專利名稱：一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其涉及一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開
關(guān)。背景技術(shù)：
近來，超薄膜在多功能器件中的應(yīng)用在工業(yè)上受到很大重視，例如高密度 鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器，可以減少存儲(chǔ)單元的橫向和縱向的尺寸而不會(huì)減小剩余極化 強(qiáng)度。第一定律的計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)觀察表明，在薄膜厚度降到幾個(gè)單位粒子后， 在這些超薄膜中仍可以存在很強(qiáng)的鐵電性。但是，包括金屬電極的本征有限靜 電屏蔽或者是由于缺陷、應(yīng)力、相污染以及外延壓力等工藝問題，這些表面效
應(yīng)可以產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的極化場(chǎng)使得一個(gè)記憶單元中的單個(gè)的疇變?yōu)?80° /90斑紋型疇。引起這種變化的原因是平衡系統(tǒng)能量的減少，這也是超薄膜器 件很難在實(shí)際中應(yīng)用的原因。另外，存儲(chǔ)器讀寫過程的脈沖寬度相對(duì)疇轉(zhuǎn)變時(shí) 間足夠長(zhǎng)，這可以保證操作的安全性，這里就提出了一個(gè)可靠性的問題，包括 在超負(fù)荷場(chǎng)下電極附近的電荷注入引起的壓印和疲勞。
因此，現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在于器件的穩(wěn)定性和可靠性都不能滿足工業(yè)應(yīng)用的 需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種隧道開關(guān)，所述隧道開關(guān)只有在 疇轉(zhuǎn)變的時(shí)候才會(huì)打開，在極化反轉(zhuǎn)后的場(chǎng)中會(huì)立即關(guān)閉以避免電極附近的電 荷注入，或者是在保持時(shí)間以后關(guān)閉從而鎖定在一個(gè)單疇模內(nèi)，以提高器件的 穩(wěn)定性和可靠性。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，包 括襯底；第一電極，所述第一電極設(shè)置于襯底表面；鋯鈦酸鉛材料層，所述
3鋯鈦酸鉛材料層設(shè)置于第一電極遠(yuǎn)離襯底的表面；介質(zhì)薄膜層，所述介質(zhì)薄膜 層設(shè)置于鋯鈦酸鉛材料層遠(yuǎn)離第一電極的表面，所述介質(zhì)薄膜層的材料為高介 電常數(shù)(High-k)材料；以及第二電極，所述第二電極設(shè)置于介質(zhì)薄膜層遠(yuǎn)離 鋯鈦酸鉛材料層的表面。
所謂高介電常數(shù)材料是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域內(nèi) 一種固定稱謂。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體 工藝中通常采用二氧化硅作為介質(zhì)材料，而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，介質(zhì)層的厚 度不斷降低，二氧化硅的介電常數(shù)已經(jīng)不能滿足要求，因此需要研發(fā)介電常數(shù) 高于二氧化硅的材料作為介質(zhì)層，以滿足厚度降低的需求，這種介電常數(shù)高于 二氧化硅的材料通常被本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員成為高介電常數(shù)材料。
作為可選的技術(shù)方案，所述介質(zhì)薄膜層的介電常數(shù)大于7，優(yōu)選自于氧化 鋁、氧化鉿、氧化鈦和氧化鈮中的一種。所述介質(zhì)層也可以是其他的具有高介 電常數(shù)的介質(zhì)材料。高k材料具有高介電常數(shù)，在低場(chǎng)下這些材料是絕緣體， 當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，這些材料又可以變成導(dǎo)體使得電流注入到鐵電材料 中，實(shí)現(xiàn)鐵電疇的反轉(zhuǎn)。
