CN109755255A - 一种金属氧化物存储器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种金属氧化物存储器及其制备方法。该金属氧化物晶体管存储器采用顶栅垂直结构，器件自下而上依次是纯硅片基底、漏电极、金属氧化物半导体薄膜、网状源极和源极接触电极、绝缘层和顶部栅极。垂直结构金属氧化物存储器除电极外，其余各层均采用旋涂法制备。本发明提供的垂直结构金属氧化物存储器，可突破传统工艺对尺寸的限制，并实现大的电流密度和出色的存储性能以及快速的存储速度，在非易失性存储、柔性存储器和智能机器人等方面有很大的应用前景。

Description

一种金属氧化物存储器及其制备方法

技术领域

本发明属于电子材料及器件技术领域，涉及一种金属氧化物存储器及其制备方法。

背景技术

金属氧化存储器是一种利用金属氧化物半导体材料制备的半导体器件。相对于传统硅材料，金属氧化物半导体在实际应用具有载流子迁移率高、制备温度低的特点，而对于有机半导体材料，金属氧化物则具有更好的环境稳定性。传统平面沟道晶体管存在电流密度低、操作速度慢等缺点。对于平面型的金属氧化物存储器，一般可以通过减小沟道的长度来提高载流子的传输效率，增加操作速度。但是由于工艺的限制和短沟道效应，制备成本会随着尺寸的减小成倍增长。对于垂直结构的晶体管，半导体层介于漏极和网状源极之间，呈三明治结构，载流子沿着垂直方向传输，半导体层的厚度即为沟道的长度，通过调整半导体层的厚度，可以将载流子传输沟道的长度缩短至纳米量级，突破传统加工工艺对小尺寸的限制。同时，垂直沟道还有助于实现器件的柔性弯曲而不使器件性能出现明显的退化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属氧化物存储器及其制备方法，该方法通过结合氧化物和垂直沟道晶体管结构，一方面可突破传统工艺对小尺寸的限制，实现高的电流密度和快速的存储速度，另一方面可以利用氧化物优异且稳定的性能，提高器件的存储特性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种金属氧化物存储器，所述金属氧化物存储器为顶栅垂直结构，包括基底，所述基底上方的左侧设置有漏极，右侧设置有源极接触电极；漏极的上方自下而上依次为半导体层、网状源极、绝缘层和顶部栅极，所述网状源极的右侧位于源极接触电极的上方，所述基底为纯硅片，所述半导体层为金属氧化物半导体，所述网状源极为多孔银薄膜，所述绝缘层为铁电材料。。

进一步地，所述绝缘层为为P（VDF-TrFE），厚度为200~240nm。

进一步地，所述网状源极是通过旋涂工艺和真空蒸镀工艺制备得到。

进一步地，所述漏极和源极接触电极均采用磁控溅射工艺制备得到，其厚度为50nm，其所用材料均为氧化铟锡、钼、铝和铜中的一种。

进一步地，所述半导体层是采用旋涂工艺和光刻工艺制备得到，半导体的尺寸为600×600μm，厚度为20~30nm，其原料是以金属有机盐作为溶质形成的金属氧化物前驱体溶液，其中金属有机盐为硝酸镓、硝酸铟和醋酸锌中的一种或多种；所述的金属氧化物前驱体溶液的溶剂为乙二醇甲醚，稳定剂为乙酰丙酮，两者的体积比为4:1。

进一步地，所述顶部栅极是采用真空蒸镀或磁控溅射制备得到，所用材料为金或银，其厚度为50~80nm。

进一步地，所述源极接触电极和漏极同步溅射，源极接触电极与半导体层的水平距离为80μm，；源极接触电极和漏极为400×600μm的矩形，厚度为50~80 nm。

上述金属氧化物存储器的制备方法包括以下步骤：

S1：以纯硅片作为基底，将其在丙酮、异丙醇、去离子水中分别超声10分钟，然后用去离子水洗净并氮气吹干，再在纯硅片基底上利用磁控溅射工艺同步沉积漏极和源极接触电极；

