一种三栅型六位存储器件及其制备方法

摘要

本发明公开一种三栅型六位存储器件及其制备方法。该三栅型六位存储器件包括：衬底；三个栅电极，彼此间隔分布在所述衬底上；铁电栅介质层，其为有机铁电聚合物薄膜，覆盖上述结构；沟道层，其二维铁电半导体材料，形成在所述铁电栅介质层上；源电极和漏电极，形成在所述沟道层两侧，分别先后对三个栅电极施加正向电压，使有机铁电聚合物薄膜和二维铁电半导体材料发生不同程度的极化翻转，从而获得六个不同的极化翻转组合状态，实现器件的六位存储功能。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种三栅型六位存储器件及其制备方法，适合于多通道、高性能、可编程的六位多值铁电存储应用。

背景技术

随着非易失性铁电存储器的发展，硅基存储技术面临的扩展性差与微缩性差等劣势逐渐暴露。传统的铁电材料在纳米尺寸出现了去极化效应，无法实现极化翻转功能与存储效果。然而，最近研究发现包括SnS，InSe，SnSe等在内的二维铁电半导体材料在小于6nm的尺寸下仍能展现出优异的极化翻转行为，在尺寸缩小方面具有明显的优势。

二维铁电材料InSe是一种典型的III-VI族半导体材料，具有优异的铁电极化翻转能力、高迁移率、低操作电压、高开关比、尺寸微缩等特性。铁电和半导体同源的特性使得其既可以充当沟道材料，又可以充当铁电功能层，具有强化器件铁电存储能力的巨大潜力。

传统的铁电存储器通常具有“0”和“1”两个电阻状态，难以满足日益增加的存储容量需求。虽然通过在同一芯片上集成更多的铁电存储单元可以在一定程度上缓解器件的存储容量问题，但是集成密度受限于器件尺寸与工艺困难，难以获得可持续的提升。因此，需要从单个器件入手，提升每个铁电存储器的存储状态，制备具有多值存储能力的新型多栅铁电器件。

发明内容

本发明还公开一种三栅型六位存储器件，包括：衬底；三个栅电极，彼此间隔分布在所述衬底上；铁电栅介质层，其为有机铁电聚合物薄膜，覆盖上述结构；沟道层，其为二维铁电半导体材料，形成在所述铁电栅介质层上；源电极和漏电极，形成在所述沟道层两侧，分别先后对三个栅电极施加正向电压，分别使相应位置的有机铁电聚合物薄膜和二维铁电半导体材料发生不同程度的极化翻转，从而获得六个不同的极化翻转组合状态，实现器件的六位存储功能。

本发明的三栅型六位存储器件中，优选为，所述有机铁电聚合物薄膜为P(VDF-TrFE)。

本发明的三栅型六位存储器件中，优选为，所述二维铁电半导体材料为SnS，InSe，SnSe。

本发明的三栅型六位存储器件中，优选为，所述三个栅电极的间隔为1μm～5μm。

本发明的三栅型六位存储器件中，优选为，所述二维铁电半导体材料的厚度为1nm～10nm。

本发明还公开一种三栅型六位存储器件制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成彼此间隔的三个栅电极；在上述结构上形成有机铁电聚合物薄膜，作为铁电栅介质层；在所述铁电栅介质层上形成二维铁电半导体材料，作为沟道层；在所述沟道层两侧形成源电极和漏电极，分别先后对三个栅电极施加正向电压，分别使有机铁电聚合物薄膜和二维铁电半导体材料发生不同程度的极化翻转，从而获得六个不同的极化翻转组合状态，实现器件的六位存储功能。

本发明的三栅型六位存储器件制备方法中，优选为，所述有机铁电聚合物薄膜为P(VDF-TrFE)。

本发明的三栅型六位存储器件制备方法中，优选为，所述二维铁电半导体材料为SnS，InSe，SnSe。

本发明的三栅型六位存储器件制备方法中，优选为，所述三个栅电极的间隔为1μm～5μm。

本发明的三栅型六位存储器件制备方法中，优选为，利用旋涂法在上述结构上滴涂P(VDF-TrFE)溶液，旋涂转速为1000转/分钟～5000转/分钟，旋涂时长为0.5分钟～2分钟；随后在热板上以80℃～150℃的温度退火2小时～10小时，形成P(VDF-TrFE)有机铁电聚合物薄膜。

有益效果：

(1)打破传统的铁电存储器工作模式，利用三栅结构实现铁电存储状态突破，使得单个器件可以实现六位存储功能，提高了器件的存储灵活性与可扩展性，对于构建高密度、可扩展的存储芯片意义重大。

(2)采用二维铁电半导体层与有机铁电栅介质层的异质集成方式，通过协同调制最大程度地提供不同组合下的极化翻转状态，为高性能铁电存储器的发展开拓了方向。

(3)利用二维铁电存储器实现小尺寸下的铁电存储功能，解决传统铁电材料在纳米尺寸下面临的漏电与去极化等性能失效问题，为器件的小尺寸微缩提供了更多可能。

附图说明

图1是三栅型六位存储器件制备方法的流程图。

图2～图5是三栅型六位存储器件制备方法各阶段的结构示意图。

图6是三栅型六位存储器件的运行原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。

图1是三栅型六位存储器件制备方法的流程图。如图1所示，三栅型六位存储器件制备方法包括以下步骤：

步骤S1，准备硅片作为衬底100，用于制备三栅型铁电六位存储器件。衬底还可以是玻璃、SiC等。

步骤S2，利用光刻和物理气相沉积在衬底100上制备三个厚度为30nm～100nm的Pt层作为栅电极101，102，103，如图2所示。电极长度为5μm～15μm，宽度为1μm～5μm，间距为1μm～5μm。栅电极的材料还可以是Au，Al，Pd等金属材料。

步骤S3，利用旋涂法在上述结构上滴涂P(VDF-TrFE)溶液，旋涂转速为1000转/分钟～5000转/分钟，旋涂时长为0.5分钟～2分钟。随后在热板上以80℃～150℃的温度退火2小时～10小时，形成P(VDF-TrFE)有机铁电聚合物薄膜，作为铁电栅介质层104，如图3所示。

步骤S4，利用机械剥离法在铁电栅介质层104上制备1nm～10nm厚的InSe二维铁电半导体层105作为沟道材料，如图4所示。沟道材料还可以是SnS，SnSe等二维铁电半导体材料。沟道材料的长度优选为12μm，范围可取10μm～20μm；宽度优选为10μm，范围可取8μm～15μm。

步骤S5，利用光刻和物理气相沉积在沟道两侧生长厚度为30nm～100nm的Au层作为源电极106和漏电极107，如图5所示。源漏电极的材料还可以是Pt，Al，Pd等金属。

如图5所示，三栅型六位存储器件包括：衬底100；三个栅电极101，102，103，彼此间隔分布在衬底100上；铁电栅介质层104，其为有机铁电聚合物薄膜，覆盖上述结构；沟道层105，其二维铁电半导体材料，形成在铁电栅介质层104上；源电极106和漏电极107，形成在沟道层105两侧。

如图6所示，通过分别先后对三个栅极101，102，103施加正向电压，分别使得相应位置的P(VDF-TrFE)铁电栅介质层和InSe铁电沟道层发生不同程度的极化翻转，从而实现六个不同的极化翻转组合状态(阻态1～阻态6)，实现器件的六位存储功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。