作為可選的技術(shù)方案，所述介質(zhì)薄膜層的厚度為3 6nm。
作為可選的技術(shù)方案，所述鋯鈦酸鉛材料層的厚度為50 200nm。
作為可選的技術(shù)方案，進(jìn)一步包括絕緣層，所述絕緣層設(shè)置于襯底與第一 電極之間，所述絕緣層的材料為二氧化硅。
作為可選的技術(shù)方案，所述第一電極的材料為銥。
作為可選的技術(shù)方案，所述第二電極的材料為鉑。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用了高介電常數(shù)材料作為介質(zhì)薄膜層，并疊加PZT 材料，從而降低了器件的漏電電流，提高了隧道開關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性，更好 的滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。


附圖1A所示是本發(fā)明所述具體實(shí)施方式
的隧道開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖1B至附圖6是對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式
中所述隧道開關(guān)各種性能的測(cè) 試結(jié)果。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)的具體 實(shí)施方式做詳細(xì)說明。
附圖1A所示是本具體實(shí)施方式
的隧道開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖，包括襯底100; 絕緣層110，所述絕緣層110設(shè)置于襯底與第一電極.120之間；第一電極120,
所述第一電極120設(shè)置于襯底100表面；鋯鈦酸鉛材料層130，所述鋯鈦酸鉛 材料層130設(shè)置于第一電極120遠(yuǎn)離襯底110的表面；介質(zhì)薄膜層140，所述 介質(zhì)薄膜層140設(shè)置于鋯鈦酸鉛材料層130遠(yuǎn)離第一電極120的表面；以及第 二電極150，所述第二電極150設(shè)置于介質(zhì)薄膜層140遠(yuǎn)離鋯鈦酸鉛材料層130 的表面。
本具體實(shí)施方式
中，襯底100為單晶硅，絕緣層110為100nm厚的Si02 作為，第一電極120 (或者叫做底電極)為70nm厚的金屬銥，介質(zhì)薄膜層140 為非晶態(tài)的氧化鋁(A1203)，第二電極150 (或者叫做頂電極)為金屬鉑。
上述結(jié)構(gòu)中的第一電極120的材料為銥。鋯鈦酸鉛材料層130 (PZT)可 以采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法生長(zhǎng)，將具有上述結(jié)構(gòu)的襯 底置于8英寸大的液體輸運(yùn)MOCVD反應(yīng)室中生長(zhǎng)。長(zhǎng)完P(guān)ZT后，晶片被切 為2X2 cn^的小塊。生長(zhǎng)氧化鋁可以采用原子層淀積(ALD)工藝。最后再 采用真空濺射工藝生長(zhǎng)金屬鉑。
所述介質(zhì)薄膜層140的厚度為3 6nm;所述鋯鈦酸鉛材料層130的厚度 為50 200nm。
首先介紹本具體實(shí)施方式
所述隧道開關(guān)在極化反轉(zhuǎn)中隧道開關(guān)的打開情況。
附圖1B是上述隧道開關(guān)的P-V滯回曲線。表示分別采用不同厚度的A1203 層時(shí)曲線的變化，此圖分別表示線性入1203和PZT層的壓降。曲線是通過 TF2000分析器采用FE模型在上電極上加三角波測(cè)得的。當(dāng)d增加時(shí)剩余極化 強(qiáng)度&以及矯頑場(chǎng)Ve會(huì)有意想不到的變大，曲線也更加不同，這與通常情況 下窄并且翹起的回線恰好相反。這表明在疇轉(zhuǎn)換的時(shí)候，A1203層不再是絕緣
