一种OTS材料、选通管单元及其制作方法与流程

本发明属于微纳电子技术领域，特别是涉及一种OTS材料、选通管单元及其制作方法。

背景技术：

半导体存储器在电子市场中一直占据着重要的地位。作为下一代新型的非易失性存储器，例如相变存储器、阻变存储器，都需要有一种开关性能很好的选通器件来对存储单元进行选通。在目前新兴的类脑计算中，选通器也扮演着重要的角色。

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，发现了一些列具有阈值转变特性的硫系化合物，而利用硫系化合物薄膜材料作为介质的选通管被认为是最具有应用价值的选通器，其关键材料包括具有阈值转变特性的硫系化合物薄膜、加热电极材料、绝缘材料和引出电极材料等。选通管是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，使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。

由于现有的选通管通常存在阈值电压高、开关比低、及关态漏电高的问题，因此，如何提供一种具有低阈值电压、高开关比、关态漏电小的选通管是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种OTS材料、选通管单元及其制作方法，用于解决现有的选通管存在阈值电压高、开关比低、及关态漏电高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种OTS材料，所述OTS材料为包括Ge、Se及As三种元素的化合物，所述OTS材料的化学通式为Ge_xSe_yAs_100-x-y，其中，x、y为元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

优选地，在所述Ge_xSe_yAs_100-x-y中，30<100-x-y<55。

优选地，所述OTS材料在电信号操作下可以实现高阻态到低阻态的瞬时转变，且在撤去电信号操作时瞬时自发返回高阻态。

优选地，从高阻态到低阻态或从低阻态到高阻态的瞬时转变时间为0.01～1ns。

本发明还提供一种如上述任一项所述的OTS材料的制作方法，通过离子注入法将As离子注入到Ge-Se薄膜中，制成化学通式为Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料，其中，x、y为元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

优选地，所述离子注入的剂量为1×10¹²～1×10¹⁶ions/cm²。

优选地，根据化学通式Ge_xSe_yAs_100-x-y中Ge与Se的不同配比，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Ge-Se薄膜。

本发明还提供一种利用如上述任一项所述的OTS材料制作的选通管单元，所述选通管单元包括：

下电极层；

位于所述下电极层上表面的OTS材料层；

位于所述OTS材料层上表面的上电极层；以及

位于所述上电极层上表面的引出电极。

优选地，所述下电极层包括单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种或多种，或单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一种；所述下电极层的直径为20～200nm，所述下电极层的高度为100～500nm。

优选地，所述OTS材料层的厚度为10～100nm。

优选地，所述上电极层包括单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种或多种，或单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一种；所述上电极层的厚度为10～30nm。

优选地，所述引出电极包括单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种或多种；所述引出电极的厚度为100～500nm。

本发明还提供一种如上述任一项所述的选通管单元的制作方法，所述制作方法包括：

S1：制作下电极层；

S2：在所述下电极层表面形成Ge-Se薄膜，然后通过离子注入法将As离子注入到Ge-Se薄膜中，制成化学通式为Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料层，其中，x、y为元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55；

S3：在所述OTS材料层表面形成上电极层；

S4：在所述上电极层表面制作引出电极。

优选地，所述离子注入的剂量为1×10¹²～1×10¹⁶ions/cm²。

优选地，所述Ge-Se薄膜的厚度为1～90nm。

优选地，根据化学通式Ge_xSe_yAs_100-x-y中Ge与Se的不同配比，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Ge-Se薄膜。

如上所述，本发明的一种OTS材料、选通管单元及其制作方法，具有以下有益效果：

1.本发明所述OTS材料通过在Ge-Se薄膜中注入As离子，可实现高阻态和低阻态之间的瞬时转变，大大缩短了高阻态和低阻态之间的转换时间。

2.利用本发明所述OTS材料作为选通管单元的选通介质时，不仅使所述选通管单元具有较低的阈值电压，而且还提高了选通管单元的开启电流和开关比。

3.利用本发明所述的选通管单元制作存储器时，可实现存储器的无串扰、高密度、大容量的优越性能。

附图说明

图1至图4显示为本发明所述选通管单元制作步骤的结构示意图。

图5显示为实施例四所述选通管单元的电压-电流曲线。

元件标号说明

1 下电极层

2 Ge-Se薄膜

3 OTS材料层

4 上电极层

5 引出电极

S1～S4 步骤

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。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本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，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供一种OTS材料，所述OTS材料为包括Ge、Se及As三种元素的化合物，所述OTS材料的化学通式为Ge_xSe_yAs_100-x-y，其中，x、y为元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

