场效应晶体管、存算一体芯片、电路及设备

摘要

本发明公开了一种具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管、存算一体芯片、电路及设备。其自下而上包括衬底、绝缘界面层、栅介质层、栅电极；所述衬底两边分别设有源极和漏极，所述栅介质层具有带正电荷氧空位的可移动离子。当栅电极施加有高频脉冲时，所述带正电荷氧空位处于被俘获状态，使得所述场效应晶体管具备逻辑特性而能够作为逻辑器件使用；当栅电极施加有低频脉冲时，所述带正电荷氧空位处于去俘获状态，使得所述场效应晶体管具备存储特性而能够作为存储器件使用。本发明可以实现逻辑特性与存储特性感相互转换并保持高性能器件状态稳定，这可用于存算一体的三维异质集成芯片。

权利要求

1.一种具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管，其特征在于，包括：衬底（1）、绝缘界面层（2）、栅介质层（3）、带正电荷氧空位（4）、栅电极（5）、源极（6）和漏极（7）；

其中，所述绝缘界面层（2）、所述栅介质层（3）和所述栅电极（5）自下向上竖直分布于所述衬底（1）的上表面；所述源极（6）和所述漏极（7）分别设置于所述衬底（1）的上表面两侧，所述绝缘界面层（2）设置于所述源极（6）和所述漏极（7）之间；

所述栅介质层（3）内具有所述带正电荷氧空位（4），所述带正电荷氧空位（4）为可移动离子，其中，所述带正电荷氧空位（4）能够在第一状态和第二状态之间切换，使得所述场效应晶体管对应在作为逻辑器件使用的功能和作为存储器件的使用功能之间切换；

所述第一状态为：所述带正电荷氧空位（4）被所述绝缘界面层（2）的界面和/或所述栅电极（5）的界面俘获中和；

所述第二状态为：所述带正电荷氧空位（4）处于去俘获状态。

2.根据权利要求1所述的具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管，其特征在于，当所述栅电极（5）施加有高频脉冲时，所述带正电荷氧空位（4）处于所述第一状态，使得所述场效应晶体管具备逻辑特性而能够作为逻辑器件使用；

当所述栅电极（5）施加有低频脉冲时，所述带正电荷氧空位（4）处于所述第二状态，使得所述场效应晶体管具备存储特性而能够作为存储器件使用。

3.根据权利要求2所述的具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管，其特征在于，所述高频脉冲的频率大于或等于1kHz；和/或所述低频脉冲的频率小于或等于10Hz。

4.根据权利要求1所述的具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘界面层（2）包括氧化硅材料SiO2、氮化硅材料Si3N4、氮氧化硅材料SiON、氧化锗材料GeO2和氧化铝材料Al2O3中的一种。

5.根据权利要求1所述的具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管，其特征在于，所述衬底（1）为半导体材料；所述栅介质层（3）为绝缘氧化物；所述栅电极（5）为氮化物金属。

6.根据权利要求5所述的具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管，其特征在于，所述半导体材料包括硅Si，锗Ge，硅锗SiGe，绝缘体上硅SOI或绝缘体上锗GOI中的一种。

7.根据权利要求5所述的具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管，其特征在于， 所述绝缘氧化物包括氧化铪HfO2、氧化锆ZrO2、氧化铝Al2O3、氧化镧La2O3、氧化钇Y2O3、氧化钛TiO2、氧化硅SiO2和氧化锗GeO2中的一种；所述氮化物金属包括氮化钽TaN，氮化钛TiN，氮化钼MoN和氮化钨WN中的一种。

8.一种存算一体芯片，其特征在于，包括芯片主体和如权利要求1至7任一项所述的具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管，其中，所述场效应晶体管设置于所述芯片主体上。

