CN111725395B - 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，本发明公开了一种选通管材料，该选通管材料为包括硫化锗(GeS)和碲化砷(As2Te3)的化合物；该选通管材料的化学通式为(GeS)1‑X(As2Te3)X，其中，X为化合物的占比，且0＜X≤0.5。本发明提供的选通管材料具有开启电压小的特点。
Description
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。要实现高密度存储，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串联一个选通单元。这就需要选通器件具备非线性特性，即外加电压达到阈值电压时，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。作为其选通单元，选通管的需要更高的器件寿命。
现有选通管器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。而一般常用GeS作为选通管材料，该材料具有高驱动力、低漏导以及快速开/关等优点，是一种很好的OTS选通管材料。但是其存在开启电压大的缺点。
发明内容
本发明要解决的是选通管材料开启电压大的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请公开了一种选通管材料，该选通管材料为包括硫化锗(GeS)和碲化砷(As2Te3)的化合物；
该选通管材料的化学通式为(GeS)1-X(As2Te3)X，其中，X为化合物的占比，且0＜X≤0.5。
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、第二电极层和上述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，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；
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。
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10纳米。
本申请在第三方面公开了一种上述选通管单元的制作方法，其包括以下步骤：
制备第二电极层；
在该第二电极层的表面制备该选通管材料层；
在该选通管材料层的形成该第二电极层。
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。
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：
本申请公开了选通管材料，该选通管材料为包括硫化锗(GeS)和碲化砷(As2Te3)的化合物；该选通管材料的化学通式为(GeS)1-X(As2Te3)X，其中，X为化合物的占比，且0＜X≤0.5。
而现有技术中的选通管材料硫化锗(GeS)，该材料虽然具有高驱动力、低漏导以及快速开/关等优点，是一种很好的OTS选通管材料。但是其存在开启电压大的缺点。而本申请提供的(GeS)1-X(As2Te3)X材料具有开启电压小，电压值波动小的优点。
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为本申请选通管单元的结构示意图；
图2为现有技术中硫化锗(GeS)材料制备的选通管单元的电压-电流曲线；
图3为本申请选通管单元的疲劳曲线示意图；
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。
本申请公开了一种选通管材料，该选通管材料为包括硫化锗(GeS)和碲化砷(As2Te3)的化合物；该选通管材料的化学通式为(GeS)1-X(As2Te3) X，其中，X为化合物的占比，且0＜X≤0.5。
而现有技术中的选通管材料硫化锗(GeS)，该材料虽然具有高驱动力、低漏导以及快速开或者关等优点，是一种很好的OTS选通管材料。但是其存在开启电压大的缺点。而本申请提供的(GeS)1-X(As2Te3)X材料具有开启电压小，电压值波动小的优点。
且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，在一种可选地实施方式中，从高阻态到低阻态或者从低阻态到高阻态的瞬时转变时间为0.01纳秒～1纳秒。
在一种可选地实施方式中，该选通管材料为双向阈值2开关型选通材料。
本申请在第二方面公开了一种选通管单元，包括第一电极层2、第二电极层3和上述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≥10-6A，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≤10-7A，选通管单元的循环次数大于或者等于103次；
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，在另一种可选地实施方式中，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)，该过渡层的厚度大于或者等于10纳米，能够使第一电极层2或者第二电机层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，制备第二电极层3；其次，在该第二电极层3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硫化锗(GeS)靶材和As2Te3共溅射形成。
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。
本申请提供的(GeS)1-X(As2Te3)X的选通管材料，该材料用于选通管单元时具有开通电流大、漏电流小、阈值电压小、器件稳定等优点，有助于实现高密度信息存储。
实施例1：
如图2所示，图2为现有技术中硫化锗(GeS)材料制备的选通管单元的电压-电流曲线；使用材料硫化锗(GeS)得到的厚度为20纳米的选通管材料层1，第二电极3为直径为190纳米的电极，第一电极2为铝电极，且第一电极2与选通管材料层1之间设有一个10纳米厚的氮化钛(TiN)过渡层。
如图2所示，当选通管单元上施加电压小于5V时，选通管单元处于关闭状态，漏电流小于10-10A；当选通管单元上施加电压超过阈值电压时，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10-2A；当选通管单元上施加的电压撤去时(即电压为0.5V)，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，选通管单元阈值电压较高，漏电流较小。
本申请提供的选通管材料通过磁控溅射工艺将硫化锗(GeS)和碲化砷 (As2Te3)靶材共溅射共溅射得到；
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190纳米，第二电极层3的材料为铝，厚度为190纳米，选通管材料层1的厚度20纳米。
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。
通过掺调节(GeS)1-X(As2Te3)X选通单元中的碲化砷(As2Te3)的含量能够得到阈值电压小且漏电流较小的选通单元。
实施例2：
本申请提供的通管材料通过磁控溅射工艺将GeS靶材与As2Te3靶材共溅射共溅射得到；
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190纳米，第二电极层3的材料为铝，厚度为190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；过渡层的材料包括氮化钛(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。
如图3所示，图3为本申请选通管单元的疲劳曲线示意图；黑色实心圆圈表示开通电流，空心圆圈表示漏电流，横坐标为该选通单元在疲劳实验中的循环次数，当循环次数增加到一定数值，此数值下的选通管单元的电性能发生较大波动时，该数值为该选通管单元的循环寿命。可知，由于 (GeS)1-X(As2Te3)X材料阈值电压明显降低，所需外界施加的激励脉冲的幅值比GeS选通器件小，器件的循环寿命增加。
综上所述，本申请提供的选通管材料制作的选通管单元具有开启电压大，电压值波动小、开通电流大和漏电流小的优点；且用本申请提供的选通管单元制作的存储器还具有器件稳定性好和存储密度大的优点。
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 (9)
1.一种选通管材料，其特征在于，所述选通管材料为包括硫化锗(GeS)和碲化砷(As2Te3)的化合物；
所述选通管材料的化学通式为(GeS)1-X(As2Te3)X，其中，X为化合物的占比，且0＜X≤0.5；
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。
2.一种选通管单元，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所述选通管材料形成的选通管材料层(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 )。
3.根据权利要求2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。
4.根据权利要求2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。
5.根据权利要求2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。
6.根据权利要求5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10纳米。
7.一种如权利要求4～6任一项所述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的形成所述第二电极层(3)。
8.根据权利要求7所述的选通管单元，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)。
9.根据权利要求7所述的选通管单元，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二电极层(3)。
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