[发明专利]一种基于二维半导体材料垂直沟道的三维闪存存储器及其制备

说明书

本发明属于半导体存储器制造领域，更具体地，涉及一种基于二维半导体材料垂直沟道的三维半导体存储器及其制备，所述三维半导体存储器，包含多个垂直方向的三维存储串，每一个三维存储串包含一个半导体垂直沟道，半导体垂直沟道的长度由存储器三维堆叠的层数决定；所述垂直沟道材料包括一种或多种二维半导体材料，以及所述二维半导体材料表面的保护层，所述保护层用于对该二维半导体材料进行支撑保护，所述二维半导体材料的载流子迁移率高于非晶硅的载流子迁移率。本发明利用二维材料作为存储器沟道，可以提供更高的存储器单元开态电流，从而降低存储器的操作功耗。

技术领域

本发明属于半导体存储器制造领域，更具体地，涉及一种基于二维半导体材料垂直沟道的三维半导体存储器及其制备。

背景技术

根据摩尔定律，微电子器件工艺特征尺寸不断降低，闪存存储器特尺寸微缩存在物理极限，于是平面闪存工艺开始向三维发展，三维闪存存储器应运而生。与传统的平面半导体存储器相比，三维闪存存储器的存储密度不再受限于工艺特征尺寸，可以随着垂直方向上堆叠实现存储密度的不断提升。三维闪存存储器采用的三维半导体存储器，完全区别与平面工艺，需要采用全新的器件结构以及工艺制程，其中存在诸多工艺难题。

对于半导体闪存，其单元的基本结构为浮栅晶体管，主要包含栅极、沟道以及栅介质层。在栅极电压的控制下，沟道可以实现电流的导通和关断，对应于栅极阈值电压。而栅介质中包含电荷存储层，通过栅极与沟道之间施加编程电压(写入电压、擦除电压)，从而在栅介质层中电荷的存入及擦除，对应于阈值电压的改变，不同的阈值电压可以代表存入的不同数据。

在三维闪存存储器中，沟道的制备非常具有挑战性。在传统的平面闪存存储器中，沟道通常采用单晶硅，工艺过程简单，并且能够提供足够的开态电流。而在三维闪存存储器的结构中，需要在完成深孔刻蚀之后进行沟道材料的沉积，因此无法进行单晶硅的外延生长。在以往的工艺中，通常采用沉积非晶硅形成沟道，而非晶硅的沉积时间非常长，并且其载流子迁移率较单晶硅非常低，因此能够提供的开态电流非常有限。此外，非晶硅的深孔填充通常采用原子沉积技术进行填充，工艺过程缓慢，会占据工艺过程的大部分时间。随着三维闪存叠层层数的增加，造成深孔填充的均一性难以保证，进而严重影响器件的均一性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于二维半导体材料垂直沟道的三维闪存存储器及其制备，其通过将载流子迁移率高的二维半导体材料及其保护层作为该三维闪存存储器的垂直沟道材料，旨在解决现有技术中沟道工艺存在的开态电流低、器件均一性等问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于二维半导体材料垂直沟道的三维半导体存储器，所述三维半导体存储器，包含多个垂直方向的三维存储串，每一个三维存储串包含一个半导体垂直沟道，半导体垂直沟道的长度由存储器三维堆叠的层数决定；

所述垂直沟道材料包括一种或多种二维半导体材料，以及所述二维半导体材料表面的保护层，所述保护层用于对该二维半导体材料进行支撑保护，所述二维半导体材料的载流子迁移率高于非晶硅的载流子迁移率。

优选地，所述二维半导体材料为石墨烯和/或过渡金属硫化物。

优选地，所述过渡金属硫化物为二硫化钼或二硫化钨。

优选地，所述二维半导体材料厚度为单个原子层厚度。

优选地，所述保护层的材料为SiO₂和/或HfO₂。

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的三维闪存存储器的制备方法，包括所述半导体垂直沟道的形成方法，该形成方法具体为：