CN107732010B - 一种选通管器件及其制备方法 - Google Patents
一种选通管器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107732010B CN107732010B CN201710902924.4A CN201710902924A CN107732010B CN 107732010 B CN107732010 B CN 107732010B CN 201710902924 A CN201710902924 A CN 201710902924A CN 107732010 B CN107732010 B CN 107732010B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- chalcogenide material
- chalcogenide
- metal
- metal electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 12
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 claims abstract description 119
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 111
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 80
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 76
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 46
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 47
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 9
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 229910002616 GeOx Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910000763 AgInSbTe Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910017255 AsSe Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910017259 AsTe Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910005642 SnTe Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 claims description 6
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 claims description 5
- 229910004166 TaN Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910008599 TiW Inorganic materials 0.000 claims description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N iridium(IV) oxide Inorganic materials O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 166
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 20
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- -1 chalcogenide ion Chemical class 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 4
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 4
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 3
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 2
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910005866 GeSe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005900 GeTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011532 electronic conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/20—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes
- H10B63/24—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes of the Ovonic threshold switching type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/882—Compounds of sulfur, selenium or tellurium, e.g. chalcogenides
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/10—Phase change RAM [PCRAM, PRAM] devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/021—Formation of switching materials, e.g. deposition of layers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/061—Shaping switching materials
