一種高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器及其制備方法，其特征是：存儲(chǔ)器是在絕緣襯底上分布有p型摻雜一維納米材料、石墨烯電極和金屬電極，石墨烯電極和金屬電極通過(guò)p型摻雜一維納米材料連通；p型摻雜一維納米材料為p型摻雜ZnS一維納米材料或p型摻雜ZnSe一維納米材料；金屬電極為Cu電極或Ag電極。本發(fā)明的高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器制備方法簡(jiǎn)單、易于控制、成品率高、便于應(yīng)用于大規(guī)模的集成，且本發(fā)明所制備的存儲(chǔ)器具有編程電壓低、讀/寫(xiě)速度快和保持時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)異特性，將在開(kāi)發(fā)低功耗、高速、高集成度存儲(chǔ)器中具有潛在的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】—種高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在微電子學(xué)研究中是一重要分支領(lǐng)域，起著對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)與處理的功能，廣泛地應(yīng)用于各種微電子設(shè)備中。其中非易失存儲(chǔ)器在半導(dǎo)體行業(yè)中扮演著越來(lái)越重要的角色，發(fā)揮著重大的作用。隨著數(shù)字高科技的飛速發(fā)展，對(duì)存儲(chǔ)器的性能也提出了更高的要求，如高速度、高密度、低功耗、長(zhǎng)壽命和更小的尺寸等。尤其是當(dāng)器件的特征尺寸減小，傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器件的讀寫(xiě)速度與可靠性的矛盾以及柵介質(zhì)漏電等問(wèn)題，在很大程度上限制了傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的進(jìn)一步發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)一種全新的信息存取技術(shù)引起了研究者的廣泛興趣。當(dāng)前一維半導(dǎo)體納米材料的應(yīng)用研究中，構(gòu)建高性能非易失性存儲(chǔ)器是研究熱點(diǎn)之一。檢索到的報(bào)道主要集中在構(gòu)建納米場(chǎng)效應(yīng)管上[W.Y.Fu，Z.Xu，X.D.Bai，C.Z.Gu, E.G.Wang, Nano Lett.2009, 9, 921 ;Μ.Rinkio, A.Johansson, G.S.Paraoanu, P.Torma, Nano Lett.2009, 9, 643 ；J.1.Sohn, S.S.Choi, S.M.Morris, J.S.Bendall, H.J.Coles, ff.K.Hong, G.Jo, T.Lee, Μ.E.Welland, Nano Lett.2010，10，4316.]，總結(jié)起來(lái)主要是通過(guò)控制柵極來(lái)調(diào)整和保持俘獲電荷在存儲(chǔ)介質(zhì)中而實(shí)現(xiàn)電荷存儲(chǔ)特性的，常用的存儲(chǔ)介質(zhì)有金屬納米晶、鐵電薄膜和高k絕緣材料等。由于納米場(chǎng)效應(yīng)管存儲(chǔ)器具有較大尺寸、難于控制閾值電壓漂移、高的編程電壓、較長(zhǎng)的讀/寫(xiě)時(shí)間及制備過(guò)程復(fù)雜而難于重復(fù)等缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器及其制備方法，以期能夠?qū)崿F(xiàn)制備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、編程電壓低、讀/寫(xiě)速度高的納米非易失性存儲(chǔ)器。
[0004]本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)是:所述存儲(chǔ)器是在絕緣襯底上分布有P型摻雜一維納米材料、石墨烯電極和金屬電極，所述石墨烯電極和金屬電極通過(guò)P型摻雜一維納米材料連通；所述P型摻雜一維納米材料為P型摻雜ZnS —維納米材料或P型摻雜ZnSe —維納米材料；所述金屬電極為Cu電極或Ag電極。
[0006]本發(fā)明的存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)也在于:所述絕緣襯底為石英玻璃、表面覆有氧化硅層的娃片或表面覆有氮化娃層的娃片。
