CN102751319A - 基于硫系化合物的浪涌保护器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于硫系化合物的浪涌保护器件，该浪涌保护器件包括下电极（2）、位于该下电极（2）上的下加热电极（3）、位于下加热电极（3）上的硫系化合物薄膜（5）以及位于所述硫系化合物薄膜（5）上的上电极（6）；所述硫系化合物薄膜（5）下部通过下加热电极（3）与下电极（2）达成电性连接；所述硫系化合物薄膜（5）上部与上电极（6）达成电性连接。本发明还提供一种基于硫系化合物的浪涌保护器件的制备方法。本发明器件利用硫系化合物所特用的阈值导通特性实现过压保护，概念新颖，结构简单，是一种过电保护响应速度极快，抑制过压能力极强的浪涌保护器件。

Description

基于硫系化合物的浪涌保护器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电路中的浪涌保护领域，特别涉及一种用于电路中的基于硫系化合物的过压浪涌保护器件。
背景技术
SPD信息时代的今天，电脑网络和通讯设备越来越精密，其工作环境的要求也越来越高，而雷电以及大型电气设备的瞬间过电压会越来越频繁的通过电源、天线、无线电信号收发设备等线路侵入室内电气设备和网络设备，造成设备或元器件损坏，人员伤亡，传输或储存的数据受到干扰或丢失，甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪、系统停顿，数据传输中断，局域网乃至广域网遭到破坏。浪涌保护装置就是通过现代电学以及其它技术来防止被雷击中的设备。
常用的低电压浪涌保护装置如气体放电管、雪崩二极管等都属于半导体浪涌保护装置。一般半导体浪涌保护装置基底上安装了诸如pnpn浪涌保护元件或者pn二极管元件，这大大增大了产品的尺寸，增加了芯片的面积，使得产品昂贵。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于硫系化合物的浪涌保护器件及其制备方法，以应用于电路中起过压保护作用。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于硫系化合物的浪涌保护器件及其制备方法，该浪涌保护器件包括下电极（2）、位于该下电极（2）上的下加热电极（3）、位于下加热电极（3）上的硫系化合物薄膜（5）以及位于所述硫系化合物薄膜（5）上的上电极（6）；所述硫系化合物薄膜（5）下部通过下加热电极（3）与下电极（2）达成电性连接；所述硫系化合物薄膜（5）上部与上电极（6）达成电性连接。
可选的，该硫系化合物薄膜（5）的材料包括但不限于锑Sb碲Te两种元素以任意配比组成的化合物，或以其为基础掺入Ge、As、In元素所组成的化合物或复合材料；且掺入Ge、As、In元素的比例在体积比30%-80%之间。
可选的，所述浪涌保护器件还包括包围所述下加热电极（3）并位于所述下电极（2）与所述硫系化合物薄膜（5）之间的绝热材料层（4）。
本发明还提供一种基于硫系化合物的浪涌保护器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤一，在硅衬底上制备圆孔，孔内淀积相关材料形成下电极；
步骤二，在步骤一之后获得的结构上淀积绝热材料层；刻除部分绝热材料层至下电极，形成凹槽，在凹槽内淀积下加热电极；
步骤三，在步骤二之后获得的结构上再淀积第二绝热氧化层；
步骤四，在所述第二绝热氧化层表面刻蚀沟道至下加热电极，在该沟道内淀积硫系化合物薄膜；
步骤五，在步骤四之后获得的结构上继续沉积第三绝热材料层，在所述第三绝热材料层表面淀积上电极。
可选的，所述步骤二和步骤三之间还包括化学机械抛光的步骤。
可选的，所述步骤四和步骤五之间还包括化学机械抛光的步骤。
