研究亮点
1. 新途径：以SiO2为衬底通过可控离子注入形成隧穿层、电荷俘获层和阻挡层。
2. 可控性：通过控制氧化层厚度和离子注入参数可以高效调控存储器性能。
3. 高性能：该方法制备的电荷俘获型存储器具有大的存储窗口、快的响应速度、较好的保持性能和耐受力。
背景介绍
随着物联网（IoT）、大数据和人工智能（AI）的普及，非易失性存储器在数据存储中起着不可或缺的作用，并急需跟上发展的步伐。如今，具有硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅（SONOS）结构的电荷捕获型闪存仍然占据很大的市场份额，因为其对编程/擦除条件、3D集成的要求更低并有着更长的电荷存储性能。随着电荷捕获型闪存技术不断扩展到更小的节点，国际上已经开展了对新材料和新结构的探索。高k材料，如HfO2、Al2O3和ZrO2等，已被用作隧道层、俘获层或阻挡层，以获得更好的耐用性、小型化和可靠性。此外，一些有机材料由于其灵活性和低成本，同时具有寄生电容的减少、传播延迟和器件中的信号串扰的降低等优势而受到越来越多的关注。然而，引入高介电常数材料可能导致器件中的载流子迁移率降低和阈值电压偏移。引入有机材料也存在一些问题，包括导热性差、易穿透、均匀性差以及与现有光刻技术不匹配等。此外，将大多数复杂结构和新材料与当前制造工艺集成在一起需要额外的步骤和更高的制造成本。因此，非常需要具有高性能和简化制造步骤并与现有半导体制备工艺相契合的电荷捕获型存储器件。
全文速览
非易失性电荷陷阱存储器是信息技术不断发展的重要组成部分。本研究工作通过热氧化法在硅基底上制备二氧化硅层，再利用N离子注入实现一步法构建隧穿层、电荷俘获层和阻挡层堆叠层。然后，通过机械剥离的方法在衬底上转移一层MoS2。最后，通过对比Ar离子注入的器件，探讨这种电荷捕获型存储器的性能与工作原理。二维材料MoS2作为其沟道材料以利用其高载流子迁移率和与氧化硅适配的功函数。以此制备的器件具有大的窗口、高的响应速度和优秀的保持特性。
图文解析
图1. MoS2基电荷俘获型存储器的制备过程
利用高导硅片作为基底，通过热氧化法在其上生长一层薄的氧化硅，经过精确控制的离子束注入向氧化硅中部掺入合适剂量的离子，最后在表面通过机械剥离一层二维材料MoS2作为沟道，最终得到以MoS2为沟道的电荷俘获型存储器。
图2. a）和b）分别为Ar离子注入器件的保持性和耐久性。c）和d）分别为N注入器件的保持性和耐久性
单独由缺陷来俘获电子可能无法长时间稳定的工作，在N离子注入之后，电荷捕获层中由于N-Si键的存在而有较强的俘获电子能力。通过精确控制离子注入的能量与剂量，使离子集中在堆叠层中部，有效的调控了隧穿层和阻挡层的厚度，进而调控器件的保持性能与响应速度。
总结与展望
本研究工作设计了一种利用离子注入SiO2作为电荷俘获层并以MoS2作为沟道材料的新型电荷俘获型存储器件。器件实现了10/100 μs的优异编程/擦除速度、高达107的高开/关电流比、大的存储窗口、104个周期的良好耐久性。而且，这种结构有助于降低制造成本并与现有制造工艺相契合。本研究所提出的MoS2电荷捕获存储器件在未来具有高性能和低成本的工业集成和闪存应用中具有大的前景。研究结果发表在2D Materials上。
相关论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ab115c
通讯员：陈锐，李文庆
