CN110931636B - 一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，包括如下步骤：S1、提供半导体衬底；S2、沉积第一金属电极层；S3、制备电热绝缘层；S4、刻蚀小孔；S5、向小孔中依次填充银导电介质层、硫系材料层和VOx材料层；S6、制备第二金属电极层。在向选通管施加电压或电流激励的时候，银扩散进入硫系材料层，可以在硫系材料中形成导电丝，这样会使电流只流过导电丝，并抑制其它区域的电流，由于导电丝很细，可以局部加热VOx材料，使部分VOx材料发生绝缘态到金属态的转化，从而使选通管导通，这样可以使选通管的阈值电压或阈值电流显著降低，而且可以增大选通管的关态电阻，从而显著提高器件的开关比，并更好的抑制器件的漏电流。
Description
技术领域
本发明属于微纳米电子技术领域，具体涉及一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法。
背景技术
两端非易失性存储器采用两端的选通管器件来抑制大规模阵列中广泛存在的漏电流问题。选通管器件为开关器件，工作原理为：在到达开启电压/电流之前，选通管处于关闭状态，电阻非常高，可以有效抑制漏电流；到达开启电压/电流后，选通管开启，降为极低的电阻，为相应的存储单元提供足够的操作电流。在大规模阵列中，选通管与存储器单元连接，操作存储器单元时，首先施加电压或电流打开与选中单元连接的选通管，然后对选中的存储器单元进行读写操作。其中，与未选中的存储器单元连接的选通管同时处于关闭状态，电阻非常高，可以抑制漏电流，降低阵列功耗。两端选通管器件不仅可以有效解决漏电流问题，在阵列集成过程中可以与存储单元垂直堆叠，不需要占用额外的面积，提高集成密度；同时，两端存储器与选通管集成的结构具有三维方向上的堆叠能力，进一步提高存储密度。
VOx是一种具有金属绝缘体转化性质的材料，金属绝缘体转化（Metal-Insulator-Transition，MIT）是指材料由于外部的各种刺激如电、热、磁和机械刺激，材料的电导率会发生非线性变化，可以从高阻的绝缘态转化为低阻的金属态，而且只有持续施加足够的刺激，低阻状态才可以继续保持，否则会回复到初始的高阻状态。由于VOx材料会在70℃左右会发生阻态的变化，对于一般的VOx选通管，器件从下至上由底电极、VOx功能层和顶电极构成，其工作原理为当通过顶电极向器件施加激励的时候，会加热底电极，当底电极的升温达到一定值时，会使VOx材料由高阻的绝缘体转化为低阻的金属态，从而使选通管导通。
该种选通管的优点是可以提供比较大的驱动电流，而且器件的电学稳定性相对较好，但是其最大的缺点是器件的漏电流通常比较大和开关比很小，而且，V元素和O元素的比例对VOx选通管性能的影响很大，通常为了得到合适组分比的材料，在制备完VOx材料层后，需要对其进行退火处理，退火的温度一般在500℃左右，而如今三维存储器严格要求器件制备温度低于400℃，不然后面的制备过程会破坏前面已经制备好的精细结构，这就导致VOx选通管的制备工艺与之不相兼容。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，通过在VOx和底电极之间设置一层硫系材料层和一层银导电介质层，由VOx材料层、硫系材料层和银导电介质层共同构成选通管器件的开关层，可以改善选通管的开关性能。硫系材料和银导电介质层的主要作用是，在向选通管施加电压或电流激励的时候，银扩散进入硫系材料层，可以在硫系材料中形成导电丝，这样会使电流只流过导电丝，并抑制其它区域的电流，由于导电丝很细，可以局部加热VOx材料，使部分VOx材料发生绝缘态到金属态的转化，从而使选通管导通，这样可以使选通管的阈值电压或阈值电流显著降低，而且可以增大选通管的关态电阻，从而显著提高器件的开关比，并更好的抑制器件的漏电流。而且由于导电丝的温度电场下可以达到非常高，可以完成对VOx材料层的退火过程，这样可以适用于三维存储器，不需要500℃的高温过程，可以与CMOS后端制备工艺相兼容。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，包括如下步骤：
S1、提供一半导体衬底；
S2、在所述半导体衬底上沉积一层第一金属电极层；
S3、在所述第一金属电极层制备电热绝缘层；
S4、对所述电热绝缘层进行刻蚀，使所述第一金属电极层部分暴露并形成小孔；
S5、向所述小孔中依次填充银导电介质层、硫系材料层和VOx材料层，该硫系材料层是在电流或电压激励下可以形成导电丝的材料，银导电介质层、硫系材料层和VOx材料层三者共同构成选通管开关层；
S6、在所述电热绝缘层和所述选通管开关层上制备第二金属电极层。
优选地，在步骤S2中，通过磁控溅射制备所述第一金属电极层。
