一種石墨烯閃存存儲器的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種石墨烯閃存存儲器的制備方法，所述方法采用單層或者多層的連續(xù)石墨烯薄膜替代多晶硅柵或者氮氧化物存儲電荷，能夠在有限的物理空間內(nèi)提高電荷存儲容量，由于石墨烯厚度較薄，縮小器件縱向尺寸的同時，消除器件中電容耦合的影響，能有效避免相鄰存儲單元工作時的串?dāng)_問題。本發(fā)明的石墨烯閃存存儲器的工藝簡單，操作簡便，在低功耗下便能實現(xiàn)石墨烯閃存存儲器數(shù)據(jù)快速的寫入擦除及讀取功能。
【專利說明】一種石墨烯閃存存儲器的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件的制造領(lǐng)域，涉及一種石墨烯閃存存儲器的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體存儲裝置中，閃存存儲器是一種非揮發(fā)性存儲器，且具有可多次進(jìn)行數(shù) 據(jù)的存入、讀取、抹除等動作，存入的數(shù)據(jù)在斷電后也不會消失的優(yōu)點。因此，近年來，閃存 存儲器已被廣泛地運用于電子消費性產(chǎn)品中，例如：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z影機(jī)、移動電話、手提 電腦、隨身聽等各類隨身攜帶的閃存式數(shù)碼存儲產(chǎn)品，并成為固態(tài)硬盤等產(chǎn)品重要的組成 部分之一。
[0003] 大容量、高速度、低功耗、低價格已經(jīng)成為閃存存儲器的主要發(fā)展趨勢，要將大量 的數(shù)據(jù)存儲在有限的物理區(qū)域，這就需要盡可能地縮小存儲單元，以存儲單個字節(jié)。而目前 閃存存儲器內(nèi)，所述存儲單元多為納米級的多晶硅柵或者氮氧化物的浮柵晶體管。然而，當(dāng) 所述存儲單元變得更小，低于一定的單元尺寸時，多晶硅或氮氧化物就變得不太穩(wěn)定，進(jìn)而 會影響閃存存儲器的性能。為了保證所述閃存存儲器性能的穩(wěn)定性，所述浮柵晶體管的厚 度相對于電路的其余部分必須更厚，以容納足夠的電荷；然而，當(dāng)所述浮柵晶體管的厚度太 厚時，這些厚的浮柵晶體管單元往往會對相鄰的其他存儲單元造成干擾，進(jìn)而使相鄰的存 儲單元工作時出現(xiàn)串?dāng)_的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯閃存存儲器的 制備方法，用于解決由于現(xiàn)有的閃存存儲器內(nèi)的存儲單元為多晶硅柵或氮氧化物的浮柵晶 體管，為了保證所述閃存存儲器的性能，當(dāng)存儲單元變得更小時，必須使得所述存儲單元浮 柵晶體管的厚度厚于電路的其他部分，而當(dāng)存儲單元的厚度變后以后，相鄰的存儲單元工 作時會出現(xiàn)串?dāng)_的問題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種石墨烯閃存存儲器的制備方 法，所述方法至少包括 ：
[0006] 1)提供一半導(dǎo)體襯底；
[0007] 2)在所述半導(dǎo)體襯底上形成導(dǎo)電層，并將所述導(dǎo)電層圖形化以形成帶狀；
[0008] 3)在所述導(dǎo)電層的兩端分別形成源極接觸電極和漏極接觸電極，所述源極接觸電 極和所述漏極接觸電極均一部分位于所述導(dǎo)電層上，另一部分位于所述半導(dǎo)體襯底上；
[0009] 4)在所述導(dǎo)電層、所述源極接觸電極、漏極接觸電極和裸露的所述半導(dǎo)體襯底上 形成第一介質(zhì)層；
[0010] 5)在所述第一介質(zhì)層上形成石墨烯，并將所述石墨烯圖形化以形成帶狀，圖形化 后的所述石墨烯位于所述源極接觸電極和所述漏極接觸電極之間；
[0011] 6)在所述石墨烯和所述第一介質(zhì)層上形成第二介質(zhì)層；
[0012] 7)在所述第二介質(zhì)層上形成柵極接觸電極；
[0013] 8)刻蝕所述第一介質(zhì)層和所述第二介質(zhì)層，直至露出所述源極接觸電極和所述漏 極接觸電極。
