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基于有机场效应晶体管的多晶 硅 浮栅 存储器及其制备方法

阅读：947发布：2024-02-21

专利汇可以提供基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器及其制备方法，栅电极采用厚度为100～300nm重掺杂的低阻单晶硅衬底；形成于栅电极硅衬底表面的栅绝缘介质层；嵌于栅绝缘介质层与隧穿绝缘介质层之间的多晶硅浮栅，作为电荷存储单元；形成于浮栅表面的隧穿绝缘介质层；在隧穿绝缘介质层表面上生长有机半导体材料，形成器件的有源层；在有源层表面，通过金属掩膜真空蒸镀金属，形成器件的源极、漏极。本发明的有益效果是降低基于有机场效应晶体管浮栅存储器的工作电压，实现器件的高密度存储，提高器件保持特性，降低器件制造成本。，下面是基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器，其特征在于：
栅电极采用厚度为100～300nm重掺杂的低阻单晶硅衬底；
形成于栅电极硅衬底表面的栅绝缘介质层；
嵌于栅绝缘介质层与隧穿绝缘介质层之间的多晶硅浮栅，作为电荷存储单元；
形成于浮栅表面的隧穿绝缘介质层；
在隧穿绝缘介质层表面上生长有机半导体材料，形成器件的有源层；
在有源层表面，通过金属掩膜真空蒸镀金属，形成器件的源极、漏极。
2.按照权利要求1所述基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器，其特征在于：所述有源层导电沟道长度为10μm。
3.制备权利要求1所述基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器的方法，其特征在于：
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(1)采用离子注入或扩散的方法对清洗好的硅片进行重掺杂，掺杂浓度为10 ～10 /
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cm，以形成栅极与探针间的欧姆接触；
(2)在重掺杂后的硅片表面生长一层SiO2，厚度为150～300nm，采用热氧化生长或化学气相淀积方法，形成栅绝缘介质层；
(3)利用LPCVD方法在栅绝缘介质层表面生长厚度为20～80nm的多晶硅薄膜作为器
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件的浮栅，然后利用离子注入或扩散的方法对多晶硅浮栅进行轻掺杂，掺杂浓度为10 ～
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10 /cm，掺杂后将样品在800～900℃的条件下，进行5分钟退火处理，消除晶格损伤，实现杂质离子在多晶硅浮栅中的均匀分布；
(4)在多晶硅表面制备隧穿绝缘介质层，隧穿绝缘介质层是在多晶硅表面利用LPCVD生长厚度为10～30nm的高K薄膜介质材料；
(5)有源层通过真空蒸镀或溶液旋涂方法形成，厚度为50～70nm,有源层导电沟道长度10～70μm，有源层材料为p型的并五苯、酞菁铜、3-己基噻吩的聚合物、n型的富勒烯、全氟并五苯中的一种，然后将样品置于烘烤箱，在真空氛围、50～80℃条件下进行30分钟退火处理；
(6)对器件进行低温快速退火处理，形成致密均匀的有源层，提高载流子在有源层的迁移率；
(7)采用真空蒸镀法或磁控溅射法在有源层上制备漏极和源极，源漏电极为Au,Cu,Al,Ni材料中的一种，厚度为40～100nm，长度2～4μm。
4.按照权利要求3所述基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器的方法，其特征在于：所述步骤(4)中高K薄膜介质材料为二氧化硅，氧化铝，氧化哈。

说明书全文

基于有机场效应晶体管的多晶 硅 浮栅 存储器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于电子元器件技术领域，涉及基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着电子信息技术的不断发展，电子信息产品已经逐渐渗透到了人们生活工作学习的每个环节，人们对于低成本、低功耗、轻便小型化的电子器件的需求日益增加，基于硅的传统的非挥发性存储器已经难以满足以上新的需求，有机浮栅存储器是基于有机薄膜场效应晶体管发展起来的新型有机电子器件，因其具有典型的结构及传统存储器无法比拟的特点，而受到人们的广泛关注，是未来非常具有应用前景的一类新型电子器件。