优选地，在步骤S4中，在所述电热绝缘层上利用微纳加工技术制备出所述小孔。
优选地，在步骤S5中，所述硫系材料层中硫系材料选自GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、InSe、GeSbTe、AgInSbTe中的任意一种或任意组合。
优选地，在步骤S5中，所述硫系材料层中硫系材料是GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、InSe、GeSbTe、AgInSbTe中的任意一种或任意组合，并掺入S、N、O、Cu、Si、Au中至少一种元素形成的混合物。
优选地，在步骤S5中，在向所述小孔中填充VOx材料预定厚度之后，通过退火处理使x的值稳定在1.9～2.1之间，形成所述VOx材料层。
优选地，在步骤S5中，所述VOx材料层的面积大小为100nm2～30μm2。
优选地，在步骤S5中，所述VOx材料层中VOx材料的绝缘态电阻大于金属态电阻。
优选地，在步骤S5中，所述绝缘态电阻与金属态电阻的比值大于100。
优选地，在步骤S6中，在所述电热绝缘层的表面上进行光刻，然后在所述电热绝缘层和所述选通管开关层上制备一层第二金属电极层，经过剥离，得到每个小孔的顶电极。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
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，具有以下有益效果：
1、本发明的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，由于向选通管施加电压或者电流激励的时候，会使银扩散进入硫系材料中，从而在硫系材料层中产生导电丝，这样电流会只流过导电丝，由于电流的热效应，可以对VOx材料层进行局部加热，从而使部分的VOx材料发生由绝缘态到金属态的转化，即可以使选通管导通，可以显著降低选通管器件的阈值电压或阈值电流。
2、本发明的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，可以提高器件的关态电阻，并提高器件的开关比，所以在应用于相变存储器阵列中时，可以提高存储器的集成密度，并更好的抑制未选通单元的漏电流，使存储器的性能得到极大的改善。
3、本发明的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，由于导电丝的温度电场下可以达到非常高，可以完成对VOx材料层的退火过程，这样可以适用于三维存储器，不需要500℃的高温过程，可以与CMOS后端制备工艺相兼容。
附图说明
图1是本发明实施例的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法的流程示意图之一；
图2是本发明实施例的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法的流程示意图之二；
图3是本发明实施例的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法的流程示意图之三；
图4是本发明实施例的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法的流程示意图之四；
图5是按本发明实施例的制备方法制得的选通管简化结构的剖面示意图；
图6是在对制得的选通管器件施加激励后在由银扩散进入硫系材料层中产生了导电丝，对VOx材料层进行局部加热而使部分VOx材料发生由绝缘态到金属态的转化，从而使选通管导通的示意图；
图7是本发明实施例的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法的总流程图。
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。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
作为本发明的一种较佳实施方式，如图1-4、7所示，本发明提供一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，包括如下步骤：
S1、提供一半导体衬底100。
S2、在所述半导体衬底100上沉积一层第一金属电极层101。
在步骤S2中，通过磁控溅射制备所述第一金属电极层101。该第一金属电极层101制备在半导体衬底100上，该第一金属电极层101的厚度为100-500nm，该第一金属电极层101的材料选择为：Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中的任意一种或任意组合。
