一种阈值开关材料、阈值开关器件单元及其制备方法

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种阈值开关材料、阈值开关器件单元及其制备方法。背景技术：2.人类社会已经进入到以大数据为特征的信息时代，如何让爆炸式增长的海量数据存得下、存得好成为必须要解决的问题。新型存储技术成为最佳解决方案之一。新型存储器的代表有相变存储器和阻变存储器等，这两种存储器的基本构成单元都是存储单元加上开关单元。其中开关单元在芯片中起到抑制漏电流的作用。近年来，利用硫系化合物薄膜材料作为介质的阈值转换开关(ots)被认为是最具有应用价值的选通器。ots选通器的基本原理如下：利用电学信号来控制选通器件的开关，当施加电学信号于选通器件单元并超过阈值电压时，材料由高阻态向低阻态转变，此时器件出于开启状态；当撤去电学信号时，材料又由低阻态转变成高阻态，器件处于关闭状态。s.r.ovshinsky在20世纪60年代末首次发现了具有阈值转变特性的材料，由此引发了科学家对于阈值转变现象的研究，以此为基础，发现了一系列具有阈值转变特性的硫系化合物。3.作为开关器件而言，性能要求是具有低漏电流、高驱动电流、高开关比、高速度、低阈值电压、热稳定性好、高寿命和高可靠性。然而，对于ge-se材料，其漏电较大、阈值电压较高、开关速度较慢，在实际应用方面存在问题。鉴于此，如何开发新材料降低阈值电压，提高开启速度、开关比、寿命和可靠性，以满足现实要求，成为本领域技术人员亟待解决的问题。技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题是提供一种阈值开关材料、阈值开关器件单元及其制备方法，用于解决现有技术中ots选通器的漏电流、开关速度、开关比、阈值电压、寿命以及可靠性均有待进一步提高的问题。5.本发明提供了一种阈值开关材料，所述阈值开关材料的化学通式为gexasyinzse(100-x-y-z)，其中x、y、z均指元素的原子百分比，且满足5≤x≤20，15≤y≤40，0《z≤10。6.所述阈值开关器件单元自下而上依次包括下电极层、阈值开关材料层、上电极层以及设置于所述上电极层上的引出电极。7.所述下电极层的材料包括w、cu、al、c、ti、ta、tin、wnx、tan、pt、au、ag、co、ni中的至少一种。8.所述上电极层的材料包括w、cu、al、c、ti、ta、tin、wnx、tan、pt、au、ag、co、ni中的至少一种。9.所述引出电极的材料包括w、cu、al、co、pt、au、ag中的至少一种。10.本发明提供了一种阈值开关器件单元的制备方法，包括如下步骤：11.(1)制备下电极层；12.(2)在上述下电极层上沉积阈值开关材料层；13.(3)在上述阈值开关材料层上制备上电极层；14.(4)在上述上电极层上制备引出电极。15.采用溅射法、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制备。16.有益效果17.本发明的阈值开关器件单元，在外部能量的作用下，能够实现高电阻态到低电阻态的瞬时转变；撤去外部能量时，能够立即由低电阻态向高电阻态转变。并且，将ge-as-in-se阈值开关材料作为阈值开关器件单元的介质时，本发明的阈值开关器件单元具有漏电流低、阈值电压低、开关比大、开启速度快等优点，而且器件的寿命及可靠性都得到了提高。附图说明18.图1～4为本发明阈值开关器件单元的制备方法的步骤剖面视图。19.图5为本发明阈值开关器件单元在电压激励作用下测得的电压-电流(v-i)曲线图。具体实施方式20.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。21.实施例122.图1～4是步骤剖面视图，显示了本发明提供的阈值开关器件单元的制备方法。23.首先执行步骤1)：制备下电极层。请参阅图1，作为示例，可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(cvd)、等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)、低压化学气相沉积法(lpcvd)、金属化合物气相沉积法(mocvd)、分子束外延法(mbe)、原子气相沉积法(avd)或原子层沉积法(ald)中任意一种方法制备所述下电极层，本实施例优选采用cvd法制备该下电极层，该下电极层的材料可例如w、cu、al、c、ti、ta、tin、wnx、tan、pt、au、ag、co、ni中的至少一种。