一种阈值开关材料、阈值开关器件及其制备方法

本发明涉及阈值开关，尤其涉及一种阈值开关材料、阈值开关器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着半导体行业的快速发展，相变存储技术获得大幅提升，器件结构朝着三维高密度存储方向发展。英特尔和美光联合研发了3d xpoint先进三维存储技术，3d xpoint由横竖交叉的位线、字线以及位于交叉点阵之间的记忆存储单元和选通开关单元组成。与传统的2d存储技术相比，它具有更高的存储密度、更低的功耗、更快的使用寿命以及更快的读写速度。3d xpoint中的记忆存储单元为相变存储单元，依据相变材料在晶态与非晶态之间的可逆相转变进行信息存储；选通开关单元采用的是奥弗辛斯基阈值开关(ovonicthreshold switching，ots)器件，材料选用的是与相变存储单元工艺兼容的硫系材料。

2、ots器件的原理是：利用电学信号控制器件开关，当施加电压逐渐增加到到达阈值电压(vth)时，阈值开关器件由高阻态(hrs)转变为低阻态(lrs)，开关打开，并且一般定义vth的一半对应的电流值为开关的漏电流(ioff)，维持电压期间开关一直处于开启状态，此时的电流定义为驱动电流(ion)；电压逐渐降低，当电压低于临界保持电压(vhold)时，阈值开关器件返回到初始的高电阻状态，开关关闭。因此，阈值开关器件需要高的ion、低的ioff、优异的非线性开关比(ion/ioff)，以及好的循环寿命和高稳定性。

3、目前商用阈值开关材料的组成元素较多，具有优越的热稳定性，但开关速度较慢，且含有as等有毒元素，环境不友好，且多组元在反复操作过程中容易发生组分偏析，影响器件可靠性。因此低组元阈值开关材料，尤其是二元硫系材料，成为了解决方案。目前已经报道的基于b-te、c-te、si-te等二元硫系体系的阈值开关器件虽然具有较高的开关速度，但存在驱动电流小(不利于串联的记忆存储单元实现完全的高阻态，进而影响区分逻辑信号“0”和“1”)、循环寿命短等问题。

4、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种阈值开关材料、阈值开关器件及其制备方法，旨在解决现有基于二元硫系体系阈值开关材料的阈值开关器件驱动电流较低的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的第一方面，提供一种阈值开关材料，其中，所述阈值开关材料的化学式为mxd1-x，其中，m为ag或cu，d为s、se、te中的一种，0<x<0.6。