优选地，在所述Ge_xSe_yAs_100-x-y中，10<x<30，30<y<100-x，30<100-x-y<55。

具体的，所述OTS材料的厚度为10～100nm。优选地，在本实施例中，所述OTS材料的厚度为35nm；当然，在其它实施例中，所述OTS材料的厚度还可以为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等。

具体的，所述OTS材料在电信号操作下可以实现高阻态到低阻态的瞬时转变，且在撤去电信号操作时瞬时自发返回高阻态。其中，从高阻态到低阻态或从低阻态到高阻态的瞬时转变时间为0.01～1ns。

需要说明的是，不同的化学通式下的OTS材料，其瞬时转变时间可能不同；优选地，在本实施例中，所述化学通式为Ge₂₀Se₃₅As₄₅，其瞬时转变时间为0.4ns；当然，在其它实施例中，根据所述化学通式的不同，其瞬时转变时间还可以为0.01ns、0.15ns、0.3ns、0.5ns、0.6ns、0.75ns、0.9ns或1ns等。

实施例二

本实施例还提供一种如实施例一所述的OTS材料的制作方法，通过离子注入法将As离子注入到Ge-Se薄膜中，制成化学通式为Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料，其中，x、y为元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

首先，根据化学通式Ge_xSe_yAs_100-x-y中Ge与Se的不同配比，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Ge-Se薄膜。

优选地，在本实施例中，采用磁控溅射法制备所述Ge-Se薄膜；进一步优选地，所述Ge-Se薄膜为Ge₂₀Se₃₅薄膜。

具体为采用Ge₂₀Se₃₅合金靶沉积一定厚度的Ge₂₀Se₃₅薄膜，艺参数为：本底气压为1×10^-5Pa，溅射时Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为25W，衬底温度为25℃，溅射时间20min。

具体的，所述Ge-Se薄膜的厚度为1～90nm。

优选地，在本实施例中，所述Ge₂₀Se₃₅薄膜的厚度为30nm；当然，在其它实施例中，所述Ge-Se薄膜的厚度还可以为10nm、15nm、25nm、35nm、45nm、60nm、70nm、80nm、或90nm等。

然后，通过离子注入法将As离子注入到Ge-Se薄膜中，制成化学通式为Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料，其中，x、y为元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

优选地，在所述Ge_xSe_yAs_100-x-y中，10<x<30，30<y<100-x，30<100-x-y<55。

具体的，所述离子注入的剂量为1×10¹²～1×10¹⁶ions/cm²。优选地，在本实施例中，形成化学通式为Ge₂₀Se₃₅As₄₅的OTS材料时，所述离子注入的剂量为6x10¹⁵ions/cm²。

实施例三

如图4所示，本实施例提供一种利用实施例一所述的OTS材料制作的选通管单元，所述选通管单元包括：

下电极层1；

位于所述下电极层1上表面的OTS材料层3；

位于所述OTS材料层3上表面的上电极层4；以及

位于所述上电极层4上表面的引出电极5。

具体的，所述下电极层1包括单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种或多种，或单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一种；所述下电极层的直径为20～200nm，所述下电极层的高度为100～500nm。

优选地，在本实施例中，所述下电极层1为单金属材料W，并且所述W电极层的直径为80nm，W电极层的高度为200nm。

具体的，所述OTS材料层3的厚度为10～100nm。优选地，在本实施例中，所述OTS材料层3的厚度为35nm。

具体的，所述上电极层4包括单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种或多种，或单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一种；所述上电极层4的厚度为10～30nm。

优选地，在本实施例中，所述上电极层4为TiN，所述TiN的厚度为20nm。

具体的，所述引出电极5包括单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种或多种；所述引出电极5的厚度为100～500nm。

优选地，在本实施例中，所述引出电极5为Al，其厚度为200nm。

实施例四

本实施例提供一种如实施例三所述的选通管单元的制作方法，所述制作方法包括：

S1：制作下电极层1；

S2：在所述下电极层1表面形成Ge-Se薄膜2，然后通过离子注入法将As离子注入到Ge-Se薄膜2中，制成化学通式为Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料层3，其中，x、y为元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55；

S3：在所述OTS材料层3表面形成上电极层4；

S4：在所述上电极层4表面制作引出电极5。

下面请结合图1至图4对本实施例所述选通管单元的制作方法进行详细说明。

首先，如图1所示，制作下电极层1。

具体的，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)中的任意一种方法制备所述下电极层1。优选地，在本实施例中，采用CVD法制备所述下电极层1。