- H10N70/063—Shaping switching materials by etching of pre-deposited switching material layers, e.g. lithography
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/841—Electrodes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
本发明公开了一种选通管器件及其制备方法,应用于选通管器件技术领域,所述选通管器件包括:第一金属电极层、第二金属电极层以及开关层;其中,所述开关层位于所述第一金属电极层以及所述第二金属电极层之间;所述开关层由硫系材料离子提供层A和硫系材料转换层B交替堆叠形成AB不对称结构、BA不对称结构、ABA对称结构以及BAB对称结构中的一种结构,所述硫系材料离子提供层A为少金属的硫系金属材料,金属元素原子比大于0%且不超过50%,所述硫系材料转换层B为硫系材料。本发明提供的选通管器件能够提供高开态电流,高开关比,低亚域斜率,并可以低温制备。且本发明具有结构简单、易集成、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于选通管器件技术领域,更具体地,涉及一种选通管器件及其制备方法。
背景技术
新型非易失存储器如相变存储器,阻变存储器,磁存储器,由于其优秀的存储及微缩性能被认为是最有希望取代FLASH存储器的下一代存储器。而要实现与FLASH存储器相当的性价比,新型非易失存储器需要进一步提高存储密度和降低操作功耗。选通管技术是实现高密度大规模存储阵列以及降低操作功耗的核心技术。二端选通管器件通过与存储单元垂直集成来降低有效单元面积,并且使存储器件具备三维堆叠的能力,大大提高存储密度。与此同时,选通管技术可以有效抑制操作漏电流来降低漏电流造成的巨大操作功耗。
为了实现在大规模阵列中的应用,高开关比,高开态电流,低亚域斜率同时实现且可以低温制备的选通管器件至关重要。高开关比能够有效降低漏电流带来的读写错误和操作功耗,使器件具有实现超大规模存储阵列的能力。开态电流限制选通管可以集成的存储单元范围,选通管需要提供足够的电流驱动来对存储单元进行操作,高开态电流驱动可以降低对存储单元的操作电流要求,拓展选通管器件的应用范围。亚域斜率限制了器件的开启速度,亚域斜率更小的器件具有更快开启的能力。故高开关比和高开态电流以及低亚域斜率兼容的选通管器件才可以实现大规模存储阵列。对于进一步提高存储密度的三维堆叠存储器,后段制程工艺要求选通管器件的制备温度控制在400℃以下。低温制备的选通管保证存储器件具备三维堆叠的能力。
目前有潜力的选通管的候选者有如下几种:硫系化合物双向阈值开关器件(Ovonic Threshold Switch,OTS),金属绝缘转变器件(Metal Insulator Transition,MIT),混合电子离子导电器件(Mixed Ionic and Electronic Conductor,MIEC)以及基于导电丝的阈值开关器件。其中,目前的硫系化合物双向阈值器件和金属绝缘体转换器件存在开关比非常小,漏电流非常大的缺陷。混合电子离子导电器件性能比较理想,但仍然有待进一步优化,且材料并没有公开。基于导电丝的阈值开关器件具有理想的开关比和陡峭的亚域斜率,但是开态电流始终难以提高到100uA以上,限制了应用范围。
因此,目前迫切地需要一种能够兼容高开关比、高开态电流、低亚域斜率且能低温制备的选通管,具有与存储单元垂直集成并有效减小抑制漏电流的能力来提高存储密度降低操作功耗。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种选通管器件及其制备方法,由此解决现有选通管技术中存在的高开关比,高开态电流,低亚阈斜率无法同时实现,限制了选通管在存储器件中的应用的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种选通管器件,包括:第一金属电极层、第二金属电极层以及开关层;
其中,所述开关层位于所述第一金属电极层以及所述第二金属电极层之间;
所述开关层由硫系材料离子提供层A和硫系材料转换层B交替堆叠形成AB不对称结构、BA不对称结构、ABA对称结构以及BAB对称结构中的一种结构,所述硫系材料离子提供层A为少金属的硫系金属材料,金属元素原子比大于0%且不超过50%,所述硫系材料转换层B为硫系材料。
优选地,所述硫系材料离子提供层A和所述硫系材料转换层B的组成元素不完全相同,或者所述硫系材料离子提供层A和所述硫系材料转换层B的组成元素完全相同,但所述硫系材料离子提供层A中的原子百分比与所述硫系材料转换层B的原子百分比不同。
优选地,所述硫系材料离子提供层A中的金属硫系材料为AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种,或者,AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种掺杂金属得到。
优选地,所述硫系材料转换层B中的硫系材料为GeTex、GeSex、GeSx、GeSbTex、GeSbx、GeOx、SbTex、SbS、SbSe、BiSe、BiS、BiTe、AsTe、AsSe、SnTe、BiTe、AgInSbTe、AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种,或者所述硫系材料转换层B中的硫系材料为GeTex、GeSex、GeSx、GeSbTex、GeSbx、GeOx、SbTex、SbS、SbSe、BiSe、BiS、BiTe、AsTe、AsSe、SnTe、BiTe、AgInSbTe、AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种化合物掺杂S、N、O以及Si元素中的至少一种元素形成的混合物。
优选地,所述硫系材料离子提供层A的厚度为1~40nm,所述硫系材料转换层B的厚度为1~20nm。
优选地,所述第一金属电极层以及所述第二金属电极层均为惰性电极材料,且所述惰性电极材料为Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO以及IZO中的至少一种。
优选地,所述选通管器件的结构还包括:所述开关层包裹所述第一金属电极层或者所述第二金属电极层,且所述开关层的外层与另一金属电极层接触。
