一种Hf-Te-M选通管材料、选通管单元及其制备方法

本发明属于微纳电子，更具体地，涉及一种hf-te-m选通管材料、选通管单元及其制备方法。

背景技术：

1、信息的保存与传播是人类文明延续的重要媒介，迈入21世纪后，随着计算机性能以及人工智能技术的突破，产生了海量的信息数据，预计数据总量在几年内就将超出全球存储能力的总和。为了满足人类对信息日益增长的需求，信息存储产业将迎来新一轮的技术革命。然而传统cmos微缩已经接近物理和成本上的极限，按现有的发展趋势，摩尔定律即将走到终点。对于存储芯片而言，为了打破存储器发展的瓶颈与桎梏，急需发展具有高速、高可靠性以及高密度等特性的新型存储器。

2、相比闪存存储器，相变存储器具有存储密度大、刷写次数多、读写速度快等优势，有望替代闪存存储器成为下一代商用存储器。在大规模存储阵列中，存储器单元需要与选通管器件相连，不仅可以解决漏电流问题，而且堆叠式结构能够极大提升存储密度。其中，最有前途的非基于非晶硫系材料的选通管莫属了。

3、自上世纪60年代首次发现阈值转换特性的材料，至今已发现了一系列具有阈值转变特性的硫系化合物材料。目前主流的硫系化合物选通材料有gesaste(专利文献cn111725395a)和geteseas(专利文献cn106601907a)等材料，但是存在制备工艺复杂、易发生分相、阈值电压大、漏电流大等缺点。专利文献(cn115084369a)提到的选通管材料inxteym100-x-y，以in-te合金为基底材料进行掺杂，但该基底材料能带间隙较小，关态电阻较大，存在漏电流偏大的问题。因而需要寻找新的性能优异的选通管材料。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种hf-te-m选通管材料、选通管单元及其制备方法，解决了现有存在的选通管材料制备工艺复杂、阈值电压大、漏电流偏大等问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种hf-te-m选通管材料，所述选通管材料为至少包括hf及te的化合物，所述选通管材料的化学通式为hfxteym100-x-y，其中m包括掺杂材料，且5≤x≤55，45≤y≤90，0≤100-x-y≤15。

3、优选地，所述掺杂材料包括c、n、as、si、zn、al、zr、cr、sc、ti、ga和y中的至少一种。

4、优选地，所述选通管材料以hf-te合金为基底材料进行掺杂，掺杂m材料用于改善hf-te合金材料的开通电流、阈值电压、漏电流、热稳定性、耐久性或循环特性中的至少一种性能。

5、优选地，所述选通管材料在电信号的操作下可实现高阻态到低阻态的瞬时转变，当撤去电信号后，所述选通管材料瞬时自发返回到高阻态。

6、另一方面，本发明提供了一种选通管器件单元，所述选通管器件单元包括：

7、选通管材料功能层，包括所述选通管材料；

8、底电极层，位于所述选通管材料功能层的下表面；

9、顶电极层，位于所述选通管材料功能层的上表面。

10、优选地，所述底电极层和所述顶电极层的材料包括tin、al、w、惰性金属材料、氧化铟锡和石墨烯半金属型二维原子晶体材料中的一种或者多种。

11、优选地，所述选通管材料功能层的厚度为5nm～100nm，所述底电极层的厚度为70nm～200nm，所述顶电极层的厚度为50nm～150nm。

12、本发明还提供了一种选通管单元的制备方法，包括如下步骤：

13、在衬底上制备底电极层；

14、在所述底电极层的表面制备所选通管材料，形成选通管材料功能层；

15、在所述选通管材料功能层的表面制备顶电极层。

16、优选地，制备所述底电极层、所述选通管材料功能层以及所述顶电极层的方法为磁控溅射法、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、原子层沉积法和电子束掠射角沉积中的一种。

17、另一方面，本发明还提供了所述选通管材料或所述选通管单元在存储器中的应用。

18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

19、有益效果：

20、(1)本发明提供的选通管材料是基于hf-te合金的化合物，hfxtey材料的能带间隙大，该材料本身的hf-te键具有很强的极性以及键能，将其用于选通管单元时具有阈值电压小、漏电流小、关态电阻大等优点。如hfte2材料的带隙在1.15ev左右，将其用于选通管单元时不仅能够降低选通器件的漏电流，还可以进一步降低在相变存储器三维集成中的串扰。