[0014] 優(yōu)選地，在步驟1)和步驟2)之間還包括一對所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行清洗的步驟。 [0015] 優(yōu)選地，步驟2)中，在所述半導(dǎo)體襯底上形成導(dǎo)電層，并將所述導(dǎo)電層圖形化以 形成帶狀，至少包括以下步驟：首先，通過機(jī)械剝離或CVD化學(xué)氣相沉積法在所述半導(dǎo)體襯 底上形成所述導(dǎo)電層；其次，在所述導(dǎo)電層上形成第一帶狀掩膜層；然后，以所述第一帶狀 掩膜層為阻擋層，刻蝕所述導(dǎo)電層直至露出所述半導(dǎo)體襯底；最后，去除所述第一帶狀掩膜 層。
[0016] 可選地，步驟2)中，所述導(dǎo)電層的材質(zhì)為WS2、GaS、MoSe2、黑磷或MoS 2。
[0017] 優(yōu)選地，所述導(dǎo)電層的材質(zhì)為單層MoS2。
[0018] 可選地，步驟3)中，所述源極接觸電極和所述漏極接觸電極均為金屬電極；所述 源極接觸電極的厚度與所述漏極接觸電極的厚度均為20nm?50nm。
[0019] 優(yōu)選地，所述源極接觸電極和所述漏極接觸電極的材質(zhì)為Ti、Au、Pt、Gr、Cu中一 種或者幾種材料組合；所述源極接觸電極的厚度與所述漏極接觸電極的厚度均為30nm。
[0020] 優(yōu)選地，所述源極接觸電極和所述漏極接觸電極的材質(zhì)相同，均為Ti/Au。
[0021] 可選地，步驟4)中，所述第一介質(zhì)層的材質(zhì)為Zr02、Hf02、A1 203、Si02或六方氮化 硼；所述第一介質(zhì)層的厚度為lnm?10nm。
[0022] 優(yōu)選地，所述第一介質(zhì)層的材質(zhì)為六方氮化硼；所述第一介質(zhì)層的厚度為5nm。
[0023] 可選地，所述石墨烯為單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，步驟5)中，所述石墨烯的厚度小于 或等于2nm。
[0024] 優(yōu)選地，步驟5)中，在所述第一介質(zhì)層上形成石墨烯，并將所述石墨烯圖形化以 形成帶狀，至少包括以下步驟：首先，在所述第一介質(zhì)層上形成石墨烯；其次，在所述石墨 烯上形成第二帶狀掩膜層；然后，以所述第二帶狀掩膜層為阻擋層，刻蝕所述石墨烯直至露 出所述第一介質(zhì)層；最后，去除所述第二帶狀掩膜層。
[0025] 可選地，步驟6)中，所述第二介質(zhì)層的材質(zhì)為Zr02、Hf02、A1 203、Si02或六方氮化 硼；所述第二介質(zhì)層的厚度為l〇nm?40nm。
[0026] 優(yōu)選地，所述第二介質(zhì)層的材質(zhì)為六方氮化硼；所述第二介質(zhì)層的厚度為20nm。
[0027] 可選地，步驟7)中，所述柵極接觸電極均為金屬電極；所述柵極接觸電極的厚度 為 30nm ?lOOnm。
[0028] 優(yōu)選地，所述柵極接觸電極的材質(zhì)為Ti、Au、Pt、Gr、Cu中一種或者幾種材料組合； 所述柵極接觸電極的厚度為50nm。
[0029] 如上所述，本發(fā)明的石墨烯閃存存儲器的制備方法，具有以下有益效果：本發(fā)明中 采用單層或者多層的連續(xù)石墨烯薄膜替代多晶硅柵或者氮氧化物存儲電荷，能夠在有限的 物理空間內(nèi)提高電荷存儲容量，由于石墨烯厚度較薄，縮小器件縱向尺寸的同時，消除器件 中電容耦合的影響，能有效避免相鄰存儲單元工作時的串?dāng)_問題。導(dǎo)電層選用單層的M0S 2 薄膜，單層的M0S2薄膜為良好的半導(dǎo)體，用來作為導(dǎo)電溝道，載流子遷移率較快，器件具有 較高的開關(guān)比，而溝道中高遷移率的載流子也能加快器件數(shù)據(jù)讀取速度。隧穿電介質(zhì)及柵 控電介質(zhì)六方氮化硼介電性能優(yōu)良，具有較好的絕緣性及化學(xué)穩(wěn)定性，由于其表面超平且 沒有懸掛鍵結(jié)構(gòu)，與M 〇S2及石墨烯表面接觸時，界面之間產(chǎn)生的電荷陷阱及缺陷較少，能有 效避免漏電流的產(chǎn)生，確保閃存存儲器的穩(wěn)定性，并能保持載流子高的遷移速率，提高數(shù)據(jù) 擦寫速度。因此本發(fā)明的石墨烯閃存存儲器的工藝簡單，操作簡便，在低功耗下便能實現(xiàn)石 墨烯閃存存儲器數(shù)據(jù)快速的寫入擦除及讀取功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1顯示為本發(fā)明的石墨烯閃存存儲器的制備方法的流程圖。