按照本发明的另一方面,提供了一种如上述任意一项所述的选通管器件的制备方法,包括:
在衬底上沉积第一层惰性金属电极;
在所述第一层惰性金属电极上沉积绝缘层,并对所述绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出底电极;
对所述绝缘层再一次进行图形化,依次交替沉积硫系材料离子提供层A与硫系材料转换层B,得到AB、BA、ABA以及BAB中的一种结构;
最后沉积第二层惰性金属电极。
优选地,所述对所述绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出底电极,包括:
通过电子束光刻EBL加上感应耦合等离子体ICP刻蚀得到不同纳米尺寸的孔结构。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
本发明提供的选通管器件同时具备高开态电流、高开关比,低亚域斜率,并可以低温制备。其高开态电流保证该选通管具有广泛的存储器件应用范围。高开关比可以有效抑制漏电流,大大降低器件操作功耗,避免读错误,并且使得该器件具有应用于超大规模存储器件的能力。低亚域斜率使器件具有快速开启能力和大规模集成的能力。高开态电流、高开关比、低亚域斜率的兼容打破了大规模存储阵列实现过程中开态电流与开关比的相互限制,使得该器件具有实现超大规模存储阵列的能力。
该器件制备过程不需要高温,与三维存储器的后段制程工艺兼容,具有三维堆叠进一步提高存储密度的能力。本发明提供的制备方法工艺简单,成本低,不含高温工艺,与要求低温的三维存储工艺后段制程兼容。本发明选通管器件具有与存储单元垂直集成并有效减小抑制漏电流的能力来提高存储密度降低操作功耗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种选通管器件的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的另一种选通管器件的结构的示意图;
图3是本发明实施例提供的一种选通管器件样品的制备方法过程示意图;
图4是本发明实施例提供的选通管器件的电流电压曲线实测图;
图5是本发明实施例提供的选通管器件电流电压曲线放大后的亚域斜率部分曲线图;
图中,1为第一层电极,2为硫系材料转换层,3为硫系材料离子提供层,4为第二层电极,5为不对称结构叠层硫系材料,6为离子提供层,7为对称结构叠层硫系材料,8为衬底,9为第一层电极,10为绝缘电隔离层,11为叠层结构硫系材料,12为第二层电极,13为器件直流电流电压曲线,14为电流电压曲线放大后的亚域斜率部分曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种选通管器件的结构示意图,该选通管器件包括:第一金属电极层、第二金属电极层以及开关层;
其中,开关层位于第一金属电极层以及第二金属电极层之间;
开关层由硫系材料离子提供层A和硫系材料转换层B交替堆叠形成AB不对称结构、BA不对称结构、ABA对称结构以及BAB对称结构中的一种结构,硫系材料离子提供层A为少金属的硫系金属材料,金属元素原子比大于0%且不超过50%,硫系材料转换层B为硫系材料。
其中,不对称结构表现单向选通特性,适用于单极性器件,如相变存储器,单极型阻变存储器等;对称结构表现双向选通特性,适用于单极性和双极性器件,如单极型和双极型阻变存储器件,相变存储器件,磁存储器件。
在一个可选的实施方式中,硫系材料离子提供层A和硫系材料转换层B的组成元素不完全相同,或者硫系材料离子提供层A和硫系材料转换层B的组成元素完全相同,但硫系材料离子提供层A中的原子百分比与硫系材料转换层B的原子百分比不同。
在一个可选的实施方式中,硫系材料离子提供层A中的金属硫系材料为AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种,或者,AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种掺杂金属得到。
在一个可选的实施方式中,硫系材料转换层B中的硫系材料为GeTex、GeSex、GeSx、GeSbTex、GeSbx、GeOx、SbTex、SbS、SbSe、BiSe、BiS、BiTe、AsTe、AsSe、SnTe、BiTe、AgInSbTe、AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种,或者硫系材料转换层B中的硫系材料为GeTex、GeSex、GeSx、GeSbTex、GeSbx、GeOx、SbTex、SbS、SbSe、BiSe、BiS、BiTe、AsTe、AsSe、SnTe、BiTe、AgInSbTe、AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种化合物掺杂S、N、O以及Si元素中的至少一种元素形成的混合物。
在一个可选的实施方式中,硫系材料离子提供层A的厚度为1~40nm,所述硫系材料转换层B的厚度为1~20nm。
在一个可选的实施方式中,第一金属电极层以及第二金属电极层均为惰性电极材料,且惰性电极材料为Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO以及IZO中的至少一种。
在一个可选的实施方式中,选通管器件的结构包括:垂直方向上,第一金属电极层作为上电极层,第二金属电极层作为下电极层,开关层位于上电极层与下电极层之间,或者,水平方向上,第一金属电极层作为左电极层,第二金属电极层作为右电极层,开关层位于左电极层与右电极层之间,或者,开关层包裹第一金属电极层或者第二金属电极层,且开关层的外层与另一金属电极层接触,或者,任意不同结构的两层金属电极层中间为开关层的结构。
本发明还提供了一种选通管器件的低温制备方法,具体为:先在衬底上制作第一层惰性金属电极,再在第一层电极上沉积用于电隔离的绝缘层,图形化得到纳米小孔并暴露出底电极,再一次图形化,沉积叠层硫系材料开关层,该开关层结构可以为:先沉积硫系材料离子提供层A,接着在A层上沉积硫系材料转换层B,形成AB或BA的不对称结构,来获得类似二极管的单向选通器件特性,或者依次沉积硫系材料离子提供层B、硫系材料转换层A、硫系材料离子提供层B,形成对称的BAB结构或ABA结构,来获得双向选通器件特性。最后沉积第二层惰性金属电极。其中不对称结构中上下电极材料可以设计为相同的或者不同的来实现高的整流比。对称结构中上下电极材料为相同的材料来实现对称结构和特性。
