一种非易失性可重置双向开关装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种非易失性可重置双向开关装置，包含SOI晶圆的硅衬底，SOI晶圆的硅衬底上方为SOI晶圆的衬底绝缘层，SOI晶圆的衬底绝缘层的上方为半导体薄膜、双括号非易失性电荷存储层的部分区域、半导体隧穿层a、半导体隧穿层b、可互换电极内嵌区a、可互换电极内嵌区b、栅电极绝缘层的部分区域、栅电极、防电荷流失用绝缘层和绝缘介质阻挡层的部分区域。本发明专利技术所述器件为一种非易失性可重置双向开关装置及其制造方法，装置具有左右对称结构，可互换电极a和可互换电极b可彼此互换，实现本发明专利技术的双向开关功能。的双向开关功能。的双向开关功能。

【技术实现步骤摘要】
一种非易失性可重置双向开关装置及其制造方法


[0001]本专利技术涉及超大规模集成电路制造领域，具体涉及适用于低功耗集成电路制造的一种非易失性可重置双向开关装置及其制造方法。

技术介绍

[0002]基于现有的晶体管技术，其导电类型根据掺杂杂质类型确立，所制造出的晶体管只能为P型晶体管或N型晶体管其中的一种，其导电类型在工作中不可切换。即在晶体管工作过程当中，无法通过某种控制方法改变其导电类型，若要实现导电类型可切换的晶体管，需要两个彼此独立的栅电极，且只能作为单向开关使用。可重置晶体管使得器件可以通过改变编程栅电压来改变器件的导通类型，然而这种可重置晶体管需要两个彼此独立的两个栅电极，需要单独为编程栅供电，在结构复杂的同时，也增加了金属互连设计的难度。此外，基于现有常见晶体管技术，如MOSFETs，隧道场效应晶体管，肖特基MOSFETs等，以N类型为例，当栅电极工作在反向偏压时，由于漏电极处于正偏状态，漏电极和栅电极之间的半导体区域通常形成较强电场，因而由于隧道效应而产生大量反向泄露电流。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提出一种非易失性可重置双向开关装置及其制造方法，该双向开关装置具有低静态功耗和低反向泄露电流，实现只需一个独立外部供电的栅电极就可控制器件的导通、关断和导电类型重置功能，解决了可重置晶体管需要彼此独立的两个栅电极的问题，同时也解决了当前主流晶体管技术如MOSFETs技术、隧穿晶体管技术和肖特基势垒MOSFET技术以及导电类型可重置型晶体管的反向泄露电流较大的问题。/>[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种非易失性可重置双向开关装置，包含SOI晶圆的硅衬底，SOI晶圆的硅衬底上方为SOI晶圆的衬底绝缘层，SOI晶圆的衬底绝缘层的上方为半导体薄膜、双括号非易失性电荷存储层的部分区域、半导体隧穿层a、半导体隧穿层b、可互换电极内嵌区a、可互换电极内嵌区b、栅电极绝缘层的部分区域、栅电极、防电荷流失用绝缘层和绝缘介质阻挡层的部分区域；半导体薄膜为半导体材料，其左右两端分别构成半导体隧穿层a和半导体隧穿层b；可互换电极内嵌区a和可互换电极内嵌区b分别内置于半导体薄膜的左右两侧，半导体隧穿层a对可互换电极内嵌区a形成三面包裹，半导体隧穿层b对可互换电极内嵌区b形成三面包裹；可互换电极内嵌区a和可互换电极内嵌区b的底部表面与SOI晶圆的的衬底绝缘层的上表面相互接触；可互换电极内嵌区a为金属或合金材料，可互换电极内嵌区a的外侧壁与半导体隧穿层a之间接触部分和与半导体薄膜之间接触部分形成具有肖特基势垒的阻挡型接触；可互换电极内嵌区b亦为金属或合金材料，可互换电极内嵌区b的外侧壁与半导体隧穿层b之间接触部分和与半导体薄膜之间接触部分亦形成具有肖特基势垒的阻挡型接触；栅电极绝缘层为绝缘体材料，对半导体薄膜的除与SOI晶圆的衬底绝缘层接触的下表面以外的表面区域形成包裹，将半导体薄膜、半导体隧穿层a、半导体隧穿层b、可互换电极内嵌区a和可互换电极内嵌区b所构成的方体的前后