[0003] 有机浮栅存储器的结构与有机薄膜场效应晶体管(organic field effect transistors简称OFETs)的相似，不同之处是，有机浮栅存储器除了具有OFETs的基本组成部分外，还有隧穿绝缘介质层和电荷存储单元。隧穿绝缘介质层是介于有源层和电荷存储层之间的，起到隔离作用；电荷存储单元(比如金属纳米颗粒层、电介体层等)嵌于隧穿绝缘介质层和栅绝缘介质层之间作为器件的浮栅，是影响器件存储窗口大小的关键因素，存储窗口是表征有机浮栅存储器性能的重要指标之一。

[0004] 实验结果表明，金属纳米颗粒层作为器件的浮栅在改善器件的存储窗口性能方面表现出很大的优越性，但其制备条件比较苛刻，在改善器件存储窗口的同时，增加了器件的制造成本；另外，据目前相关研究表明，基于有机场效应晶体管的浮栅存储器存在的主要问题是器件的保持特性差，且需要很高的工作电压(高于20V)。因此，降低基于有机场效应晶体管浮栅存储器的工作电压及实现器件高密度存储是极具科学意义与实用价值的。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器及其制备方法，解决现有的有机场效应晶体管浮栅存储器的工作电压过高，制造成本高的问题。

[0006] 本发明基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器所采用的技术方案是：

[0007] 栅电极采用厚度为100～300nm重掺杂的低阻单晶硅衬底；

[0008] 形成于栅电极硅衬底表面的栅绝缘介质层；

[0009] 嵌于栅绝缘介质层与隧穿绝缘介质层之间的多晶硅浮栅，作为电荷存储单元；

[0010] 形成于浮栅表面的隧穿绝缘介质层；

[0011] 在隧穿绝缘介质层表面上生长有机半导体材料，形成器件的有源层；

[0012] 在有源层表面，通过金属掩膜真空蒸镀金属，形成器件的源极、漏极。

[0013] 进一步，所述有源层导电沟道长度为10μm。

[0014] 基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器的制备方法：

[0015] (1)采用离子注入或扩散的方法对清洗好的硅片进行重掺杂，掺杂浓度为1018～20 3
10 /cm，以形成栅极与探针间的欧姆接触；

[0016] (2)在重掺杂后的硅片表面生长一层SiO2，厚度为150～300nm，采用热氧化生长或化学气相淀积(CVD)方法，形成栅绝缘介质层；

[0017] (3)利用LPCVD(低压力化学气相沉积法)在栅绝缘介质层表面生长厚度为20～80nm的多晶硅薄膜作为器件的浮栅，然后利用离子注入或扩散的方法对多晶硅浮栅进行轻
15 17 3
掺杂，掺杂浓度为10 ～10 /cm，掺杂后将样品在800～900℃的条件下，进行5～10分钟退火处理，消除晶格损伤，实现杂质离子在多晶硅浮栅中的均匀分布；

[0018] (4)在多晶硅表面制备隧穿绝缘介质层，隧穿绝缘介质层是在多晶表面表面利用LPCVD生长厚度为10～30nm的高K薄膜介质材料；

[0019] (5)有源层通过真空蒸镀或溶液旋涂方法形成，厚度约为50～70nm,有源层导电沟道长度10～70μm，有源层材料为p型的并五苯，酞菁铜，3-己基噻吩的聚合物(P3HT)或n型的富勒烯(C60),全氟并五苯中的一种，然后将样品置于烘烤箱，在真空氛围、50～80℃条件下进行30分钟退火处理；

[0020] (6)对器件进行低温快速退火处理，形成致密均匀的有源层，提高载流子在有源层的迁移率；

[0021] (7)采用真空蒸镀法或磁控溅射法在有源层上制备漏极和源极，源漏电极是Au,Cu,Al,Ni材料中的一种，其厚度为40～100nm,长度2～4μm。

[0022] 进一步，所述步骤(4)中高K薄膜介质材料为二氧化硅，氧化铝，氧化哈。

[0023] 本发明的有益效果是降低基于有机场效应晶体管浮栅存储器的工作电压，实现器件的高密度存储，提高器件保持特性，降低器件制造成本。附图说明

[0024] 图1为本发明实施例基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器的结构剖面示意图；

[0025] 图2为存储器制备工艺中热氧化生长SiO2；

[0026] 图3为存储器制备工艺中低压化学气相淀积(LPCVD)生长多晶硅；

[0027] 图4为存储器制备工艺中LPCVD生长SiO2；

[0028] 图5为存储器制备工艺中真空蒸镀并五苯(pentacene)；

[0029] 图6为存储器制备工艺中金属掩膜蒸镀Au电极。

具体实施方式

[0030] 下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0031] 本发明的基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器的结构如图1所示，其制备工艺如下：