其中,可以通过电子束光刻(Electron beam lithography,EBL)加上感应耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer,ICP)刻蚀得到不同纳米尺寸小孔结构。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,本发明选通管器件的一种结构为:第一层惰性金属电极1沉积在衬底上,硫系材料转换层2沉积在第一层电极上1,硫系材料离子提供层3沉积在硫系转换层2上,第二层惰性金属电极4沉积在硫系材料离子提供层3上。硫系材料转换层和硫系材料离子提供层的位置可交换。这种具有不对称结构5的选通管器件可以实现单向选通的二极管特性,适用于单极性存储器件,如单极性阻变存储器,相变存储器。
如图2所示,本发明选通管器件的第二种结构为:第一层惰性金属电极1沉积在衬底上,第一层硫系材料离子提供层6沉积在第一层电极1上,硫系材料转换层2沉积在第一层硫系材料离子提供层6上,第二层硫系材料离子提供层沉积在硫系材料转换层2上,第二层惰性金属电极4沉积在硫系材料离子提供层3上。可以将两层硫系材料离子提供层替换为硫系材料转换层,同时将中间的硫系材料转换层替换为硫系材料离子提供层,器件仍然为对称结构。这种具有对称结构7的选通管器件可以实现双向选通的特性,同时适用于双极性器件和单极性器件,包括单极性和双极型的阻变器件,相变存储器件等。
硫系材料离子提供层为少金属的金属硫系材料,其中金属原子比含量大于0%不超过50%,来提供少量金属离子以形成不稳定的导电丝,并加速导电丝的破裂获得易失开关特性。在器件性能方面的表现为:1、导电丝的不稳定性高使得器件在更高的限制电流下还可以保持易失特性,提高了器件的电流容忍能力,这也是本发明实例中器件开态电流非常高的原因;2、导电丝的快速有效的破裂使得器件具有关闭的能力,并提高关态速度。器件机理为:硫系材料离子提供层中含有可以移动的活性金属离子,当器件外加电压超过阈值电压时可以在硫系材料转换层中迁移并发生电化学反应形成导电丝通道;当电压降到一定值以下时可以快速扩散进入转换层或迁移回到离子提供层,使导电通道破裂。故低金属含量的硫系离子提供层一方面提供极少量金属离子形成不稳定的导电通道,在电压降低到一定值以下时,可以更有效的破裂回到初始高阻关态;另一方面离子提供层为活性金属不饱和的状态,可以更有效的拉回导电通道中的活性金属离子,促进导电丝通道的破裂。与此同时,导电丝器件在高的限制电流下极容易形成稳定的导电通道,在电压撤去后仍然保留导电通道,使得器件无法关闭,形成非易失阻变特性,本发明中低金属含量的离子提供层可以在高开态电流下使导电丝更容易破裂,从而使得器件具有很高的电流容忍能力,实现高开态电流。另外,硫系材料离子提供层中的活性金属离子需要具有很高的迁移率来提高开启速度,并具有很好的导电性来形成导电能力强的导电通道。
具体地,硫系材料离子提供层金属硫系材料可以为AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex、CuTex中的至少一种,或AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex、CuTex中的至少一种掺杂金属,其中金属元素原子比含量大于0%且不超过50%。
硫系材料转换层具有很低的电导率,并且能够很好的溶解活性离子形成的导电通道,使活性金属原子或离子可以快速扩散和移动。低电导率可以保证器件在关态时具有很低的关态电流,从而有效抑制器件漏电流。硫系化合物特有的疏松结构可以促进离子的快速移动,从而可以在高电压下快速形成导电通道,提高开启速度,并在电压降低到一定值的时候吸收导电通道的金属原子,加速导电丝破裂。硫系材料转换层在高电压下由离子提供层提供的活性离子在转换层内迁移并发生电化学反应形成导电通道,从高阻关态转换为低阻开态;当电压降低到一定值时,导电通道破裂,转换层从低阻开态回到高阻关态,从而关闭。
具体地,硫系材料转换层可以为GeTex、GeSex、GeSx、GeSbTex、GeSbx、GeOx、SbTex、SbS、SbSe、BiSe、BiS、BiTe、AsTe、AsSe、SnTe、BiTe、AgInSbTe、AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex、CuTex中的任意一种或几种混合,或者上述中的至少一种化合物掺杂S或N或O或Si元素形成的混合物。
其中,硫系材料转换层与硫系材料离子提供层的硫系材料组成元素不同,或者组成元素相同但成分比不同。
两层金属电极均为导电性能好的惰性金属材料。导电特性好的电极与功能层之间的接触电阻小,电子输运能力强,从而有利于提高器件的开态电流;而惰性材料则可以有效阻止叠层硫系化合物材料中的活性金属导电离子扩散进入电极,从而提高器件的循环特性。电极材料可以为Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中的至少一种或其他导电性能好的惰性金属材料。
硫系材料离子提供层厚度为1~40nm之间,硫系材料转换层厚度为1~20nm之间,转换层厚度太大会形成较大势垒,从而降低器件开态电流,故需要将厚度控制在1~20nm之间。
图3为本发明选通管器件样品的制备工艺图。首先将第一层金属电极9沉积在衬底8上,如图3(a)所示;接着沉积绝缘电隔离层,并采用电子束光刻加上感应耦合等离子刻蚀工艺得到250nm直径的小孔结构并暴露出底电极得到图形化的电隔离层10,如图3(b)所示;下一步在10上光刻图形化并连续沉积叠层结构硫系材料11,如图3(c)所示;最后沉积第二层金属电极12,得到器件样品,结构如图3(d)。
实施例1:
以一种基于不对称叠层结构硫系材料的选通管器件来说明本发明选通管器件的制备方法。第一步在衬底上沉积第一层惰性金属电极,1~10nm Ti黏附层和50~300nm Pt通过磁控溅射沉积在衬底上,此处选Pt作为金属电极是因为其良好的导电特性以及惰性;第二步在Pt惰性电极层上采用等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition,PECVD)生长50~200nm SiO2作为绝缘电隔离层,绝缘电隔离层可以将功能层材料保护起来,提高器件可靠性;第三步在SiO2电隔离层上进行电子束光刻并进行感应耦合等离子体刻蚀,形成导通孔结构并暴露出底电极;第四步进行紫外光刻图形化功能层;第五步,脉冲激光沉积硫系材料转换层,其中硫系材料可以采用GeTe、GST、GeSe、GeS、GeSbx、GeOx等,厚度为1~20nm,接着磁控溅射沉积硫系材料离子提供层,其中硫系材料可以采用AgxS、AgxSe、AgxTe、CuxS、CuxSe、CuxTe(0<x≤50%)中的一种,厚度为1~40nm,最后磁控溅射沉积第二层惰性金属电极50~300nm TiW。硫系材料转换层需要具有很低的电导率、比较高的阻态转变能力,同时具有疏松结构,使得金属离子可以快速扩散。这里的硫系材料离子提供层能够提供少量迁移率高导电性好的金属离子来形成导电通道,并具备将金属离子重新吸收来加速导电丝破裂的能力。