[0031] 圖2-圖9顯示為本發(fā)明的石墨烯閃存存儲器的制備方法在各步驟中的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0032] 元件標(biāo)號說明
[0033] 20 半導(dǎo)體襯底
[0034] 21 導(dǎo)電層
[0035] 22 源極接觸電極
[0036] 23 漏極接觸電極
[0037] 24 第一介質(zhì)層
[0038] 25 石墨烯
[0039] 26 第二介質(zhì)層
[0040] 27 柵極接觸電極

【具體實施方式】
[0041] 以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實 施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0042] 請參閱圖2至圖9。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明 本發(fā)明的基本構(gòu)想，雖圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0043] 如圖2至圖9所示，本發(fā)明提供一種石墨烯閃存存儲器的制備方法，所述方法至少 包括：
[0044] 1)提供一半導(dǎo)體襯底20 ;
[0045] 2)在所述半導(dǎo)體襯底20上形成導(dǎo)電層21，并將所述導(dǎo)電層21圖形化以形成帶 狀；
[0046] 3)在所述導(dǎo)電層21的兩端分別形成源極接觸電極22和漏極接觸電極23,所述源 極接觸電極22和所述漏極接觸電極23均一部分位于所述導(dǎo)電層21上，另一部分位于所述 半導(dǎo)體襯底20上；
[0047] 4)在所述導(dǎo)電層21、所述源極接觸電極22、漏極接觸電極23和裸露的所述半導(dǎo)體 襯底20上形成第一介質(zhì)層24 ;
[0048] 5)在所述第一介質(zhì)層24上形成石墨烯25,并將所述石墨烯25圖形化以形成帶 狀，圖形化后的所述石墨烯25位于所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23之間；
[0049] 6)在所述石墨烯25和所述第一介質(zhì)層24上形成第二介質(zhì)層26 ;
[0050] 7)在所述第二介質(zhì)層26上形成柵極接觸電極27 ;
[0051] 8)刻蝕所述第一介質(zhì)層24和所述第二介質(zhì)層26,直至露出所述源極接觸電極22 和所述漏極接觸電極23。
[0052] 在步驟1)中，請參閱圖1的S1步驟及圖2,提供一半導(dǎo)體襯底20。
[0053] 具體的，所述半導(dǎo)體襯底20可以為氧化硅/硅襯底、鍺化硅襯底、絕緣體上硅襯底 (silicon oninsulator, SOI)、絕緣體上錯化娃襯底（silicon germanium on insulator, SG0I)或絕緣體上鍺襯底（germanium on insulator，G0I);也可以為氧化娃、氧化鎂和類金 剛石薄膜（DLC)等常規(guī)的絕緣基片；還可以為PET(聚乙烯對苯二酸酯）等柔性襯底。優(yōu)選 地，本實施例中，所述半導(dǎo)體襯底20為氧化硅/硅襯底。
[0054] 具體的，在提供所述半導(dǎo)體襯底20以后，還需要對所述半導(dǎo)體襯底20進(jìn)行清洗。 對所述半導(dǎo)體襯底20進(jìn)行清洗的方法可以為現(xiàn)有半導(dǎo)體行業(yè)中任一種半導(dǎo)體襯底的清洗 方法。優(yōu)選的，本實施例中，采用工業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)的濕法清洗工藝對所述半導(dǎo)體襯底20進(jìn)行清 洗，即采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗工藝。所述RCA清洗工藝是有美國無線電公司（RCA)的W. Kern 和D. Puotinen所提出，主要包括以下步驟：
[0055] a)使用SPM(H2S04/H202)清洗溶液清洗所述半導(dǎo)體襯底20,以去除所述半導(dǎo)體襯底 20表面的有機(jī)物和金屬，所述SPM清洗溶液的溫度為120?150°C。由于SPM溶液具有很 高的氧化能力，可將金屬氧化后溶于清洗液中，同時可以講有機(jī)物氧化生成C0 2和H20。
