一种电子突触器件及其制作方法与流程

1.本发明涉及微电子器件技术领域，特别是涉及一种电子突触器件及其制作方法。


背景技术：

2.为了突破传统冯
·
诺依曼构架计算体系的局限性，消除存储墙等多种效应对计算性能产生的不良影响，人们试图在单个电子器件上模拟突触行为，以便获得更利于模拟计算的类脑计算芯片。采用晶体管结构制作电子突触不仅有利于功耗降低，还具备电导调节范围广、读写可同时进行以及多通道输入等多个优势。
3.铜锌锡硫是一种广泛应用于薄膜太阳能电池吸收层的半导体材料，但尚未将其用于晶体管模拟突触特性。本发明将为晶体管电子突触提供了新的材料选择。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电子突触器件及其制作方法，由于铜锌锡硫禁带宽度～1.5ev且其吸收系数高，使用其作为电子突触材料，不仅可以拓展晶体管突触材料选择的范围，还有望获得器件对光信号的良好响应。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种电子突触器件，包括基板、铜锌锡硫介质层、绝缘层、栅电极、源电极和漏电极。
7.所述基板，作为器件支撑层。
8.所述铜锌锡硫介质层形成在基板上，作为导电沟道。
9.所述绝缘层形成在铜锌锡硫介质层上。
10.所述栅电极形成在绝缘层上并且不与铜锌锡硫介质层直接接触。
11.所述源电极形成在铜锌锡硫介质层上。
12.所述漏电极形成在铜锌锡硫介质层上。
13.所述源电极和漏电极分别设置于栅电极的相反两侧。
14.进一步的，所述源电极与铜锌锡硫介质层直接接触。漏电极与铜锌锡硫介质层直接接触。
15.进一步的，所述基板，作为器件硬支撑层。
16.进一步的，所述源电极、漏电极和栅电极的材料各自独立地选自金属、金属合金、导电金属化合物或其任意组合。优选地所述源电极、漏电极和栅电极的材料各自独立地选自金属、金属合金或导电金属化合物中的一种。金属为al、ti、ta、cu、pt、au、w、ni或ag。所述金属合金为pt/ti、ti/ta、cu/ti、cu/au、cu/al、ti/w或al/zr。所述导电金属化合物为tin、tiw、tan、wsi、azo、ito或fto。
17.进一步的，所述铜锌锡硫介质的化学分子式为cu
2-x
zn
1 x
sns4，其中0《x《0.3。优选地，所述铜锌锡硫介质的化学分子式为cu
1.99
zn
1.01
sns4。
18.进一步的，所述的基板为硅衬底。例如，硅衬底为硅片。所述绝缘层为氧化硅层或
者氮化硅层。所述绝缘层的厚度为2nm-300nm。
19.进一步的，所述的铜锌锡硫介质层的厚度为2nm-1.5μm。
20.进一步的，所述栅电极厚度为2nm-300nm。源电极厚度为2nm-300nm。漏电极厚度为2nm-300nm。
21.进一步的，源电极和栅电极之间通过绝缘层相间隔。漏电极和栅电极之间通过绝缘层相间隔。
22.如上任一所述的电子突触器件的制作方法，包括以下步骤：
23.步骤s1：在基板上通过旋涂方式制备含铜锌锡元素的复合膜；
24.步骤s2：将复合膜置于硫化氢气氛中500-540℃热处理，形成铜锌锡硫介质层；
25.步骤s3：在铜锌锡硫介质层上通过溅射、pecvd、mocvd、ald或蒸发的方式制作绝缘层，并与所述的铜锌锡硫介质层形成接触；
26.步骤s4：在绝缘层上刻蚀出孔，所述孔贯穿绝缘层；
27.步骤s5：通过溅射、pecvd、mocvd、ald或蒸发的方式在刻蚀出的孔处制备对电极作为源电极和漏电极，并与铜锌锡硫层形成电接触；
28.步骤s6：在对电极中间且在绝缘层上制作栅电极。
29.进一步的，所述在基板上通过旋涂方式制备含铜锌锡元素的复合膜包括：a、将醋酸铜、醋酸锌和氯化锡放置于乙二醇单甲醚和三乙醇胺中；b、随后将其搅拌至完全溶化；c、接着将溶液滴在高速旋转的基板上获得复合薄膜。
30.进一步的，步骤s2中，热处理的时间为60s-3600s。
31.进一步的，步骤s6中，所述制作栅电极通过溅射、pecvd、mocvd、ald或蒸发的方式制作。