图4是本发明具体实施例的电流电压曲线实测图。器件在0.5V附近开启,从关态变为开态,实现了超过10的9次方的开关比,高开关比使得选通管器件具有应用于大规模存储阵列的能力;关态漏电流大约为100fA,低漏电流使得器件可以有效抑制漏电流从而降低操作功耗并消除漏电流带来的读错误;开态电流达到500μA,高开态电流使得器件可以与广泛的存储单元集成。当电压降低到0.1V以下保持电压的时候,器件返回关态。低的保持电压一方面可以避免集成过程中选通器件开启后,由于选通器件与存储单元由于分压问题造成存储单元操作不完全,另一方面可以实现低功耗操作。
图5是本发明具体实施例电流电压曲线放大后的亚域斜率部分曲线。可以看到该器件具有陡峭的开启斜率,小于1.4mV/dec。陡峭的开启斜率一方面表明该器件具有快速开启的能力,另一方面有效避免了开态电流与开关比之间的相互限制导致的阵列规模下降,使得该器件可以应用于超大规模阵列当中。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种选通管器件,其特征在于,包括:第一金属电极层、第二金属电极层以及开关层;
其中,所述开关层位于所述第一金属电极层以及所述第二金属电极层之间;
所述开关层由硫系材料离子提供层A和硫系材料转换层B交替堆叠形成AB不对称结构、BA不对称结构、ABA对称结构以及BAB对称结构中的一种结构,所述硫系材料离子提供层A为少金属的硫系金属材料,金属元素原子比大于0%且不超过50%,用于提供少量金属离子以形成不稳定的导电丝,并加速导电丝的破裂获得易失开关特性,所述硫系材料转换层B为硫系元素含量高于50%的硫系材料。
2.根据权利要求1所述的选通管器件,其特征在于,所述硫系材料离子提供层A和所述硫系材料转换层B的组成元素不完全相同,或者所述硫系材料离子提供层A和所述硫系材料转换层B的组成元素完全相同,但所述硫系材料离子提供层A中的原子百分比与所述硫系材料转换层B的原子百分比不同。
3.根据权利要求1或2所述的选通管器件,其特征在于,所述硫系材料离子提供层A中的金属硫系材料为AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种,或者,AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种掺杂金属得到。
4.根据权利要求3所述的选通管器件,其特征在于,所述硫系材料转换层B中的硫系材料为GeTex、GeSex、GeSx、GeSbTex、GeSbx、GeOx、SbTex、SbS、SbSe、BiSe、BiS、BiTe、AsTe、AsSe、SnTe、BiTe、AgInSbTe、AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种,或者,所述硫系材料转换层B中的硫系材料为GeTex、GeSex、GeSx、GeSbTex、GeSbx、GeOx、SbTex、SbS、SbSe、BiSe、BiS、BiTe、AsTe、AsSe、SnTe、BiTe、AgInSbTe、AgSx、AgSex、AgTex、CuSx、CuSex以及CuTex中的至少一种化合物掺杂S、N、O以及Si元素中的至少一种元素形成的混合物。
5.根据权利要求4所述的选通管器件,其特征在于,所述硫系材料离子提供层A的厚度为1~40nm,所述硫系材料转换层B的厚度为1~20nm。
6.根据权利要求4或5所述的选通管器件,其特征在于,所述第一金属电极层以及所述第二金属电极层均为惰性电极材料,且所述惰性电极材料为Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO以及IZO中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的选通管器件,其特征在于,所述选通管器件的结构还包括:所述开关层包裹所述第一金属电极层或者所述第二金属电极层,且所述开关层的外层与另一金属电极层接触。
8.一种如权利要求1至7任意一项所述的选通管器件的制备方法,其特征在于,包括:
在衬底上沉积第一层惰性金属电极;
在所述第一层惰性金属电极上沉积绝缘层,并对所述绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出底电极;
对所述绝缘层再一次进行图形化,依次交替沉积硫系材料离子提供层A与硫系材料转换层B,得到AB、BA、ABA以及BAB中的一种结构;
最后沉积第二层惰性金属电极。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述对所述绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出底电极,包括:
通过电子束光刻EBL加上感应耦合等离子体ICP刻蚀得到不同纳米尺寸的孔结构。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710902924.4A CN107732010B (zh) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | 一种选通管器件及其制备方法 |
PCT/CN2018/090244 WO2019062198A1 (zh) | 2017-09-29 | 2018-06-07 | 一种选通管器件及其制备方法 |
US16/655,191 US11659781B2 (en) | 2017-09-29 | 2019-10-16 | Selector device and method of making the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710902924.4A CN107732010B (zh) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | 一种选通管器件及其制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN107732010A CN107732010A (zh) | 2018-02-23 |