[0007]所述P型摻雜ZnS —維納米材料為Ag摻雜ZnS —維納米材料或Cu摻雜ZnS —維納米材料；所述P型摻雜ZnSe —維納米材料為Ag摻雜ZnSe —維納米材料或Cu摻雜ZnSe一維納米材料。
[0008]所述金屬電極(4)的厚度為50_100nm。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，電極厚度過(guò)薄難于獲得優(yōu)異的器件性能，過(guò)厚不利于器件集成，50-100nm為最優(yōu)選擇。
[0009]本發(fā)明高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器的制備方法，其特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行:
[0010]a、將P型摻雜一維納米材料分散在絕緣襯底上；
[0011]b、通過(guò)光刻法在完成步驟a的絕緣襯底上光刻金屬電極的電極圖形，然后通過(guò)磁控濺射法或電子束蒸發(fā)法在所述金屬電極的電極圖形區(qū)域制備出金屬電極；
[0012]C、通過(guò)光刻法在完成步驟b的絕緣襯底上光刻石墨烯電極的電極圖形，然后將石墨烯轉(zhuǎn)移到石墨烯電極的電極圖形區(qū)域；
[0013]d、將完成步驟c的絕緣襯底在N2氛圍下或Ar氛圍下進(jìn)行退火，退火溫度300?500° C，退火時(shí)間5?15分鐘。經(jīng)多次試驗(yàn)證實(shí)，壓強(qiáng)對(duì)退火效果基本無(wú)影響，一般為便于實(shí)施，可以選擇0.0lMPa?0.09MPa
[0014]本發(fā)明的高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器是利用界面反應(yīng)，在Cu或Ag電極材料與納米材料之間形成納米級(jí)界面層，這些界面層在編程信號(hào)的作用下，產(chǎn)生導(dǎo)電絲或?qū)щ娊z斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)器件高低阻的變化。
[0015]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0016]1、本發(fā)明的高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器制備方法簡(jiǎn)單、易于控制、成品率高、便于應(yīng)用于大規(guī)模的集成，且本發(fā)明所制備的存儲(chǔ)器具有編程電壓低、讀/寫(xiě)速度快和保持時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)異特性，將在開(kāi)發(fā)低功耗、高速、高集成度存儲(chǔ)器中具有潛在的應(yīng)用前景；
[0017]2、本發(fā)明控制Cu或Ag電極材料與納米材料間形成的納米界面層(如Cu2S或Ag2S等)，實(shí)現(xiàn)了兩端非易失性存儲(chǔ)器的制備，改善了傳統(tǒng)納米場(chǎng)效應(yīng)管存儲(chǔ)器尺寸大、難于控制閾值電壓漂移、編程電壓高、讀/寫(xiě)時(shí)間長(zhǎng)及制備過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為實(shí)施例1所制備的存儲(chǔ)器電流-電壓曲線；
[0020]圖3為實(shí)施例1所制備的存儲(chǔ)器開(kāi)/關(guān)狀態(tài)電流-循環(huán)次數(shù)曲線；
[0021]圖4為實(shí)施例1所制備的存儲(chǔ)器開(kāi)/關(guān)狀態(tài)時(shí)間保持曲線；
[0022]圖5為實(shí)施例2所制備的存儲(chǔ)器電流-電壓曲線；
[0023]圖6為實(shí)施例2所制備的存儲(chǔ)器開(kāi)/關(guān)狀態(tài)電流-循環(huán)次數(shù)曲線；
[0024]圖7為實(shí)施例2所制備的存儲(chǔ)器開(kāi)/關(guān)狀態(tài)時(shí)間保持曲線；
[0025]圖8為實(shí)施例3所制備的存儲(chǔ)器電流-電壓曲線；
[0026]圖9為實(shí)施例3所制備的存儲(chǔ)器開(kāi)/關(guān)狀態(tài)電流-循環(huán)次數(shù)曲線；
[0027]圖10為實(shí)施例3所制備的存儲(chǔ)器開(kāi)/關(guān)狀態(tài)時(shí)間保持曲線；