9.一种存算一体电路，其特征在于，包括电路板主体和如权利要求8所述的存算一体芯片，其中，所述存算一体芯片设置于所述电路板主体上。

10.一种存算一体设备，其特征在于，包括外壳和权利要求9所述的存算一体电路，其中，所述存算一体电路设置于所述外壳上。

说明书

场效应晶体管、存算一体芯片、电路及设备

技术领域

[0001] 本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管、存算一体芯片、电路及设备。

背景技术

[0002] 随着摩尔定律的进一步发展，特征尺寸不断缩小，集成度和性能不断提高，由此产生的功耗问题变得日益严重。传统冯诺依曼结构存在延迟时间长，带宽有限，内存总线上大
寄生负载和大数据访问的高功耗问题。单片三维集成电路结合了基于后端工艺Back‑End‑
Of‑Line (BEOL)的高性能全环栅逻辑晶体管(GAA MOSFET)和铁电存储器，可实现低功耗和
高带宽信号传输，具有低制造成本，小电路面积和高带宽互连的优势，然而，基于后端工艺
的晶体管和三维集成电路的性能受到低热预算制备技术的限制。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管。

[0004] 为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：

[0005] 本发明实施例的第一方面提供一种具有逻辑器件与存储器件相互转换功能的场效应晶体管，包括：衬底、绝缘界面层、栅介质层、带正电荷氧空位、栅电极、源极和漏极；其
中，所述绝缘界面层、所述栅介质层和所述栅电极自下向上竖直分布于所述衬底的上表面；
所述源极和所述漏极分别设置于所述衬底的上表面两侧，所述绝缘界面层设置于所述源极
和所述漏极之间；

[0006] 所述栅介质层内具有所述带正电荷氧空位，所述带正电荷氧空位为可移动离子，其中，所述带正电荷氧空位能够在第一状态和第二状态之间切换，使得所述场效应晶体管
对应在作为逻辑器件使用的功能和作为存储器件的使用功能之间切换；

[0007] 所述第一状态为：所述带正电荷氧空位被所述绝缘界面层的界面和/或所述栅电极的界面俘获中和；

[0008] 所述第二状态为：所述带正电荷氧空位处于去俘获状态。

[0009] 可选地，当所述栅电极施加有高频脉冲时，所述带正电荷氧空位处于所述第一状态，使得所述场效应晶体管具备逻辑特性而能够作为逻辑器件使用；

[0010] 当所述栅电极施加有低频脉冲时，所述带正电荷氧空位处于所述第二状态，使得所述场效应晶体管具备存储特性而能够作为存储器件使用。

[0011] 可选地，所述高频脉冲的频率大于或等于1kHz；和/或

[0012] 所述低频脉冲的频率小于或等于10Hz。

[0013] 可选地，所述衬底为半导体材料，所述半导体材料包括硅Si，锗Ge，硅锗SiGe，绝缘体上硅SOI或绝缘体上锗GOI中的一种。

[0014] 可选地，所述绝缘界面层包括氧化硅材料SiO2、氮化硅材料Si3N4、氮氧化硅材料SiON、氧化锗材料GeO2和氧化铝材料Al2O3中的一种。

[0015] 可选地，所述栅介质层为绝缘氧化物，所述绝缘氧化物包括氧化铪HfO2、氧化锆ZrO2、氧化铝Al2O3、氧化镧La2O3、氧化钇Y2O3、氧化钛TiO2、氧化硅SiO2和氧化锗GeO2中的一
种。

[0016] 可选地，所述栅电极为氮化物金属，所述氮化物金属包括氮化钽TaN，氮化钛TiN，氮化钼MoN和氮化钨WN中的一种。

[0017] 本发明实施例的第二方面提供一种存算一体芯片，包括芯片主体和第一方面所述的具有逻辑器件与存储器件相互转换功能的场效应晶体管，其中，所述场效应晶体管设置
于所述芯片主体上。

[0018] 本发明实施例的第三方面提供一种存算一体电路，包括电路板主体和第二方面所述的存算一体芯片，其中，所述存算一体芯片设置于所述电路板主体上。

[0019] 本发明实施例的第四方面提供一种存算一体设备，包括外壳和第三方面所述的存算一体电路，其中，所述存算一体电路设置于所述外壳上。

[0020] 本发明的有益效果为：本发明提供了一种场效应晶体管，具有逻辑器件与存储器件相互转换的功能，可实现单个晶体管的存算一体特性，同时，晶体管的制备工艺与硅基
CMOS工艺兼容，较低热预算能较大幅度减小泄漏电流，降低功耗，从而实现高密度的存算一
体三维异质集成芯片。

附图说明

[0021] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

[0022] 图1为本发明具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管的截面示意图；

[0023] 图2为本发明第一实例的制作流程示意图；

[0024] 图3为具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管在初始状态为存储特性的转移曲线图；