CN107732010B true CN107732010B (zh) | 2020-07-10 |
Family
ID=61208917
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201710902924.4A Active CN107732010B (zh) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | 一种选通管器件及其制备方法 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11659781B2 (zh) |
CN (1) | CN107732010B (zh) |
WO (1) | WO2019062198A1 (zh) |
Families Citing this family (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107732010B (zh) * | 2017-09-29 | 2020-07-10 | 华中科技大学 | 一种选通管器件及其制备方法 |
CN108400238B (zh) * | 2018-05-14 | 2020-04-03 | 湖北大学 | 一种基于GeTe的双功能器件及其制备方法 |
CN108666419B (zh) * | 2018-05-14 | 2020-04-03 | 湖北大学 | 一种基于GeTe的互补型阻变存储器及其制备方法 |
CN109638153A (zh) * | 2018-12-06 | 2019-04-16 | 华中科技大学 | 一种选通管材料、选通管器件及其制备方法 |
CN111384238B (zh) * | 2018-12-28 | 2022-01-28 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 选通管材料、选通管单元及存储器件结构 |
CN109949836B (zh) | 2019-02-19 | 2020-09-08 | 华中科技大学 | 一种改善选通管器件性能的操作方法 |
CN109888094A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-06-14 | 天津理工大学 | 一种基于掺杂型氧化钛的选通管器件及其制备方法 |
CN110148667B (zh) * | 2019-04-12 | 2020-10-09 | 华中科技大学 | 一种选通管器件的预处理方法 |
CN110571330B (zh) * | 2019-08-19 | 2022-02-18 | 华中科技大学 | 一种选通管器件、存储器单元及制备方法 |
CN110911558B (zh) * | 2019-10-30 | 2021-06-08 | 华中科技大学 | 一种具有新型结构与材料的VOx选通管 |
CN110931636B (zh) * | 2019-10-30 | 2021-07-06 | 华中科技大学 | 一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法 |
CN110931637B (zh) * | 2019-10-30 | 2022-04-29 | 华中科技大学 | 一种选通管的制备方法 |
CN110910933B (zh) * | 2019-11-18 | 2021-10-15 | 华中科技大学 | 一种三维存储器及其读取方法 |
CN111029459B (zh) * | 2019-11-29 | 2022-06-14 | 华中科技大学 | 一种界面型原子忆阻器及其制备方法 |
CN112242488A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-19 | 华中科技大学 | 一种具有二维材料新型结构的选通管及其制备方法 |
WO2023004607A1 (en) * | 2021-07-28 | 2023-02-02 | Yangtze Advanced Memory Industrial Innovation Center Co., Ltd | Phase-change memory devices with selector having defect reduction material and methods for forming the same |
CN113823738A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-12-21 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种选通器件及其制备方法 |
TWI785993B (zh) * | 2021-10-06 | 2022-12-01 | 國立中央大學 | 原子級調制人造二維材料之設備及方法 |
CN114429970B (zh) * | 2022-01-25 | 2023-04-07 | 中国电子科技集团公司第五十八研究所 | 一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法及结构 |
CN115249765A (zh) * | 2022-08-17 | 2022-10-28 | 长江先进存储产业创新中心有限责任公司 | 相变存储器及其制造方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1650419A (zh) * | 2002-04-30 | 2005-08-03 | 独立行政法人科学技术振兴机构 | 固体电解质开关元件及使用其的fpga、存储元件及其制造方法 |
CN102185101A (zh) * | 2010-01-19 | 2011-09-14 | 索尼公司 | 存储元件和存储装置 |
WO2016122406A1 (en) * | 2015-01-26 | 2016-08-04 | Agency for Science,Technology and Research | Memory cell selector and method of operating memory cell |