S2：利用旋涂工艺，在漏极和源极接触电极上制备半导体薄膜；

S3：利用光刻工艺对漏极上方半导体薄膜进行图案化，并去除源极接触电极上方的半导体薄膜；

S4：利用旋涂工艺和真空蒸镀技术在图案化的半导体薄膜和源极接触电极上制备网状源极；

S5：利用旋涂工艺在网状源极上制备绝缘层；

S6：利用真空蒸镀技术在绝缘层上制备顶部栅极，完成整个器件的制备。

所述旋涂工艺和真空蒸镀制备网状源极的制备方法为旋涂PS薄膜，然后通过真空蒸镀制备银薄膜，最后通过胶带去除PS球得到网状源极。

所述光刻技术需将掩模板对准于漏极与源极接触电极之间，确保有源层与源极接触电极的距离，同时保证源漏之间不会通过网状源极直接导通。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明结合了金属氧化物和垂直沟道晶体管，半导体层处于网状源极和漏极之间，形成三明治结构，半导体厚度即为沟道长度，极大缩小了器件的沟道长度（平面结构的沟道长度一般为微米量级），从而可以获得超短沟道（纳米级别）的器件，实现了高的电流密度和快速存储速度；本发明中采用金属氧化物作为有源层，有效提高了器件的稳定性和存储性能。本发明中除了电极外，其余各功能层均采用旋涂法制备，操作简单，成本低，有利于大面积制备，具有较高的经济效益。

附图说明

图1为本发明的金属氧化物存储器的结构示意图。

图2为本发明的金属氧化存储器的三维立体示意图。

图中，100-基底，110-漏极，120-源极接触电极，130-半导体层，140-网状源极，150-绝缘层，160-顶部栅极。

具体实施方式

下面结合附图及实施例具体说明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。

以下将通过具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

一种金属氧化物存储器，所述金属氧化物存储器为顶栅垂直结构，包括基底100，所述基底100上方的左侧设置有漏极110，右侧设置有源极接触电极120；漏极110的上方自下而上依次为半导体层130、网状源极140、绝缘层150和顶部栅极160，所述网状源极140的右侧位于源极接触电极120的上方，所述基底100为纯硅片，所述半导体层130为金属氧化物半导体，所述网状源极110为多孔银薄膜，所述绝缘层160为铁电材料。。

进一步地，所述绝缘层为为P（VDF-TrFE），厚度为200~240nm。

进一步地，所述网状源极是通过旋涂工艺和真空蒸镀工艺制备得到。

进一步地，所述漏极和源极接触电极均采用磁控溅射工艺制备得到，其厚度为50nm，其所用材料均为氧化铟锡、钼、铝和铜中的一种。

进一步地，所述半导体层是采用旋涂工艺和光刻工艺制备得到，半导体的尺寸为600×600μm，厚度为20~30nm，其原料是以金属有机盐作为溶质形成的金属氧化物前驱体溶液，其中金属有机盐为硝酸镓、硝酸铟和醋酸锌中的一种或多种；所述的金属氧化物前驱体溶液的溶剂为乙二醇甲醚，稳定剂为乙酰丙酮，两者的体积比为4:1。

进一步地，所述顶部栅极是采用真空蒸镀或磁控溅射制备得到，所用材料为金或银，其厚度为50~80nm。

进一步地，所述源极接触电极和漏极同步溅射，源极接触电极与半导体层的水平距离为80μm，；源极接触电极和漏极为400×600μm的矩形，厚度为50~80 nm。

为了进一步说明本发明的技术效果，下面具体结合不同的实施例进行对比说明。

实施例1

1）将1.5cm× 1.5cm尺寸纯硅片经丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗，然后再用去离子水洗净并用氮气吹干得到干净的硅片作为基底。

2）将钼电极溅射在1）中的硅片上作为漏极和源极接触电极。

3）将2）中所得硅片进行O₂等离子处理10分钟。

4）将23.0mg硝酸镓、216.5mg硝酸铟、53.3mg乙酸锌溶解于3ml的乙二醇甲醚中，溶解完全后在搅拌的情况下加入30μl乙醇胺以及75μl乙酰丙酮，随后在室温下搅拌6h得到氧化铟镓锌前驱体溶液。

5）将步骤4）中所得前驱体溶液用0.22μm水性过滤头过滤并旋涂于2）所得硅片上，旋转速度为低速500 rpm/min，时间5s，高速3000 rpm/min，时间40s，旋涂结束后先180℃预退火10min，再380℃退火1h。

6）利用光刻技术将步骤4）中所得氧化铟镓锌图案化。光刻图案大小为600×600μm，曝光、显影、刻蚀的时间分别为65s、90s、45s。

7）将PS微球以1%的质量比溶解于乙醇中，并将此溶液旋涂于图案化的氧化铟镓锌薄膜上，然后真空蒸镀40~60nm银薄膜，随后用胶带去除PS微球，获得多孔银薄膜。

8）把170.4mg质量比6%的P（VDF-TrFE）溶解于3ml的DMF中，在室温下搅拌6h得到铁电绝缘层溶液，然后在手套箱将该溶液旋涂于7）所得到的银薄膜上面，旋涂速度为2000rpm/min，时间60s，旋涂结束后，在手套箱中130℃退火2h。