[0056] b)使用APM清洗溶液SC-1 (ΝΗ40Η/Η202/Η20)繼續(xù)清洗所述半導(dǎo)體襯底20,以去除 所述半導(dǎo)體襯底20表面的顆粒，所述APM清洗溶液的溫度為30?80°C。如果所述半導(dǎo)體 襯底20表面具有顆粒，且又所述半導(dǎo)體襯底20表面具有一層自然氧化膜（Si0 2)，呈親水 性，所述半導(dǎo)體襯底20表面和顆粒之間可被所述清洗液浸透，由于所述半導(dǎo)體襯底20的自 然氧化物與所述半導(dǎo)體襯底20表面的硅能被ΝΗ 40Η腐蝕掉，在所述半導(dǎo)體襯底20表面的 硅被Η40Η腐蝕掉的同時，所述顆粒便能被所述清洗溶液清洗掉，從而達(dá)到去除顆粒的目的。
[0057] c)使用HPM清洗溶液SC-2 (HC1/H202/H20)繼續(xù)清洗所述半導(dǎo)體襯底20,以去除所 述半導(dǎo)體襯底20表面的金屬。所述HPM清洗溶液在65?85°C下可以去除所述半導(dǎo)體襯底 20表面的鈉、鐵、鎂等金屬污染，所述HPM清洗溶液在室溫下可以去除鐵和鋅。
[0058] d)將所述清洗完畢的半導(dǎo)體襯底20置于旋轉(zhuǎn)干燥器中進(jìn)行離心干燥，并用低沸 點的有機(jī)溶劑進(jìn)一步置換干燥。
[0059] 需要說明的是，由于在完成上述每一步清洗步驟之后，所述半導(dǎo)體襯底20上均 可能產(chǎn)生新的氧化層，因此，在完成上述每一步清洗步驟后，可以根據(jù)實際需要增加使用 DHF(HF/H20)清洗溶液去除所述半導(dǎo)體襯底20新生成的氧化層的清洗步驟。
[0060] 需要進(jìn)一步說明的是，在完成每一步清洗步驟以后，均需要使用去離子水清洗所 述半導(dǎo)體襯底20,以去除殘余的清洗溶液成分，以免污染下一步清洗工序。
[0061] 在步驟2)中，請參閱圖1的S2步驟及圖3,在所述半導(dǎo)體襯底20上形成導(dǎo)電層 21，并將所述導(dǎo)電層21圖形化以形成帶狀。
[0062] 具體的，所述導(dǎo)電層21的材質(zhì)可以為WS2、GaS、MoSe2、黑磷或MoS 2。優(yōu)選地，本實 施例中，所述導(dǎo)電層21的材質(zhì)為單層MoS2。
[0063] 具體的，在所述半導(dǎo)體襯底20上形成所述導(dǎo)電層21，并將所述導(dǎo)電層21圖形化以 形成帶狀，至少包括以下步驟：首先，通過機(jī)械剝離或CVD化學(xué)氣相沉積法在所述半導(dǎo)體襯 底20上形成所述導(dǎo)電層21 ;其次，在所述導(dǎo)電層21上形成第一帶狀掩膜層；然后，以所述 第一帶狀掩膜層為阻擋層，刻蝕所述導(dǎo)電層21直至露出所述半導(dǎo)體襯底20 ;最后，去除所 述第一帶狀掩膜層。
[0064] 所述導(dǎo)電層21優(yōu)選為單層二維的M〇S2，由于M 〇S2為直接帶隙半導(dǎo)體，采用載流子 遷移率較高的M〇S2作為導(dǎo)電溝道，可以使得閃存存儲器具有較高的開關(guān)比，能夠提高閃存 存儲器的響應(yīng)速度。
[0065] 在步驟3)中，請參閱圖1的S3步驟及圖4,在所述導(dǎo)電層21的兩端分別形成源極 接觸電極22和漏極接觸電極23,所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23均一部分位 于所述導(dǎo)電層21上，另一部分位于所述半導(dǎo)體襯底20上
[0066] 具體的，所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23均為金屬電極；所述源極接 觸電極22的厚度與所述漏極接觸電極23的厚度均為20nm?50nm。優(yōu)選地，所述源極接觸 電極22和所述漏極接觸電極23的材質(zhì)為Ti、Au、Pt、Gr、Cu中一種或者幾種材料組合；所 述源極接觸電極22的厚度與所述漏極接觸電極23的厚度均為30nm。更為優(yōu)選地，本實施 例中，所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23的材質(zhì)相同，均為Ti/Au。
[0067] 在步驟4)中，請參閱圖1的S4步驟及圖5,在所述導(dǎo)電層21、所述源極接觸電極 22、漏極接觸電極23和裸露的所述半導(dǎo)體襯底20上形成第一介質(zhì)層24。