左右外侧表面与半导体薄膜、半导体隧穿层a和半导体隧穿层b的上表面完全覆盖；栅电极绝缘层的外侧表面侧壁与双括号非易失性电荷存储层、栅电极以及绝缘介质阻挡层的部分区域相互接触；双括号非易失性电荷存储层位于栅电极绝缘层的左右两侧，且与栅电极绝缘层左右两侧的上下表面和左右外侧表面相互接触，俯视呈一对双括号形状，双括号非易失性电荷存储层每一侧所对应的括号形非易失性电荷存储层部分对该侧栅电极绝缘层及内部相对应的半导体隧穿层a或半导体隧穿层b形成三面围绕；双括号非易失性电荷存储层通过栅电极绝缘层与半导体薄膜彼此绝缘隔离；栅电极由金属材料、合金材料或多晶半导体材料构成，位于防电荷流失用绝缘层外围及衬底绝缘层的上表面，对防电荷流失用绝缘层形成四面包裹，栅电极的中央部分位于栅电极绝缘层上表面的中央部分的上方，俯视栅电极呈“日”字形；栅电极绝缘层在双括号非易失性电荷存储层和半导体薄膜的侧表面之间，且位于栅电极和半导体薄膜的上表面之间；双括号非易失性电荷存储层和栅电极之间通过防电荷流失用绝缘层彼此绝缘；栅电极绝缘层的上方除被栅电极覆盖的上表面区域以外的上表面被绝缘介质阻挡层所覆盖；可互换电极a和可互换电极b为金属或合金材料，分别位于可互换电极内嵌区a和可互换电极内嵌区b的上方；可互换电极a和可互换电极b的上方部分和下方部分的外侧表面分别与栅绝缘介质阻挡层和栅电极绝缘层相互接触，通过绝缘介质层彼此绝缘隔离；绝缘介质层位于栅电极、防电荷流失用绝缘层、双括号非易失性电荷存储层及栅极绝缘层上方，且与栅电极、防电荷流失用绝缘层、双括号非易失性电荷存储层及栅极绝缘层相互接触。
[0005]本专利技术还提出一种非易失性可重置双向开关装置的使用方法：通过对栅电极施加反向或正向电压，利用栅电极绝缘层在高电场强度下所产生的隧道效应，将双括号非易失性电荷存储层内写入正电荷或负电荷，并通过非易失性电荷存储层内的正电荷或负电荷对半导体隧穿层a与半导体隧穿层b所产生的场效应来控制可互换电极内嵌区a与半导体隧穿层a之间，以及可互换电极内嵌区a与半导体隧穿层b之间所形成的电阻值；同时通过非易失性电荷存储层内的正电荷或负电荷对半导体隧穿层a与半导体隧穿层b所产生的场效应来调控半导体隧穿层a与半导体隧穿层b内所堆积的载流子类型；当双括号非易失性电荷存储层的写入电荷被设置在特定值，其中双括号非易失性电荷存储层内被重置为存储正电荷时，该非易失性可重置双向开关装置将工作在N型导电类型模式；其中双括号非易失性电荷存储层内被重置为存储负电荷时，该非易失性可重置双向开关装置将工作在P型导电类型模式，通过改变双括号非易失性电荷存储层内所写入的电荷类型来重置该非易失性可重置双向开关装置的导电类型。
[0006]本专利技术还提出一种非易失性可重置双向开关装置的制造方法：其制造步骤如下：
[0007]步骤一：提供一个SOI晶圆，最下方为SOI晶圆的硅衬底，硅衬底的上面是SOI晶圆的衬底绝缘层，SOI晶圆的衬底绝缘层的上表面为半导体薄膜，通过光刻、刻蚀工艺除去SOI晶圆上方的半导体薄膜四周的外侧的部分区域；
[0008]步骤二：通过刻蚀工艺，对步骤一中所形成的半导体薄膜的左右两侧的中间区域对称位置进行刻蚀，形成半导体隧穿层a和半导体隧穿层b，再在两侧刻蚀掉的部分注入金属或合金材料，分别形成可互换电极内嵌区a和可互换电极内嵌区b，并使可互换电极内嵌区a外侧壁与半导体隧穿层a之间接触部分、可互换电极内嵌区a外侧壁与半导体薄膜之间接触部分形成具有肖特基势垒的阻挡型接触，使可互换电极内嵌区b外侧壁与半导体隧穿
层之间接触部分、可互换电极内嵌区b与半导体薄膜之间接触部分亦形成具有肖特基势垒的阻挡型接触；
[0009]步骤三：通过氧化或淀积工艺，紧贴掺杂后的半导体薄膜的上表面和外侧表面，形成绝缘介质层后平坦化处理，初步形成栅电极绝缘层；