5層了。附圖1C是從P-V滯回曲線中萃取正負(fù)矯頑電壓作出與d的關(guān)系圖，用 不同的表述技術(shù)得出的正負(fù)矯頑場(chǎng)(+AFc)與Ab03的關(guān)系，其中實(shí)線是與數(shù) 據(jù)最吻合的。這些點(diǎn)呈線性，如圖中兩條近似平行的實(shí)線所示。
一旦Al203層變得導(dǎo)電了，其阻抗可以通過轉(zhuǎn)換電流直接估測(cè)出來。附圖 2A和附圖2B表示的分別是d=0和d=60埃時(shí)的瞬時(shí)點(diǎn)疇轉(zhuǎn)換電流，電壓Vppl 不斷增加，脈沖寬度為2)tis.轉(zhuǎn)換電流W是由50Q內(nèi)置電阻以及內(nèi)阻為50Q的 波形發(fā)生器相串聯(lián)得到的。對(duì)于一個(gè)理想的鐵電層，轉(zhuǎn)換電流在最初電容充電
之后應(yīng)該有一個(gè)峰值，同時(shí)在to時(shí)鐵電層的壓降會(huì)增加到Vfc，然后，由于電
路中總阻抗RiJ艮制了轉(zhuǎn)換電流的的最大值，所以會(huì)出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的電流。在 電疇轉(zhuǎn)換完畢之后，之前的充電的電容將儲(chǔ)存這些電荷， 一直到鐵電層的壓降 完全消失。但是，這一段平穩(wěn)的峰還是會(huì)翹起，因?yàn)榻缑鎸与娙軶遵循以下 公式
初始電流為
(to《t tsw) (1)
A『
o —'卿/
(2)
其中U是極化反轉(zhuǎn)完成的時(shí)間。總阻抗應(yīng)該包括電路寄生電阻Rp、薄膜 與電極之間的接觸電阻Rc，所以R產(chǎn)Ro+Rw+Rp+Rc，對(duì)于鐵電-氧化物雙層膜來 說，Rc包括A1203層可導(dǎo)情況下的內(nèi)阻。另外Q也要考慮A1203層的影響，1/Ci. =1/(^+1/(^其中Cm、 Ci'分別是絕緣八1203層的電容和PZT在上下電極附近的 界面電容。
附圖2A和附圖2B中一些列平行的點(diǎn)線是最符合公式(1)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換電 流。在to時(shí)刻開始偏離瞬時(shí)電流(圖中以圓圈表示)，從這些點(diǎn)線中除了得到 RiCi時(shí)間常數(shù)以外我們還可以得到4vG和^ppi的關(guān)系圖。附圖2C為/J和Fappl 的關(guān)系圖，從而我們可以推得Rp，最后通過R推出Rc。附圖2D和2E所示分 別為q與Rc的同薄膜厚度的關(guān)系圖。從圖中可以看出，Rc并不是與薄膜厚度
6呈線性關(guān)系，在d=0是為6±1 Q而在心60 A是60±9 Q，成橢圓形增長(zhǎng)。這些
低的阻抗和高Q值(>>CA1)表明在疇轉(zhuǎn)換過程中氧化鋁的高可導(dǎo)性。
接下來介紹本具體實(shí)施方式
所述隧道開關(guān)的關(guān)閉及閾值場(chǎng)。
從雙脈沖下電流響應(yīng)的時(shí)間積分(持續(xù)時(shí)間為4=5 ps)可以得到分別在同
向和反向脈沖電壓下rappl與轉(zhuǎn)換的極化強(qiáng)度Psw和未轉(zhuǎn)換的極化強(qiáng)度Pnsw之間
的依賴關(guān)系，P^與P,之差為2Pr。附圖3A是不同Al203厚度下2倍剩余極
化及為反轉(zhuǎn)極化與電壓的關(guān)系。當(dāng)d從0增加到60A時(shí)，2&增加了56%，而
P,與Kppi成近似線性的關(guān)系，如圖中實(shí)線所示。通過公式Ct。t =5^nsw/Jrappl
我們可以得到雙層膜的總電容。如果Al203層在疇對(duì)準(zhǔn)之后隨著外電場(chǎng)仍然保
持可導(dǎo)的話，Ct。t應(yīng)該與鐵電層的電容Cf相等，與d獨(dú)立。否則，應(yīng)該遵循下
面的公式
1 —丄+ d
