CN113130741A - 一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管及其制备方法，属于微纳米电子技术领域。氧化钒选通管包括底电极层、顶电极层以及设置在底电极层和顶电极层之间的功能层，功能层包括开关层和热阻层；开关层的材料含有氧化钒，热阻层的材料的热阻高于开关层的材料的热阻。热阻层材料由于热阻高，具有高效绝热的作用，可以减少器件操作过程中的热扩散。同时，由于热阻高的绝热作用，可以使开关层的升温区域较为集中，在相同厚度下则会使开关层的升温区域减小，器件的有效相变面积减小，因此使其漏电流减小，功耗降低，选通管的稳定性更高。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米电子技术领域，尤其涉及一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管及其制备方法。
背景技术
为了实现高密度存储，新型高性能存储器(比如电阻存储器、相变存储器等)通常采取交叉阵列排列，并因此带来了严重的串扰问题，即在2x2的交叉阵列中读取的高阻态将会因为相邻单元的低阻态提供一条潜通路而引起电流的泄露从而导致误读。当存储阵列变大或者多层阵列堆叠时，漏电现象将更加严重。为了避免漏电现象，每一个存储单元都必须连接一个选通管。
氧化钒是一种典型的基于金属绝缘体转变(MIT)的选通管材料，其在温度的作用下可以实现在金属与绝缘体之间的相互转化，当其温度达到阈值时，会从金红石相(金属态)转化为单斜晶相(绝缘态)，而当温度低于阈值时，会自发地从绝缘态转变为金属态，从而实现选通管的作用。MIT选通管器件的研究主要朝着高开关比、低漏电流、高可靠性的方向发展。
发明内容
本申请实施例通过提供一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管及其制备方法，能够使选通管的阈值电压增大，漏电流减小，提高了存储器的稳定性。
本申请实施例提供了一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管，所述氧化钒选通管包括：
底电极层；
顶电极层；以及，
设置在所述底电极层和所述顶电极层之间的功能层，所述功能层包括开关层和热阻层；所述开关层的材料含有氧化钒，所述氧化钒的通式为VOx，其中，1.9<x<2.1，所述热阻层的材料的热阻高于所述开关层的材料的热阻。
可选地，所述热阻层的材料为HfAlOx、HfOx、HfZrOx中的一种或几种。
可选地，所述开关层与所述底电极层接触，所述热阻层与所述顶电极层接触。
可选地，所述底电极层和所述顶电极层之间还设置具有第一通孔的绝缘层；所述绝缘层位于所述底电极层上；所述开关层的一部分设置在第一通孔中，所述开关层的其余部分层叠在所述绝缘层上。
可选地，所述开关层具有第二通孔，所述第二通孔的直径小于所述第一通孔的直径，所述第二通孔在所述底电极上的投影位于所述第一通孔在所述底电极上的投影内；所述热阻层的一部分设置在所述第二通孔内，所述热阻层的剩余部分层叠在所述开关层上。
可选地，所述热阻层具有第三通孔，所述第三通孔的直径小于所述第二通孔的直径，所述第三通孔在所述底电极上的投影位于所述第二通孔在所述底电极上的投影内；所述顶电极的一部分设置在所述第三通孔内，所述热阻层的剩余部分层叠在所述热阻层上。
本申请实施例提供了一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的制备方法，其特征在于，
提供一衬底；
在所述衬底上沉积底电极层；
在所述底电极层上制备开关层，所述开关层的材料含有氧化钒，所述氧化钒的通式为VOx，其中，1.9<x<2.1；
在所述开关层上制备热阻层，所述热阻层的材料的热阻高于所述开关层的材料的热阻；
在所述热阻层上制备顶电极层。
可选地，所述热阻层的厚度为5～20nm，所述开关层的厚度为10～100nm。
可选地，所述热阻层的材料为HfAlOx、HfOx、HfZrOx中的一种或几种。
可选地，在所述底电极层上制备开关层，包括：
在所述底电极上沉积绝缘层；
对所述绝缘层进行图形化，得到第一通孔并暴露出所述底电极；
在所述绝缘层上和所述第一通孔内制备开关层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
氧化钒选通管包括底电极层、顶电极层以及设置在底电极层和顶电极层之间的功能层，功能层包括开关层和热阻层；开关层的材料含有氧化钒，热阻层的材料的热阻高于开关层的材料的热阻。热阻层的材料由于热阻高，具有高效绝热的作用，可以减少器件操作过程中的热扩散。同时，由于热阻高的绝热作用，可以使开关层的升温区域较为集中，在相同厚度下则会使开关层的升温区域减小，器件的有效相变面积减小，因此会使其漏电流Ioff减小，功耗降低，使选通管的稳定性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的制作方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的制作方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的结构示意图。如图1所示，氧化钒选通管包括底电极层100、顶电极层300以及设置在底电极层100和顶电极层300之间的功能层200，功能层200包括开关层201和热阻层202；开关层201的材料含有氧化钒，氧化钒的通式为VOx，其中，1.9<x<2.1，热阻层202的材料的热阻高于开关层201的材料的热阻。
