CN106601911B - Ge-Se-Al OTS材料、OTS选通器单元及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Ge‑Se‑Al OTS材料、OTS选通器单元及其制备方法，其中，该Ge‑Se‑Al OTS材料的化学通式为GexSeyAl100‑x‑y，x、y均指元素的原子百分比，且满足40<x<60，40<y<100‑x，本发明所提供的应用Ge‑Se‑Al OTS材料的OTS选通器单元，在外部能量的作用下，能够实现高电阻态到低电阻态的瞬时转变，而且，在撤去外部能量时，能够立即由低电阻态向高电阻态转变，将Ge‑Se‑Al OTS材料作为OTS选通器单元的介质时，OTS选通器单元不仅具有阈值电压低、开关比大等优点，而且器件的寿命及可靠性都得到了提高。

Description

Ge-Se-Al OTS材料、OTS选通器单元及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微电子技术领域，特别是涉及一种Ge-Se-Al OTS材料、OTS选通器单元及其制备方法。
背景技术
存储器作为一种半导体器件在半导体市场中一直占据着重要的地位。作为下一代新型的非易失性存储器，例如相变存储器和阻变存储器，都需要有一种开关性能很好的选通器件来对存储单元进行选通。同样地，在目前新兴的类脑计算芯片中，OTS器件也扮演着重要的角色。利用硫系化合物薄膜材料作为介质的OTS选通器被认为是最具有应用价值的选通器，其关键材料包括具有阈值转变特性的硫系化合物薄膜、加热电极材料、绝缘材料和引出电极材料等。OTS选通器的基本原理是：利用电学信号来控制选通器件的开关，当施加电学信号于选通器件单元，使材料由高阻态向低阻态转变，此时器件出于开启状态；当撤去电学信号时，材料又由低阻态转变成高阻态，器件处于关闭状态。S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末首次发现了具有阈值转变特性的材料，由此引发了科学家对于阈值转变现象的研究，以此为基础，发现了一系列具有阈值转变特性的硫系化合物。OTS材料是其中一些满足选通器要求的硫系化合物材料。截至目前，用于OTS选通器的典型材料为硫系化合物合金Ge-Se薄膜。
就目前的OTS选通器的研究方向来看，主要是朝着高开关比、低阈值电压、高寿命、高可靠性的方向发展的。然而，对于Ge-Se材料，其阈值电压较高，从而导致其他性能如寿命和可靠性受到了影响。鉴于此，如何对Ge-Se材料进行掺杂以降低其阈值电压，提高开关比、寿命和可靠性，以满足现实要求，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
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Ge-Se-Al OTS材料、OTS选通器单元及其制备方法，以解决现有技术中OTS选通器的开关比、阈值电压、寿命以及可靠性均有待进一步提高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种Ge-Se-Al OTS材料，其特征在于：所述Ge-Se-Al OTS材料的化学通式为GexSeyAl100-x-y，其中，x、y均指元素的原子百分比，且满足40<x<60，40<y<100-x。优选地，所述化学通式中，满足x:y＝55:45，且Al的原子百分比满足5<100-x-y<25。可选地，所述化学通式中，Al的原子百分比满足5<100-x-y<10。
此外，本发明还提供一种OTS选通器单元，其中，所述OTS选通器单元自下而上包括一下电极层、设置于所述下电极层上的一OTS材料层、设置于所述OTS材料层上的一上电极层以及设置于所述上电极层上的一引出电极，其中，所述OTS材料层包含如上所述的Ge-Se-Al OTS材料。
可选地，该下电极层的材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、以及Ni中的任意一种，或由上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、以及Ni中的任意两种或多种组合成的合金材料，或为包含上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、以及Ni中的一种的氮化物或氧化物。
可选地，该上电极层的材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、以及Ni中的任意一种，或由上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、以及Ni中的任意两种或多种组合成的合金材料，或为包含上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、以及Ni中的一种的氮化物或氧化物。
可选地，该引出电极的材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的任意一种，或由上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、以及Ni中的任意两种或多种组合成的合金材料，或为包含上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、以及Ni中的一种的氮化物或氧化物。
再者，本发明还提供一种OTS选通器单元的制备方法，包括以下步骤：1)形成下电极层；2)在该下电极层上形成OTS材料层，该OTS材料层采用Ge-Se-Al OTS材料，该Ge-Se-AlOTS材料的化学通式为GexSeyAl100-x-y，其中，x、y均指元素的原子百分比，且满足40<x<60，40<y<100-x；3)在该OTS材料层上形成上电极层；以及4)在该上电极层上形成引出电极，进而把所述上电极层、所述下电极层通过所述引出电极与OTS选通器单元的其他例如存储单元、驱动电路及外围电路等元件集成。
可选地，制备所述下电极层、所述相变材料层、所述上电极层及所述引出电极的方法包括：溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法中的任意一种。