WO2016158429A1 (ja) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | スイッチ素子および記憶装置 |
Family Cites Families (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7087919B2 (en) * | 2002-02-20 | 2006-08-08 | Micron Technology, Inc. | Layered resistance variable memory device and method of fabrication |
US7151273B2 (en) * | 2002-02-20 | 2006-12-19 | Micron Technology, Inc. | Silver-selenide/chalcogenide glass stack for resistance variable memory |
JP4539885B2 (ja) * | 2007-08-06 | 2010-09-08 | ソニー株式会社 | 記憶素子および記憶装置 |
US7724499B2 (en) * | 2007-11-13 | 2010-05-25 | Industrial Technology Research Institute | Electrolyte transistor |
JP2012019042A (ja) * | 2010-07-07 | 2012-01-26 | Sony Corp | 記憶素子および記憶装置 |
JP2012060024A (ja) * | 2010-09-10 | 2012-03-22 | Sony Corp | 記憶素子および記憶装置 |
KR101753256B1 (ko) * | 2010-10-14 | 2017-07-05 | 삼성전자주식회사 | 가변 저항체를 포함하는 반도체 기억 소자 및 그 제조 방법 |
JP5708929B2 (ja) * | 2010-12-13 | 2015-04-30 | ソニー株式会社 | 記憶素子およびその製造方法、並びに記憶装置 |
JP2012186316A (ja) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Sony Corp | 記憶素子および記憶装置 |
JP2013016530A (ja) * | 2011-06-30 | 2013-01-24 | Sony Corp | 記憶素子およびその製造方法ならびに記憶装置 |
KR20140063591A (ko) * | 2011-07-11 | 2014-05-27 | 바스프 에스이 | 금속 황화물을 포함하는 전극 물질 |
JP2014179571A (ja) * | 2013-03-15 | 2014-09-25 | Toshiba Corp | 抵抗変化型記憶装置 |
US9246086B2 (en) * | 2013-10-02 | 2016-01-26 | Sony Corporation | Conductive bridge memory system and method of manufacture thereof |
CN104659208A (zh) * | 2015-02-05 | 2015-05-27 | 中国科学院微电子研究所 | 非挥发性阻变存储器件及其制备方法 |
US20160233420A1 (en) * | 2015-02-10 | 2016-08-11 | Eugeniy Troyan | SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICES FOR USE IN ELECTRICALLY ALTERABLE READ ONLY MEMORY (ROM) AND SEMICONDUCTOR THIN FILM DEVICES (SPINTRONS and SPIN-ORBITRONS) |
US9865811B2 (en) * | 2015-02-10 | 2018-01-09 | Eugeniy Troyan | Semiconductor memory devices for use in electrically alterable read only memory (ROM) and semiconductor thin film devices (spintrons and spin-orbitrons) |
US10483462B1 (en) * | 2015-06-17 | 2019-11-19 | Crossbar, Inc. | Formation of structurally robust nanoscale Ag-based conductive structure |
TWI612701B (zh) * | 2017-01-25 | 2018-01-21 | 華邦電子股份有限公司 | 導電橋接式隨機存取記憶體及其製造方法 |
WO2018175973A1 (en) * | 2017-03-23 | 2018-09-27 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University | Physical unclonable functions with copper-silicon oxide programmable metallization cells |
US10096362B1 (en) * | 2017-03-24 | 2018-10-09 | Crossbar, Inc. | Switching block configuration bit comprising a non-volatile memory cell |
CN106992251B (zh) * | 2017-05-12 | 2019-08-30 | 华中科技大学 | 一种基于VOx选通管的相变存储单元 |
CN107732010B (zh) * | 2017-09-29 | 2020-07-10 | 华中科技大学 | 一种选通管器件及其制备方法 |
-
2017
- 2017-09-29 CN CN201710902924.4A patent/CN107732010B/zh active Active
-
2018
- 2018-06-07 WO PCT/CN2018/090244 patent/WO2019062198A1/zh active Application Filing