其中Sai是A1203層的介電常數(shù)，sQ為真空介電常數(shù)。附圖3B所示為以A1203 厚度為參數(shù)，從Pnsw-"關(guān)系圖的斜率萃取的總電容的倒數(shù)與在100khz下阻抗 分析儀直接測(cè)量結(jié)果的比較。附圖3B的結(jié)果與方程(3)符合的很好，這很好 的表明了在疇轉(zhuǎn)換之后氧化鋁層的高絕緣性。從曲線的斜率可以得到，Sa!=9.0 與第一原理的計(jì)算相吻合，同時(shí)，在^pp「0時(shí)阻抗分析儀直接測(cè)定Ct。t得到確 切的Sat8.0，如圖3B所示，盡管兩條線在1/Ct。t軸上有一些縱向偏離。從對(duì)sa! 的估算中可以看出在PZT上面的A1203的電容要遠(yuǎn)小于圖2D中的Q，這說明 隧道開關(guān)的打開。附圖3C所示為疇轉(zhuǎn)換過程中串聯(lián)電阻和電容等效電路圖， 虛線框中為不同狀態(tài)的隧道開關(guān)。但是當(dāng)疇在外電場(chǎng)下有序排列后，氧化鋁有 保持一個(gè)好的絕緣性，相當(dāng)于"off"狀態(tài)(圖中未示)。
無電極的絕緣Al203層與反向極化的鐵電材料結(jié)合在一起可以達(dá)到很高的
壓降。當(dāng)壓降足夠高達(dá)到閾值電壓Vth，八1203層中就會(huì)相應(yīng)的打開一個(gè)導(dǎo)電通 道，于是我們有
(4)
從附圖1C中Fe-d的關(guān)系可以得到，Vth與d成正比；由直線的斜率我們得到相應(yīng)的閾值電場(chǎng)五th-12土l MV/cm，其中Ffc為常量。圖1B下半部分分別 表示出了 A1203和PZT串聯(lián)層的電壓降Val和Vf，初始條件甴60 A， Fappl=FA1+ Ff， 假設(shè)鐵電層為反向極化的線性電容。當(dāng)F尸F(xiàn)fc時(shí)，疇轉(zhuǎn)換導(dǎo)致隧道開關(guān)打開之 前，在Vf恒定時(shí)，Va!非?？斓脑黾拥絍th。在極化反轉(zhuǎn)之后，隧道開關(guān)關(guān)閉， Val立即就會(huì)很迅速的降低，兩層的電壓又會(huì)變回原先的點(diǎn)線。
接下來介紹本具體實(shí)施方式
所述隧道開關(guān)中，鐵電薄膜厚度、轉(zhuǎn)換電流、 轉(zhuǎn)換時(shí)間和溫度與閾值場(chǎng)之間的關(guān)系。
附圖4A、 4B以及4C所示是分別是不同PZT薄膜厚度、不同測(cè)量頻率以 及不同溫度下，PZT薄膜厚度與電壓之間的關(guān)系示意圖。附圖4A是在1kHz 下，不同厚度的PZT膜下從P-V滯回曲線中萃取的Al203厚度與矯頑場(chǎng)的關(guān)系， 其中所有數(shù)據(jù)有實(shí)線表示。附圖4B是對(duì)于300nrn厚的PZT膜在不同頻率下的 Vc-d關(guān)系，小圖中表示的是曲線的斜率。附圖4C是對(duì)于150nrn厚的PZT膜 在lkHz時(shí)，在不同的溫度下Ve-d的關(guān)系，小圖為斜率。當(dāng)PZT薄膜厚度從 50變到500nm時(shí)，^W直線的斜率幾乎不變。由于Vfc與鐵電膜厚度的關(guān)系， 圖形在電壓軸上會(huì)有一點(diǎn)縱向的移動(dòng)。如附圖4B所示測(cè)量頻率從lk減到10Hz 時(shí)，在頻率的對(duì)數(shù)座標(biāo)下，圖形斜率會(huì)減少約14%，如圖內(nèi)小圖所示，這與典 型鐵電材料的&-/關(guān)系相近。當(dāng)f足夠高轉(zhuǎn)換時(shí)間為1(T3-10'7S數(shù)量級(jí)時(shí)，斜 率變化較小，如圖1C。另外，斜率會(huì)隨著溫度的提高而降低，如圖4C中所示， 但是在298到393k時(shí)不會(huì)超過13%左右。
所以我們期望的到一個(gè)修正過的/sw-￡th以提高隧道開關(guān)的場(chǎng)靈敏度。實(shí)驗(yàn) 中，在Vapp,下脈沖寬度為0.01s時(shí)，當(dāng)Ro從50變到1MQ時(shí)，由公式(2)可 以看出1^可以減小4個(gè)數(shù)量級(jí)還多。在這種低速極化反轉(zhuǎn)中的/s^-Fapp,圖也 相應(yīng)的做出來。在根據(jù)方程(2)對(duì)數(shù)據(jù)最優(yōu)化后，在&20A時(shí)，我們近似的 的得到一個(gè)線性的Fc-d關(guān)系，Eth=10±l MV/cm。在大于10±1 MV/cm時(shí)，/^-五& 關(guān)系的修正值基本上按照如下規(guī)律A4v/A^h 0.01B.cm/MV。在圖4A中，在用 短脈沖測(cè)量時(shí)上面的Fe-d關(guān)系在電壓軸上有垂直移動(dòng)，但是d減小時(shí)也會(huì)變小。 這表明低估了4v(五th)平方關(guān)，因?yàn)檫€包含了壓印的關(guān)系。大體上，在隧穿通道 打開之前，Al203和PZT界面積累的熱注入電荷是與壓印物理學(xué)有關(guān)的。但是，