可选的，所述下电极材料为W、TIN或硅化物。
可选的，所述绝热材料层的材料为SiO2、或Si3N4。
可选的，所述硫系化合物薄膜的材料包括但不限于锑Sb碲Te两种元素以任意配比组成的化合物，或以其为基础掺入其他元素所形成的化合物或复合材料。
可选的，所述硫系化合物薄膜的材料是Ge2Sb2Te5。
可选的，所述上电极的材料是AL或CU。
本发明提供的一种基于硫系化合物的浪涌保护器件，该器件利用硫系化合物的阈值导通特性来实现过压浪涌保护。阈值导通特性是指，所采用硫系化合物材料处于非晶态时，对材料施加相应电信号，在材料上电压达到和超过阈值电压时，材料电阻出现由高阻向低阻的突变，但材料并不发生微观物相转变，撤除电信号后材料回复初始的非晶高阻态，从而实现过压浪涌保护。
本发明针对硫系化合物所独有的阈值导通特性来实现对电路的过压保护，其工作原理与半导体浪涌保护器件完全不同，是一种新型的浪涌保护器件。当通过器件的电压达到阈值电压时，硫系化合物的电阻会从高阻突变到低阻，这个响应速度是ns量级。同时本发明器件的实现只需要在常规的CMOS工艺两层金属层中间添加一层硫系化合物薄膜即可完成基本构造，所需面积极小，阈值电压可调，且制造工艺与CMOS工艺兼容，大大降低了产品的成本。下图为典型硫系化合物阈值特性I-V曲线，由图可以很清楚的看到当外加电压达到阈值电压时，器件电阻出现一个由高阻到低阻的突变，同时大电流低电压情况出现，由此实现过电压浪涌保护。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2是在硅衬底上形成下电极的横截面示意图；
图3是在绝热层上形成下加热电极的横截面示意图；
图4是在绝热材料层上形成硫系化合物薄膜的横截面示意图；
图5是形成上电极的横截面示意图；
图6是典型硫系化合物阈值特性I-V曲线。
元件标号说明
1        硅衬底
2        下电极
3        下加热电极
4        绝热材料层
5        硫系化合物薄膜
6        上电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，是本发明一个实施例的横截面结构示意图，图中仅表示本发明的核心结构，包括下电极2、下加热电极3、硫系化合物薄膜5和上电极6。如图1所示，下加热电极3、硫系化合物薄膜5和上电极6自上而下的设置在下电极2上。硫系化合物薄膜5（即相变材料层）通过下加热电极4与下电极2形成电性连接，硫系化合物薄膜5上部与上电极6形成电性连接。以下结合附图对本发明结构制备过程进行详细说明：
请参阅图2至图5所示，本发明基于相变材料的浪涌器件制备过程包括如下步骤：
步骤一，在硅衬底1上制备圆孔，孔内淀积W形成下电极2，如图2所示。
步骤二，在上述硅衬底1上表面淀积绝热材料层4，刻除绝热材料层4到下电极2为止，形成凹槽，通过CVD法在凹槽内淀积下加热电极3，最后通过化学机械抛光表面，如图3。在化学机械抛光后的绝热材料层表面再淀积一层绝热氧化层4。
步骤三，在新淀积的绝热氧化层表面刻蚀沟道至下加热电极，通过PVD在沟道内淀积硫系化合物薄膜5，化学机械抛光表面，如图4。
步骤四，在形成有硫系化合物薄膜5的绝热材料层4表面淀积上电极6，并沿下加热电极3方向刻除所需的上电极6，如图5。
本发明中下电极2的材料可以是W、TIN或硅化物；下加热电极3的材料TIN；绝热材料层4的材料可以是SiO2、Si3N4；上电极6的材料是AL、CU。本实施例中，下电极2材料是W，下加热电极材料是TIN，绝热材料是SiO2，硫系化合物薄膜5的材料是Ge2Sb2Te5。
本发明还提供一种基于硫系化合物的电压浪涌保护器件。所述硫系化合物包括但不限于锑（Sb）碲（Te）两种元素以任意配比组成的化合物，或以其为基础掺入Ge、As、In元素所组成的化合物或复合材料。且掺入的Ge、As、In元素的比例在30%-80%之间。
