[发明专利]一种石墨烯熔丝器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯的新型熔丝器件及其制备方法。本发明基于石墨烯的新型熔丝在传统的两端熔丝基础上，增加一个垂直的金属栅形成三端结构，通过金属栅到沟道的隧穿电流来烧断沟道。利用电子束曝光和lift‑off工艺实现熔丝存储器件的制备，工艺简单，可实现大面积器件制备并节约工艺成本。本发明提供的石墨烯熔丝器件可将编程电压降低到4V左右，同时可降低编程电流，实现温和低功耗。

技术领域

本发明涉及一种纳米半导体器件及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯熔丝器件及其制备方法。

背景技术

一次性可编程存储器是非挥发存储器的一种，在应用过程中只允许进行一次写入，信息一旦写入后无法更改。目前总的来说，它具有熔丝和反熔丝两种形态，也正是由于它的一次性编程特性，使得其在可靠性和安全方面更有优势，可被集成于FPGA、PROM(programmable read only memory，一次可编程只读存储器)等一次性编程存储器内部，并广泛的应用于高可靠性的航空航天、军工FPGA等领域。

传统的电熔丝(e-Fuse)为两端结构，包括阳极、阴极以及阳极和阴极相连接的细条状熔丝。器件在未编程时处于导通状态，编程过程中用瞬态的大电流将熔丝烧断，通过电流实现低阻(逻辑1)到高阻(逻辑0)的转换。熔丝在编程前等效为一个电阻，在编程后等效为一个电容。

传统两端熔丝器件的一个关键挑战是需要提供足够大的编程电流使得细条状熔丝中产生电迁移，大电流编程造成严重的热量积累，影响芯片的使用寿命和性能；两端熔丝需要大电流或者大电压来编程，同时它依靠热来编程，在编程过程中需要热量积累，导致编程速度慢，功耗大；

由于编程电压较高(15V以上)，在存储单元中必须使用高压晶体管，高压晶体管的作用有两个：一是起隔离作用，二是作为编程的选通管。随着半导体工艺节点的不断降低，高压晶体管的制作会越来越困难，所以必须降低编程电压。

因此，如何获得低编程电压、低功耗的熔丝器件并且能够与CMOS工艺兼容是当前面临的重大难题。

发明内容

本发明针对以上现有技术中存在问题，为获得低编程电压、低功耗的熔丝器件，提出一种基于石墨烯的新型熔丝器件及其制备方法，本发明的技术方案具体如下：

本发明第一方面的实施例提出一种石墨烯熔丝器件，具有一衬底，在上述衬底上具有石墨烯，在上述石墨烯两端分别具有源极和漏极，上述源极和上述漏极之间形成一栅窗口，在上述栅窗口中具有一金属栅，上述金属栅与上述石墨烯之间具有一栅氧化层。

在本发明第一方面的实施例中，上述石墨烯为石墨烯纳米带。

在本发明第一方面的实施例中，上述金属栅为金属Al栅，上述栅氧化层为Al₂O₃。

在本发明第一方面的实施例中,上述源极或上述漏极为Ti、和Au组成的双层结构。

在本发明第一方面的实施例中,上述金属栅与上述石墨烯的延展方向垂直。

本发明第二方面的实施例提出了一种石墨烯熔丝器件的制备方法，包括如下步骤：

提供一衬底，并在上述衬底上转移石墨烯；

在对上述石墨烯两端沉积源极和漏极；

在上述源极和上述漏极之间沉积金属栅；

通过退火氧化，在上述石墨烯与金属栅的界面处形成栅氧化层。

在本发明第一方面的实施例中,通过机械剥离或CVD原位生长在所示衬底上形成石墨烯薄膜。

在本发明第一方面的实施例中,通过电子束曝光和电子束蒸镀形成上述源极和漏极。

在本发明第一方面的实施例中,在上述源极和上述漏极之间沉积金属Al形成上述金属栅。