[0025] 图4为具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管由存储特性转为逻辑特性的转移曲线图；

[0026] 图5为具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管由逻辑特性转为存储特性的转移曲线图。

[0027] 以上图中：1、衬底；2、绝缘界面层；3、栅介质层；4、带正电荷氧空位；5、栅电极；6、源极；7、漏极。

具体实施方式

[0028] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例
中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附
权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0029] 在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数
形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包
含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

[0030] 应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离
本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第
一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……
时”或“响应于确定”。

[0031] 下面结合实例对本发明的具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

[0032] 参照图1，本发明实例提供了具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管，该场效应晶体管可包括衬底1、绝缘界面层2、栅介质层3、带正电荷氧空位4、栅电极5、
源极6和漏极7。其中，绝缘界面层2、栅介质层3和栅电极5自下而上分布于所述衬底1的上表
面；所述源极6和漏极7设置在衬底1的上表面两侧，绝缘界面层2设置于源极6和漏极7之间。

[0033] 在本发明实施例中，栅介质层2内具有带正电荷氧空位4的可移动离子，具体地，栅介质层3内具有带正电荷氧空位4，带正电荷氧空位4为可移动离子。其中，带正电荷氧空位4
能够在第一状态和第二状态之间切换，使得场效应晶体管对应在作为逻辑器件使用的功能
和作为存储器件的使用功能之间切换。第一状态为：所述带正电荷氧空位4被所述绝缘界面
层2的界面和/或所述栅电极5的界面俘获中和。第二状态为：所述带正电荷氧空位4处于去
俘获状态。

[0034] 本发明实施例的场效应晶体管，通过在栅介质层3内设置具有可移动离子的带正电荷氧空位4，通过对可移动离子的调控，使得该场效应晶体管具有逻辑特性与存储特性相
互转换的功能，可实现单个晶体管的存算一体特性，同时，晶体管的制备工艺与硅基CMOS工
艺兼容，无定性栅介质避免高温退火，较低热预算能较大幅度减小泄漏电流，降低功耗，从
而实现高密度的存算一体三维异质集成芯片。

[0035] 需要说明的是，在一些实施例中，当带正电荷氧空位4处于第一状态，带正电荷氧空位4完全被所述绝缘界面层2的界面俘获中和；在一些实施例中，当带正电荷氧空位4处于
第一状态，带正电荷氧空位4完全被栅电极5的界面俘获中和；在一些实施例中，当带正电荷
氧空位4处于第一状态，带正电荷氧空位4中的一部分被绝缘界面层2的界面俘获中和，另一
部分则被栅电极5的界面俘获中和。

[0036] 其中，控制带正电荷氧空位4在第一状态和第二状态之间切换的方式可包括多种，例如，在一些实施例中，通过改变施加在栅电极5的脉冲的频率大小的方式来控制带正电荷
氧空位4在第一状态和第二状态之间切换，具体而言，当所述栅电极5施加有高频脉冲时，所
述带正电荷氧空位4处于所述第一状态，使得所述场效应晶体管具备逻辑特性而能够作为
逻辑器件使用。当所述栅电极5施加有低频脉冲时，所述带正电荷氧空位4处于所述第二状
态，使得所述场效应晶体管具备存储特性而能够作为存储器件使用。本实施例中，高频脉冲
的频率大于或等于1kHz，和/或低频脉冲的频率小于或等于10Hz。示例性地，高频脉冲的频
率可以选择为1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、6kHz、7kHz、8kHz、9kHz、10kHz或其他大于1kHz
的数值，和/或低频脉冲的频率可以选择为1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、6Hz、7Hz、8Hz、9Hz、10Hz
或其他小于10Hz的数值。

[0037] 衬底1、绝缘界面层2、栅介质层3及栅电极5的材质可根据需要设置。

[0038] 其中，衬底1可为半导体材料，例如，衬底1的材质可包括硅Si，锗Ge，硅锗SiGe，绝缘体上硅SOI或绝缘体上锗GOI中的一种；当然，衬底1的材质也可为其他类型的半导体材
料。