在一些实施例中，开关层201中的氧化钒，可以是VOx，也可以是掺杂有其他材料的VOx化合物。
具体地，VOx可掺杂Ti、Cr、Sc、Mn、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种。
具体地，热阻层202的材料为HfAlOx、HfOx、HfZrOx中的一种或几种。HfAlOx、HfOx、HfZrOx具有比较高的热阻。当对器件施加电压的时候，电流流经器件，在热的作用下，氧化钒相变，器件导通，热阻层的主要作用是，可以使开关层的升温区域较为集中，在相同厚度下则会使开关层的升温区域减小，器件的有效相变面积减小，因此会使其漏电流Ioff减小，功耗降低，使选通管的稳定性更高。
可选地，热阻层202的厚度为5～20nm，开关层201的厚度为10～100nm。
可选地，开关层201与底电极层100接触，热阻层202与顶电极层300接触。
具体地，底电极层100或者顶电极层300为惰性电极层，不含活性金属。惰性电极层的材料可以是Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO以及IZO中的至少一种。
可选地，底电极层100和顶电极层300的厚度为100～500nm。
图2是本发明实施例提供的另一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的结构示意图。在一些实施例中，如图2所示，底电极层100和顶电极层300之间还设置具有第一通孔11的绝缘层203；绝缘层203位于底电极层100上；开关层201的一部分设置在第一通孔11中，并与底电极层100接触，开关层201的其余部分层叠在绝缘层203上，将开关层201的一部分设置在第一通孔11内。
具体地，开关层201在第一通孔11中的厚度与开关层201在绝缘层203上的厚度相等，以便于采用沉积或溅射的方式一次制备完成。绝缘层203的厚度为100～500nm，第一通孔11的直径为50nm～2μm，开关层201的厚度为10～100mn。开关层201在第一通孔11中的厚度指在第一通孔11中的开关层201的上表面与底电极层100之间的距离。
可选地，开关层201具有第二通孔12，第二通孔12的直径小于第一通孔11的直径，第二通孔12在底电极上的投影位于第一通孔11在底电极上的投影内；热阻层202的一部分设置在第二通孔12内，热阻层202的剩余部分层叠在开关层201上。
可选地，热阻层202在第二通孔12中的厚度与热阻层202在开关层201上的厚度相等，以便于采用沉积或溅射的方式一次制备完成，热阻层202的厚度为5～20nm。热阻层202在第二通孔12中的厚度指在第二通孔12中的热阻层202的上表面与第一通孔11中开关层201上表面之间的距离。
可选地，热阻层202具有第三通孔13，第三通孔13的直径小于第二通孔12的直径，第三通孔13在底电极上的投影位于第二通孔12在底电极上的投影内；顶电极的一部分设置在第三通孔13内，热阻层202的剩余部分层叠在热阻层202上。
图3是本发明实施例提供的一种具有高热阻绝热层203的氧化钒选通管的制作方法的流程图。如图3，制备方法包括：
S11：提供一衬底。
在一些实施例中，衬底可以选用半导体衬底，例如硅衬底。
S12：在衬底上沉积底电极层100。
在衬底上沉积底电极层100，底电极层100为惰性电极层，不含活性金属。惰性电极层材料可以是Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO以及IZO中的至少一种。
S13：在底电极层100上制备开关层201，开关层201的材料含有氧化钒。
在一些实施例中，开关层201中的氧化钒，可以是VOx，其中，1.9<x<2.1，也可以是掺杂有其他材料的VOx化合物。
具体地，VOx可掺杂Ti、Cr、Sc、Mn、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种。
在一些实施例中，可以直接在底电极层100上沉积或溅射开关层201。
S14：在开关层201上制备热阻层202，热阻层202的材料的热阻高于开关层201的材料的热阻。
具体地，热阻层202的材料为HfAlOx、HfOx、HfZrOx中的一种或几种。HfAlOx、HfOx、HfZrOx具有比较高的热阻，当对器件施加电压的时候，电流流经器件，在热的作用下，氧化钒相变，器件导通，热阻层的主要作用是，可以使开关层的升温区域较为集中，在相同厚度下则会使开关层的升温区域减小，器件的有效相变面积减小，因此会使其漏电流Ioff减小，功耗降低，使选通管的稳定性更高。
在一些实施例中，可以直接在开关层201上沉积或溅射热阻层202。
S15：在热阻层202上制备顶电极层300。
在热阻层202上制备顶电极层300。顶电极层300为惰性电极层，不含活性金属。惰性电极层材料可以是Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO以及IZO中的至少一种。
在一些实施例中，可以直接在热阻层202上沉积或溅射顶电极层300。
图4是本发明实施例提供的另一种具有高热阻绝热层203的氧化钒选通管的制作方法的流程图。如图4，制备方法包括：
S21：提供一衬底。
在一些实施例中，衬底可以选用半导体衬底，例如硅衬底。
