CN113078625A - 一种基于硫系化合物的浪涌保护阵列及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于硫系化合物的浪涌保护阵列及制备方法，属于半导体技术领域。该述浪涌保护阵列包括：PN二极管、下电极、下加热电极、硫系化合物层、上电极、衬底和绝热材料层；PN二极管呈栓状，等间距阵列式排布在硅衬底上；下电极位于PN二极管之上；下加热电极位于下电极之上；硫系化合物层位于下加热电极之上；上电极位于硫系化合物层之上；上电极呈条状等间距排布，且与硫系化合物层相互垂直。硫系化合物层上部与上电极构成电性连接；硫系化合物层下部通过下加热电极与下电极构成电性连接。本发明利用硫系化合物所特有的阈值导通特性实现过电压保护，是一种过压保护响应速度极快，抑制过压能力极强的浪涌保护阵列。

Description

一种基于硫系化合物的浪涌保护阵列及制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种用于电路中的基于硫系化合物的过电压浪涌保护阵列及其制备方法。
背景技术
如今，电子设备在计算机、通信、航空航天以及家电等领域得到了广泛应用。为适用电子设备应用环境的精密化需求，对其电源性能提出了更高的要求。然而，雷电、静电或开关电路等引起的瞬间过电压会越来越频繁地通过电源、天线以及信号接收设备等线路侵入室内电气设备，造成设备或元器件损坏、传输或储存的数据受到干扰或丢失乃至人员伤亡，甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪、系统停顿，数据传输中断，局域网乃至广域网遭到破坏。浪涌保护器(Surge Protection Device，SPD)就是一种通过现代电学以及其他技术来防止过电压对设备造成危害的器件。
浪涌保护器作为电子设备雷击防护中不可缺少的一种器件，常称为“避雷器”或“过电压保护器”。浪涌保护器通常设置在电源进线端或各弱电系统引入端进线处，通过自身高低阻抗的变化，在极短的时间内导通分压，吸收窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压，使被保护的设备或系统电压处于可承受范围之内，防止因过电压造成的损坏。
常用的低电压浪涌保护装置如气体放电管、雪崩二极管、pnpn晶闸管等都属于半导体浪涌保护装置。一般的浪涌保护装置峰值电压值不能达到应用要求，且反应速度有限，不能使浪涌保护装置在使用时以极短的时间进行导通分压，从而导致过电压对回路中的设备造成损害。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于硫系化合物的浪涌保护阵列及其制备方法，应用于电路中起到过压保护的作用，大大提高过压保护响应速度和抑制过压能力。
为达到上述目的，本发明提供技术方案一：
一种基于硫系化合物的浪涌保护阵列，至少包括：PN二极管3、下电极4、下加热电极5、硫系化合物层6以及上电极7；
所述PN二极管3呈栓状，等间距阵列式排布；所述下电极4位于PN二极管3之上；所述下加热电极5位于下电极4之上；所述硫系化合物层6位于下加热电极5之上；所述上电极7位于硫系化合物层6之上；所述上电极7呈条状等间距排布，且与硫系化合物层6相互垂直。
所述浪涌保护阵列两端的电势差未超过阈值导通电压时，其上电极7与下电极4之间的通路处于关闭的状态；所述浪涌保护阵列两端的电势差超过阈值导通电压时，其上电极7与下电极4之间的通路处于导通的状态。
所述硫系化合物层6上部与上电极7构成电性连接；所述硫系化合物层6下部通过下加热电极5与下电极4构成电性连接。
可选的，所述硫系化合物层6为梯形棱柱结构，横向剖面为下窄上宽的梯形，纵向剖面图为正方形；梯形的上宽与高之比为3:2。
可选的，所述浪涌保护阵列还包括硅衬底和绝热材料层2；所述PN二极管3等间距阵列式排布在硅衬底上；所述绝热材料层2设置在硅衬底上表面以及PN二极管3与硫系化合物层6之间的内侧壁和外侧壁。
