CN108110026A - 一种Ge-Te-Al-As阈值开关材料、阈值开关器件单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Ge‑Te‑Al‑As阈值开关材料、阈值开关器件单元及其制备方法，所述Ge‑Te‑Al‑As材料的化学通式为(GexTe100‑x)100‑z(Al100‑yAsy)z，其中10≤x≤30，50≤y≤90，0≤z≤30。本发明提供的基于Ge‑Te‑Al‑As阈值开关材料的阈值开关器件单元，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；撤去外部能量时，能够立即由低电阻态向高电阻态转变。并且，本发明的阈值开关器件单元具有阈值电压低、开关比大、开启速度快等优点，而且器件的寿命及可靠性都得到了提高。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种Ge-Te-Al-As阈值开关材料、阈值开关器件单元及其制备方法。
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操作。近年来，利用硫系化合物薄膜材料作为介质的阈值转换开关(OTS)被认为是最具有应用价值的选通器。OTS器件中的关键材料包括具有阈值转变特性的硫系化合物薄膜、电极材料、过渡层材料、绝缘材料和引出电极材料等。OTS选通器的基本原理如下：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并超过阈值电压时，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，典型的OTS材料为与Ge-Te合金材料。
作为选通器件来说，性能要求是具有高开关比、高驱动电流、高速度、低阈值电压、低漏电流、高寿命和高可靠性。然而，对于Ge-Te材料，其阈值电压较高，开关速度较慢，在实际应用方面存在问题。鉴于此，如何开发新材料降低阈值电压，提高开启速度、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-Te-Al-As阈值开关材料、阈值开关器件单元及其制备方法，用于解决现有技术中OTS选通器的开关速度、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-Te-Al-As阈值开关材料，所述Ge-Te-Al-As阈值开关材料的化学通式为(GexTe100-x)100-z(Al100-yAsy)z，其中x、y、z均指元素的原子百分比，且满足10≤x≤30，50≤y≤90，0≤z≤30。
此外，本发明还提供一种阈值开关器件单元，所述阈值开关器件单元自下而上依次包括下电极层、设置于所述电极层上的第一过渡层、设置于所述第一过渡层上的阈值开关材料层、设置于所述阈值开关材料层上的第二过渡层、设置于所述第二过渡层上的上电极层以及设置于所述上电极层上的引出电极，其中，所述阈值开关材料层包括如权利要求1所述的Ge-Te-Al-As阈值开关材料。
作为本发明阈值开关器件单元的一种优化的方案，所述下电极层的材料包括W、Pt、Au、TiN、Ti、Al、Ag、Cu或者Ni中的一种或两种以上所组成的材料。
作为本发明阈值开关器件单元的一种优化的方案，所述第一过渡层包括C、SiC、Ti、TiN中的一种。
作为本发明阈值开关器件单元的一种优化的方案，所述第二过渡层包括C、SiC、Ti、TiN中的一种。
作为本发明阈值开关器件单元的一种优化的方案，所述上电极层的材料包括W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或者Ni中的一种或两种以上所组成的材料。
作为本发明阈值开关器件单元的一种优化的方案，所述引出电极的材料包括W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或者Ni中的一种或两种以上所组成的材料。
另外，本发明还提供一种阈值开关器件单元的制备方法，所述制备方法至少包括：
1)形成所述下电极层；
2)在所述下电极层上形成所述第一过渡层；
3)在所述第一过渡层上形成所述阈值开关材料层，所述阈值开关材料层包括Ge-Te-Al-As阈值开关材料，所述Ge-Te-Al-As OTS材料的化学通式为(GexTe100-x)100-z(Al100- yAsy)z，其中x、y、z均指元素的原子百分比，且满足10≤x≤30，50≤y≤90，0≤z≤30；；、
4)在所述阈值开关材料层上形成所述第二过渡层；
5)在所述第二过渡层上形成所述上电极层；
6)在所述上电极层上形成所述引出电极。
作为本发明阈值开关器件单元的制备方法的一种优化的方案，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制备所述下电极层、所述第一过渡层、所述阈值开关材料层、所述第二过渡层、所述上电极层及所述引出电极
如上所述，本发明的Ge-Te-Al-As阈值开关材料、阈值开关器件单元及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明所提供的阈值开关器件单元包括Ge-Te-Al-As阈值开关材料，该阈值开关器件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-Te-Al-As阈值开关材料作为阈值开关器件单元的介质时，阈值开关器件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1～6显示为本发明阈值开关器件单元的制备方法的步骤剖面视图。
图7显示为本发明的阈值开关器件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 第一过渡层
3 阈值开关材料层
4 第二过渡层
5 上电极层
6 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。
请参阅附图。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。
实施例一
本实施例提供一种Ge-Te-Al-As阈值开关材料，所述Ge-Te-Al-As阈值开关材料的化学通式为(GexTe100-x)100-z(Al100-yAsy)z，其中x、y、z均指元素的原子百分比，且满足10≤x≤30，50≤y≤90，0≤z≤30。
优选地，所述Ge-Te-Al-As阈值开关材料的化学式为(Ge20Te80)80(Al50As50)20、(Ge15Te85)85(Al50As50)15，(Ge14Te86)85(Al50As50)15等等。
本实施例提供的Ge-Te-Al-As阈值开关材料，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。
实施例二
图1～6是步骤剖面视图，显示了本发明的阈值开关器件单元的制备方法。
首先执行步骤1)：形成所述下电极层1。请参阅图1，作为示例，可以采用溅射法、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所述下电极层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的材料可例如包括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。