[0039] 绝缘界面层2可包括氧化硅材料SiO2、氮化硅材料Si3N4、氮氧化硅材料SiON、氧化锗材料GeO2和氧化铝材料Al2O3中至少一种；当然，绝缘界面层2的材质也可为其他类型材
质。

[0040] 栅介质层3可包括绝缘氧化物，所述绝缘氧化物包括氧化铪HfO2、氧化锆ZrO2、氧化铝Al2O3、氧化镧La2O3、氧化钇Y2O3、氧化钛TiO2、氧化硅SiO2和氧化锗GeO2中的一种；当然，栅
介质层3的材质也可为其他类型材质。

[0041] 栅电极5可包括氮化物金属，所述氮化物金属包括氮化钽TaN，氮化钛TiN，氮化钼MoN和氮化钨WN中的一种；当然，栅电极5的材质也可为其他类型材质。

[0042] 下面，介绍几种形成具有逻辑特性与存储特性相互转换功能的场效应晶体管的结构的过程。

[0043] 实施例1

[0044] 基于带有正电荷氧空位的无定形ZrO2栅介质的晶体管具有逻辑器件与存储器件相互转换功能，参照图2，晶体管制作步骤如下；

[0045] 步骤1，选择衬底并进行清洗。

[0046] 本实施例中选择n型锗片Ge作为衬底1，将衬底进行常规清洗。

[0047] 步骤2，沉积无定型氧化锆ZrO2薄膜，如图2中的(a)所示。

[0048] 用等离子体增强型原子层沉积PEALD设备在衬底1上沉积3.5 nm 氧化锆ZrO2作为栅介质层3，沉积的工艺条件为：使用四二甲氨基锆作为前驱体锆源，水为前驱体氧源，沉积
温度为250度。其中，控制锆源和水源的脉冲时间来调控氧空位含量，使氧化锆ZrO2薄膜中
含有带正电荷氧空位4。同时生长过程中会形成GeO2作为绝缘界面层2。

[0049] 步骤3，采用射频反应磁控溅射设备在氧化锆ZrO2栅介质2上沉积100 nm氮化钽TaN，作为栅金属，如图2中的(b)所示。

[0050] 步骤4，定义栅极图形和源漏区域。

[0051] 在TaN表面先进行光刻，定义出栅电极图形，再刻蚀形成栅电极5和源漏区域，然后+ 15  ‑2
进行BF2离子注入，注入能量为30 KeV，注入剂量为1×10 cm 。

[0052] 步骤5，在图2中的(c)所示的结构表面进行光刻，定义出需要沉积金属镍的区域，沉积20 nm厚的Ni，放入丙酮溶液中进行剥离处理，形成源极6和漏极7，如图2中的(d)所示。

[0053] 步骤6，将整个制备完的器件在400 oC，30s条件下进行退火激活，制备得到场效应晶体管。

[0054] 实施例2

[0055] 基于带有正电荷氧空位的无定形Al2O3栅介质的晶体管具有逻辑器件与存储器件相互转换功能，晶体管制作步骤如下；

[0056] 步骤1，选择衬底并进行清洗。

[0057] 本实施例中选择n型锗片Ge作为衬底1，将衬底进行常规清洗。

[0058] 步骤2，沉积无定型Al2O3薄膜。

[0059] 用等离子体增强型原子层沉积PEALD设备在衬底1上沉积5 nm 氧化铝Al2O3作为栅介质层3，沉积的工艺条件为：使用三甲基铝作为前驱体铝源，水为前驱体氧源，沉积温度为
300度。其中，控制铝源和水源的脉冲时间来调控氧空位含量，使氧化铝Al2O薄膜中含有带
正电荷氧空位。同时生长过程中会形成GeO2作为绝缘界面层2。

[0060] 步骤3，采用射频反应磁控溅射设备在氧化铝Al2O3栅介质3上沉积100 nm氮化钛TiN，作为栅金属。

[0061] 步骤4，定义栅电极图形及源漏区域。

[0062] 在氮化钛TiN表面先进行光刻定义栅电极图形，再刻蚀形成栅电极5和源漏区域，+ 15  ‑2
然后进行BF2离子注入，注入能量为30 KeV，注入剂量为1×10 cm 。