[0068] 具體的，在所述導(dǎo)電層21、所述源極接觸電極22、漏極接觸電極23和裸露的所述 半導(dǎo)體襯底20上形成第一介質(zhì)層24的具體方法為化學(xué)氣相沉積法或通過機(jī)械剝離法。 [0069] 具體的，所述第一介質(zhì)層24的材質(zhì)為Zr02、Hf02、A120 3、Si02或六方氮化硼 (hexagonal boron nitride，HNB);所述第一介質(zhì)層24的厚度為lnm?10nm。優(yōu)選地，本 實施例中，所述第一介質(zhì)層24的材質(zhì)為六方氮化硼；所述第一介質(zhì)層24的厚度為5nm。
[0070] 將所述第一介質(zhì)層24選為六方氮化硼，是由于六方氮化硼介電性能優(yōu)良，具有較 好的絕緣性及化學(xué)穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)與石墨烯及M 〇S2類似，缺陷少，沒有懸掛鍵且表面粗糙度 小，六方氮化硼與石墨烯及M〇S 2形成的界面間電荷陷阱及缺陷也少，能保持載流子的高遷 移率，并抑制漏電流的產(chǎn)生，以提高器件擦寫速度及穩(wěn)定性。
[0071] 將作為隧穿氧化層的所述第一介質(zhì)層24的厚度設(shè)置為比較薄的lnm?10nm，通過 采用較薄的隧穿氧化層厚度能使得載流子隧穿速度更快，使得載流子更容易隧穿進(jìn)入浮動 柵極，提高器件響應(yīng)速度，快速有效地實現(xiàn)器件的擦寫過程。
[0072] 在步驟5)中，請參閱圖1的S5步驟及圖6,在所述第一介質(zhì)層24上形成石墨烯 25,并將所述石墨烯25圖形化以形成帶狀，圖形化后的所述石墨烯25位于所述源極接觸電 極22和所述漏極接觸電極23之間。
[0073] 具體的，石墨烯作為一種新型的電子材料，具有優(yōu)異的物理及電學(xué)特性，采用石墨 烯作為電荷存儲層，由于其具有單個原子層的厚度的二維結(jié)構(gòu)，制成的電門超薄，電荷存儲 量更大，可以讓閃存存儲器繼續(xù)縮小。當(dāng)尺寸更小時，石墨烯存儲單元彼此之間沒有電干 擾，容納的電荷也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)閃存單元。
[0074] 具體的，所述石墨烯25可以為單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，步驟5)中，所述石墨烯25的 厚度小于或等于2nm。由于單層石墨烯厚度約為0· 347nm，即便本實施例中所述石墨烯25 為多層結(jié)構(gòu)，與多晶硅柵及氮氧化物相比，依然較薄，能夠在有限的物理空間內(nèi)提高電荷存 儲容量，由于石墨烯厚度較薄，縮小器件縱向尺寸的同時，消除器件中電容耦合的影響，能 有效避免相鄰存儲單元工作時的串?dāng)_問題。。
[0075] 具體的，在所述第一介質(zhì)層24上形成所述石墨烯25,并將所述石墨烯25圖形化 以形成帶狀，至少包括以下步驟：首先，在所述第一介質(zhì)層24上形成石墨烯25 ;其次，在所 述石墨烯25上形成第二帶狀掩膜層；然后，以所述第二帶狀掩膜層為阻擋層，刻蝕所述石 墨烯25直至露出所述第一介質(zhì)層24 ;最后，去除所述第二帶狀掩膜層。在所述第一介質(zhì)層 24上形成石墨烯25的方法可以為先通過現(xiàn)有形成石墨烯的任何方法中的一種形成所述石 墨烯25,而后將所述石墨烯25轉(zhuǎn)移至所述第一介質(zhì)層24上；也可以通過相應(yīng)的技術(shù)直接 在所述第一介質(zhì)層24上形成所述石墨烯25。
[0076] 具體的，所述石墨烯25位于所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23之間， 所述石墨烯25的長度小于所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23之間的間距，且所 述石墨烯25的兩端不超出所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23。
[0077] 在步驟6)中，請參閱圖1的S6步驟及圖7,在所述石墨烯25和所述第一介質(zhì)層 24上形成第二介質(zhì)層26。
[0078] 具體的，在所述石墨烯25和所述第一介質(zhì)層24上形成第二介質(zhì)層26上形成第一 介質(zhì)層24的具體方法為化學(xué)氣相沉積法或通過機(jī)械剝離法。