如上所述，本发明提出一种Ge-Se-Al OTS材料、OTS选通器单元及其制备方法，具有以下有益效果：本发明所提供的应用Ge-Se-Al OTS材料的OTS选通器单元，在外部能量的作用下，能够实现高电阻态到低电阻态的瞬时转变，而在撤去外部能量时，能够立即由低电阻态向高电阻态转变，将Ge-Se-Al OTS材料作为OTS选通器单元的介质时，OTS选通器单元不仅具有阈值电压低、开关比大等优点，而且器件的寿命及可靠性都得到了提高。
附图说明
图1a～1d显示为应用本发明的OTS选通器单元的制备方法的步骤剖面视图。
图2显示为Ge52.25Se42.75Al5 OTS材料应用于OTS选通器中所形成的OTS选通器单元在电压激励作用下测得的电压-电流(V-I)曲线图。
元件标号说明
1 下电极层
2 OTS材料层
3 上电极层
4 引出电极
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。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下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。
第一实施例
图1a～1d是步骤剖面视图，显示了应用本发明的第一实施例的OTS选通器单元的制备方法。
首先，如图1a所示，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中任意一种方法制备一下电极层1，本实施例优选采用CVD法制备该下电极层1，该下电极层1的材料可例如为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu及Ni中的任意一种，或由上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu及Ni中的任意两种或多种组合成的合金材料，或为包含上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu及Ni中的一种的的氮化物或氧化物。本实施例中，该下电极层1的材料优选为W，通过CVD法制得的W下电极层1的电极的直径为80nm，高度为200nm。
接着，如图1b所示，在该下电极层1上制备一OTS材料层2，该OTS材料层2采用Ge-Se-Al OTS材料，该Ge-Se-Al OTS材料的化学通式为GexSeyAl100-x-y，其中，x、y均指元素的原子百分比，且满足40<x<60，40<y<100-x，优选地，上述化学通式中，满足x:y＝55:45，且Al的原子百分比满足5<100-x-y<25，可选地，Al的原子百分比满足5<100-x-y<10。
其中，上述OTS材料层2的制备方法可例如采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法中的任意一种。本实施例中优选为，在W下电极层1上采用磁控溅射法，用Ge55Se45合金靶、及Al单质靶共溅射制备Ge52.25Se42.75Al5OTS材料层2，工艺参数为：本底气压为1×10-5Pa、溅射时Ar气气压为0.2Pa、Ge55Se45合金靶溅射功率为20W、Al单质靶溅射功率为5W、衬底温度为25℃、以及溅射时间20-25min，所得薄膜厚度约为40nm。
接下来，如图1c所示，在该OTS材料层2上，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法中任一种制备一上电极层3。该上电极层3的材料可例如为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu及Ni中的任意一种，或由上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu及Ni中的任意两种或多种组合成的合金材料，或为包含上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu及Ni中的一种的氮化物或氧化物。
本实施例中优选为，在Ge52.25Se42.75Al5OTS材料层2上采用磁控溅射法制备上电极层3，所述上电极层3的材料优选为TiN，工艺参数为：本底气压为1×10-5Pa，溅射时气压为0.2Pa，Ar/N2的气体流量比例为1：1，溅射功率为100W，衬底温度为25℃，溅射时间20-25min。所得TiN上电极层3的电极厚度约为20nm。
最后，如图1d所示，在该上电极层3上制备一引出电极4，采用的方法可例如为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法中任意一种。如此，籍由该引出电极4，即可将上、下电极层1、3通过该引出电极4与OTS选通器单元中其他例如存储单元、驱动电路及外围电路等元件集成，从而制备出完整的OTS选通器器件单元，所采用的加工方法为常规的半导体工艺；作为引出电极4的材料可例如为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的任意一种，或由上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的任意两种或多种组合成的合金材料，或为包含上述单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的一种的氮化物或氧化物。
本实施例中优选为，采用磁控溅射法制备该引出电极4，材料为Al，制备出的引出电极4的薄膜厚度为200nm。
下面对本实施例中的基于Ge52.25Se42.75Al5的OTS选通器单元和现有的基于Ge55Se45的OTS选通器单元分别进行电学性能的测试，在电压激励作用下，测试上述两种OTS选通器单元的电压-电流(V-I)曲线如图2所示。就本领域的技术人员所熟知的是，随着电压的增加，电流值先持续增加，到某一点时，电流突然出现跳变，随后继续持续增加，该点即为选通器单元的阈值点，该点处的电压为阈值电压。
请参阅图2，对于基于Ge55Se45的OTS选通器单元，其阈值电压约为5.5V；而相比之下，基于Ge52.25Se42.75Al5的OTS选通器单元，其阈值电压约为1.9V，元素Al的引入极大地降低了阈值电压，调高了开启电流和开关比，而且阈值电压降低后，每次操作对选通器的损伤会比较小，进而会延长器件的使用寿命，可靠性也会进一步得到提高，因而应用本发明的技术改良后的OTS选通器更加适用于OTS选通器器件的实际应用。