[0028]圖中標(biāo)號(hào):1絕緣襯底；2p型摻雜一維納米材料；3石墨烯電極；4金屬電極。
具體實(shí)施例
[0029]如圖1所示，高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)為:在絕緣襯底I上分布有P型摻雜一維納米材料2、石墨烯電極3和金屬電極4,石墨烯電極3和金屬電極4通過(guò)P型摻雜一維納米材料2連通；p型摻雜一維納米材料2為P型摻雜ZnS —維納米材料或P型摻雜ZnSe —維納米材料；金屬電極4為Cu電極或Ag電極。[0030]實(shí)施例1
[0031]本實(shí)施例以Cu摻雜的P-型ZnS納米帶作為P型摻雜一維納米材料2、以Cu電極為金屬電極4、以表面長(zhǎng)有厚度為300nm氧化硅層的硅片為絕緣襯底1，制備了 p_型ZnS納米帶/Cu電極高速兩端非易失性存儲(chǔ)器，具體步驟如下:
[0032](I)室溫下，將表面長(zhǎng)有厚度為300nm氧化硅的硅片超聲清洗干凈后，用酒精作為分散液，將化學(xué)氣相合成的P-型摻雜ZnS納米帶加入分散液，超聲震蕩使納米帶均勻懸浮在分散液中；并將含有ZnS納米帶的分散液旋涂在干凈的長(zhǎng)有氧化硅層的硅片上；
[0033](2)在涂有ZnS納米帶的硅片上旋涂光刻膠，并光刻出金屬電極(4)的電極圖形；
[0034](3)通過(guò)磁控濺射法在光刻的金屬電極4的電極圖形區(qū)域制備出一層Cu電極，厚度為50nm ；
[0035](4)采用二次光刻方法在完成步驟b的絕緣襯底上光刻石墨烯電極3的電極圖形，然后將石墨烯轉(zhuǎn)移到石墨烯電極3的電極圖形區(qū)域；
[0036](5)將完成步驟(4)的絕緣襯底在Ar氛圍下進(jìn)行退火，退火溫度400° C，退火時(shí)間10分鐘,獲得P-型ZnS納米帶/Cu電極高速兩端非易失性存儲(chǔ)器。
[0037]為表征所制備的P-型ZnS納米帶/Cu電極高速兩端非易失性存儲(chǔ)器，本實(shí)施例利用KEITHLEY4200 — SCS和Keithley3401信號(hào)發(fā)生器測(cè)試了存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)特性，圖2為器件的1-V特性，發(fā)現(xiàn)回滯現(xiàn)象較為明顯；圖3和4為編程電壓為±2V，編程時(shí)間為IOOns下的測(cè)試結(jié)果，從中可以明顯看出在較低的編程電壓下，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)穩(wěn)定的快速讀/寫(xiě)操作，開(kāi)關(guān)狀態(tài)電流比大于106，保持時(shí)間長(zhǎng)于IO5秒。
[0038]實(shí)施例2
[0039]本實(shí)施例以Ag摻雜的p-型ZnS納米帶作為P型摻雜一維納米材料2、以Ag電極為金屬電極4、以石英玻璃為絕緣襯底1，制備了 P-型ZnS納米帶/Ag電極高速兩端非易失性存儲(chǔ)器，具體步驟如下:
[0040](I)室溫下，將石英玻璃超聲清洗干凈后，用酒精作為分散液，將化學(xué)氣相合成的P-型摻雜ZnS納米帶加入分散液，超聲震蕩使納米帶均勻懸浮在分散液中；并將含有ZnS納米帶的分散液旋涂在干凈的石英玻璃；
[0041](2)在涂有ZnS納米帶的硅片上旋涂光刻膠，并光刻出金屬電極4的電極圖形；
[0042](3)通過(guò)磁控濺射法在光刻的金屬電極4的電極圖形區(qū)域制備出一層Ag電極，厚度為60nm ；
[0043](4)采用二次光刻方法在完成步驟b的絕緣襯底上光刻石墨烯電極3的電極圖形，然后將石墨烯轉(zhuǎn)移到石墨烯電極3的電極圖形區(qū)域；
[0044](5)將完成步驟(4)的絕緣襯底在N2氛圍下進(jìn)行退火，退火溫度500° C，退火時(shí)間15分鐘,獲得p-型ZnS納米帶/Ag電極高速兩端非易失性存儲(chǔ)器。
[0045]為表征所制備的P-型ZnS納米帶/Ag電極高速兩端非易失性存儲(chǔ)器，本實(shí)施例利用KEITHLEY4200 — SCS和Keithley3401信號(hào)發(fā)生器測(cè)試存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)特性，圖5為器件的1-V特性，發(fā)現(xiàn)回滯現(xiàn)象較為明顯；圖6和7為編程電壓為±2V，編程時(shí)間為IOOns下的測(cè)試結(jié)果，從中可以明顯看出在較低的編程電壓下，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)穩(wěn)定的快速讀/寫(xiě)操作，開(kāi)關(guān)狀態(tài)電流比大于106，保持時(shí)間長(zhǎng)于IO5秒。