[0079] 具體的，所述第二介質(zhì)層26的材質(zhì)為Zr02、Hf02、A1 203、Si02或六方氮化硼 (hexagonal boron nitride，HNB);所述第二介質(zhì)層26的厚度為10nm?40nm。優(yōu)選地，本 實施例中，所述第二介質(zhì)層26的材質(zhì)為六方氮化硼；所述第二介質(zhì)層26的厚度為20nm。
[0080] 將所述第二介質(zhì)層26選為六方氮化硼，是由于六方氮化硼介電性能優(yōu)良，具有較 好的絕緣性及化學(xué)穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)與石墨烯及M 〇S2類似，缺陷少，沒有懸掛鍵且表面粗糙度 小，六方氮化硼與石墨烯及M〇S 2形成的界面間電荷陷阱及缺陷也少，能保持載流子的高遷 移率，并抑制漏電流的產(chǎn)生，以提高器件擦寫速度及穩(wěn)定性。
[0081] 將作為柵控介質(zhì)層的所述第二介質(zhì)層26的厚度設(shè)置為比較厚的10nm?40nm，通 過采用較厚的柵控電介質(zhì)則有利于將電荷限制在石墨烯中，提高器件的保持?jǐn)?shù)據(jù)能力。
[0082] 在步驟7)中：請參閱圖1的S7步驟及圖8,在所述第二介質(zhì)層26上形成柵極接 觸電極27。
[0083] 具體的，所述柵極接觸電極27均為金屬電極；所述柵極接觸電極27的厚度為 30nm?100nm。優(yōu)選地，本實施例中，所述柵極接觸電極27的材質(zhì)為Ti、Au、Pt、Gr、Cu中 一種或者幾種材料組合；所述柵極接觸電極27的厚度為50nm。
[0084] 具體的，所述柵極接觸電極27的寬度小于或等于所述源極接觸電極22與所述漏 極接觸電極23之間的間距。優(yōu)選地，本實施例中，所述柵極接觸電極27的寬度等于所述源 極接觸電極22與所述漏極接觸電極23之間的間距。
[0085] 在步驟8)中：請參閱圖1的S8步驟及圖9,刻蝕所述第一介質(zhì)層24和所述第二 介質(zhì)層26,直至露出所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23。
[0086] 具體的，在所述第二介質(zhì)層26上形成一掩膜層，并通過光刻或電子束曝光技術(shù)定 義刻蝕所述掩膜層，在所述掩膜層上形成掩模圖形，使得所述掩膜層對應(yīng)于所述源極接觸 電極22和所述漏極接觸電極23的位置形成開口。以所述掩膜層為阻擋層，使用干法刻蝕 工藝一次性刻蝕覆蓋在所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23上的所述第一介質(zhì)層 24和所述第二介質(zhì)層26,直至完全露出所述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23。另 外也可以直接以柵極接觸電極22作為刻蝕掩模層，來刻蝕所述第一介質(zhì)層24和所述第二 介質(zhì)層26。由于所述第一介質(zhì)層24和所述第二介質(zhì)層26的材質(zhì)相同，均為六方氮化硼，所 以此處的刻蝕工藝可以一次進(jìn)行完成，簡化了所述石墨烯閃存存儲器的制備方法。
[0087] 具體的，刻蝕所述第一介質(zhì)層24和所述第二介質(zhì)層26時，沿著所述源極接觸電極 22和所述漏極接觸電極23的內(nèi)側(cè)進(jìn)行由上至下刻蝕，使得刻蝕的邊界與所述源極接觸電 極22和所述漏極接觸電極23的內(nèi)側(cè)相平齊，即在刻蝕完成以后，剛好完全露出所述源極接 觸電極22和所述漏極接觸電極23，以確保所述石墨烯25在刻蝕完成以后，仍完全被包裹在 所述第一介質(zhì)層24和所述第二介質(zhì)層25中并未露出。
[0088] 具體的，所述石墨烯閃存存儲器的工作原理為：所述石墨烯閃存存儲器工作時，所 述源極接觸電極22和所述漏極接觸電極23加上偏壓Vds，在所述柵極接觸電極27上加正 電壓時，所述導(dǎo)電層21的M〇S 2溝道中感應(yīng)的電子由于F-N隧穿效應(yīng)通過所述第一介質(zhì)層 24進(jìn)入所述石墨烯25,此時器件實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入的功能，而M 〇S2溝道電流極小，成關(guān)斷狀態(tài)， 數(shù)據(jù)讀取時為低電平狀態(tài)〇。