8只有在時(shí)間大于1)IS是電荷注入的影響才會(huì)顯得很重要，低于這一時(shí)間時(shí)，注
入是十分微小的?；谶@些考慮，在快速疇轉(zhuǎn)換下的出的Eth更為準(zhǔn)確一些。
接下來結(jié)合附圖介紹本具體實(shí)施方式
所述隧道開關(guān)的保持性能的改進(jìn)。 當(dāng)薄膜厚度減小到幾個(gè)單胞時(shí)，金屬電極的不完全的本征遮蔽長(zhǎng)度只有零 點(diǎn)幾埃，但在薄膜中卻是至關(guān)重要的。但是，當(dāng)膜厚度大于5nm時(shí)，薄膜工 藝中的界面效應(yīng)的影響就更加顯著了，比如，應(yīng)力場(chǎng)與自發(fā)極化耦合，在表面 附近極化梯度的終結(jié)，以及合成物和微觀結(jié)構(gòu)的多相性，它通過產(chǎn)生一個(gè)大的 去極化場(chǎng)使得部分疇反向轉(zhuǎn)換，這使得它在極化保持性能中起到很重要的作 用。附圖5A所示的是對(duì)不同厚度的PZT膜，tre尸ls時(shí)，通過雙脈沖測(cè)量得到 的2&與d的關(guān)系，小圖為頻率為lkHz時(shí)，50nm厚的PZT膜與不同厚度的 Ab03結(jié)合時(shí)的P-V滯回曲線。保持時(shí)間遠(yuǎn)大于附圖3A中的5 pS，這使得薄 膜有緩慢極化弛豫過程這是由應(yīng)變效應(yīng)引起。在^30 A時(shí)2&比d=0時(shí)增加 了125%。于是在d:20A是P/變大，p-v滯回曲線也變得更加方了，如圖中所 示，在用了氧化鋁之后被負(fù)電壓軸分割的曲線的開口明顯減小。相對(duì)的，對(duì)于 150nm厚的PZT膜2&不再隨著d的變化而變化，如附圖5A所示，因?yàn)闃O化 場(chǎng)于鐵電層的厚度成反比關(guān)系。這一結(jié)果與附圖3A中的很是不同，不斷的正 負(fù)脈沖測(cè)量使得薄膜變得疲勞。然而，在附圖5A中，為了減輕這一問題，測(cè) 量只進(jìn)行1-2個(gè)循環(huán)，在d =40 A時(shí)50nrn厚的PZT的最終穩(wěn)定極化強(qiáng)度比 150nm厚的膜增加了 118%。這種極化的增強(qiáng)是由薄膜上的晶格匹配應(yīng)力效應(yīng) 引起的。
在極化反轉(zhuǎn)后隧道開關(guān)關(guān)閉，從而避免了超負(fù)載場(chǎng)下的電荷注入。附圖5B 所示是雙電極脈沖寬度為5ps，頻率為10kHz及不同的電壓下，對(duì)于150nm厚 的PZT膜隨著Al203層厚度的增加耐疲勞特性的改善。。當(dāng)(1=0時(shí)，在幾個(gè)循 環(huán)內(nèi)薄膜就很容易疲勞。通過增加Al203層的厚度，這一狀況可以明顯改善， 但是這樣做也會(huì)導(dǎo)致疲勞電壓的的增加。在每一個(gè)周期中疇壁的釘扎與反釘扎 共存的模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分吻合，如圖中實(shí)線所示，在這一模型中疲勞物理原 理被認(rèn)為是由于電極附近電荷注入所造成的。對(duì)于我們采用的膜，底電極為銥，有很好的抗疲勞特性，所以薄膜的主要疲勞損害是由商店極Pt的電荷注入引起 的。
一旦注入通道被氧化鋁絕緣層阻塞，疲勞特性將會(huì)提高。
附圖5C所示是在加訪問脈沖前后隧道開關(guān)機(jī)疇狀態(tài)的示意圖，脈沖寬度 大于U以保證極化完全。 一開始，開關(guān)關(guān)閉，但是緊接在t^期間，正電荷從 上電極漂移過氧化鋁補(bǔ)償界面附近的邊界電荷同時(shí)，先前的負(fù)的屏蔽電荷被抽 出。之后，當(dāng)極化反轉(zhuǎn)完成后，開關(guān)關(guān)閉，使得在超負(fù)載場(chǎng)下電荷將不能在鐵
電層中注入的更深。最后，所有的正補(bǔ)償電荷被界面態(tài)捕獲，在Va一后，疇的 形式也被氧化鋁絕緣層鎖定。在tr之后，如果在一個(gè)薄膜的亞區(qū)域中(如附圖