本发明提供技术方案二：
一种基于硫系化合物的浪涌保护阵列制备方法，具体包括以下步骤：
1)在N型硅衬底1上外延生长第一绝热材料层21，在第一绝热材料层21表面进行离子注入，退火形成掺杂的P型层；然后等间距刻蚀通道至硅衬底内部，通道内填充SiO2作为PN二极管3之间的隔离；
2)在步骤1)之后获得的结构上淀积第二绝热材料层22；在第二绝热材料层22表面等间距刻蚀凹槽至P型层，在该凹槽内淀积下电极材料，形成下电极4，然后进行化学机械抛光使其表面平坦化；
3)在步骤2)之后获得的结构上再淀积第三绝热材料层23，在所第三绝热材料层23表面等间距刻蚀沟道至下电极4，在该沟道内淀积下加热电极材料，形成下加热电极5，然后进行化学机械抛光使其表面平坦化；
4)在步骤3)之后获得的结构上继续沉积第四绝热材料层24，在第四绝热材料层24表面等间距刻蚀凹槽至下加热电极，在该凹槽内淀积硫系化合物层6，然后进行化学机械抛光使其表面平坦化；
5)在步骤4)之后获得的结构上淀积上电极材料，然后等间距刻蚀使其形成条状结构，即形成上电极7。
可选的，硫系化合物层6是通过采用磁控溅射方法制备得到的。
可选的，下电极4的材料为W、Ti、TiN或TiW中的一种。
可选的，硫系化合物层6的材料为锑Sb、碲Te两种元素的化合物，如Ge2Sb2Te5或Si2Sb2Te6；或以其为基础掺入Ga、Si、Ge、Sn元素中的一种或几种混合；且掺入元素的比例在10％-75％之间。
可选的，下加热电极5的材料为W或TiN。
可选的，绝热材料层的材料为SiO2或Si3N4。
可选的，上电极7的材料为Al或Cu。
本发明的有益效果在于：本发明提供的浪涌保护器件阵列，该器件利用硫系化合物的阈值导通特性来实现过压浪涌保护。阈值导通特性是指，所采用硫系化合物材料处于非晶态时，对材料施加相应电信号，在材料上电压达到和超过阈值电压时，材料电阻出现由高阻向低阻的突变，但材料不发生微观物相转变，此时器件开始进行导通分压；撤除电信号后材料恢复初始的非晶高阻态，从而实现过电压浪涌保护。本发明结构简单，是一种过压保护响应速度极快，抑制过压能力极强的浪涌保护阵列。
本发明针对硫系化合物所独有的阈值导通特性来实现对电路的过压保护，其工作原理与半导体浪涌保护器件完全不同，是一种新型的浪涌保护器件。当通过器件的电压达到或超过阈值电压时，硫系化合物的电阻会从高阻突变到低阻，响应速度为纳秒级。同时本发明器件的实现只需要在常规的CMOS工艺两层金属层中间添加一层硫系化合物薄膜即可完成基本构造，所需面积极小，阈值电压可调，且制造工艺与CMOS工艺兼容，大大降低了产品的成本。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例中浪涌保护阵列的结构示意图；
图2为本发明实施例中浪涌保护阵列结构的横向剖面示意图；
图3为本发明实施例中浪涌保护阵列结构的纵向剖面示意图；
图4为在硅衬底上形成PN二极管的横向剖面示意图；
图5为在绝热材料层上形成下电极的横向剖面示意图；
图6为在绝热材料层上形成下加热电极的横向剖面示意图；
图7为在绝热材料层上形成硫系化合物层的横向剖面示意图；
图8为淀积上电极材料的横向剖面示意图；
图9为刻出上电极的横向剖面示意图；
图10显示为典型硫系化合物阈值特性I-V曲线。
附图标记：1-N型硅衬底，2-绝热材料层，3-PN二极管，4-下电极，5-下加热电极，6-硫系化合物层，7-上电极；21-第一绝热材料层，22-第二绝热材料层，23-第三绝热材料层，24-第四绝热材料层。
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。需要说明的是，以下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，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图10，图1为本发明优选的一种浪涌保护阵列的结构示意图，图1中仅表示本发明的核心结构，该浪涌保护阵列至少包括：PN二极管3、下电极4、下加热电极5、硫系化合物层6以及上电极7。其中：
