CN111129070A - 一种选通管材料、选通管单元以及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微纳米电子技术领域，本申请公开了一种选通管材料，该选通管材料为包括锗(Ge)、硒(Se)和硫(S)三种元素的化合物；该选通管材料的化学通式为GeSexS1‑x，其中，X为元素的原子占比，且0.01≤X≤0.99。本发明提供的选通管材料具有开通电流大和漏电流小的特点。

Description

一种选通管材料、选通管单元以及其制作方法
技术领域
本发明涉及微纳米电子技术领域，特别涉及一种选通管材料、选通管单元以及其制作方法。
背景技术
随着计算机的普及和大数据时代的到来，存储器在半导体市场占据了重要地位。存储器需要向更高集成度，更高速度发展；为了应对存储器发展的瓶颈，各种新型存储器应运而生，如相变存储器、阻变存储器、磁存储器、铁电存储器等；然而要实现海量存储，就必须采用交叉型存储阵列，而读写串扰是这种存储阵列所面临的最大的问题。
目前最有效的解决途径是在每个存储单元上增加一个选通单元。这就需要选通器件具备非线性特性，即在施加电压到阈值电压时，选通管会产生一个很大的开通电流Ion用于驱动与之相连的存储单元；而在1/2阈值电压时，选通管处于关闭状态，漏电流Ioff很小，选通比(Ion/Ioff)的范围要求为10～1010。同时，由于相变存储器需要MA/cm2的操作电流，因而选通管需要能提供大于或者等于MA/cm2的开通电流。
现有选通管可以分成双向阈值开关(Ovonic Threshold Switching，OTS)、导电桥阈值开关(Conductive Bridge Threshold Switching)、金属-绝缘体转变(Metal-Insulator Transition)等几种类型。而现有的这些器件的材料组分复杂、毒性大、开通电流Ion小、漏电流Ioff大和选通比(Ion/Ioff)小等缺点。
发明内容
本发明要解决的是选通管材料开通电流小和漏电流大的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请在第一方面公开了一种选通管材料，该选通管材料为包括锗(Ge)、硒(Se)和硫(S)三种元素的化合物；
该选通管材料的化学通式为GeSexS1-x，其中，X为元素的原子百分比，且0.01≤X≤0.99。
可选地，在该GeSexS1-x中，0.5≤X≤0.99。
可选地，该选通管材料在电信号的操作下能够实现高阻态到低阻态的瞬时转变，且在撤去电信号时瞬时返回高阻态。
本申请在第二方面公开了一种选通管单元，其包括第一电极层、第二电极层和利用上述的选通管材料形成的选通管材料层；
该选通管材料层的顶部设有该第一电极层，该选通管材料层的底部设有该第二电极层。
可选地，该第一电极层包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)和钨(W)中的一种或者多种；
和/或；
该第二电极层包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)和钨(W)中的一种或者多种。
可选地，该选通管材料层的厚度为2纳米～100纳米。
可选地，还包括过渡层；
该过渡层设于该选通管材料层与该第一电极层之间，或，该过渡层设于该选通管材料层与该第二电极层之间。
可选地，该过渡层的厚度为大于或者等于1纳米。
本申请在第三方面公开了一种上述的选通管单元的制作方法，其包括以下步骤：
制备第一电极层；
在该第一电极层的表面制备该选通管材料层；
在该选通管材料层的表面形成该第二电极层。
可选地，通过溅射法、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在该选通管材料层上形成该第一电极层；
和/或；
通过溅射法、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在该选通管材料层上形成该第二电极层。
采用上述技术方案，本申请提供的选通管材料具有如下有益效果：
本申请提供的选通管材料，该选通管材料为包括锗(Ge)、硒(Se)和硫(S)三种元素的化合物；该选通管材料的化学通式为GeSexS1-x，其中，X为元素的原子百分比，且0.01≤X≤0.99。
上述选通管材料具有组分简单、材料毒性小、开通电流大、漏电流小和选通比大的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请选通单元的结构示意图；
图2为本申请一种可选地实施方式中选通管单元的电压-电流图；
图3为本申请另一种可选地实施方式中选通管单元的电压-电流图；
以下对附图作补充说明：
1-选通管材料层；2-第一电极层；3-第二电极层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请在第一方面提供了一种选通管材料，该选通管材料为包括锗(Ge)、硒(Se)和硫(S)三种元素的化合物；该选通管材料的化学通式为GeSexS1-x，其中，X为元素的原子占比，且0.01≤X≤0.99。