S3、在所述第一金属电极层101制备电热绝缘层102。
S4、对所述电热绝缘层102进行刻蚀，使所述第一金属电极层101部分暴露并形成小孔。
步骤S3-4中，该电热绝缘层102制备于底电极上，该电热绝缘层102的材料是：氮化物，氧化物或其它电绝缘材料中的任意一种或两种以上的材料的混合物，该电热绝缘层102的厚度为100-200nm，该电热绝缘层102中间有一个或多个小孔，小孔的底部为第一金属电极层。
在步骤S4中，在所述电热绝缘层102上利用微纳加工技术制备出所述小孔。
S5、向所述小孔中依次填充银导电介质层103、硫系材料层104和VOx材料层105，银导电介质层、硫系材料层和VOx材料层三者共同构成选通管开关层。
在步骤S5中，所述银导电介质层103形成于所述电热绝缘层102包裹的所述小孔中，所述银导电介质层103的底部形成于第一金属电极层的顶部，该银导电介质层的厚度为2-10nm。
在步骤S5中，该硫系材料层104位于所述电热绝缘层102所包围的小孔中，该硫系材料层104形成于所述银导电介质层103上，该硫系材料层104的厚度为10-50nm，该硫系材料层104是在电流或电压激励下可以形成导电丝的材料，该材料可以选择：GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、InSe、GeSbTe、AgInSbTe中的任意一种或任意组合，或者再掺入S、N、O、Cu、Si、Au中至少一种元素形成的混合物。
在步骤S5中，在向所述小孔中填充VOx材料50-200nm的厚度之后，通过退火处理使x的值稳定在1.9～2.1之间，形成所述VOx材料层105。所述VOx材料层105的面积大小为100nm2～30μm2。所述VOx材料层105中VOx材料的绝缘态电阻大于金属态电阻，所述绝缘态电阻与金属态电阻的比值大于100。
S6、在所述电热绝缘层102和所述选通管开关层上制备第二金属电极层106。
在步骤S6中，在所述电热绝缘层102的表面上进行光刻，然后在所述电热绝缘层102和所述选通管开关层上制备一层第二金属电极层106，经过剥离，得到每个小孔的顶电极。该第二金属电极层106制备于电热绝缘层102上，该第二金属电极层106的底部形成于选通管开关层顶部，该第二金属电极层106的厚度为100-500nm；所述第二金属电极层106的材料与所述第一金属电极层101的材料相同，选择为：Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中的任意一种或任意组合；所述第二金属电极层106的材料与所述第一金属电极层101的材料也可以不相同。
按本发明具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法制得的选通管的简化结构如图5所示。
如图6所示，硫系材料和银导电介质层的主要作用是，在向选通管施加电压或电流激励的时候，使银扩散进入硫系材料中，从而可以在所述硫系材料层104中形成导电丝107，这样会使电流只流过导电丝107并抑制其它区域的电流，由于导电丝很细，可以局部加热所述VOx材料层105，使部分VOx材料发生绝缘态到金属态的转化（见图6中VOx材料层中发生由绝缘态转化为金属态的部分区域108处），从而使选通管导通，这样可以使选通管的阈值电压或阈值电流显著降低，而且可以增大选通管的关态电阻，从而显著提高器件的开关比，并更好的抑制器件的漏电流。
下面以具体实例进行说明，本发明的具有新型材料与结构的选通管的制备方法，包括如下步骤：
S1：在晶相为<100>、表面有一层二氧化硅的硅衬底上通过磁控溅射制备一层底电极，底电极厚度为100nm，底电极材料为铂；
S2：在底电极上制备一层电热绝缘层，电热绝缘层的厚度为100nm，材料为SiO2；
S3：在电热绝缘层上利用微纳加工技术制备出小孔，孔径为50nm，深度为100nm；
S4：向小孔中填入一层银导电介质层，厚度为2nm；
S5：向小孔中填入GeSbTe材料，其厚度为10nm；
S6：向小孔中填入VOx，其厚度为50nm，并通过退火处理使x的值稳定在1.9～2.1之间。
S7：在所述电热绝缘层的表面进行光刻，然后在所述电热绝缘层表面制备一层顶电极，经过剥离得到各个小孔相应的顶电极，顶电极材料为铂，厚度为100nm。