32.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
33.本发明采用铜锌锡硫介质作为导电沟道材料，进一步拓展了晶体管突触的材料选择范围。此外，由于铜锌锡硫是太阳电池吸收层材料，具备良好的光电特性，有望为器件光、电耦合性能的开发提供便利。
附图说明
34.图1是本发明的结构示意图；
35.图2是本发明一实施例中晶体管的转移特性曲线；
36.图3是本发明一实施例中器件源漏电导随栅电压变化的过程。
37.图中，01-源电极；02-绝缘氧化硅层；03-栅电极；04-漏电极；05-铜锌锡硫介质层；06-硅衬底。
具体实施方式
38.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
39.请参照图1，本发明提供一种电子突触器件，包括硅衬底06、铜锌锡硫介质层05、绝缘氧化硅层02、栅电极03、源电极01和漏电极04。所述硅衬底06，作为器件硬支撑层。所述铜锌锡硫介质层05形成在硅衬底06上，作为导电沟道。所述绝缘氧化硅层02形成在铜锌锡硫介质层05上。所述栅电极03形成在绝缘氧化硅层02上并不与铜锌锡硫介质层05直接接触。
所述源电极01形成在铜锌锡硫介质层05上。所述漏电极04形成在铜锌锡硫介质层05上。所述源电极01和漏电极04分别设置于栅电极03的相反两侧。所述源电极01与铜锌锡硫介质层05直接接触。漏电极04与铜锌锡硫介质层05直接接触。源电极01和栅电极03之间通过绝缘氧化硅层02相间隔。漏电极04和栅电极03之间通过绝缘氧化硅层02相间隔。
40.在本发明一实施例中，所述硅衬底为硅片。
41.在本发明一实施例中，所述栅电极03、源电极01和漏电极04的材料各自独立地选自金属、金属合金或导电金属化合物中的一种。金属为al、ti、ta、cu、pt、au、w、ni或ag；所述金属合金为pt/ti、ti/ta、cu/ti、cu/au、cu/al、ti/w或al/zr；所述导电金属化合物为tin、tiw、tan、wsi、azo、ito或fto。栅电极厚度为2纳米至300纳米。源电极厚度为2纳米至300纳米。漏电极厚度为2纳米至300纳米。
42.在本发明一实施例中，所述铜锌锡硫介质的化学分子式为cu
2-x
zn
1 x
sns4，其中0《x《0.3。所述的铜锌锡硫介质层的厚度为2nm-1.5μm。
43.在本发明一实施例中，绝缘氧化硅层厚度为2nm-300nm。
44.在本发明一实施例中，所述电子突触器件制作方法具体包括以下步骤：
45.步骤s1：在硅衬底06上通过旋涂方式制备含铜锌锡元素的复合膜；
46.步骤s2：将复合膜置于硫化氢气氛中500-540℃热处理，形成铜锌锡硫介质层05；
47.步骤s3：在铜锌锡硫介质层05上通过溅射、等离子增强化学气相沉积(pecvd)、金属有机物化学气相沉积(mocvd)、原子层沉积(ald)或蒸发的方式制作绝缘氧化硅层02，并与所述的铜锌锡硫介质层05形成良好接触；
48.步骤s4：在绝缘氧化硅层02上刻蚀出孔，所述孔贯穿绝缘层；
49.步骤s5：通过溅射、pecvd、mocvd、ald或蒸发的方式在刻蚀出的孔处制备对电极作为源电极01和漏电极04，并与铜锌锡硫介质层05形成良好电接触；
50.步骤s6：在对电极中间且在绝缘氧化硅层02上制作栅电极03。
51.进一步的，所述在硅衬底上通过旋涂方式制备含铜锌锡元素的复合膜包括：a、将醋酸铜、醋酸锌和氯化锡放置于乙二醇单甲醚和三乙醇胺中；b、随后将其搅拌至完全溶化；c、接着将溶液滴在高速旋转的硅衬底上获得复合薄膜。
52.实施例1：