上述选通管材料具有组分简单、材料毒性小、开通电流大、漏电流小和选通比大的特点。
在一种可选地实施方式中，在该GeSexS1-x中，0.5≤X≤0.99；该选通管材料在电信号的操作下能够实现高阻态到低阻态的瞬时转变，且在撤去电信号时瞬时返回高阻态。
本申请在第二方面公开了一种选通管单元，其包括第一电极层2、第二电极层3和上述的选通管材料形成的选通管材料层1；
该选通管材料层1的顶部设有该第一电极层2，该选通管材料层1的底部设有该第二电极层3。
选通管材料的开通电流/漏电流(即选通比)为101、102、103、104、105、106、107、或者108等。
在一种可选地实施方式中，上述选通管单元的开通电流Ion≥10-6安，选通管单元的选通比大于或者等于103，选通管单元的漏电流，也就是关闭电流Ioff≤10-7安，选通管单元的循环次数可以大于等于103次；在另一种可选地实施方式中，选通管单元的开通电流Ion≥10-3安，选通管单元的选通比大于或者等于105，选通管单元的漏电流Ioff≤10-9安，具有较高的开通电流和较低的漏电流，在存储器中能够提高存储器材料的稳定性。
在一种可选地实施方式中，选通管材料为双向阈值2开关型选通材料。
在一种可选地实施方式中，该第一电极层2包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)和钨(W)中的一种或者多种；
在另一种可选地实施方式中，该第二电极层3包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)和钨(W)中的一种或者多种。
在一种可选地实施方式中，该选通管材料层1的厚度为2纳米～100纳米。
在一种可选地实施方式中，该选通管材料层1与该第一电极层2之间设有过渡层，或者，该选通管材料层1与该第二电极层3之间设有过渡层，具体地，过渡层的材料包括氮化钛(TiN)，该过渡层的厚度为大于或者等于1纳米，能够使第一电极层2或者第二电极层3更好地粘附在选通管材料层1，保证良好的电性能。
本申请在第三方面公开了一种上述的选通管单元的制作方法，其包括以下步骤：首先，制备第一电极层2；其次，在该第一电极层2的表面制备该选通管材料层1；最后，在该选通管材料层1的表面形成该第二电极层3。
选通管材料层1可以通过磁控溅射工艺将硒化锗(GeSe)靶材和硫化锗(GeS)靶材共溅射形成，也可以直接使用上述选通管材料靶材进行溅射形成。
该第一电极层2可以通过溅射法、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在该选通管材料层1上形成；
第二电极层3可以通过溅射法、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在该选通管材料层1上形成。
实施例1
选通管材料为Ge0.5Se0.38S0.12，即该选通管材料的锗(Ge)、硒(Se)和硫(S)原子比为25:19:6，该选通管材料通过磁控溅射工艺将硒化锗(GeSe)靶材与硫化锗(GeS)靶材共溅射得到；
本申请公开的选通管单元包括第一电极层2、第二电极层3和选通管材料层1，其中，选通管材料层1由上述选通管材料溅射得到，第一电极2位于选通管材料层1的上表面；第二电极3位于选通管材料层1的下表面；
第一电极层2的材料为铝，厚度为210纳米，第二电极层3的材料为钨，直径为190纳米，厚度为500纳米，选通管材料层1的厚度20纳米。
在一种可选地实施方式中，在选通管材料层1的上表面设有过渡层，第一电极2位于过渡层的上表面；过渡层的材料可以包括但不仅限于氮化钛(TiN)，过渡层用于增加第一电极2与选通管材料层1之间的黏附力。过渡层的厚度可以根据实际需要进行设定，具体地，过渡层的厚度为10纳米；当然，第一电极2与选通管材料层1之间未设有过渡层时，第一电极2可以直接形成于选通管材料层1的上表面。
在另一种可选地实施方式中，在选通管材料层1的下表面设有过渡层，第二电极3位于过渡层的下表面；过渡层的材料可以包括但不仅限于氮化钛(TiN)，过渡层用于增加第二电极3与选通管材料层1之间的黏附力。过渡层的厚度可以根据实际需要进行设定，具体地，过渡层的厚度为10纳米；当然，第二电极3与选通管材料层1之间未设有过渡层时，第二电极3可以直接形成于选通管材料层1的下表面。
上述第一电极层2通过磁控溅射形成，当然也可使用蒸发法、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方法形成。
上述第二电极层3通过磁控溅射形成，当然也可使用蒸发法、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方法形成。