综上所述，本发明提出了一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，由于向选通管施加电压或者电流激励的时候，会使银扩散进入硫系材料中，从而在硫系材料层中产生导电丝，这样电流会只流过导电丝，由于电流的热效应，可以对VOx材料层进行局部加热，从而使部分的VOx材料发生由绝缘态到金属态的转化，即可以使选通管导通，可以显著降低选通管器件的阈值电压或阈值电流。本发明的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，可以提高器件的关态电阻，并提高器件的开关比，所以在应用于相变存储器阵列中时，可以提高存储器的集成密度，并更好的抑制未选通单元的漏电流，使存储器的性能得到极大的改善。本发明的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，由于导电丝的温度电场下可以达到非常高，可以完成对VOx材料层的退火过程，这样可以适用于三维存储器，不需要500℃的高温过程，可以与CMOS后端制备工艺相兼容。
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 (10)
1.一种具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、提供一半导体衬底(100)；
S2、在所述半导体衬底(100)上沉积一层第一金属电极层(101)；
S3、在所述第一金属电极层(101)制备电热绝缘层(102)；
S4、对所述电热绝缘层(102)进行刻蚀，使所述第一金属电极层(101)部分暴露并形成小孔；
S5、向所述小孔中依次填充银导电介质层(103)、硫系材料层(104)和VOx材料层(105)，该硫系材料层(104)是在电流或电压激励下可以形成导电丝(107)的材料，三者共同构成选通管开关层；
S6、在所述电热绝缘层(102)和所述选通管开关层上制备第二金属电极层(106)；
其中，向选通管施加电压或者电流激励，使银扩散进入硫系材料中，在硫系材料层中产生导电丝，使得电流只流过导电丝，由于电流的热效应，对VOx材料层进行局部加热，使部分的VOx材料发生由绝缘态到金属态的转化，使选通管导通，降低选通管器件的阈值电压或阈值电流。
2.如权利要求1所述的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于：
在步骤S2中，通过磁控溅射制备所述第一金属电极层(101)。
3.如权利要求1所述的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于：
在步骤S4中，在所述电热绝缘层(102)上利用微纳加工技术制备出所述小孔。
4.如权利要求1所述的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于：
在步骤S5中，所述硫系材料层(104)中硫系材料选自GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、InSe、GeSbTe、AgInSbTe中的任意一种或任意组合。
5.如权利要求1所述的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于：
在步骤S5中，所述硫系材料层(104)中硫系材料是GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、InSe、GeSbTe、AgInSbTe中的任意一种或任意组合，并掺入S、N、O、Cu、Si、Au中至少一种元素形成的混合物。
6.如权利要求1所述的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于：
在步骤S5中，在向所述小孔中填充VOx材料预定厚度之后，通过退火处理使x的值稳定在1.9～2.1之间，形成所述VOx材料层(105)。
7.如权利要求1所述的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于：
在步骤S5中，所述VOx材料层(105)的面积大小为100nm2～30μm2。
8.如权利要求1所述的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于：
在步骤S5中，所述VOx材料层(105)中VOx材料的绝缘态电阻大于金属态电阻。
9.如权利要求8所述的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于：
在步骤S5中，所述绝缘态电阻与金属态电阻的比值大于100。
10.如权利要求1所述的具有新型结构与材料的VOx选通管的制备方法，其特征在于：
在步骤S6中，在所述电热绝缘层(102)的表面上进行光刻，然后在所述电热绝缘层(102)和所述选通管开关层上制备一层第二金属电极层(106)，经过剥离，得到每个小孔的顶电极。
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