[0063] 步骤5，利用光刻定义出需要沉积金属镍的区域，沉积20 nm厚的镍Ni，放入丙酮溶液中进行剥离处理，形成源极6和漏极7。

[0064] 步骤6，将整个制作完的器件在400 oC ，30s条件下退火激活，制备得到场效应晶体管。

[0065] 实施例3

[0066] 基于带有正电荷氧空位的无定形La2O3栅介质的晶体管具有逻辑器件与存储器件相互转换功能，晶体管制作步骤如下；

[0067] 步骤1，选择衬底并进行清洗。

[0068] 本实施例中选择n型硅片Si作为衬底1，将衬底进行常规清洗。

[0069] 步骤2，光刻定义源漏区域，并进行离子注入。

[0070] 源漏区域注入P离子，剂量为1×1015 cm‑2，激活条件为1000 oC，1分钟。

[0071] 步骤2，沉积无定型氧化镧La2O3薄膜。

[0072] 用等离子体增强型原子层沉积PEALD设备在衬底1上沉积15 nm氧化镧 La2O3作为栅介质层3，沉积的工艺条件为：使用La(iPrCp)3作为前驱体镧源，水为前驱体氧源，沉积温
o
度为150  C。其中，控制镧源和水源的脉冲时间来调控氧空位含量，使氧化镧 La2O3薄膜中
含有带正电荷氧空位。同时生长过程中会形成SiO2作为绝缘界面层2。

[0073] 步骤3，采用射频反应磁控溅射设备在La2O3栅介质2上沉积100 nm氮化钛TiN，作为 oC
栅金属。然后在400  ，30s条件下实施金属化后退火处理。

[0074] 步骤4，定义栅电极图形。

[0075] 在氮化钛TiN表面进行光刻定义栅电极图形。

[0076] 步骤5，利用光刻定义出需要沉积金属Al的区域，沉积20 nm厚的Al，放入丙酮溶液中进行剥离处理，形成源极6和漏极7。

[0077] 步骤6，将整个制作完的器件在400 oC ，30s条件下退火激活，制备得到场效应晶体管。

[0078] 本发明实施例在带正电荷氧空位处于被俘获状态时，场效应晶体管表现出逻辑特性，在栅电极5上施加一定的低频脉冲（频率在1Hz‑100Hz）后，氧空位处于去俘获状态，表现
为逻辑特性的器件可转变成存储器件。

[0079] 本发明实施例在带正电荷氧空位处于去俘获状态时，场效应晶体管表现出存储特性，在栅电极5上施加一定的高频脉冲（频率在1kHz以上）后，氧空位处于被俘获状态，表现
为存储特性的器件可转变成逻辑器件。由此场效应晶体管可以实现逻辑特性与存储特性相
互转换的功能。

[0080] 实施例4：测试场效应晶体管的逻辑特性与存储特性的互换性能

[0081] 对实施例1制得的晶体管进行测试，带有正电荷氧空位的场效应晶体管表现为存储特性时，其转移特性如图3所示，在对栅电极施加一个1kHz高频脉冲后，其转移特性如图4
所示，由于带正电荷氧空位被界面俘获中和，器件表现出几乎为零的回滞，具有逻辑特性。
在此表现为逻辑特性的器件基础上，对栅电极施加一个10Hz低频脉冲，其转移特性如图5所
示，由于带正电荷氧空位处于去俘获状态，器件表现出向上回的类铁电回滞，具有存储特
性。器件的逻辑特性和存储特新两个状态均可保持稳定。

[0082] 值得一提的是，本发明实施例还提供一种存算一体芯片，该存算一体芯片可包括芯片主体和上述实施例中的具有逻辑器件与存储器件相互转换功能的场效应晶体管，其
中，所述场效应晶体管设置于芯片主体上。

[0083] 本发明实施例的存算一体芯片可为存算一体三维异质集成芯片，也可为其他类型的存算一体芯片。

[0084] 本发明实施例还提供一种存算一体电路，该存算一体电路可包括电路板主体和上述实施例中的存算一体芯片，其中，所述存算一体芯片设置于所述电路板主体上。

[0085] 本发明实施例还提供一种存算一体设备，该存算一体设备可包括外壳和上述实施例中的存算一体电路，其中，所述存算一体电路设置于所述外壳上。

[0086] 以上描述仅是本发明的两个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构
的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变
仍在本发明的权利要求保护范围之内。