S22：在衬底上沉积底电极层100。
在衬底上沉积底电极层100，底电极层100为惰性电极层，不含活性金属。惰性电极层材料可以是Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO以及IZO中的至少一种。
S23：在底电极上沉积绝缘层203。
具体地，使用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition，等离子体增强化学气相沉积)、磁控溅射或ALD(Atomic Layer Deposition，原子层沉积)在底电极上生长一层致密的二氧化硅或者氧化铝等其他绝缘材料作为绝缘层203。
可选地，绝缘层203的厚度为100～500nm。
S24：对绝缘层203进行图形化，得到第一通孔11并暴露出底电极。
具体地，结合光刻或者其他掩模工艺，将图形转移到绝缘层203上。利用刻蚀的方法，刻蚀出第一通孔11，此处刻蚀的深度应当略过刻蚀，以保证底电极可以裸露出来。
S25：在绝缘层203上和第一通孔11内制备开关层201。
具体地，利用沉积或溅射在绝缘层203上和第一通孔11内制备开关层201。开关层201在第一通孔11中的厚度与开关层201在绝缘层203上的厚度相等，以便于采用沉积或溅射的方式一次制备完成。开关层201在第一通孔11中形成第二通孔12，第二通孔12的直径小于第一通孔11的直径，第二通孔12在底电极上的投影位于第一通孔11在底电极上的投影内。
S26：在开关层201上和第二通孔12内制备热阻层202。
具体地，利用沉积或溅射在开关层201上和第二通孔12内制备热阻层202。热阻层202在第二通孔12中的厚度与热阻层202在开关层201上的厚度相等，以便于采用沉积或溅射的方式一次制备完成。热阻层202在第二通孔12中形成第三通孔13，第三通孔13的直径小于第二通孔12的直径，第三通孔13在底电极上的投影位于第二通孔12在底电极上的投影内。
S27：在热阻层202上和第三通孔13内制备顶电极层300。
具体地，在热阻层202上和第三通孔13内制备顶电极层300。顶电极层300为惰性电极层，不含活性金属。惰性电极层材料可以是Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO2、ITO以及IZO中的至少一种。
以上仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管，所述氧化钒选通管包括：
底电极层；
顶电极层，以及；
设置在所述底电极层和所述顶电极层之间的功能层，所述功能层包括开关层和热阻层；所述开关层的材料含有氧化钒，所述热阻层的材料的热阻高于所述开关层的材料的热阻，所述氧化钒的通式为VOx，其中，1.9<x<2.1。
2.根据权利要求1所述的具有高热阻绝热层的氧化钒选通管，其特征在于，所述热阻层的材料为HfAlOx、HfOx、HfZrOx中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的具有高热阻绝热层的氧化钒选通管，其特征在于，所述开关层与所述底电极层接触，所述热阻层与所述顶电极层接触。
4.根据权利要求3所述的具有高热阻绝热层的氧化钒选通管，其特征在于，所述底电极层和所述顶电极层之间还设置具有第一通孔的绝缘层；
所述绝缘层位于所述底电极层上；
所述开关层的一部分设置在第一通孔中，所述开关层的其余部分层叠在所述绝缘层上。
5.根据权利要求4所述的具有高热阻绝热层的氧化钒选通管，其特征在于，
所述开关层具有第二通孔，所述第二通孔的直径小于所述第一通孔的直径，所述第二通孔在所述底电极上的投影位于所述第一通孔在所述底电极上的投影内；
所述热阻层的一部分设置在所述第二通孔内，所述热阻层的剩余部分层叠在所述开关层上。
6.根据权利要求5所述的具有高热阻绝热层的氧化钒选通管，其特征在于，
所述热阻层具有第三通孔，所述第三通孔的直径小于所述第二通孔的直径，所述第三通孔在所述底电极上的投影位于所述第二通孔在所述底电极上的投影内；
所述顶电极的一部分设置在所述第三通孔内，所述热阻层的剩余部分层叠在所述热阻层上。
7.一种具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的制备方法，其特征在于，
提供一衬底；
在所述衬底上沉积底电极层；
在所述底电极层上制备开关层，所述开关层的材料含有氧化钒，所述氧化钒的通式为VOx，其中，1.9<x<2.1；
在所述开关层上制备热阻层，所述热阻层的材料的热阻高于所述开关层的材料的热阻；
在所述热阻层上制备顶电极层。
8.根据权利要求7所述的具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的制备方法，其特征在于，所述热阻层的厚度为5～20nm，所述开关层的厚度为10～100nm。
9.根据权利要求7所述的具有高热阻绝热层的氧化钒选通管的制备方法，其特征在于，所述热阻层的材料为HfAlOx、HfOx、HfZrOx中的一种或几种。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述底电极层上制备开关层，包括：
在所述底电极上沉积绝缘层；
对所述绝缘层进行图形化，得到第一通孔并暴露出所述底电极；
在所述绝缘层上和所述第一通孔内制备开关层。
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