经验证，该类材料具备OTS（Ovonic Threshold Switching）特性而不具备OMS（OvonicMemory Switching）特性，即经过阈值之后出现显著的电阻下降电流陡增现象，但材料不发生微观物相转变，电作用撤除后即回复到初始状态。
本发明针对硫系化合物所独有的阈值导通特性来实现对电路的过压保护，其工作原理与半导体浪涌保护器件完全不同，是一种新型的浪涌保护器件。当通过器件的电压达到阈值电压时，硫系化合物的电阻会从高阻突变到低阻，这个响应速度是ns量级。同时本发明器件的实现只需要在常规的CMOS工艺两层金属层中间添加一层硫系化合物薄膜即可完成基本构造，所需面积极小，阈值电压可调，且制造工艺与CMOS工艺兼容，大大降低了产品的成本。下图为典型硫系化合物阈值特性I-V曲线，由图可以很清楚的看到当外加电压达到阈值电压时，器件电阻出现一个由高阻到低阻的突变，同时大电流低电压情况出现，由此实现过电压浪涌保护。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于硫系化合物的浪涌保护器件，其特征在于，该浪涌保护器件包括下电极（2）、位于该下电极（2）上的下加热电极（3）、位于下加热电极（3）上的硫系化合物薄膜（5）以及位于所述硫系化合物薄膜（5）上的上电极（6）；所述硫系化合物薄膜（5）下部通过下加热电极（3）与下电极（2）达成电性连接；所述硫系化合物薄膜（5）上部与上电极（6）达成电性连接。
2.如权利要求1所述的基于硫系化合物的浪涌保护器件，其特征在于，该硫系化合物薄膜（5）的材料包括但不限于锑Sb碲Te两种元素以任意配比组成的化合物，或以其为基础掺入Ge、As、In元素所组成的化合物或复合材料；且掺入Ge、As、In元素的比例在体积比30%-80%之间。
3.如权利要求2所述的一种基于硫系化合物的浪涌保护器件，其特征在于，所述浪涌保护器件还包括包围所述下加热电极（3）并位于所述下电极（2）与所述硫系化合物薄膜（5）之间的绝热材料层（4）。
4.一种基于硫系化合物的浪涌保护器件的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤一，在硅衬底上制备圆孔，孔内淀积相关材料形成下电极；
步骤二，在步骤一之后获得的结构上淀积绝热材料层；刻除部分绝热材料层至下电极，形成凹槽，在凹槽内淀积下加热电极；
步骤三，在步骤二之后获得的结构上再淀积第二绝热氧化层；
步骤四，在所述第二绝热氧化层表面刻蚀沟道至下加热电极，在该沟道内淀积硫系化合物薄膜；
步骤五，在步骤四之后获得的结构上继续沉积第三绝热材料层，在所述第三绝热材料层表面淀积上电极。
5.如权利要求4所述的基于硫系化合物的浪涌保护器件制备方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三之间还包括化学机械抛光的步骤。
6.如权利要求4或5所述的基于硫系化合物的浪涌保护器件制备方法，其特征在于，所述步骤四和步骤五之间还包括化学机械抛光的步骤。
7.如权利要求4所述的基于硫系化合物的浪涌保护器件制备方法，其特征在于，所述步骤四中淀积硫系化合物薄膜是通过采用PVD磁控溅射方法得到的。
8.如权利要求1所述的基于硫系化合物的浪涌保护器件制备方法，其特征在于，所述下电极材料为W、TIN或硅化物。
9.如权利要求4所述的基于硫系化合物的浪涌保护器件制备方法，其特征在于，所述硫系化合物薄膜的材料包括但不限于锑Sb碲Te两种元素以任意配比组成的化合物，或以其为基础掺入Ge、As、In元素所组成的化合物或复合材料；且掺入Ge、As、In元素的比例在30%-80%之间。
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