層230中。孔232可以是沿一個方向延伸的縫。另外，孔232或縫可以沿著朝向基板110的方向延伸以穿透石墨烯層230。例如，基板110的一部分可以通過孔232或縫被暴露。
[0063]其它元件與圖1中的元件相同，于是在此不再重復提供其詳細描述。
[0064]因為源自柵電極150的電場通過孔232更影響石墨烯層230下面的基板110，所以包括石墨烯層230的存儲器件200可具有相對低的操作電壓。
[0065]雖然在圖4中示出了具有孔232的石墨烯層230，但是本公開不限于此。例如，多個石墨烯層可以形成在基板110上、彼此間隔開。在該情形下，縫可以形成在相鄰的石墨烯層之間。
[0066]在圖4中示出的存儲器件200的功能基本上與圖1中示出的存儲器件100的功能相同，于是在此不再重復提供其詳細描述。[0067]圖5是根據又一示例實施方式的使用石墨烯作為電荷捕獲層的存儲器件300的截面圖。圖6是圖5的一部分的放大圖。在圖1、圖5和圖6中,相同的附圖標記表不相同的元件，于是在此不再重復提供其詳細描述。
[0068]參考圖5和圖6，接觸石墨烯層330且相對于石墨烯層330面對基板110的導電層360形成在石墨烯層330上。導電層360提供用于儲存從石墨烯層330移動的電荷的電荷存儲空間。
[0069]導電層360可以由多晶硅或普通金屬諸如鋁(Al)、金(Au)、鈹(Be)、鉍(Bi)、鈷(Co)、銅(Cu)、鉿(Hf)、銦(In)、錳(Mn)、鑰(Mo)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銠(Rh)、錸(Re)、釕(Ru)、鉭(Ta)、碲(Te)、鈦(Ti)、鎢(W)、鋅(Zn)或鋯(Zr)形成。
[0070]多個孔332可以形成在石墨烯層330中?？?32可以是沿一個方向延伸的縫。
[0071]多個孔362形成在導電層360中?？?62可以是沿一個方向延伸的縫。導電層360的孔362和石墨烯層330的孔332可以彼此連接。另外，石墨烯層330的孔332和導電層360的孔362可以沿著朝向基板110的方向延伸以穿透導電層360和石墨烯層330。例如，基板110的一部分可以通過孔332和孔362被暴露。
[0072]因為源自柵電極150的電場通過孔332和362更影響石墨烯層330下面的基板110，所以存儲器件300可具有相對低的操作電壓。
[0073]其它元件與圖1中的元件相同，于是在此不再提供其詳細描述。
[0074]基于圖1中示出的存儲器件100的功能，在圖5中示出的存儲器件300的功能已經被很好地了解，于是在此不再重復提供其詳細描述。
[0075]根據示例實施方式，石墨烯層可以通過利用基板和與基板接觸的石墨烯層之間的肖特基勢壘而用作電荷捕獲層，而不是隧道層。
[0076]如果具有高電荷遷移率的石墨烯層用作電荷捕獲層，則被俘獲的電荷可以均勻分布，于是可以實現(xiàn)優(yōu)良的電荷儲存特性。
[0077]應該理解，其中描述的示例性實施方式僅應該以說明性含義被理解，而不是用于限制目的。在每個實施方式內的特征或方面的描述通常應被理解為可用于其它實施方式中的其它類似特征或方面。
[0078]本申請要求享有2013年2月15日在韓國知識產權局提交的韓國專利申請N0.10-2013-0016595的權益，其公開通過全文引用結合于此。
【權利要求】
1.一種石墨烯存儲器，包括: 導電的半導體基板； 在所述基板上的彼此間隔開的源極和漏極； 石墨烯層，接觸所述基板并且在所述源極和所述漏極之間且與所述源極和所述漏極間隔開；以及 在所述石墨烯層上的柵電極， 其中肖特基勢壘形成在所述基板和所述石墨烯層之間使得所述石墨烯層用作儲存電荷的電荷捕獲層。
2.根據權利要求1所述的石墨烯存儲器，其中所述基板包括由硅、鍺、硅-鍺或II1- V族半導體。
3.根據權利要求1所述的石墨烯存儲器，其中所述石墨烯層包括一層至四層石墨烯。
4.根據權利要求1所述的石墨烯存儲器，其中所述石墨烯層包括至少一個孔或縫。
5.根據權利要求1所述的石墨烯存儲器，還包括導電層，該導電層接觸所述石墨烯層并且相對于所述石墨烯層面對所述基板。
6.根據權利要求5所述的石墨烯存儲器，其中所述導電層包括金屬或多晶硅。
7.根據權利要求5所述的石墨烯存儲器，其中所述石墨烯層和所述導電層的每個包括孔或縫。
8.根據權利要求7所述的石墨烯存儲器，其中所述石墨烯層的所述孔或所述縫連接到所述導電層的所述孔或所述縫。
9.根據權利要求1所述的石墨烯存儲器，其中所述肖特基勢壘的大小隨著施加到所述柵電極的電壓而變化。
10.根據權利要求1所述的石墨烯存儲器，其中，從俯視圖看時，所述柵電極覆蓋所述石墨烯層并且面對通過所述石墨烯層暴露的所述基板。
11.一種權利要求1所述的石墨烯存儲器的操作方法，所述方法包括: 用于通過施加漏電壓到所述漏極以及施加第一柵電壓到所述柵電極而從所述石墨烯層去除儲存電荷的擦除操作； 通過施加具有與所述第一柵電壓相反極性的第二柵電壓到所述柵電極而在所述石墨烯層中儲存所述儲存電荷的編程操作；以及 施加具有與所述第二柵電壓相同的極性的第三柵電壓并且測量流過所述漏極的漏電流的讀取操作。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述編程操作包括在增大所述肖特基勢壘時用所述儲存電荷摻雜所述石墨烯層。
13.根據權利要求11所述的方法，其中所述擦除操作包括在減小所述肖特基勢壘時用具有與所述儲存電荷相反極性的電荷摻雜所述石墨烯層。
14.根據權利要求11所述的方法，其中所述第三柵電壓比所述第二柵電壓低。
【文檔編號】H01L27/115GK103996681SQ201310351533
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年8月13日 優(yōu)先權日:2013年2月15日
【發(fā)明者】李載昊, 鄭現(xiàn)鐘, 樸晟準, 卞卿溵, D.賽歐, 宋俔在, 許鎮(zhèn)盛 申請人:三星電子株式會社