如图2所示，图2为本申请一种可选地实施方式中选通管单元的电压-电流图；图2为将上述选通管单元通过探针台重复测试四次后得到曲线，由图2可知，当选通管单元上施加电压小于1.6伏时，选通管单元处于关闭状态，通过选通管单元的电流很小，小于10-7安；当选通管单元上施加电压超过阈值电压1.7伏～2伏时，选通管单元被瞬间打开，通过选通管单元的电流急剧增加到10-2安；当选通管单元上施加的电压撤去时，选通管单元又瞬间被关闭，通过选通管单元的电流急剧减小，变为高阻态。
由图2可知，选通管单元重复测试多次，每次得到的电压-电流曲线具有一致的性能，从而说明选通管单元的重复性非常好。
实施例2
选通管材料为GeSe0.5S0.5，即该选通管材料的锗(Ge)、硒(Se)和硫(S)原子比为2:1:1，该选通管材料通过磁控溅射工艺将硒化锗(GeSe)靶材与硫化锗(GeS)靶材共溅射得到；
本申请提供公开的选通管单元包括第一电极层2、第二电极层3和选通管材料层1，其中，选通管材料层1由上述选通管材料溅射得到，第一电极2位于选通管材料层1的上表面；第二电极3位于选通管材料层1的下表面；
第一电极层2的材料为铝，厚度为210纳米，第二电极层3的材料为钨，直径为190纳米，厚度为500纳米，选通管材料层1的厚度20纳米。
且在选通管材料层1的上表面设有过渡层，第一电极2位于过渡层的上表面；过渡层的材料可以包括但不仅限于氮化钛(TiN)，过渡层用于增加第一电极2与选通管材料层1之间的黏附力。过渡层的厚度为10纳米；
上述第一电极层2采用磁控溅射、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方法形成。
上述第二电极层3采用磁控溅射、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方法形成。
由图3可知，该示例中的选通管单元的正向阈值电压在2伏左右，漏电流为1纳安，开通电流为10毫安，其选通比大于107。与实施例1中的选通管单元相比，可知，随着选通管材料GeSexS1-x中硫(S)含量的增加，该选通管单元的漏电流减小、漏电流的波动变小、且重复性能更好。
由图3可知，该选通管单元的负向阈值电压在-5伏～-6伏之间，漏电流为1纳安，开通电流为10毫安，选通比大于107，即该选通管材料具有双向选通的特性，是一种双向阈值2开关型的选通材料。
以上仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种选通管材料，其特征在于，所述选通管材料为包括锗(Ge)、硒(Se)和硫(S)三种元素的化合物；
所述选通管材料的化学通式为GeSexS1-x，其中，X为元素的原子占比，且0.01≤X≤0.99。
2.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于，在所述GeSexS1-x中，0.5≤X≤0.99。
3.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于，所述选通管材料在电信号的操作下能够实现高阻态到低阻态的瞬时转变，且在撤去电信号时瞬时返回高阻态。
4.一种选通管单元，其特征在于，包括第一电极层(2)、第二电极层(3)和利用权利要求1～3任一项所述的选通管材料制作的选通管材料层(1)；
所述选通管材料层(1)的顶部设有所述第一电极层(2)，所述选通管材料层(1)的底部设有所述第二电极层(3)。
5.根据权利要求4所述的选通管单元，其特征在于，所述第一电极层(2)包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)和钨(W)中的一种或者多种；
和/或；
所述第二电极层(3)包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)和钨(W)中的一种或者多种。
6.根据权利要求4所述的选通管单元，其特征在于，所述选通管材料层(1)的厚度为2纳米～100纳米。
7.根据权利要求4所述的选通管单元，其特征在于，还包括过渡层；
所述过渡层设于所述选通管材料层(1)与所述第一电极层(2)之间，或，所述过渡层设于所述选通管材料层(1)与所述第二电极层(3)之间。
8.根据权利要求7所述的选通管单元，其特征在于，所述过渡层的厚度为大于或者等于1纳米。
9.一种如权利要求4～8任一项所述的选通管单元的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备第一电极层(2)；
在所述第一电极层(2)的表面制备所述选通管材料层(1)；
在所述选通管材料层(1)的表面形成所述第二电极层(3)。
10.根据权利要求9所述的选通管单元的制作方法，其特征在于，
通过溅射法、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在所述选通管材料层上形成所述第一电极层(2)；
和/或；
通过溅射法、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在所述选通管材料层上形成所述第二电极层(3)。
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