[发明专利]一种基于薄膜晶体管的反相器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于薄膜晶体管的反相器。

背景技术

数字电路主要用于对数字信号进行处理，与模拟电路比较，具有抗干扰能力强、可靠性高以及易于集成化的优点，因此广泛应用于各种电子设备中，如计算机，手机，电视和示波器等。逻辑电路（例如与非门，锁存器等）是组成数字电路的基本模块，而反相器则是逻辑电路的最基本单元，因此在数字电路中具有十分重要的地位。

文献“Appl. Phys. Lett. 98，153506(2011)”和中国专利CN 101546768 B提出了一种“浮栅”结构的晶体管，该结构在沟道上设置一层金属或其他类型的半导体材料（例如金、钛，称为“浮栅”），利用沟道与“浮栅”之间禁带宽度的差异来调节晶体管阈值电压。所述“浮栅”结构的晶体管及对应的增强/耗尽（enhancement/depletion, E/D）型反相器结构简单，但是一旦制作完成后，就无法再调整阈值电压，因此限制了它的应用。所述增强型晶体管(以n型沟道晶体管为例，p型沟道的晶体管与之相反)是指在零栅压的条件下，晶体管处于关态，即晶体管的阈值电压大于零；所述的耗尽型晶体管是指在零栅压的条件下，晶体管亦处于导通态，即晶体管的阈值电压小于零。此外，对于上述文献或专利中涉及的反相器，其包含的晶体管在结构或和材料上存在差异，需要使用不同工艺形成所需的晶体管，因此制作方法较为复杂。中国专利CN1947337B公开了一种利用电容结合充电电路调节阈值电压的晶体管及反相器，这种方法极大增加了电子系统的复杂度和面积，并且需要不时地对电容进行充电，操作复杂。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于薄膜晶体管的反相器，使得该反相器本身具有阈值电压可调的功能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于薄膜晶体管的反相器，包括串联的第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管；所述第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管结构相同，均包括衬底，设在衬底上的底栅，设在衬底上并且覆盖底栅的栅氧化层，设在栅氧化层上的沟道层，设在沟道层上相对两侧的源极、漏极，设在沟道层上以及源极、漏极上的隧穿层，设在隧穿层上的存储层，设在存储层上的阻挡层，以及设在阻挡层上的顶栅，所述顶栅位于底栅正上方。

进一步的，所述第一薄膜晶体管为增强型晶体管，第二薄膜晶体管为耗尽型晶体管。

进一步的，所述隧穿层为二氧化硅，厚度在3 nm～15 nm。

进一步的，所述存储层为氮化硅、二氧化铪或氮氧化铪，厚度在2 nm～10 nm。

进一步的，所述阻挡层为三氧化二铝，厚度在10 nm～50 nm。

进一步的，所述衬底为玻璃、绝缘聚合物或覆盖有氧化层的硅片。

有益效果：本发明使用的两个阈值可调的晶体管，在晶体管正常工作之前，将负电源提供给第二薄膜晶体管的顶栅；将正电源提供给第一薄膜晶体管的顶栅。产生的电场使第二薄膜晶体管和第一薄膜晶体管中的沟道层中的电荷从沟道注入并俘获在对应的存储层，待完成所需电荷注入后，撤去加在两个顶栅上的电源；使得引起第二薄膜晶体管的阈值电压朝负方向移动至小于零，形成耗尽型晶体管；引起第一薄膜晶体管的阈值电压朝正方向移动至大于零，形成增强型晶体管。其两晶体管各自的隧穿层和阻挡层与存储层之间形成的势阱有效防止了俘获在存储层中的电荷丢失。此时，存储层中的电荷相当于恒定电源，其产生的电场可改变沟道层中的载流子数目，进而调节阈值电压。存储层中的电荷数目依据晶体管所需的阈值电压决定，通过调整加在顶栅上的电源值和时间进行控制。加在顶栅上的用于改变晶体管阈值电压的电源强度大于反相器正常的操作电源至少两倍，保证了形成足够大的电场使沟道层中的电荷注入到存储层。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

（1）本发明提出一种基于薄膜晶体管的反相器在制作完成后仍然可调节阈值电压，可以消除设计与制造之间的偏差，降低了设计和制造难度；并可以纠正晶体管及反相器长期工作引起的性能漂移，应用范围广泛。

（2）依靠俘获在存储层中的电荷作为电源来控制阈值电压，操作方便，无需额外供电或借助额外电路就可以实现阈值电压调节，因此降低了电子系统的功耗、设计难度和面积。

（3）本发明提出的一种基于薄膜晶体管的反相器结构简单且紧凑，易于集成化，并完全与现有技术兼容，适合批量生产。

（4）本发明中的第二薄膜晶体管和第一薄膜晶体管的结构和材料可以完全相同，因此简化了反相器的制作方法。

附图说明