5C)又有疇反向轉(zhuǎn)換出現(xiàn)，就會(huì)在鐵電層中產(chǎn)生一個(gè)反極化場(chǎng)Ed來阻止這一
過程，其值為2iVZ/s()sa!，其中Ps為剩余極化強(qiáng)度。如果氧化鋁層沒有泄漏的
話，在^10A時(shí)，與llv數(shù)量級(jí)的極化電壓相比，這一電場(chǎng)是很大的。
接下來結(jié)合附圖介紹本具體實(shí)施方式
所述隧道開關(guān)的高場(chǎng)下電子隧穿。 由經(jīng)典量子力學(xué)可知，電子有一定幾率穿過勢(shì)壘高度為(h (大于電子能量
E)的一維矩形勢(shì)壘，當(dāng)Fa^(J)b吋，對(duì)于直接隧穿，透射系數(shù)與
exp[-2c^2m*+ —五)/方2]成正比，其中q為元電荷，p為費(fèi)米能級(jí)，w*
為有效質(zhì)量，力是簡(jiǎn)化的普朗克常量。由于FA!X])B勢(shì)壘成三角形狀翹起從而減
少隧穿長(zhǎng)度，這成指數(shù)的增加了隧穿電流(Fowler-Nordheim隧穿)。 一般來 說，場(chǎng)強(qiáng)為lMV/cm，比Eth低一個(gè)數(shù)量級(jí)。Eth越高(j)B也就越高。于是，在如 此高的())b下，即使Eth減少很小一點(diǎn)，隧穿電流也會(huì)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)當(dāng) 溫度升高時(shí)，由于電子能量變大增寬了能量分布函數(shù)，使得隧道電流也會(huì)增加， 所以要得到相等的Isw就要減小Eth，這就解釋了圖4C中的E也-T的關(guān)系。
附圖6所示是極化反轉(zhuǎn)后隧道開關(guān)在高場(chǎng)下打開。d:40及60A時(shí)，對(duì)于 PZT (150nm) /八1203雙層膜分別在正負(fù)電壓下非反轉(zhuǎn)極化與電壓的關(guān)系。小 圖為電壓低于及高于Vth=-10V時(shí)的瞬時(shí)電流的坐標(biāo)圖，分別用雙線和單線表 示。當(dāng)Va!降低到Vth以下，Kpp^Fc時(shí)，疇陣列沿外電場(chǎng)排布如圖1B,隧道電 流會(huì)減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是說隧道開關(guān)關(guān)閉了。但是，如果圖1B中的外電 壓足夠高，|Fappl|>|Fe'|，隧道開關(guān)可以再次打開。我們之后的實(shí)驗(yàn)表明只有在KPPi<0是才會(huì)有這種現(xiàn)象，例如洳60 A時(shí)Fappl<-15 V及d=40 A時(shí)Fappl<-10 V。但是在Kpp,X)時(shí)，隧穿電流很微弱，這很好的說明了隧穿的載流子是主要 是電子而不是空穴?？梢酝茰y(cè)，這是由于空穴質(zhì)量要比電子大，要達(dá)到相同的 效率的話需要更大的電壓。當(dāng)隧道開關(guān)打開時(shí)，電路的RC時(shí)間增長(zhǎng)了，于是 在這一時(shí)刻可以用雙線滿足之前的瞬時(shí)電流的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)，如附圖6中小圖所
示，同時(shí)Pr^會(huì)突然變大，偏離了前面的尸Mvv-K^線性關(guān)系。
通過以上的敘述可以看出，由于采用了非晶態(tài)氧化鋁作為介質(zhì)薄膜層，通 過測(cè)試隧道開關(guān)的打開、關(guān)閉、保持性能，可以看出與PZT結(jié)合的Al203勢(shì)壘 層的隧道開關(guān)在12MV/cm時(shí)打開，使得疇轉(zhuǎn)換得以進(jìn)行；而在極化反轉(zhuǎn)結(jié)束 后開關(guān)關(guān)閉以防止疇的反向轉(zhuǎn)換以及多余的電極附近的電荷注入，從而提高了 隧道開關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性，更好的滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。