如图1所示，PN二极管3呈栓状，且等间距阵列式排布，所述下电极4排布在所述PN二极管3上。通常情况下，阵列可按n×m的方式排布，其中，n代表纵向排布下电极4的数量，m代表横向排布下电极4的数量，n、m均为大于或等于1的整数。在本实施例中，n＝4，m＝4。
此外，下电极4的材料可以为W、Ti、TiN或TiW中的一种。在本实施例中，下电极4的材料是W。
上电极7呈条状等间距排布，且与硫系化合物层6相互垂直。硫系化合物层6上部与上电极7构成电性连接；硫系化合物层6下部通过下加热电极5与下电极4构成电性连接。此外，上电极7的材料可以为Al或Cu，硫系化合物层6的材料可以为Ge2Sb2Te5或Si2Sb2Te6。在本实施例中，上电极7的材料是Al，硫系化合物层6的材料是Ge2Sb2Te5，下加热电极5的材料是TiN。
如图2和图3所示，在本实施例中，硫系化合物层6的横向剖面图为下窄上宽的梯形，其上宽与高之比为3:2的比例；硫系化合物层6的纵向剖面图为正方形。此外，本实施例的浪涌保护阵列还包括硅衬底和绝热材料层2。硅衬底1上设有PN二极管3；绝热材料层2设置在硅衬底上表面以及PN二极管3与硫系化合物层6之间的内侧壁和外侧壁。
另外，在本实施例中，下加热电极5与硫系化合物层6的接触面积较小，可以有效地提高硫系化合物层6的加热效率，大幅提高浪涌保护阵列的响应速度。
以下结合附图对本实施例浪涌保护阵列结构的制备过程进行详细说明：
如图4～图9所示，本实施例基于硫系化合物的浪涌保护阵列制备过程包括如下步骤：
1)在N型硅衬底1上外延生长第一绝热材料层21，在所述第一绝热材料层21表面进行离子注入，退火形成掺杂的P型层；然后等间距刻蚀通道至硅衬底1内，通道内填充SiO2作为PN二极管3之间的隔离，最终得到图4的结构；
2)在步骤1)之后获得的结构上淀积第二绝热材料层22；在所述第二绝热材料层22表面等间距刻蚀凹槽至P型层，在该凹槽内通过CVD方法淀积W材料形成下电极4，然后进行化学机械抛光，去除除了各个凹槽内下电极4以外的W材料，最终得到图5的结构；
3)在步骤2)之后获得的结构上再淀积第三绝热材料层23在所述第三绝热材料层23表面等间距刻蚀沟道至下电极4，在该沟道内通过CVD方法淀积TiN材料形成下加热电极5，然后进行化学机械抛光，去除除了各个沟道内下加热电极5以外的TiN材料，最终得到图6的结构；
4)在步骤3)之后获得的结构上继续沉积第四绝热材料层24，在所述第四绝热材料层24表面等间距刻蚀沟道至下加热电极5，在该沟道内淀积硫系化合物层6，然后进行化学机械抛光使其表面平坦化，最终得到图7的结构；
5)在步骤3)之后获得的结构上淀积上电极7的材料，最终得到图8的结构；然后等间距刻蚀使其形成条状结构，最终得到图9的结构。
经验证，该类硫系化合物材料具备OTS(Ovonic Threshold Switching)特性，即硫系化合物两端的电势差达到或超过阈值导通电压之后，材料的电阻值会出现由高阻向低阻的突变，流经材料的电流出现陡增，但材料不发生微观物相转变，电作用撤除后即恢复到初始的高电阻状态。
本发明针对硫系化合物所独有的阈值导通特性来实现对电路的过压保护，其工作原理与半导体浪涌保护器件完全不同，是一种新型的浪涌保护阵列。当通过器件的电压达到阈值电压时，硫系化合物的电阻会从高阻突变到低阻，这个响应速度是纳秒量级。同时本发明阵列的实现只需要在常规的CMOS工艺两层金属层中间添加一层硫系化合物薄膜即可完成基本构造，所需面积极小，阈值电压可调，且制造工艺与CMOS工艺兼容，大大降低了产品的成本。图10显示为典型硫系化合物阈值特性I-V曲线，由图可以很清楚的得出，当浪涌保护器件两端的电势差达到或超过阈值电压时，器件电阻出现一个由高阻到低阻的突变，此时器件开始进行导通分压，同时大电流低电压情况出现，从而实现过电压浪涌保护。