第二实施例
本实施例与第一实施例采用基本相同的技术手段，不同之处在于，本实施例在采用磁控溅射法制备OTS材料层时，替代第一实施例中的5W的Al单质靶溅射功率，而将Al单质靶溅射功率设定为10W，其余步骤与第一实施例完全相同。当Al单质靶溅射功率为10W时，相应的OTS材料层的组分为Ge50.60Se41.40Al8，经过同样的电学性能的测试，本实施例中的基于Ge50.60Se41.40Al8的OTS选通器单元的电学性能亦能达到与第一实施例中的基于Ge52.25Se42.75Al5的OTS选通器单元相近的效果。
第三实施例
本实施例与第一以及第二实施例采用基本相同的技术方案，不同之处在于，本实施例在采用磁控溅射法制备OTS材料层时，有别于在第一实施例中采用5W的Al单质靶溅射功率以及在第二实施例中采用10W的Al单质靶溅射功率，而是将本实施例中的Al单质靶溅射功率设定为15W，其余步骤与第一以及第二实施例完全相同。当Al单质靶溅射功率为15W时，相应的OTS材料层的组分为Ge49.50Se40.50Al10，经过同样的电学性能的测试，本实施例中的基于Ge49.50Se40.50Al10的OTS选通器单元的电学性能亦能达到与第一实施例中的基于Ge52.25Se42.75Al5的OTS选通器单元以及第二实施例中的基于Ge50.60Se41.40Al8的OTS选通器单元相近的效果。
第四实施例
本实施例与第一实施例采用基本相同的技术手段，不同之处在于，本实施例在采用磁控溅射法制备OTS材料层时，有别于在第一实施例中采用5W的Al单质靶溅射功率、在第二实施例中采用10W的Al单质靶溅射功率以及在第三实施例中采用15W的Al单质靶溅射功率，而将Al单质靶溅射功率设定为40W，其余步骤与第一、第二以及第三实施例完全相同。当Al单质靶溅射功率为40W时，相应的OTS材料层的组分为Ge41.25Se33.75Al25，经过同样的电学性能的测试，本实施例中的基于Ge41.25Se33.75Al25的OTS选通器单元的电学性能亦能达到与第一实施例中的基于Ge52.25Se42.75Al5的OTS选通器单元、第二实施例中的基于Ge50.60Se41.40Al8的OTS选通器单元以及第三实施例中的基于Ge49.50Se40.50Al10的OTS选通器单元相近的效果。
此外，本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。
综上所述，本发明的Ge-Se-Al OTS材料、OTS选通器单元及其制备方法的优势表现在如下方面：
1、在外部能量的作用下，Ge-Se-Al OTS材料可顺利实现高阻态和低阻态之间的瞬时转变，高阻态代表关闭状态，低阻态代表开启状态，在高低阻态之间的转变从而控制器件的开关。
2、在将Ge-Se-Al OTS材料作为OTS选通器的选通介质时，既可以保证较低的阈值电压，又可以提高OTS选通器的开启电流和开关比，同时，较低的阈值电压对于有效提高OTS选通器的可靠性和寿命都有帮助。
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 (12)

1.一种Ge-Se-Al OTS材料，其特征在于：所述Ge-Se-Al OTS材料的化学通式为GexSeyAl100-x-y，其中，x、y均指元素的原子百分比，且满足40<x<60，40<y<100-x。
2.根据权利要求1所述的Ge-Se-Al OTS材料，其特征在于：所述化学通式中，满足x:y＝55:45，且Al的原子百分比满足5<100-x-y<25。
3.根据权利要求2所述的Ge-Se-Al OTS材料，其特征在于：所述化学通式中，Al的原子百分比满足5<100-x-y<10。
4.一种OTS选通器单元，其特征在于：所述OTS选通器单元自下而上依次包括一下电极层、设置于所述下电极层上的一OTS材料层、设置于所述OTS材料层上的一上电极层以及设置于所述上电极层上的一引出电极，其中，所述OTS材料层包含如权利要求1～3任意一项所述的Ge-Se-Al OTS材料。
5.根据权利要求4所述的OTS选通器单元，其特征在于：所述下电极层的材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的一种或两种以上所组成的材料。
6.根据权利要求4所述的OTS选通器单元，其特征在于：所述下电极层的材料为包含W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的一种的氮化物或者氧化物。
7.根据权利要求4所述的OTS选通器单元，其特征在于：所述上电极层的材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的一种或两种以上所组成的材料。
8.根据权利要求4所述的OTS选通器单元，其特征在于：所述上电极层的材料为包含W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的一种的氮化物或者氧化物。
9.根据权利要求4所述的OTS选通器单元，其特征在于：所述引出电极的材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的一种或两种以上所组成的材料。
10.根据权利要求4所述的OTS选通器单元，其特征在于：所述引出电极的材料为包含W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu以及Ni中的一种的氮化物或氧化物。
11.一种如权利要求4～10任意一项所述的OTS选通器单元的制备方法，其特征在于：
1)形成所述下电极层；
2)在所述下电极层上形成一包含如权利要求1～3任意一项所述的Ge-Se-Al OTS材料的OTS材料层；
3)在所述OTS材料层上形成所述上电极层；以及
4)在所述上电极层上形成的所述引出电极。
12.根据权利要求11所述的OTS选通器单元的制备方法，其特征在于：制备所述下电极层、所述OTS材料层、所述上电极层及所述引出电极的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法以及原子层沉积法中的一种。
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