21、(2)本发明提供的选通管材料通过在hf-te合金化合物体系中掺入zn、al、zr、cr、sc、ti、ga和y中的至少一种，可以调节和优化选通管单元的开通电流、阈值电压、疲劳特性、漏电流、开关比等。比如，掺入一定量的zn或al有助于提高材料的能带间隙，降低材料外加电场时电子发生跃迁的概率，从而降低选通管的漏电流，同时提高其开关比。

22、(3)本发明提供的选通管材料通过在hf-te合金化合物体系中掺入c、n、as和si中的至少一种，可以提高选通管单元的热稳定性、降低选通管单元的漏电流、增强选通管元件的耐久性、循环特性和可重复性。比如，掺入的c/si材料能够与te成键，形成的c-te键/si-te键相比于hf-te合金材料中本身存在的hf-te键的键长更短，键能更大，更不容易断裂；掺杂c/si更易形成四配位，形成稳定的四面体结构。因此，掺杂c/si等材料能够使选通管单元形成强的短键和四面体结构，使选通管单元在电场或外部温度变化过程中，更不容易发生改变，进而提高选通管单元的稳定性。掺杂as材料则能降低选通管单元体系原子运动能力，进而提高耐久性和循环特性。

23、(4)本发明提供的选通管单元的组分简单，制备工艺操作简单，制备流程较少，可以实现规模化生产。

24、综上，本发明提供的选通管单元具有阈值电压小、漏电流小、热稳定性好、耐久性高、循环特性好等优点，能够应用于存储器中，具有较好的应用前景。

技术特征：

1.一种hf-te-m选通管材料，其特征在于，所述选通管材料为至少包括hf及te的化合物，所述选通管材料的化学通式为hfxteym100-x-y，其中m包括掺杂材料，且5≤x≤55，45≤y≤90，0≤100-x-y≤15。

2.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于，所述掺杂材料包括c、n、as、si、zn、al、zr、cr、sc、ti、ga和y中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于，所述选通管材料以hf-te合金为基底材料进行掺杂，掺杂m材料用于改善hf-te合金材料的开通电流、阈值电压、漏电流、热稳定性、耐久性或循环特性中的至少一种性能。

4.根据权利要求1至3任一项所述的选通管材料，其特征在于，所述选通管材料在电信号的操作下可实现高阻态到低阻态的瞬时转变，当撤去电信号后，所述选通管材料瞬时自发返回到高阻态。

5.一种选通管器件单元，其特征在于，所述选通管器件单元包括：

6.如权利要求5所述的选通管器件单元，其特征在于，所述底电极层和所述顶电极层的材料包括tin、al、w、惰性金属材料、氧化铟锡和石墨烯半金属型二维原子晶体材料中的一种或者多种。

7.如权利要求5所述的选通管器件单元，其特征在于，所述选通管材料功能层的厚度为5nm～100nm，所述底电极层的厚度为70nm～200nm，所述顶电极层的厚度为50nm～150nm。

8.一种选通管单元的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，制备所述底电极层、所述选通管材料功能层以及所述顶电极层的方法为磁控溅射法、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、原子层沉积法和电子束掠射角沉积中的一种。

10.如权利要求1至4任一项所述的选通管材料或如权利要求5至7任一项所述的选通管单元在存储器中的应用。

技术总结
本发明属于微纳电子技术领域，更具体地，涉及一种Hf‑Te‑M选通管材料、选通管单元及其制备方法。选通管材料为至少包括Hf及Te的化合物，选通管材料的化学通式为Hf<subgt;x</subgt;Te<subgt;y</subgt;M<subgt;100‑x‑y</subgt;，其中M包括掺杂材料，且5≤x≤55，45≤y≤90，0≤100‑x‑y≤15。本发明的选通管材料选用Hf<subgt;x</subgt;Te<subgt;y</subgt;材料，该材料用于选通管单元时具有漏电流小的优点，有利于降低在相变存储器三维集成中的串扰。本发明的选通管以Hf Te合金为基底材料掺入掺杂材料M，可以调节和优化该选通管材料制作的选通管单元的开通电流、阈值电压及漏电流等；可以提高选通管单元的热稳定性、循环特性以及可重复性。

技术研发人员：徐明,王欢,缪向水,辜融川,麦贤良
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14