综上所述，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。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于硫系化合物的浪涌保护阵列，其特征在于，所述浪涌保护阵列包括：PN二极管(3)、下电极(4)、下加热电极(5)、硫系化合物层(6)以及上电极(7)；
所述PN二极管(3)呈栓状，等间距阵列式排布；所述下电极(4)位于PN二极管(3)之上；所述下加热电极(5)位于下电极(4)之上；所述硫系化合物层(6)位于下加热电极(5)之上；所述上电极(7)位于硫系化合物层(6)之上；所述上电极(7)呈条状等间距排布，且与硫系化合物层(6)相互垂直。
2.根据权利要求1所述的基于硫系化合物的浪涌保护阵列，其特征在于，所述硫系化合物层(6)上部与上电极(7)构成电性连接；所述硫系化合物层(6)下部通过下加热电极(5)与下电极(4)构成电性连接。
3.根据权利要求1所述的基于硫系化合物的浪涌保护阵列，其特征在于，所述硫系化合物层(6)为梯形棱柱结构，横向剖面为下窄上宽的梯形，纵向剖面图为正方形；梯形的上宽与高之比为3:2。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于硫系化合物的浪涌保护阵列，其特征在于，所述浪涌保护阵列还包括硅衬底和绝热材料层(2)；所述PN二极管(3)等间距阵列式排布在硅衬底上；所述绝热材料层(2)设置在硅衬底上表面以及PN二极管(3)与硫系化合物层(6)之间的内侧壁和外侧壁。
5.根据权利要求1～3所述的基于硫系化合物的浪涌保护阵列，其特征在于，所述浪涌保护阵列两端的电势差未超过阈值导通电压时，其上电极(7)与下电极(4)之间的通路处于关闭的状态；所述浪涌保护阵列两端的电势差超过阈值导通电压时，其上电极(7)与下电极(4)之间的通路处于导通的状态。
6.一种基于硫系化合物的浪涌保护阵列制备方法，其特征在于，该制备具体包括以下步骤：
1)在N型硅衬底(1)上外延生长第一绝热材料层(21)，在第一绝热材料层(21)表面进行离子注入，退火形成掺杂的P型层；然后等间距刻蚀通道至硅衬底内部，通道内填充SiO2作为PN二极管(3)之间的隔离；
2)在步骤1)之后获得的结构上淀积第二绝热材料层(22)；在第二绝热材料层(22)表面等间距刻蚀凹槽至P型层，在该凹槽内淀积下电极材料，形成下电极(4)，然后进行化学机械抛光使其表面平坦化；
3)在步骤2)之后获得的结构上再淀积第三绝热材料层(23)，在所第三绝热材料层(23)表面等间距刻蚀沟道至下电极(4)，在该沟道内淀积下加热电极材料，形成下加热电极(5)，然后进行化学机械抛光使其表面平坦化；
4)在步骤3)之后获得的结构上继续沉积第四绝热材料层(24)，在第四绝热材料层(24)表面等间距刻蚀凹槽至下加热电极，在该凹槽内淀积硫系化合物层(6)，然后进行化学机械抛光使其表面平坦化；
5)在步骤4)之后获得的结构上淀积上电极材料，然后等间距刻蚀使其形成条状结构，即形成上电极(7)。
7.根据权利要求6所述的基于硫系化合物的浪涌保护阵列制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述硫系化合物层(6)是通过采用磁控溅射方法制备得到的。
8.根据权利要求6所述的基于硫系化合物的浪涌保护阵列制备方法，其特征在于，所述下电极(4)的材料为W、Ti、TiN或TiW中的一种。
9.根据权利要求6或7所述的基于硫系化合物的浪涌保护阵列制备方法，其特征在于，所述硫系化合物层(6)的材料为锑Sb、碲Te两种元素的化合物，或以其为基础掺入Ga、Si、Ge、Sn元素中的一种或几种混合；且掺入元素的比例在10％-75％之间。
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