本实施例中，该下电极层的材料优选为w，通过cvd法制得的w下电极层的电极的直径为120nm，高度为200nm。24.然后执行步骤2)：在所述下电极上制备阈值开关材料层。请参阅图2，在该下电极上制备阈值开关材料层，该阈值开关材料层用ge-as-in-se阈值开关材料，该ge-as-in-se阈值开关材料的化学通式为gexasyinzse(100-x-y-z)，其中x、y、z均指元素的原子百分比，且满足5≤x≤20，15≤y≤40，0《z≤10。优选的，所述ge-as-in-se阈值开关材料的化学式为ge15as30in2se53、ge10as30in7se53、ge5as35in5se55等，其中，可采用溅射法、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等方法中的任意一种来制备上述阈值开关材料层。25.接着执行步骤3)：在所述阈值开关材料层上形成制备上电极层。请参阅图3，作为示例，可以在所述阈值开关材料层上用溅射法、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(avd)或原子层沉积法中任意一种方法制备所述上电极层，该上电极层的材料可例如w、cu、al、c、ti、ta、tin、wnx、tan、pt、au、ag、co、ni中的至少一种。26.本实施例中优选为，在所述阈值开关材料层上采用磁控溅射法制备上电极层，所述上电极层的材料优选为tin，工艺参数为：本底气压为1×10-5pa，溅射时气压为0.2pa，ar/n2的气体流量比例为1：1，溅射功率为100w，衬底温度为25℃，溅射时间20-25min。所得tin上电极层5的电极厚度约为20nm。27.最后执行步骤4)：请参阅图4，在所述上电极层上制备引出电极，作为示例，可以采用溅射法、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中任意一种来制备所述引出电极。如此，籍由该引出电极，即可将上、下电极层、通过该引出电极与阈值开关器件单元中其他例如存储单元、驱动电路及外围电路等元件集成，从而制备出完整的阈值开关器件单元，所采用的加工方法为常规的半导体工艺。28.作为示例，所述引出电极的材料可包括单金属材料w、pt、au、ti、al、ag、cu及ni中的任意一种，或由上述单金属材料w、pt、au、ti、al、ag、cu及ni中的任意两种或多种组合成的合金材料，或为包含上述单金属材料w、pt、au、ti、al、ag、cu及ni中的一种的氮化物。29.本实施例中优选为，采用磁控溅射法制备该引出电极，材料为al，制备出的引出电极4的薄膜厚度为200nm。30.下面对本实施例中的基于ge-as-in-se阈值开关材料的阈值开关器件单元进行电学性能的测试，在电压激励作用下，测试上述阈值开关器件单元的电压-电流(v-i)曲线如图5所示。就本领域的技术人员所熟知的是，随着电压的增加，电流值先持续增加，到某一点时，电流突然出现跳变，随后继续持续增加，该点即为阈值开关器件单元的阈值点，该点处的电压为阈值电压。31.请参阅图5为对基于ge5as35in5se55的阈值开关器件单元的两次操作，可以看出，对于基于ge5as35in5se55的阈值开关器件单元，其阈值电压约为2.1v，相比gese的阈值电压4.5v，极大地降低了阈值电压，与此同时该阈值开关器件相交于gese具有更低的漏电流，漏电流达到了亚na水平，调高了开启电流和开关比，可以实现更大的存储阵列密度。而且阈值电压降低后，每次操作对阈值开关器件单元的损伤会比较小，进而会延长器件的使用寿命，可靠性也会进一步得到提高，因而应用本发明的技术改良后的阈值开关器件单元更加适用于实际应用。32.此外，本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。33.综上所述，本发明的ge-as-in-se阈值开关材料、阈值开关器件单元及其制备方法的优势表现在如下方面：34.1、在外部能量的作用下，ge-as-in-se阈值开关材料可顺利实现高阻态和低阻态之间的瞬时转变，高阻态代表关闭状态，低阻态代表开启状态，在高低阻态之间的转变从而控制器件的开关。35.2、在将ge-as-in-se阈值开关材料作为阈值开关器件单元的选通介质时，在具有较低的阈值电压下可实现亚na级的漏电水平，又可以提高阈值开关器件单元的开启电流和开关比，有利于实现更大的存储阵列密度。同时，较低的阈值电压对于有效提高阈值开关器件单元的可靠性和寿命都有帮助。









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