具体的，所述下电极层包括单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种或多种，或单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一种；所述下电极层的直径为20～200nm，所述下电极层的高度为100～500nm。

优选地，在本实施例中，所述下电极层1为单金属材料W，并且所述W电极层的直径为80nm，W电极层的高度为200nm。

然后，在所述下电极层1表面形成Ge-Se薄膜2，然后通过离子注入法将As离子注入到Ge-Se薄膜2中，制成化学通式为Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料层3，其中，x、y为元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

如图2所示，根据化学通式Ge_xSe_yAs_100-x-y中Ge与Se的不同配比，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Ge-Se薄膜。

优选地，在本实施例中，采用磁控溅射法制备所述Ge-Se薄膜；进一步优选地，所述Ge-Se薄膜为Ge₂₀Se₃₅薄膜。

具体为采用Ge₂₀Se₃₅合金靶沉积一定厚度的Ge₂₀Se₃₅薄膜，艺参数为：本底气压为1×10^-5Pa，溅射时Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为25W，衬底温度为25℃，溅射时间20min。

具体的，所述Ge-Se薄膜的厚度为1～90nm。

优选地，在本实施例中，所述Ge₂₀Se₃₅薄膜的厚度为30nm；当然，在其它实施例中，所述Ge-Se薄膜的厚度还可以为10nm、15nm、25nm、35nm、45nm、60nm、70nm、80nm、或90nm等。

如图3所示，通过离子注入法将As离子注入到Ge-Se薄膜中，制成化学通式为Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料，其中，x、y为元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

优选地，在所述Ge_xSe_yAs_100-x-y中，10<x<30，30<y<100-x，30<100-x-y<55。

具体的，所述离子注入的剂量为1×10¹²～1×10¹⁶ions/cm²。优选地，在本实施例中，形成化学通式为Ge₂₀Se₃₅As₄₅的OTS材料时，所述离子注入的剂量为6x10¹⁵ions/cm²。

具体的，所述OTS材料层的厚度为10～100nm。优选地，在本实施例中，所述OTS材料层的厚度为35nm。

然后，如图4所示，在所述OTS材料层3表面形成上电极层4。

具体的，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)中的任意一种方法制备所述上电极层4。

优选地，在本实施例中，采用磁控溅射法制备所述上电极层4。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。

具体的，所述上电极层4包括单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种或多种，或单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一种；并且所述上电极层4的厚度为10～30nm。

优选地，在本实施例中，所述上电极层4为TiN，所述TiN的厚度为20nm。

最后，如图4所示，在所述上电极层4表面制作引出电极5。

具体的，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)中的任意一种方法制备所述引出电极5。优选地，在本实施例中，采用磁控溅射法制备所述引出电极5。

具体的，所述引出电极5包括单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种或多种；所述引出电极5的厚度为100～500nm。

优选地，在本实施例中，所述引出电极5为Al，其厚度为200nm。

对上述方法制备的选通管单元进行电学性能测试，得到在电压激励作用下的电压-电流(V-I)曲线如图5所示，随着电压的增加，电流值先持续增加，当电压值达到某一点时，电流突然出现跳变，随后随着电压的增加，电流继续持续增加，故出现电流跳变的该点电压值即为该选通管单元的阈值电压，从图5中可以看出，本发明所述选通管单元的阈值电压较低，约为1.9V左右。

从图5中可以看出，对所述选通管单元施加电压，当所述施加电压达到阈值电压时，所述电流出现跳变，即所述选通管单元从高阻态瞬时转变为低阻态，此时，所述选通管单元处于开启状态；当撤去施加电压时，所述选通管单元从低阻态瞬时转变为高阻态，此时，所述选通管单元处于关闭状态。

需要说明的是，所述选通管单元高阻态和低阻态之间的瞬时转变时间为0.01～1ns。

综上所述，本发明的一种OTS材料、选通管单元及其制作方法，具有以下有益效果：

1.本发明所述OTS材料通过在Ge-Se薄膜中注入As离子，可实现高阻态和低阻态之间的瞬时转变，大大缩短了高阻态和低阻态之间的转换时间。

2.利用本发明所述OTS材料作为选通管单元的选通介质时，不仅使所述选通管单元具有较低的阈值电压，而且还提高了选通管单元的开启电流和开关比。

3.利用本发明所述的选通管单元制作存储器时，可实现存储器的无串扰、高密度、大容量的优越性能。

所以，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。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。