因此當(dāng)撤除外部電壓時，電子仍然可以保留在有所述第二介質(zhì) 層26包圍的石墨烯25中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。所述柵極接觸電極27上加負(fù)電壓時，所述第二 介質(zhì)層26中產(chǎn)生的電場使得已在所述石墨烯25中儲存的電子隧穿進(jìn)入M 〇S2導(dǎo)電溝道，實 現(xiàn)數(shù)據(jù)擦除，此時M〇S2溝道中電流變大，M 〇S2溝道打開，所述石墨烯閃存存儲器讀取數(shù)據(jù)時 為高電平狀態(tài)1。因此通過在所述柵極接觸電極27上加正負(fù)交替的柵電壓脈沖信號，即可 實現(xiàn)數(shù)據(jù)擦除或者寫入，通過M 〇S2溝道開/關(guān)，即1/0狀態(tài)的切換讀取數(shù)據(jù)。
[0089] 綜上所述，本發(fā)明中采用單層或者多層的連續(xù)石墨烯薄膜替代多晶硅柵或者氮氧 化物存儲電荷，能夠在有限的物理空間內(nèi)提高電荷存儲容量，由于石墨烯厚度較薄，縮小器 件縱向尺寸的同時，消除器件中電容耦合的影響，能有效避免相鄰存儲單元工作時的串?dāng)_ 問題。導(dǎo)電層選用單層的M〇s 2薄膜，單層的M0S2薄膜為良好的半導(dǎo)體，用來作為導(dǎo)電溝道， 載流子遷移率較快，器件具有較高的開關(guān)比，而溝道中高遷移率的載流子也能加快器件數(shù) 據(jù)讀取速度。隧穿電介質(zhì)及柵控電解質(zhì)六方氮化硼介電性能優(yōu)良，具有較好的絕緣性及化 學(xué)穩(wěn)定性，由于其表面超平且沒有懸掛鍵結(jié)構(gòu)，與M 〇S2及石墨烯表面接觸時，界面之間產(chǎn)生 的電荷陷阱及缺陷較少，能有效避免漏電流的產(chǎn)生，確保閃存存儲器的穩(wěn)定性，并能保持載 流子高的遷移速率，提高電荷擦寫速度。因此本發(fā)明的石墨烯閃存存儲器的工藝簡單，操作 簡便，在低功耗下便能實現(xiàn)石墨烯閃存存儲器數(shù)據(jù)快速的寫入擦除及讀取功能。
[0090] 上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進(jìn)行修飾或改變。因 此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1. 一種石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 1) 提供一半導(dǎo)體襯底； 2) 在所述半導(dǎo)體襯底上形成導(dǎo)電層，并將所述導(dǎo)電層圖形化以形成帶狀； 3) 在所述導(dǎo)電層的兩端分別形成源極接觸電極和漏極接觸電極，所述源極接觸電極和 所述漏極接觸電極均一部分位于所述導(dǎo)電層上，另一部分位于所述半導(dǎo)體襯底上； 4) 在所述導(dǎo)電層、所述源極接觸電極、漏極接觸電極和裸露的所述半導(dǎo)體襯底上形成 第一介質(zhì)層； 5) 在所述第一介質(zhì)層上形成石墨烯，并將所述石墨烯圖形化以形成帶狀，圖形化后的 所述石墨烯位于所述源極接觸電極和所述漏極接觸電極之間； 6) 在所述石墨烯和所述第一介質(zhì)層上形成第二介質(zhì)層； 7) 在所述第二介質(zhì)層上形成柵極接觸電極； 8) 刻蝕所述第一介質(zhì)層和所述第二介質(zhì)層，直至露出所述源極接觸電極和所述漏極接 觸電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：在步驟1)和步 驟2)之間還包括一對所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行清洗的步驟。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：步驟2)中，在 所述半導(dǎo)體襯底上形成導(dǎo)電層，并將所述導(dǎo)電層圖形化以形成帶狀，至少包括以下步驟：首 先，通過機(jī)械剝離或CVD化學(xué)氣相沉積法在所述半導(dǎo)體襯底上形成所述導(dǎo)電層；其次，在所 述導(dǎo)電層上形成第一帶狀掩膜層；然后，以所述第一帶狀掩膜層為阻擋層，刻蝕所述導(dǎo)電層 直至露出所述半導(dǎo)體襯底；最后，去除所述第一帶狀掩膜層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：步驟2)中，所 述導(dǎo)電層的材質(zhì)為WS2、GaS、MoSe 2、黑磷或MoS2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：所述導(dǎo)電層的 材質(zhì)為單層MoS2。