[發明專利]一種石墨烯熔絲器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202210245614.0
• 申請日: 2022-03-14
• 公開（公告）號: CN114582876A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 李雪娉;邱晨光;彭練矛
• 申請（專利權）人: 湘潭大學;北京元芯碳基集成電路研究院
• 主分類號: H01L27/112
• 分類號: H01L27/112;H01L21/8246
• 代理公司: 北京惟專知識產權代理事務所(普通合伙) 16074
• 代理人: 趙星

本發明公開了一種基于石墨烯的新型熔絲器件及其制備方法。本發明基于石墨烯的新型熔絲在傳統的兩端熔絲基礎上，增加一個垂直的金屬柵形成三端結構，通過金屬柵到溝道的隧穿電流來燒斷溝道。利用電子束曝光和lift?off工藝實現熔絲存儲器件的制備，工藝簡單，可實現大面積器件制備并節約工藝成本。本發明提供的石墨烯熔絲器件可將編程電壓降低到4V左右，同時可降低編程電流，實現溫和低功耗。

技術領域

本發明涉及一種納米半導體器件及其制備方法，尤其涉及一種石墨烯熔絲器件及其制備方法。

背景技術

一次性可編程存儲器是非揮發存儲器的一種，在應用過程中只允許進行一次寫入，信息一旦寫入后無法更改。目前總的來說，它具有熔絲和反熔絲兩種形態，也正是由于它的一次性編程特性，使得其在可靠性和安全方面更有優勢，可被集成于FPGA、PROM(programmable read only memory，一次可編程只讀存儲器)等一次性編程存儲器內部，并廣泛的應用于高可靠性的航空航天、軍工FPGA等領域。

傳統的電熔絲(e-Fuse)為兩端結構，包括陽極、陰極以及陽極和陰極相連接的細條狀熔絲。器件在未編程時處于導通狀態，編程過程中用瞬態的大電流將熔絲燒斷，通過電流實現低阻(邏輯1)到高阻(邏輯0)的轉換。熔絲在編程前等效為一個電阻，在編程后等效為一個電容。

傳統兩端熔絲器件的一個關鍵挑戰是需要提供足夠大的編程電流使得細條狀熔絲中產生電遷移，大電流編程造成嚴重的熱量積累，影響芯片的使用壽命和性能；兩端熔絲需要大電流或者大電壓來編程，同時它依靠熱來編程，在編程過程中需要熱量積累，導致編程速度慢，功耗大；

由于編程電壓較高(15V以上)，在存儲單元中必須使用高壓晶體管，高壓晶體管的作用有兩個：一是起隔離作用，二是作為編程的選通管。隨著半導體工藝節點的不斷降低，高壓晶體管的制作會越來越困難，所以必須降低編程電壓。

因此，如何獲得低編程電壓、低功耗的熔絲器件并且能夠與CMOS工藝兼容是當前面臨的重大難題。

發明內容

本發明針對以上現有技術中存在問題，為獲得低編程電壓、低功耗的熔絲器件，提出一種基于石墨烯的新型熔絲器件及其制備方法，本發明的技術方案具體如下：

本發明第一方面的實施例提出一種石墨烯熔絲器件，具有一襯底，在上述襯底上具有石墨烯，在上述石墨烯兩端分別具有源極和漏極，上述源極和上述漏極之間形成一柵窗口，在上述柵窗口中具有一金屬柵，上述金屬柵與上述石墨烯之間具有一柵氧化層。

在本發明第一方面的實施例中，上述石墨烯為石墨烯納米帶。

在本發明第一方面的實施例中，上述金屬柵為金屬Al柵，上述柵氧化層為Al₂O₃。

在本發明第一方面的實施例中,上述源極或上述漏極為Ti、和Au組成的雙層結構。

在本發明第一方面的實施例中,上述金屬柵與上述石墨烯的延展方向垂直。

本發明第二方面的實施例提出了一種石墨烯熔絲器件的制備方法，包括如下步驟：

提供一襯底，并在上述襯底上轉移石墨烯；

在對上述石墨烯兩端沉積源極和漏極；

在上述源極和上述漏極之間沉積金屬柵；

通過退火氧化，在上述石墨烯與金屬柵的界面處形成柵氧化層。

在本發明第一方面的實施例中,通過機械剝離或CVD原位生長在所示襯底上形成石墨烯薄膜。

在本發明第一方面的實施例中,通過電子束曝光和電子束蒸鍍形成上述源極和漏極。

在本發明第一方面的實施例中,在上述源極和上述漏極之間沉積金屬Al形成上述金屬柵。