CN111725399A - 一种基于氧族化合物薄膜的选通器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氧族化合物薄膜的选通器及其制备方法。本发明通过在制备过程中调控氧族元素(包括O、S、Se、Te等)在化合物薄膜中的化学计量比，实现对于选通器工作电流上限的调控，可以根据不同的需求制备出符合要求的选通器，更有利于其在高密度集成和神经计算电路中的应用。
Description
技术领域
本发明属于信息电子材料领域，具体涉及一种基于氧族化合物薄膜的选通器及其制备方法。
背景技术
存储器作为一种集数据存储和数据处理为一身的半导体器件，在半导体市场中一直占据着举足轻重的地位。作为下一代新型的非易失性存储器，包括相变随机存储器、铁电随机存储器、磁阻随机存储器和阻变随机存储器，在基于交叉阵列结构进行高密度集成的过程中必须解决串扰电流问题。目前，串扰电流最有效的解决方案就是将存储单元与选通器串联起来形成1S1R结构再进行阵列集成。选通器的基本原理是：利用电信号控制选通器的开关，施加高于阈值电压的偏压时，选通器打开，由高阻态变为低阻态；撤去外加偏压时，选通器关闭，自主从低阻态回到高阻态。近年来，基于金属阳离子迁移的选通器与阻变存储器结构与机理类似，兼具制备方法简单、与CMOS工艺兼容等众多优势，成为学界和业界的研究热点。
从目前的研究现状来看，选通器领域的发展方向是高选择性(或开关比)、高于存储器的工作电流、低漏电流、低阈值电压、快响应速度、高寿命、高均一性的方向发展。其中，选通器的核心指标是工作电流，其工作电流必须高于所串联存储器的工作电流，且需要根据所串联器件的不同进行调整。同时，调节这种选通器件的工作电流可以将器件的应用范围扩展到其他领域，包括人工突触与神经元模拟电路、随机数发生器等等。因此，如何通过器件设计制备出工作电流可调的选通器是其面向阵列化及其他应用的重要课题。
发明内容
针对现有背景，本发明的目的在于提供一种基于氧族化合物薄膜的选通器及其制备方法，能够获得各项指标均优异且工作电流可调的选通器。
本发明提供的选通器，其结构由下至上依次包括基片、底电极、选通功能层和顶电极；
所述选通功能层为不同化学计量比的氧族化合物薄膜。
上述选通器中，所述衬底为商用Pt(～120nm)/Ti(～15nm)/SiO2/Si基片或Si基片。
所述底电极和顶电极均选自活性金属中的任意一种；具体选自Ag和Cu中任意一种；
所述氧族化合物薄膜中，所述氧族化合物选自氧化物、硫化物、硒化物和碲化物中至少一种；
更具体的，所述氧化物选自氧化钽、氧化铪和氧化锌中至少一种；
所述硫化物选自硫化铪、硫化锌和硫化银中至少一种；
所述硒化物选自硒化锑和硒化锗中至少一种；
所述碲化物选自碲化锌、碲化锗中至少一种。
所述基片的厚度为200-800μm；
所述底电极的厚度为5～100nm；具体为10nm；
所述选通功能层的厚度为5-60nm；具体为10-30nm；
所述顶电极的厚度为5～100nm；具体为50nm。
本发明还要求保护一种调控所述选通器的工作电流(或工作电流的上限)的方法，该方法包括：在按照所述方法制备选通器时，通过控制所述氧族化合物中氧族元素与金属元素的化学计量比，以调控所述选通器的工作电流(或工作电流的上限)。
上述方法中，所述控制所述氧族化合物中氧族元素与金属元素的化学计量比的方法选自调节制备方法所用气氛、采用不同化学计量比的靶材和调节共溅射靶材的溅射功率中至少一种。
所述制备方法所用气氛为氩气气氛或由氩气和氧气组成的混合气氛；所述由氩气和氧气组成的混合气氛中，氩气和氧气的体积比为1-2:1；
所述靶材为硒化锗陶瓷靶材；所述硒化锗陶瓷靶材中，Ge：Se为1：1-4、1：2或1：4。
本发明提供的制备所述选通器的方法，包括：
在所述基片上光刻得到所述选通器的图案后，依次沉积所述底电极、所述选通功能层和所述顶电极，得到所述选通器。
上述方法所述光刻步骤中，光刻的方法为紫外曝光或电子束曝光；
制备所述底电极和顶电极的方法为直流磁控溅射；
所述直流磁控溅射的具体条件如下：本底真空度优于10-4Pa，使用纯金属靶材(Ag、Cu)，工作氛围是纯氩气气氛，溅射气压约为0.35Pa，溅射功率5-50W；具体可为20-25W；溅射时间可为3-5min；工作电流可为0.05A-0.1A；具体可为0.08A，工作电压为300-350V；具体可为320V；