以上試驗(yàn)結(jié)果是以氧化鋁作為介質(zhì)層所得到的結(jié)果，但實(shí)際應(yīng)用應(yīng)當(dāng)不僅 限于氧化鋁，采用其他具有高介電常數(shù)的材料，例如氧化鉿、氧化鈦、氧化鈮 等也可以達(dá)到相同的效果。采用氧化鋁作為介質(zhì)層的優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，因此制 備過程簡(jiǎn)單且成本較低。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些 改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于，包括襯底；第一電極，所述第一電極設(shè)置于襯底表面；鋯鈦酸鉛材料層，所述鋯鈦酸鉛材料層設(shè)置于第一電極遠(yuǎn)離襯底的表面；介質(zhì)薄膜層，所述介質(zhì)薄膜層設(shè)置于鋯鈦酸鉛材料層遠(yuǎn)離第一電極的表面，所述介質(zhì)薄膜層的材料為高介電常數(shù)材料；以及第二電極，所述第二電極設(shè)置于介質(zhì)薄膜層遠(yuǎn)離鋯鈦酸鉛材料層的表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于，所 述介質(zhì)薄膜層的介電常數(shù)大于二氧化硅的介電常數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于，所 述介質(zhì)薄膜層的介電常數(shù)大于7。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于，所 述介質(zhì)薄膜層的材料選自于氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦和氧化鈮中的一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于，所 述介質(zhì)薄膜層的厚度為3 6nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于，所 述鋯鈦酸鉛材料層的厚度為50 200nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于，進(jìn) 一步包括絕緣層，所述絕緣層設(shè)置于襯底與第一電極之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于，所 述絕緣層的材料為二氧化硅。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于，所 述第一電極的材料為銥。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，其特征在于， 所述第二電極的材料為鉑。
全文摘要
一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關(guān)，包括襯底；第一電極，所述第一電極設(shè)置于襯底表面；鋯鈦酸鉛材料層，所述鋯鈦酸鉛材料層設(shè)置于第一電極遠(yuǎn)離襯底的表面；介質(zhì)薄膜層，所述介質(zhì)薄膜層設(shè)置于鋯鈦酸鉛材料層遠(yuǎn)離第一電極的表面，所述介質(zhì)薄膜層的材料為高介電常數(shù)材料；以及第二電極，所述第二電極設(shè)置于介質(zhì)薄膜層遠(yuǎn)離鋯鈦酸鉛材料層的表面。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用了高介電常數(shù)材料作為介質(zhì)薄膜層，提高了隧道開關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性，更好的滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。
文檔編號(hào)H01L29/92GK101510564SQ200910048448
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者江安全, 鎮(zhèn) 馬 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)