53.一种电子突触器件，其结构如图1所示，由硅衬底06、厚度为800nm的cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层05、100nm的绝缘氧化硅层02、厚度为100nm的ti作为栅电极03、厚度为100nm的ti作为源电极01和厚度为100nm的ti作为漏电极04构成。所述硅衬底06为硅片。所述硅衬底06，作为器件硬支撑层。所述cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层05形成在硅衬底06上，作为导电沟道。所述绝缘氧化硅层02形成在cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层05上。所述栅电极03形成在绝缘氧化硅层02上并且不与cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层05直接接触。所述源电极01形成在cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层05上。所述漏电极04形成在cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层05上。所述源电极01和漏电极04分别设置于栅电极03的相反两侧并分别与cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层05接触。源电极01和栅电极03之间通过绝缘氧化硅层02相间隔。漏电极04和栅电极03之间通过绝缘氧化硅层02相间隔。
54.制作如上所述电子突触器件的方法，具体包括以下步骤：
55.步骤s1：在硅衬底06上通过旋涂方式制备含铜锌锡元素的复合膜：
56.a、将醋酸铜、醋酸锌和氯化锡溶于25ml乙二醇单甲醚中，三物质最终浓度分别为0.48m、0.29m和0.26m，再在上述溶液中加入2.5ml三乙醇胺；b、随后将其放在45℃下搅拌1小时至完全溶化；c、接着将溶液15滴滴在高速旋转(4500转/分钟)的硅衬底(2cm*2cm)06上，室温环境下干燥，获得含铜锌锡元素的复合薄膜。
57.步骤s2：将复合薄膜置于硫化氢气氛中540℃热处理1800s，形成厚度为800nm的cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层；
58.步骤s3：在cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层上通过溅射、等离子增强化学气相沉积(pecvd)、金属有机物化学气相沉积(mocvd)、原子层沉积(ald)或蒸发的方式制作厚度为100nm的绝缘氧化硅层02，并与所述的cu
1.99
zn
1.01
sns4介质层形成良好接触；
59.步骤s4：在绝缘氧化硅层上采用微电子加工工艺刻蚀出直径约10μm的孔洞，作为后期源漏电极的引出孔，所述孔洞贯穿绝缘层；
60.步骤s5：采用ti靶通过磁控溅射在刻蚀出的孔洞处制备对电极作为源电极01和漏电极04，并与铜锌锡硫形成良好电接触；其中源电极为厚度为100nmti金属层，漏电极04为厚度100nm的ti金属层。
61.步骤s6：在用金属硬掩模遮挡帮助下，采用ti靶并通过磁控溅射在对电极中间且在绝缘氧化硅层上制作厚度100nm的ti金属层作为栅电极。
62.对本实施例中的晶体管进行电学测试(采用半导体参数测试仪keithley4200scs测试转移特性曲线)，图2是管子的转移特性曲线，测试时候在栅电极上施加直流电压扫描，漏电极施加读取电压，而源电极接地，从而获得源漏极间电流。实验发现栅控电压对源漏间电流有影响，体现出栅电压控制源漏电导的效应。图3是连续脉冲电压(幅值取-0.1v或0.1v)激励栅极，器件源漏间电导(权重)的变化。从实测数据看，采用铜锌锡硫制作的晶体管型电子突触具有电导连续可调的功能，可以作为电子突触使用。
63.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述仅为本发明较佳实施例，在不脱离本发明设计精神的前提下，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆属于本发明涵盖的范围。