4、本发明的第二方面，提供一种阈值开关器件，其中，包括从下至上依次层叠设置的底电极、阈值开关材料层和顶电极，所述阈值开关材料层包括本发明如上所述的阈值开关材料。

5、可选地，所述阈值开关材料层包括n+1个核心单元层和n个结构稳定层，所述n+1个核心单元层和n个结构稳定层交替层叠设置，n为大于等于1的正整数；

6、其中，第1个核心单元层贴合所述底电极设置，第n+1个核心单元层贴合所述顶电极设置；

7、所述核心单元层包括所述阈值开关材料；

8、所述结构稳定层包括沿着[001]晶向生长的单晶tite2。

9、可选地，所述阈值开关器件还包括：

10、介质包覆层，包覆在所述依次层叠设置的底电极、阈值开关材料层、顶电极构成的整体的侧面上。

11、可选地，所述阈值开关器件还包括：

12、具有通孔的衬底，所述底电极设置在所述通孔中，所述阈值开关材料层设置在所述衬底及所述底电极上；

13、介质包覆层，包覆在所述层叠设置的阈值开关材料层、顶电极构成的整体的侧面上。

14、可选地，所述底电极的材料包括w、tiw、tin、tisin中的至少一种；

15、所述顶电极的材料包括w、tiw、tin中的至少一种；

16、所述介质包覆层的材料包括sio2、si3n4中的至少一种；

17、所述衬底的材料包括sio2、si3n4中的至少一种。

18、本发明的第三方面，提供一种阈值开关器件的制备方法，其中，包括步骤：

19、提供底电极；

20、在所述底电极上形成阈值开关材料层，所述阈值开关材料层包括本发明如上所述的阈值开关材料；

21、在所述阈值开关材料层上形成顶电极后，得到所述阈值开关器件。

22、可选地，所述在所述底电极上形成阈值开关材料层具体包括步骤：

23、在所述底电极上交替形成n+1个核心单元前体层和n个结构稳定层，退火后，得到包括n+1个核心单元层和n个结构稳定层的阈值开关材料层；

24、n为大于等于1的正整数；第1个核心单元层贴合所述底电极设置，第n+1个核心单元层贴合所述顶电极设置；

25、核心单元前体层包括层叠设置的m层、d层和m层，m为ag或cu，d为s、se、te中的一种；

26、所述核心单元层包括所述阈值开关材料。

27、可选地，所述核心单元前体层的制备方法包括步骤：

28、沉积厚度为1～5nm的m层；

29、在所述m层上沉积厚度为5～15nm的d层；

30、在所述d层上沉积厚度为1～5nm的m层，得到所述核心单元前体层。

31、可选地，所述沉积的方法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法中的一种；

32、和/或，每个结构稳定层的厚度为1～9nm。

33、有益效果：本发明将非晶态阈值开关材料mxd1-x用于阈值开关器件时能够使器件的驱动电流较大。具体地，当施加电压促使器件开启时阈值开关材料中的金属元素ag或cu可以形成细的导电丝，导电性好，有利于获得较大的驱动电流，此时器件为低阻态。当器件关闭时形成导电丝的金属元素ag或cu由于扩散系数大，重新扩散到阈值开关材料中，导致细的导电丝断裂，器件恢复高阻态。

技术特征：

1.一种阈值开关材料，其特征在于，所述阈值开关材料的化学式为mxd1-x，其中，m为ag或cu，d为s、se、te中的一种，0<x<0.6。

2.一种阈值开关器件，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的底电极、阈值开关材料层和顶电极，所述阈值开关材料层包括权利要求1所述的阈值开关材料。

3.根据权利要求2所述的阈值开关器件，其特征在于，所述阈值开关材料层包括n+1个核心单元层和n个结构稳定层，所述n+1个核心单元层和n个结构稳定层交替层叠设置，n为大于等于1的正整数；

4.根据权利要求2所述的阈值开关器件，其特征在于，所述阈值开关器件还包括：

5.根据权利要求2所述的阈值开关器件，其特征在于，所述阈值开关器件还包括：

6.根据权利要求5的阈值开关器件，其特征在于，所述底电极的材料包括w、tiw、tin、tisin中的至少一种；

7.一种阈值开关器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在所述底电极上形成阈值开关材料层具体包括步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述核心单元前体层的制备方法包括步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述沉积的方法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法中的一种；

技术总结
本发明公开一种阈值开关材料、阈值开关器件及其制备方法。所述阈值开关材料的化学式为M<subgt;x</subgt;D<subgt;1‑x</subgt;，其中，M为Ag或Cu，D为S、Se、Te中的一种，0<x<0.6。本发明将非晶态阈值开关材料M<subgt;x</subgt;D<subgt;1‑x</subgt;用于阈值开关器件时能够使器件的驱动电流较大。具体地，当施加电压促使器件开启时阈值开关材料中的金属元素Ag或Cu可以形成细的导电丝，导电性好，有利于获得较大的驱动电流，此时器件为低阻态。当器件关闭时形成导电丝的金属元素Ag或Cu由于扩散系数大，重新扩散到阈值开关材料中，导致细的导电丝断裂，器件恢复高阻态。

技术研发人员：丁科元,刘明龙,饶峰,张靖博,刘培煦
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25