[0010]步骤四：通过淀积工艺，在晶圆上方电极金属、合金或多晶硅，平坦化表面至露出栅电极绝缘层，在栅电极绝缘层的前后两侧中间区域和两侧区域形成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非易失性可重置双向开关装置，包含SOI晶圆的硅衬底(13)，其特征在于：SOI晶圆的硅衬底(13)上方为SOI晶圆的衬底绝缘层(12)，SOI晶圆的衬底绝缘层(12)的上方为半导体薄膜(1)、双括号非易失性电荷存储层(2)的部分区域、半导体隧穿层a(3)、半导体隧穿层b(4)、可互换电极内嵌区a(5)、可互换电极内嵌区b(6)、栅电极绝缘层(7)的部分区域、栅电极(9)、防电荷流失用绝缘层(8)和绝缘介质阻挡层(14)的部分区域；半导体薄膜(1)为半导体材料，其左右两端分别构成半导体隧穿层a(3)和半导体隧穿层b(4)；可互换电极内嵌区a(5)和可互换电极内嵌区b(6)分别内置于半导体薄膜(1)的左右两侧，半导体隧穿层a(3)对可互换电极内嵌区a(5)形成三面包裹，半导体隧穿层b(4)对可互换电极内嵌区b(6)形成三面包裹；可互换电极内嵌区a(5)和可互换电极内嵌区b(6)的底部表面与SOI晶圆的的衬底绝缘层(12)的上表面相互接触；可互换电极内嵌区a(5)为金属或合金材料，可互换电极内嵌区a(5)的外侧壁与半导体隧穿层a(3)之间接触部分和与半导体薄膜(1)之间接触部分形成具有肖特基势垒的阻挡型接触；可互换电极内嵌区b(6)亦为金属或合金材料，可互换电极内嵌区b(6)的外侧壁与半导体隧穿层b(4)之间接触部分和与半导体薄膜(1)之间接触部分亦形成具有肖特基势垒的阻挡型接触；栅电极绝缘层(7)为绝缘体材料，对半导体薄膜(1)的除与SOI晶圆的衬底绝缘层(12)接触的下表面以外的表面区域形成包裹，将半导体薄膜(1)、半导体隧穿层a(3)、半导体隧穿层b(4)、可互换电极内嵌区a(5)和可互换电极内嵌区b(6)所构成的方体的前后左右外侧表面与半导体薄膜(1)、半导体隧穿层a(3)和半导体隧穿层b(4)的上表面完全覆盖；栅电极绝缘层(7)的外侧表面侧壁与双括号非易失性电荷存储层(2)、栅电极(9)以及绝缘介质阻挡层(14)的部分区域相互接触；双括号非易失性电荷存储层(2)位于栅电极绝缘层(7)的左右两侧，且与栅电极绝缘层(7)左右两侧的上下表面和左右外侧表面相互接触，俯视呈一对双括号形状，双括号非易失性电荷存储层(2)每一侧所对应的括号形非易失性电荷存储层部分对该侧栅电极绝缘层(7)及内部相对应的半导体隧穿层a(3)或半导体隧穿层b(4)形成三面围绕；双括号非易失性电荷存储层(2)通过栅电极绝缘层(7)与半导体薄膜(1)彼此绝缘隔离；栅电极(9)由金属材料、合金材料或多晶半导体材料构成，位于防电荷流失用绝缘层(8)外围及衬底绝缘层(12)的上表面，对防电荷流失用绝缘层(8)形成四面包裹，栅电极(9)的中央部分位于栅电极绝缘层(7)上表面的中央部分的上方，俯视栅电极(9)呈“日”字形；栅电极绝缘层(7)在双括号非易失性电荷存储层(2)和半导体薄膜(1)的侧表面之间，且位于栅电极(9)和半导体薄膜(1)的上表面之间；双括号非易失性电荷存储层(2)和栅电极(9)之间通过防电荷流失用绝缘层(8)彼此绝缘；栅电极绝缘层(7)的上方除被栅电极(9)覆盖的上表面区域以外的上表面被绝缘介质阻挡层(14)所覆盖；可互换电极a(10)和可互换电极b(11)为金属或合金材料，分别位于可互换电极内嵌区a(5)和可互换电极内嵌区b(6)的上方；可互换电极a(10)和可互换电极b(11)的上方部分和下方部分的外侧表面分别与栅绝缘介质阻挡层(14)和栅电极绝缘层(7)相互接触，通过绝缘介质层(14)彼此绝缘隔离；绝缘介质层(14)位于栅电极(9)、防电荷流失用绝缘层(8)、双括号非易失性电荷存储层(2)及栅极绝缘层(7)上方，且与栅电极(9)、防电荷流失用绝缘层(8)、双括号非易失性电荷存储层(2)及栅极绝缘层(7)相互接触。2.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘溪，连丹纯，靳晓诗，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
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