-
2019
- 2019-10-16 US US16/655,191 patent/US11659781B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1650419A (zh) * | 2002-04-30 | 2005-08-03 | 独立行政法人科学技术振兴机构 | 固体电解质开关元件及使用其的fpga、存储元件及其制造方法 |
CN102185101A (zh) * | 2010-01-19 | 2011-09-14 | 索尼公司 | 存储元件和存储装置 |
WO2016122406A1 (en) * | 2015-01-26 | 2016-08-04 | Agency for Science,Technology and Research | Memory cell selector and method of operating memory cell |
WO2016158429A1 (ja) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | スイッチ素子および記憶装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN107732010A (zh) | 2018-02-23 |
US20200052205A1 (en) | 2020-02-13 |
WO2019062198A1 (zh) | 2019-04-04 |
US11659781B2 (en) | 2023-05-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107732010B (zh) | 一种选通管器件及其制备方法 | |
Aluguri et al. | Notice of violation of IEEE publication principles: overview of selector devices for 3-D stackable cross point RRAM arrays | |
Liu et al. | Controllable growth of nanoscale conductive filaments in solid-electrolyte-based ReRAM by using a metal nanocrystal covered bottom electrode | |
CN100562985C (zh) | 制造存储单元的自对准空洞及底电极的方法 | |
US10312439B2 (en) | Manufacturing method for a nonvolatile resistive switching memory device | |
US8665631B2 (en) | Resistive random memory cell and memory | |
CN100524882C (zh) | 制作存储单元器件的方法 | |
Song et al. | Bidirectional threshold switching in engineered multilayer (Cu2O/Ag: Cu2O/Cu2O) stack for cross-point selector application | |
JP2014513873A (ja) | メモリ素子の製造方法 | |
CN106992251B (zh) | 一种基于VOx选通管的相变存储单元 | |
Tran et al. | Self-rectifying and forming-free unipolar HfO x based-high performance RRAM built by fab-avaialbe materials | |
Rahaman et al. | Enhanced nanoscale resistive switching memory characteristics and switching mechanism using high-Ge-content Ge 0.5 Se 0.5 solid electrolyte | |
CN110571330B (zh) | 一种选通管器件、存储器单元及制备方法 | |
KR20190088196A (ko) | 선택 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 비휘발성 메모리 소자 | |
CN104465989A (zh) | 三端原子开关器件及其制备方法 | |
CN112242488A (zh) | 一种具有二维材料新型结构的选通管及其制备方法 | |
Samanta et al. | Improvement in threshold switching performance using Al₂O₃ interfacial layer in Ag/Al₂O₃/SiOₓ/W cross-point platform | |
CN110931637B (zh) | 一种选通管的制备方法 | |
US8049202B2 (en) | Phase change memory device having phase change material layer containing phase change nano particles | |
CN206834207U (zh) | 一种基于VOx选通管的相变存储单元 | |
CN110931636B (zh) | 一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法 | |
CN110911558B (zh) | 一种具有新型结构与材料的VOx选通管 | |
CN110993787B (zh) | 一种选通管 | |
Nandi | Resistive Switching in Transition Metal Oxides for Integrated Non-volatile Memory | |
Lin et al. | Low-I reset unipolar HfO 2 RRAM and tunable resistive-switching mode via interface engineering |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |