本發(fā)明屬于微納電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種OTS材料、選通管單元及其制作方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體存儲器在電子市場中一直占據(jù)著重要的地位。作為下一代新型的非易失性存儲器，例如相變存儲器、阻變存儲器，都需要有一種開關(guān)性能很好的選通器件來對存儲單元進(jìn)行選通。在目前新興的類腦計(jì)算中，選通器也扮演著重要的角色。

S.R.Ovshinsky在20世紀(jì)60年代末首次發(fā)現(xiàn)了具有閾值轉(zhuǎn)變特性的材料，由此引發(fā)了科學(xué)家對于閾值轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的研究，以此為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了一些列具有閾值轉(zhuǎn)變特性的硫系化合物，而利用硫系化合物薄膜材料作為介質(zhì)的選通管被認(rèn)為是最具有應(yīng)用價值的選通器，其關(guān)鍵材料包括具有閾值轉(zhuǎn)變特性的硫系化合物薄膜、加熱電極材料、絕緣材料和引出電極材料等。選通管是利用電學(xué)信號來控制選通器件的開關(guān)，當(dāng)施加電學(xué)信號于選通器件單元，使材料由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變，此時器件出于開啟狀態(tài)；當(dāng)撤去電學(xué)信號時，材料又由低阻態(tài)轉(zhuǎn)變成高阻態(tài)，器件處于關(guān)閉狀態(tài)。

由于現(xiàn)有的選通管通常存在閾值電壓高、開關(guān)比低、及關(guān)態(tài)漏電高的問題，因此，如何提供一種具有低閾值電壓、高開關(guān)比、關(guān)態(tài)漏電小的選通管是目前急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種OTS材料、選通管單元及其制作方法，用于解決現(xiàn)有的選通管存在閾值電壓高、開關(guān)比低、及關(guān)態(tài)漏電高的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種OTS材料，所述OTS材料為包括Ge、Se及As三種元素的化合物，所述OTS材料的化學(xué)通式為Ge_xSe_yAs_100-x-y，其中，x、y為元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

優(yōu)選地，在所述Ge_xSe_yAs_100-x-y中，30<100-x-y<55。

優(yōu)選地，所述OTS材料在電信號操作下可以實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)到低阻態(tài)的瞬時轉(zhuǎn)變，且在撤去電信號操作時瞬時自發(fā)返回高阻態(tài)。

優(yōu)選地，從高阻態(tài)到低阻態(tài)或從低阻態(tài)到高阻態(tài)的瞬時轉(zhuǎn)變時間為0.01～1ns。

本發(fā)明還提供一種如上述任一項(xiàng)所述的OTS材料的制作方法，通過離子注入法將As離子注入到Ge-Se薄膜中，制成化學(xué)通式為Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料，其中，x、y為元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

優(yōu)選地，所述離子注入的劑量為1×10¹²～1×10¹⁶ions/cm²。

優(yōu)選地，根據(jù)化學(xué)通式Ge_xSe_yAs_100-x-y中Ge與Se的不同配比，采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、低壓化學(xué)氣相沉積法、金屬化合物氣相沉積法、分子束外延法、原子氣相沉積法或原子層沉積法制備Ge-Se薄膜。

本發(fā)明還提供一種利用如上述任一項(xiàng)所述的OTS材料制作的選通管單元，所述選通管單元包括：

下電極層；

位于所述下電極層上表面的OTS材料層；

位于所述OTS材料層上表面的上電極層；以及

位于所述上電極層上表面的引出電極。

優(yōu)選地，所述下電極層包括單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種或多種，或單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一種；所述下電極層的直徑為20～200nm，所述下電極層的高度為100～500nm。

優(yōu)選地，所述OTS材料層的厚度為10～100nm。

優(yōu)選地，所述上電極層包括單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種或多種，或單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一種；所述上電極層的厚度為10～30nm。

優(yōu)選地，所述引出電極包括單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種或多種；所述引出電極的厚度為100～500nm。

本發(fā)明還提供一種如上述任一項(xiàng)所述的選通管單元的制作方法，所述制作方法包括：

S1：制作下電極層；

S2：在所述下電極層表面形成Ge-Se薄膜，然后通過離子注入法將As離子注入到Ge-Se薄膜中，制成化學(xué)通式為Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料層，其中，x、y為元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55；

S3：在所述OTS材料層表面形成上電極層；

S4：在所述上電極層表面制作引出電極。

優(yōu)選地，所述離子注入的劑量為1×10¹²～1×10¹⁶ions/cm²。

優(yōu)選地，所述Ge-Se薄膜的厚度為1～90nm。

優(yōu)選地，根據(jù)化學(xué)通式Ge_xSe_yAs_100-x-y中Ge與Se的不同配比，采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、低壓化學(xué)氣相沉積法、金屬化合物氣相沉積法、分子束外延法、原子氣相沉積法或原子層沉積法制備Ge-Se薄膜。

如上所述，本發(fā)明的一種OTS材料、選通管單元及其制作方法，具有以下有益效果：

1.本發(fā)明所述OTS材料通過在Ge-Se薄膜中注入As離子，可實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的瞬時轉(zhuǎn)變，大大縮短了高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時間。

2.利用本發(fā)明所述OTS材料作為選通管單元的選通介質(zhì)時，不僅使所述選通管單元具有較低的閾值電壓，而且還提高了選通管單元的開啟電流和開關(guān)比。

3.利用本發(fā)明所述的選通管單元制作存儲器時，可實(shí)現(xiàn)存儲器的無串?dāng)_、高密度、大容量的優(yōu)越性能。

附圖說明

圖1至圖4顯示為本發(fā)明所述選通管單元制作步驟的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5顯示為實(shí)施例四所述選通管單元的電壓-電流曲線。

元件標(biāo)號說明

1 下電極層

2 Ge-Se薄膜

3 OTS材料層

4 上電極層

5 引出電極

S1～S4 步驟

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請參閱圖1至圖5。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

實(shí)施例一

本實(shí)施例提供一種OTS材料，所述OTS材料為包括Ge、Se及As三種元素的化合物，所述OTS材料的化學(xué)通式為Ge_xSe_yAs_100-x-y，其中，x、y為元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

優(yōu)選地，在所述Ge_xSe_yAs_100-x-y中，10<x<30，30<y<100-x，30<100-x-y<55。

具體的，所述OTS材料的厚度為10～100nm。優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述OTS材料的厚度為35nm；當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，所述OTS材料的厚度還可以為10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等。

具體的，所述OTS材料在電信號操作下可以實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)到低阻態(tài)的瞬時轉(zhuǎn)變，且在撤去電信號操作時瞬時自發(fā)返回高阻態(tài)。其中，從高阻態(tài)到低阻態(tài)或從低阻態(tài)到高阻態(tài)的瞬時轉(zhuǎn)變時間為0.01～1ns。

需要說明的是，不同的化學(xué)通式下的OTS材料，其瞬時轉(zhuǎn)變時間可能不同；優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述化學(xué)通式為Ge₂₀Se₃₅As₄₅，其瞬時轉(zhuǎn)變時間為0.4ns；當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，根據(jù)所述化學(xué)通式的不同，其瞬時轉(zhuǎn)變時間還可以為0.01ns、0.15ns、0.3ns、0.5ns、0.6ns、0.75ns、0.9ns或1ns等。

實(shí)施例二

本實(shí)施例還提供一種如實(shí)施例一所述的OTS材料的制作方法，通過離子注入法將As離子注入到Ge-Se薄膜中，制成化學(xué)通式為Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料，其中，x、y為元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

首先，根據(jù)化學(xué)通式Ge_xSe_yAs_100-x-y中Ge與Se的不同配比，采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、低壓化學(xué)氣相沉積法、金屬化合物氣相沉積法、分子束外延法、原子氣相沉積法或原子層沉積法制備Ge-Se薄膜。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，采用磁控濺射法制備所述Ge-Se薄膜；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述Ge-Se薄膜為Ge₂₀Se₃₅薄膜。

具體為采用Ge₂₀Se₃₅合金靶沉積一定厚度的Ge₂₀Se₃₅薄膜，藝參數(shù)為：本底氣壓為1×10^-5Pa，濺射時Ar氣氣壓為0.2Pa，濺射功率為25W，襯底溫度為25℃，濺射時間20min。

具體的，所述Ge-Se薄膜的厚度為1～90nm。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述Ge₂₀Se₃₅薄膜的厚度為30nm；當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，所述Ge-Se薄膜的厚度還可以為10nm、15nm、25nm、35nm、45nm、60nm、70nm、80nm、或90nm等。

然后，通過離子注入法將As離子注入到Ge-Se薄膜中，制成化學(xué)通式為Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料，其中，x、y為元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

優(yōu)選地，在所述Ge_xSe_yAs_100-x-y中，10<x<30，30<y<100-x，30<100-x-y<55。

具體的，所述離子注入的劑量為1×10¹²～1×10¹⁶ions/cm²。優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，形成化學(xué)通式為Ge₂₀Se₃₅As₄₅的OTS材料時，所述離子注入的劑量為6x10¹⁵ions/cm²。

實(shí)施例三

如圖4所示，本實(shí)施例提供一種利用實(shí)施例一所述的OTS材料制作的選通管單元，所述選通管單元包括：

下電極層1；

位于所述下電極層1上表面的OTS材料層3；

位于所述OTS材料層3上表面的上電極層4；以及

位于所述上電極層4上表面的引出電極5。

具體的，所述下電極層1包括單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種或多種，或單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一種；所述下電極層的直徑為20～200nm，所述下電極層的高度為100～500nm。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述下電極層1為單金屬材料W，并且所述W電極層的直徑為80nm，W電極層的高度為200nm。

具體的，所述OTS材料層3的厚度為10～100nm。優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述OTS材料層3的厚度為35nm。

具體的，所述上電極層4包括單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種或多種，或單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一種；所述上電極層4的厚度為10～30nm。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述上電極層4為TiN，所述TiN的厚度為20nm。

具體的，所述引出電極5包括單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種或多種；所述引出電極5的厚度為100～500nm。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述引出電極5為Al，其厚度為200nm。

實(shí)施例四

本實(shí)施例提供一種如實(shí)施例三所述的選通管單元的制作方法，所述制作方法包括：

S1：制作下電極層1；

S2：在所述下電極層1表面形成Ge-Se薄膜2，然后通過離子注入法將As離子注入到Ge-Se薄膜2中，制成化學(xué)通式為Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料層3，其中，x、y為元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55；

S3：在所述OTS材料層3表面形成上電極層4；

S4：在所述上電極層4表面制作引出電極5。

下面請結(jié)合圖1至圖4對本實(shí)施例所述選通管單元的制作方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

首先，如圖1所示，制作下電極層1。

具體的，采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)、金屬化合物氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子氣相沉積法(AVD)或原子層沉積法(ALD)中的任意一種方法制備所述下電極層1。優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，采用CVD法制備所述下電極層1。

具體的，所述下電極層包括單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種或多種，或單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一種；所述下電極層的直徑為20～200nm，所述下電極層的高度為100～500nm。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述下電極層1為單金屬材料W，并且所述W電極層的直徑為80nm，W電極層的高度為200nm。

然后，在所述下電極層1表面形成Ge-Se薄膜2，然后通過離子注入法將As離子注入到Ge-Se薄膜2中，制成化學(xué)通式為Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料層3，其中，x、y為元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

如圖2所示，根據(jù)化學(xué)通式Ge_xSe_yAs_100-x-y中Ge與Se的不同配比，采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、低壓化學(xué)氣相沉積法、金屬化合物氣相沉積法、分子束外延法、原子氣相沉積法或原子層沉積法制備Ge-Se薄膜。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，采用磁控濺射法制備所述Ge-Se薄膜；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述Ge-Se薄膜為Ge₂₀Se₃₅薄膜。

具體為采用Ge₂₀Se₃₅合金靶沉積一定厚度的Ge₂₀Se₃₅薄膜，藝參數(shù)為：本底氣壓為1×10^-5Pa，濺射時Ar氣氣壓為0.2Pa，濺射功率為25W，襯底溫度為25℃，濺射時間20min。

具體的，所述Ge-Se薄膜的厚度為1～90nm。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述Ge₂₀Se₃₅薄膜的厚度為30nm；當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，所述Ge-Se薄膜的厚度還可以為10nm、15nm、25nm、35nm、45nm、60nm、70nm、80nm、或90nm等。

如圖3所示，通過離子注入法將As離子注入到Ge-Se薄膜中，制成化學(xué)通式為Ge_xSe_yAs_100-x-y的OTS材料，其中，x、y為元素的原子百分比，且10<x<60、20<y<100-x、4<100-x-y<55。

優(yōu)選地，在所述Ge_xSe_yAs_100-x-y中，10<x<30，30<y<100-x，30<100-x-y<55。

具體的，所述離子注入的劑量為1×10¹²～1×10¹⁶ions/cm²。優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，形成化學(xué)通式為Ge₂₀Se₃₅As₄₅的OTS材料時，所述離子注入的劑量為6x10¹⁵ions/cm²。

具體的，所述OTS材料層的厚度為10～100nm。優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述OTS材料層的厚度為35nm。

然后，如圖4所示，在所述OTS材料層3表面形成上電極層4。

具體的，采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)、金屬化合物氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子氣相沉積法(AVD)或原子層沉積法(ALD)中的任意一種方法制備所述上電極層4。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，采用磁控濺射法制備所述上電極層4。工藝參數(shù)為：本底氣壓為1×10^-5Pa，濺射時氣壓為0.2Pa，Ar/N₂的氣體流量比例為1：1，濺射功率為100W，襯底溫度為25℃，濺射時間20-25min。

具體的，所述上電極層4包括單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種或多種，或單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni的氮化物或氧化物中的一種；并且所述上電極層4的厚度為10～30nm。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述上電極層4為TiN，所述TiN的厚度為20nm。

最后，如圖4所示，在所述上電極層4表面制作引出電極5。

具體的，采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)、金屬化合物氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子氣相沉積法(AVD)或原子層沉積法(ALD)中的任意一種方法制備所述引出電極5。優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，采用磁控濺射法制備所述引出電極5。

具體的，所述引出電極5包括單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種或多種；所述引出電極5的厚度為100～500nm。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述引出電極5為Al，其厚度為200nm。

對上述方法制備的選通管單元進(jìn)行電學(xué)性能測試，得到在電壓激勵作用下的電壓-電流(V-I)曲線如圖5所示，隨著電壓的增加，電流值先持續(xù)增加，當(dāng)電壓值達(dá)到某一點(diǎn)時，電流突然出現(xiàn)跳變，隨后隨著電壓的增加，電流繼續(xù)持續(xù)增加，故出現(xiàn)電流跳變的該點(diǎn)電壓值即為該選通管單元的閾值電壓，從圖5中可以看出，本發(fā)明所述選通管單元的閾值電壓較低，約為1.9V左右。

從圖5中可以看出，對所述選通管單元施加電壓，當(dāng)所述施加電壓達(dá)到閾值電壓時，所述電流出現(xiàn)跳變，即所述選通管單元從高阻態(tài)瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，此時，所述選通管單元處于開啟狀態(tài)；當(dāng)撤去施加電壓時，所述選通管單元從低阻態(tài)瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)，此時，所述選通管單元處于關(guān)閉狀態(tài)。

需要說明的是，所述選通管單元高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的瞬時轉(zhuǎn)變時間為0.01～1ns。

綜上所述，本發(fā)明的一種OTS材料、選通管單元及其制作方法，具有以下有益效果：

1.本發(fā)明所述OTS材料通過在Ge-Se薄膜中注入As離子，可實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的瞬時轉(zhuǎn)變，大大縮短了高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時間。

2.利用本發(fā)明所述OTS材料作為選通管單元的選通介質(zhì)時，不僅使所述選通管單元具有較低的閾值電壓，而且還提高了選通管單元的開啟電流和開關(guān)比。

3.利用本發(fā)明所述的選通管單元制作存儲器時，可實(shí)現(xiàn)存儲器的無串?dāng)_、高密度、大容量的優(yōu)越性能。

所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。