[發明專利]二維MOSFET/MFIS多功能開關存儲器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201811106311.0
• 申請日: 2018-09-21
• 公開（公告）號: CN110943128B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 魏鐘鳴;楊淮;李京波
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L21/34;G11C11/22
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發明公開了一種二維MOSFET/MFIS多功能開關存儲器件及其制備方法，制備出了全二維結構的集開關和存儲特性為一體的納米級多功能器件。其中MOSFET結構為摻雜Si，二氧化硅，二維半導體納米片和源漏電極，實現開關功能；MFIS結構包括頂柵電極，二維鐵電薄膜，立方氮化硼絕緣層薄片，二維薄層半導體納米片和源漏電極，實現存儲功能。以二維材料為溝道的場效應晶體管遷移率達到700cm2/Vs，開關比超過108；以二維鐵電薄膜作為代替傳統MFIS的鐵電材料，突破了鐵電薄膜的厚度限制，使其厚度降低至單原子層厚，約為1nm，通過施加在頂柵的電壓大小，從而改變鐵電薄膜的極化方向實現非易失信息存儲。獨特的二維MOSFET/MFIS結構，極大地提高了晶體管集成度和信息存儲密度。

技術領域

本發明涉及半導體場效應晶體管和非易失信息存儲領域，尤其涉及了一種基于二維鐵電材料的MOSFET/MFIS新型多功能開關存儲器件的設計及制備方法。本發明首次實現了全二維結構的集開關和存儲特性為一體的納米級工藝多功能單元器件。

背景技術

根據“摩爾定律”，每隔18個月，集成電路上可容納的晶體管數目便會增加一倍，性能也將提升一倍。而傳統的硅基晶體管由于受到量子效應的約束，將很快到達其物理極限。因此，尋找代替硅基的半導體晶體管材料是目前世界范圍內半導體研究領域的熱門，直到2010年國際上首次成功制造出了首批基于單層MoS₂材料的晶體管(MOSFET)，這使得基于二維材料的場效應晶體管有望發展成為比傳統硅晶體管更節能的小尺寸低電壓柔性電子器件。典型的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)組成了大多數現代集成電路的基本構建塊。MOSFET由柵極，源極和漏極組成。基本上，MOSFET是一個開關，來自柵極的電壓導通或關閉源極和漏極之間的電流。二維材料單層二硫化鉬由于具有極佳電子遷移率(可快速反應)與高開關比(電晶體較穩定)，能夠將半導體工藝技術提高至2納米，相比于目前國際半導體大廠如Intel、臺積電及三星等硅基技術工藝約落在7-10納米間，基于二維材料的MOSFET可用于未來新型低耗能邏輯電路，極有可能取代目前硅晶做下世代主要核心元件。隨著現在社會信息爆發式增長，簡單的晶體管開關器件無法滿足現代集成電路對器件多功能的需求，尋找集開關和非易失存儲功能于一體的納米級多功能器件對現代器件工藝提出來了巨大的挑戰，而將鐵電材料引入半導體集成電路中將使其具備由于鐵電極化作用引起的存儲特性。

利用鐵電材料制成的鐵電非易失存儲器是近年來發展較快的新型高性能非易失存儲器，作為新型非易失存儲器之一，FeRAM具有低功耗，成本低，高的重復擦寫次數，理論上存儲壽命長達10年等優點，極具市場應用前景。其中金屬-鐵電-絕緣層-半導體(MFIS)結構的鐵電場效應晶體管(FeFET)組成的鐵電存儲器，以其非破壞性讀出、存儲密度高等優點，成為最具潛力的下一代非揮發性存儲器件之一。經典FRAM結構中的鐵電材料存在許多局限，這是由于傳統的鐵電薄膜不可擴展，而且當其厚度降低時鐵電性能減弱甚至消失，導致FRAM還沒有突破130納米技術節點，這妨礙了傳統FRAM的廣泛使用。

發明內容

針對以上問題，本發明提供了一種二維MOSFET/MFIS多功能開關存儲器件及其制備方法，首次實現了全二維結構的集開關和存儲特性為一體的納米級多功能單元器件。

對于MFIS結構，當在頂柵上施加一個正的寫入電壓時，二維鐵電薄膜發生極化，二維半導體溝道表面形成一個導電的反型層，這樣就會在源漏極之間形成一個電流的通道，此時在漏極就能讀到一個較大的電流，對應著存儲邏輯值“1”。這是MFIS器件的寫入過程：當在頂柵施加一個負的脈沖電壓時，源漏極之間的二維溝道表面則形成一個積累層，截斷了源、漏極之間的電流通道，此時在漏極讀到的電流就很小，對應著存儲邏輯值“0”。這則是MFIS器件的擦除過程。而MOSFET結構通過施加摻雜Si的底柵極電壓可以控制打開或關閉源極和漏極之間的通過二維半導體材料的電流，從而實現開關功能，以MoS₂為溝道的場效應晶體管遷移率達到700cm2/Vs，開關比超過108。