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：步驟3)中，所 述源極接觸電極和所述漏極接觸電極均為金屬電極；所述源極接觸電極的厚度與所述漏極 接觸電極的厚度均為20nm?50nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：所述源極接觸 電極和所述漏極接觸電極的材質(zhì)為Ti、Au、Pt、Gr、Cu中一種或者幾種材料組合；所述源極 接觸電極的厚度與所述漏極接觸電極的厚度均為30nm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：所述源極接觸 電極和所述漏極接觸電極的材質(zhì)相同，均為Ti/Au。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：步驟4)中，所 述第一介質(zhì)層的材質(zhì)為Zr02、Hf0 2、A1203、Si02或六方氮化硼；所述第一介質(zhì)層的厚度為 lnm ?10nm〇
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：所述第一介質(zhì) 層的材質(zhì)為六方氮化硼；所述第一介質(zhì)層的厚度為5nm。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于，步驟5)中，所 述石墨烯為單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，所述石墨烯的厚度小于或等于2nm。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：步驟5)中， 在所述第一介質(zhì)層上形成石墨烯，并將所述石墨烯圖形化以形成帶狀，至少包括以下步驟： 首先，在所述第一介質(zhì)層上形成石墨烯；其次，在所述石墨烯上形成第二帶狀掩膜層；然 后，以所述第二帶狀掩膜層為阻擋層，刻蝕所述石墨烯直至露出所述第一介質(zhì)層；最后，去 除所述第二帶狀掩膜層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：步驟6)中， 所述第二介質(zhì)層的材質(zhì)為Zr02、Hf0 2、A1203、Si02或六方氮化硼；所述第二介質(zhì)層的厚度為 10nm ?40nm〇
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：所述第二介 質(zhì)層的材質(zhì)為六方氮化硼；所述第二介質(zhì)層的厚度為20nm。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：步驟7)中，所 述柵極接觸電極均為金屬電極；所述柵極接觸電極的厚度為30nm?lOOnm。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：所述柵極接 觸電極的材質(zhì)為Ti、Au、Pt、Gr、Cu中一種或者幾種材料組合；所述柵極接觸電極的厚度為 50nm〇
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯閃存存儲器的制備方法，其特征在于：步驟8)中， 刻蝕所述第一介質(zhì)層和所述第二介質(zhì)層時，刻蝕的邊界與所述源極接觸電極和所述漏極接 觸電極的內(nèi)側(cè)相平齊，以確保所述石墨烯始終被完全包裹在所述第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層 中。
【文檔編號】H01L21/336GK104192835SQ201410466181
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】王浩敏, 謝紅, 王慧山, 李蕾, 盧光遠(yuǎn), 張學(xué)富, 陳吉, 吳天如, 謝曉明, 江綿恒 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所