制备所述选通功能层的方法为射频磁控溅射。
所述射频磁控溅射的具体条件如下：本底真空度优于10-4Pa，使用纯金属(Ta、Hf等)或陶瓷靶材(TaOx、HfOx等)，工作氛围是纯氩气气氛或者氩气与氧气的混合气氛，溅射气压约为0.35Pa，溅射功率50-200W；具体可为90W；溅射时间可为4min；
所述方法还包括：在所述光刻之前在所述基片上涂覆光刻胶，并在所述沉积所述顶电极后剥离所述光刻胶的步骤。
另外，上述本发明提供的选通器在存储中的应用及在制备存储器中的应用，也属于本发明的保护范围。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在制备过程中调控氧族元素(包括O、S、Se、Te等)在化合物薄膜中的化学计量比，实现对于选通器工作电流上限的调控，可以根据不同的需求制备出符合要求的选通器，更有利于其在高密度集成和神经计算电路中的应用。
附图说明
图1为本发明的基于氧化物多层薄膜的选通器器件的结构示意图，其中，1-基片，2-底电极，3-选通功能层，4-顶电极。
图2为实施例1制备的1号选通器器件的I－V特性曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。下述实施例中，所用基片均为商用Pt(～120nm)/Ti(～15nm)/SiO2/Si基片或Si基片，厚度为200-800μm。
实施例1、制备工作电流可调的Ag/TaOx/Ag结构的选通器
将基片用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗4－8分钟，然后在用氮气吹干，在上述基片上利用紫外曝光机光刻出器件图形，打底胶放入磁控溅射镀膜机真空室；
本底真空度抽至1×10-4Pa以下后，开始镀膜。
构成底电极的Ag采用直流磁控溅射银靶进行沉积而得；具体条件为纯氩气气氛下，溅射气压为0.35Pa，工作电流0.08A，工作电压320V，溅射功率为25W，溅射时间3min；构成顶电极的Ag采用相同方法，在得到选通功能层后进行沉积而得；
1-3号样品的选通功能层TaOx均采用射频磁控溅射同一块氧化钽(靶材中TaOx的X＝2.5)陶瓷靶进行沉积，具体条件为在不同气氛下，溅射气压为0.35Pa，溅射功率为90W，溅射时间4min；
1号样品在纯Ar气氛下溅射；
2号样品在Ar:O2(体积比)＝2:1的气氛下溅射；
3号样品在Ar:O2(体积比)＝1:1的气氛下溅射；
1-3号样品的总气压保持相同。
经测试，1号样品中TaOx中1.8<x<2.0，2号样品2.0<x<2.2，2号样品2.2<x<2.5。
所制备的多层膜界面清晰平整。
该实施例所得选通器如图1所示，
所述底电极2的厚度为10nm；
所述选通功能层3的厚度为30nm；
所述顶电极4的厚度为50nm。
镀膜完成后，关闭电源，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入氮气至真空室内压力为大气压，开腔取出样品，进行剥离得到选通器器件，器件剖面图示意图如图1所示。
从底电极和顶电极(均为Ag)各引出两根导线进行电阻变化的测试。由图可知，1号样品工作电流最高为10μA，2号样品工作电流最高为100μA，3号样品共工作电流最高为1mA。1号样品测试结果见图2。由图可知，1号样品在限制电流为100nA、1μA、10μA均可以工作，限制电流达到100μA时发生非易失性的阻变现象，选通器失效，因此它的最高工作电流为10μA。
实施例2、制备工作电流可调的Cu/GeSex/Cu结构的选通器
将基片用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗4－8分钟，然后在用氮气吹干，在上述基片上利用紫外曝光机光刻出器件图形，打底胶放入磁控溅射镀膜机真空室；
本底真空度抽至1×10-4Pa以下后，开始镀膜。
Cu采用直流磁控溅射银靶进行沉积；具体条件为纯氩气气氛下，工作气压0.35Pa，工作电流0.08A，工作电压320V，溅射功率为20W，溅射时间5min；构成顶电极的Cu采用相同方法，在得到选通功能层后进行沉积而得；