9）最后采用真空蒸镀利用掩模板将50nm厚的银薄膜蒸镀在氧化铟镓锌的正上方，作为顶部栅极，得到金属氧化物存储器。

实施例2

1）将1.5cm× 1.5cm尺寸纯硅片经丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗，然后再用去离子水洗净并用氮气吹干得到干净的硅片作为基底。

2）将钼电极溅射在1）中的硅片上作为漏极和源极接触电极。

2）将2）中所得硅片进行O₂等离子处理10分钟。

4）将23.0mg硝酸镓、216.5mg硝酸铟、53.3mg乙酸锌溶解于3ml的乙二醇甲醚中，溶解完全后在搅拌的情况下加入30μl乙醇胺以及75μl乙酰丙酮，随后在室温下搅拌6h得到氧化铟镓锌前驱体溶液。

5）将步骤4）中所得前驱体溶液用0.22μm水性过滤头过滤并旋涂于2）所得硅片上，旋转速度为低速500 rpm/min，时间5s，高速3000 rpm/min，时间40s，旋涂结束后先180℃预退火10min，再380℃退火1h。

6）利用激光将步骤4）中所得氧化铟镓锌图案化。所用激光为飞秒激光，频率为1MHz，功率为4W，扫描速度500mm/s。

7）将PS微球以1%的质量比溶解于乙醇中，并将此溶液旋涂于图案化的氧化铟镓锌薄膜上，然后真空蒸镀40~60nm银薄膜，随后用胶带去除PS微球，获得多孔银薄膜。

8）把170.4mg质量比6%的P（VDF-TrFE）溶解于3ml的DMF中，在室温下搅拌6h得到铁电绝缘层溶液，然后在手套箱将该溶液旋涂于7）所得到的银薄膜上面，旋涂速度为2000rpm/min，时间60s，旋涂结束后，在手套箱中130℃退火2h。

9）最后采用真空蒸镀利用掩模板将50nm厚的银薄膜蒸镀在氧化铟镓锌的正上方，作为顶部栅极，得到金属氧化物存储器。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属氧化物存储器，其特征在于：所述金属氧化物存储器为顶栅垂直结构，包括基底，所述基底上方的左侧设置有漏极，右侧设置有源极接触电极；漏极的上方自下而上依次为半导体层、网状源极、绝缘层和顶部栅极，所述网状源极的右侧位于源极接触电极的上方，所述基底为纯硅片，所述半导体层为金属氧化物半导体，所述网状源极为多孔银薄膜，所述绝缘层为铁电材料。

2.根据权利要求1所述的一种金属氧化物存储器，其特征在于：所述绝缘层的厚度为200~240nm。

3.根据权利要求1所述的一种金属氧化物存储器，其特征在于：所述网状源极是通过旋涂工艺和真空蒸镀工艺制备得到。

4.根据权利要求1所述的一种金属氧化物存储器，其特征在于：所述漏极和源极接触电极均采用磁控溅射工艺制备得到，其厚度为50nm，其所用材料均为氧化铟锡、钼、铝和铜中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种金属氧化物存储器，其特征在于：所述半导体层是采用旋涂工艺和光刻工艺制备得到，半导体层的厚度为20~30nm，其原料是以金属有机盐作为溶质形成的金属氧化物前驱体溶液，其中金属有机盐为硝酸镓、硝酸铟和醋酸锌中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的一种金属氧化物存储器，其特征在于：所述的金属氧化物前驱体溶液的溶剂为乙二醇甲醚，稳定剂为乙酰丙酮，且溶剂与稳定剂的体积比为4:1。

7.根据权利要求1所述的一种金属氧化物存储器，其特征在于：所述顶部栅极是采用真空蒸镀或磁控溅射制备得到，所用材料为金或银，其厚度为50~80nm。

8.根据权利要求1所述的一种金属氧化物存储器，其特征在于：所述源极接触电极和漏极同步溅射，源极接触电极与半导体层的水平距离为80μm，；源极接触电极和漏极为400×600μm的矩形，厚度为50~80 nm。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的金属氧化物存储器的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1：在纯硅片基底上利用磁控溅射工艺同步沉积漏极和源极接触电极；

S2：利用旋涂工艺，在漏极和源极接触电极上制备半导体薄膜；

S3：利用光刻工艺对漏极上方半导体薄膜进行图案化，并去除源极接触电极上方的半导体薄膜；

S4：利用旋涂工艺和真空蒸镀技术在图案化的半导体薄膜和源极接触电极上制备网状源极；

S5：利用旋涂工艺在网状源极上制备绝缘层；

S6：利用真空蒸镀技术在绝缘层上制备顶部栅极，完成整个器件的制备。