[0032] 1)将清洗好的重掺杂硅片放入热氧化炉，在硅表面1热氧化生长一层厚度约为150～300nm的SiO2薄层，形成器件的栅绝缘介质层2,如图2。

[0033] 2)利用CVD方法，在SiO2表面生长厚度为20～40nm(淀积速率约为5nm/分钟)的多晶硅层作为器件的浮栅3,如图3。

[0034] 3)利用离子注入法，在多晶硅浮栅区域进行低浓度的砷离子掺杂(掺杂浓度约为16 3
10 /cm)。

[0035] 4)一次退火，对上述样品在800～900℃的条件下，进行5分钟退火处理，消除晶格损伤，实现杂质离子在多晶硅浮栅中的均匀分布。

[0036] 5)利用LPCVD方法在多晶硅浮栅表面生长一层厚度为10nm(淀积速率为1nm/分钟)的均匀高纯度的SiO2层作为器件的隧穿绝缘介质层4,如图4。

[0037] 6)采用真空有机蒸镀法在隧穿绝缘介质层表面淀积厚度为60nm(淀积速率为2nm/分钟)的pentacene作为器件有源层5，如图5。

[0038] 7)二次退火，将上述样品置于烘烤箱中，在真空氛围、50～80℃条件下，进行30分钟退火处理，消除晶格损伤，形成均匀致密的有源层，提高载流子在有源层内的迁移率。

[0039] 8)利用真空蒸镀法，金属掩膜，在上述有源层表面蒸镀厚度为40nm长度为2μm的Au作为器件的源极6和漏极7，源极6和漏极7与有源层接触势垒约为0.1～0.3eV，边缘与器件边缘平齐,如图6。

[0040] 在对基于有机场效应晶体管的浮栅存储器编程时，电荷在栅电压作用下首先从源、漏电极注入到有源层形成积累，当栅电压足够大时，有源层与隧穿绝缘介质层之间的能带就会发生弯曲，电荷在大的栅电压作用下就会越过有源层与隧穿绝缘介质层之间的势垒到达浮栅层，最终被浮栅层上面的电荷陷阱所俘获，本发明基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器，优先采用高迁移率的并五苯和Au分别作为器件的有源层和源漏电极材料，并通过相应的退火工艺处理，降低有源层和金属电极间的接触势垒，提高了电荷的注入效率；同时，提供一种新的电荷存储单元，以多晶硅作为器件的浮栅层，通过对多晶硅进行低浓度掺杂的方法来增加浮栅层上的电荷陷阱，有助于增加器件的存储窗口，实现高密度存储，而且新增加的电荷陷阱减少了电荷泄漏通道的形成，提高了器件的保持特性；另外，采用极薄的栅绝缘介质层和高K隧穿绝缘介质材料，可以降低自身压降。因此，相比于目前的技术，本发明基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器，可以在降低浮栅存储器工作电压的基础上，增加其存储窗口，实现高密度存储，提高电荷保持特性，从而可以显著提高基于有机场效晶体管的浮栅存储器的综合性能。

[0041] 本发明的优点还在于：

[0042] (1)以多晶硅作为器件的浮栅，通过离子注入的方法对多晶硅浮栅进行低浓度掺杂，为存储电荷提供更多的电荷存储陷阱，增加电荷存储密度，改善器件存储窗口，实现高密度存储；并且，深的电荷存储陷阱不会因部分电荷泄漏而产生新的电荷泄漏通道，从而提高器件的保持特性。

[0043] (2)基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器采用了比较薄的无机栅绝缘介质层(100-200nm)和高K隧穿绝缘介质层(8-15nm)，并且通过相应的退火工艺，以及源漏电极与有源层间形成低的接触势垒，降低栅绝缘介质层和隧穿绝缘介质层间的自身压降，增加栅控灵敏度，提高载流子的注入效率。

[0044] (3)基于有机场效应晶体管的多晶硅浮栅存储器结构简单，利用成熟的制备工艺，提高器件的成品率，降低制造成本。

[0045] 以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

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