然后执行步骤2)：在所述下电极层1上形成所述第一过渡层2。请参阅图2，作为示例，在下电极层1上用溅射法、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所述第一过渡层，该第一过渡层的材料可以包括C、SiC、Ti、TiN的一种。所得第一过渡层2的电极厚度约为5nm。
接着执行步骤3)：在所述第一过渡层2上形成所述阈值开关材料层3，所述阈值开关材料层3包括实施例一所提供的Ge-Te-Al-As阈值开关材料。请参阅图3，在该第一过渡层2上制备阈值开关材料层3，该阈值开关材料层3采用Ge-Te-Al-As阈值开关材料，该Ge-Te-Al-As OTS材料的化学通式为(GexTe100-x)100-z(Al100-yAsy)z，其中x、y、z均指元素的原子百分比，且满足10≤x≤30，50≤y≤90，0≤z≤30。优选的，所述Ge-Te-Al-As阈值开关材料的化学式为(Ge20Te80)80(Al50As50)20、(Ge15Te85)85(Al50As50)15，(Ge14Te86)85(Al50As50)15等，其中，可采用溅射法、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等方法中的任意一种来制备上述阈值开关材料层3。
接着执行步骤4)：在所述阈值开关材料层3上形成所述第二过渡层4。请参阅图4，作为示例，可以在所述阈值开关材料层3上用溅射法、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所述第二过渡层4，该第二过渡层4的材料可以包括C、SiC、Ti、TiN的一种。
再执行步骤5)：在所述第二过渡层4上形成所述上电极层5。请参阅图5，作为示例，在该第二过渡层4上，可以采用溅射法、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上电极层5。该上电极层5的材料可例如包括单金属材料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，在所述第二过渡层4上采用磁控溅射法制备上电极层5，所述上电极层5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5的电极厚度约为20nm。
最后执行步骤6)：请参阅图6，在所述上电极层5上制备引出电极6，作为示例，可以采用溅射法、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任意一种来制备所述引出电极6。如此，籍由该引出电极6，即可将上、下电极层1、5通过该引出电极6与阈值开关器件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，从而制备出完整的阈值开关器件单元，所采用的加工方法为常规的半导体工艺。
作为示例，所述引出电极6的材料可包括单金属材料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6，材料为Al，制备出的引出电极6的薄膜厚度为200nm。
下面对本实施例中的基于(GexTe100-x)100-z(Al100-yAsy)z阈值开关材料的阈值开关器件单元进行电学性能的测试，在电压激励作用下，测试上述阈值开关器件单元的电压-电流(V-I)曲线如图7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，该点即为阈值开关器件单元的阈值点，该点处的电压为阈值电压。
请参阅图7为对基于(Ge14Te86)85(Al50As50)15的阈值开关器件单元的三次操作，可以看出，对于基于(Ge14Te86)85(Al50As50)15的阈值开关器件单元，其阈值电压约为2.5V，AlAs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，每次操作对阈值开关器件单元的损伤会比较小，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阈值开关器件单元更加适用于实际应用。
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-Te-Al-As阈值开关材料、阈值开关器件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-Te-Al-As阈值开关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-Te-Al-As阈值开关材料作为阈值开关器件单元的选通介质时，既可以保证较低的阈值电压，又可以提高阈值开关器件单元的开启电流和开关比，同时，较低的阈值电压对于有效提高阈值开关器件单元的可靠性和寿命都有帮助。
所以，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Ge-Te-Al-As阈值开关材料，其特征在于，所述Ge-Te-Al-As阈值开关材料的化学通式为(GexTe100-x)100-z(Al100-yAsy)z，其中x、y、z均指元素的原子百分比，且满足10≤x≤30，50≤y≤90，0≤z≤30。
2.一种阈值开关器件单元，其特征在于，所述阈值开关器件单元自下而上依次包括下电极层、设置于所述电极层上的第一过渡层、设置于所述第一过渡层上的阈值开关材料层、设置于所述阈值开关材料层上的第二过渡层、设置于所述第二过渡层上的上电极层以及设置于所述上电极层上的引出电极，其中，所述阈值开关材料层包括如权利要求1所述的Ge-Te-Al-As阈值开关材料。
3.根据权利要求2所述的阈值开关器件单元，其特征在于：所述下电极层的材料包括W、Pt、Au、TiN、Ti、Al、Ag、Cu或者Ni中的一种或两种以上所组成的材料。
4.根据权利要求2所述的阈值开关器件单元，其特征在于：所述第一过渡层包括C、SiC、Ti、TiN中的一种。
5.根据权利要求2所述的阈值开关器件单元，其特征在于：所述第二过渡层包括C、SiC、Ti、TiN中的一种。
6.根据权利要求2所述的阈值开关器件单元，其特征在于：所述上电极层的材料包括W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或者Ni中的一种或两种以上所组成的材料。
7.根据权利要求2所述的阈值开关器件单元，其特征在于：所述引出电极的材料包括W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或者Ni中的一种或两种以上所组成的材料。
8.一种阈值开关器件单元的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：
1)形成所述下电极层；
2)在所述下电极层上形成所述第一过渡层；
3)在所述第一过渡层上形成所述阈值开关材料层，所述阈值开关材料层包括如权利要求1所述的Ge-Te-Al-As阈值开关材料；
4)在所述阈值开关材料层上形成所述第二过渡层；
5)在所述第二过渡层上形成所述上电极层；
6)在所述上电极层上形成所述引出电极。
9.根据权利要求8所述的阈值开关器件单元的制备方法，其特征在于：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制备所述下电极层、所述第一过渡层、所述阈值开关材料层、所述第二过渡层、所述上电极层及所述引出电极。
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