1-3号样品的选通功能层GeSex采用射频磁控溅射不同Ge：Se化学计量比(也即GeSex：x为1、2或4)的硒化锗陶瓷靶进行沉积，具体条件为在不同气氛下，工作气压为0.35Pa，溅射功率为90W，溅射时间4min；
1号样品采用GeSex(x＝1)的靶材在纯Ar气气氛下溅射；
2号样品采用GeSex(x＝2)的靶材在纯Ar气气氛下溅射；
3号样品采用GeSex(x＝4)的靶材在纯Ar气气氛下溅射；
Ar气压保持相同。
所制备的多层膜界面清晰平整。
镀膜完成后，关闭电源，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入氮气至真空室内压力为大气压，开腔取出样品，进行剥离得到选通器器件，器件剖面图示意图如图1所示。
该实施例所得选通器中，
所述底电极的厚度为10nm；
所述选通功能层的厚度为10nm；
所述顶电极的厚度为50nm。
从底电极和顶电极各引出两根导线进行电阻变化的测试。1号样品工作电流最高为10μA，2号样品工作电流最高为100μA，3号样品共工作电流最高为1mA。
图2可以看出，制备出的选通器在直流电压扫描中呈现出稳定的双向选通特性曲线，在10μA及以下的不同的限制电流下均可正常工作，限制电流超过10μA(如100μA)时，选通器会发生非易失的阻变现象而失效。我们将10μA称为该选通器器件的工作电流上限。本应用通过在制备过程中调控氧族化合物中氧族元素的化学计量比实现了选通器工作电流上限的调控，因而应用本发明的技术改良后的选通器可根据实际需求进行制备，更适用于实际应用。
Claims (10)
1.一种选通器，其特征在于：该选通器的结构由下至上依次包括基片、底电极、选通功能层和顶电极；
所述选通功能层为氧族化合物薄膜。
2.根据权利要求1所述的选通器，其特征在于：所述基片为商用Pt(～120nm)/Ti(～15nm)/SiO2/Si基片或Si基片。
3.根据权利要求1或2所述的选通器，其特征在于：所述底电极和顶电极均选自活性金属中的任意一种；具体选自Ag和Cu中任意一种；
所述氧族化合物薄膜中，所述氧族化合物选自氧化物、硫化物、硒化物和碲化物中至少一种；
更具体的，所述氧化物选自氧化钽、氧化铪和氧化锌中至少一种；
所述硫化物选自硫化铪、硫化锌和硫化银中至少一种；
所述硒化物选自硒化锑和硒化锗中至少一种；
所述碲化物选自碲化锌、碲化锗中至少一种。
4.根据权利要求1-3中任一所述的选通器，其特征在于：所述衬底的厚度为0～200nm；
所述底电极的厚度为5～100nm；
所述选通功能层的厚度为5-60nm；
所述顶电极的厚度为5～100nm。
5.一种调控权利要求1-4任一所述选通器的工作电流的方法，包括：在按照权利要求7-9任一所述方法制备选通器时，通过控制所述氧族化合物中氧族元素与金属元素的化学计量比，以调控所述选通器的工作电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述控制所述氧族化合物中氧族元素与金属元素的化学计量比的方法选自调节制备方法所用气氛、采用不同化学计量比的靶材和调节共溅射靶材的溅射功率中至少一种。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述制备方法所用气氛为氩气气氛或由氩气和氧气组成的混合气氛；所述由氩气和氧气组成的混合气氛中，氩气和氧气的体积比为1-2:1；
所述靶材为硒化锗陶瓷靶材；所述硒化锗陶瓷靶材中，Ge：Se为1：1-4、1：2或1：4。
8.一种制备权利要求1-4任一所述选通器的方法，包括：
在所述基片上光刻得到所述选通器的图案后，依次沉积所述底电极、所述选通功能层和所述顶电极，得到所述选通器。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述光刻步骤中，光刻的方法为紫外曝光或电子束曝光；
制备所述底电极和顶电极的方法为直流磁控溅射；
制备所述选通功能层的方法为射频磁控溅射。
10.权利要求1-4任一所述选通器在存储中的应用；
权利要求1-4任一所述选通器在制备存储器中的应用。
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