[0046]實(shí)施例3[0047]本實(shí)施例以Ag摻雜的p-型ZnSe納米帶作為P型摻雜一維納米材料2、以Cu電極為金屬電極4、以表面長(zhǎng)有厚度為300nm氮化娃層的娃片為絕緣襯底I,制備了 p_型ZnSe納米帶/Cu電極高速兩端非易失性存儲(chǔ)器，具體步驟如下:
[0048](I)室溫下，將表面長(zhǎng)有厚度為300nm氮化硅的硅片超聲清洗干凈后，用酒精作為分散液，將化學(xué)氣相合成的P-型摻雜ZnSe納米帶加入分散液，超聲震蕩使納米帶均勻懸浮在分散液中；并將含有ZnSe納米帶的分散液旋涂在干凈的長(zhǎng)有氧化硅的硅片上；
[0049](2)在涂有ZnSe納米帶的硅片上旋涂光刻膠，并光刻出金屬電極4的電極圖形；
[0050](3)通過(guò)磁控濺射法在光刻的金屬電極4的電極圖形區(qū)域制備出一層Cu電極，厚度為50nm ；
[0051](4)采用二次光刻方法在完成步驟b的絕緣襯底上光刻石墨烯電極3的電極圖形，然后將石墨烯轉(zhuǎn)移到石墨烯電極3的電極圖形區(qū)域；
[0052](5)將完成步驟(4)的絕緣襯底在Ar氛圍下進(jìn)行退火，退火溫度300° C，退火時(shí)間5分鐘,獲得p-型ZnSe納米帶/Cu電極高速兩端非易失性存儲(chǔ)器。
[0053]為表征所制備的P-型ZnSe納米帶/Cu電極高速兩端非易失性存儲(chǔ)器，本實(shí)施例利用KEITHLEY4200 — SCS和Keithley3401信號(hào)發(fā)生器測(cè)試存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)特性，圖8為器件的1-V特性，發(fā)現(xiàn)回滯現(xiàn)象較為明顯；圖9和10為編程電壓為±2V，編程時(shí)間為IOOns下的測(cè)試結(jié)果，從中可以明顯看出在較低的編程電壓下，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)穩(wěn)定的快速讀/寫(xiě)操作，開(kāi)關(guān)狀態(tài)電流比大于106，保持時(shí)間長(zhǎng)于IO5秒。
【權(quán)利要求】
1.一種高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器，其特征是:所述存儲(chǔ)器是在絕緣襯底(I)上分布有P型摻雜一維納米材料(2)、石墨烯電極(3)和金屬電極(4)，所述石墨烯電極(3)和金屬電極(4)通過(guò)P型摻雜一維納米材料(2)連通；所述P型摻雜一維納米材料(2)為P型摻雜ZnS —維納米材料或P型摻雜ZnSe —維納米材料；所述金屬電極(4)為Cu電極或Ag電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器，其特征是:所述絕緣襯底(I)為石英玻璃、表面覆有氧化娃層的娃片或表面覆有氮化娃層的娃片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器，其特征是:所述P型摻雜ZnS—維納米材料為Ag摻雜ZnS —維納米材料或Cu摻雜ZnS —維納米材料；所述P型摻雜ZnSe —維納米材料為Ag摻雜ZnSe —維納米材料或Cu摻雜ZnSe —維納米材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器，其特征是:所述金屬電極(4)的厚度為50-100nm。
5.一種權(quán)利要求1、2、3或4所述的高速納米兩端非易失性存儲(chǔ)器的制備方法，其特征是按如下步驟進(jìn)行: a、將P型摻雜一維納米材料(2)分散在絕緣襯底(I)上； b、通過(guò)光刻法在完成步驟a的絕緣襯底(I)上光刻金屬電極(4)的電極圖形，然后通過(guò)磁控濺射法或電子束蒸發(fā)法在所述金屬電極(4)的電極圖形區(qū)域制備出金屬電極(4)； C、通過(guò)光刻法在完成步驟b的絕緣襯底(I)上光刻石墨烯電極(3)的電極圖形，然后將石墨烯轉(zhuǎn)移到石墨烯電極(3)的電極圖形區(qū)域； d、將完成步驟c的絕緣襯底(I)在N2氛圍下或Ar氛圍下進(jìn)行退火，退火溫度300?500°C，退火時(shí)間5?15分鐘。
【文檔編號(hào)】B82Y10/00GK103824937SQ201410066746
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】于永強(qiáng), 蔣陽(yáng), 鄭坤, 王莉, 吳春艷, 朱志峰 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)