阅读说明：本技术 一种ots材料、选通器单元及其制备方法 (OTS material, gating unit and preparation method thereof ) 是由 武仁杰 朱敏 贾淑静 宋志棠 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种OTS材料、选通器单元及其制备方法。该OTS材料的化学通式为Ga<Sub>x</Sub>S<Sub>1-x-y</Sub>R<Sub>y</Sub>。该选通器单元包括该OTS材料。该选通器单元在外部电激励的作用下,能够实现从关断的、高电阻态到导通的、低电阻态的快速转变；而且,在撤去外部电激励时,能够由导通的、低电阻态向关断的、高电阻态快速转变；并且该选通器单元具有驱动电流高、阈值电压较低、开启速度快、开关比大、热稳定性好等优点。(The invention relates to an OTS material, a gating unit and a preparation method thereof. The OTS material has a chemical general formula of Ga x S 1‑x‑y R y . The gate unit includes the OTS material. The gate unit can realize rapid transition from an off state with high resistance to an on state with low resistance under the action of external electric excitation; moreover, when the external electric excitation is removed, the switch can be quickly switched from a conducting low-resistance state to a switching-off high-resistance state; the gate unit has the advantages of high driving current, lower threshold voltage, high starting speed, large switching ratio, good thermal stability and the like.)

一种OTS材料、选通器单元及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种OTS材料、选通器单元及其制备方法。

背景技术

相变随机存储器(PCRAM)是一种新型的非易失性存储器，由于其具有高密度(可扩展性)、高速、低功耗等优点，已成为最有竞争力的下一代存储技术。

为了达到高密度存储的目标，最主流的方法是采用交叉阵列。交叉阵列需要将选通器与选通单元进行集成。选通器在其中的作用是：在外加电场的作用下，当达到阈值电压时，能够实现从高阻态向低电阻态的转变，选通器打开。而且，在电压低于保持电压时，能够由低电阻态向高电阻态转变，选通器关闭。基于这种特性，选通管可有效避免在读取存储单元信息时造成的串扰问题。

当前，能实现三维集成的选通管主要有氧化物二极管、氧化物三极管，阈值转变开关等。但是上述材料制作的选通器件普遍存在阈值电压较高，热稳定性较差的现象。此外，对于相变存储器这类新型存储器件，驱动电流要求在MA/cm²量级，一般的选通器件很难达到如此高的开态电流。因此，选通器件目前的发展目标是实现大的驱动电流、高的开关比、低的阈值电压、高疲劳和高可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种OTS材料、选通器单元及其制备方法，以克服现有技术中选通器驱动电流低、开关比小、阈值电压高、热稳定性差等缺陷。

本发明还提供一种OTS材料，所述材料的化学通式为Ga_xS_1-x-yR_y，式中0<x<1(优选0.333<x<0.667)，y为0～0.55，R是除Ga和S以外的元素。

所述R为As,C,N,Si,Ge,S,Se,Te,Sb中的一种或者几种。

所述材料为Ga_0.45S_0.55、Ga_0.45S_0.05N_0.5或Ga_0.42As_0.06S_0.52。

所述OTS材料在外加电压超过阈值电压时，实现从高阻态到低阻态的快速转变，在电压低于保持电压时，能够由低电阻态向高电阻态转变。

本发明还提供一种OTS材料的制备方法，采用溅射法、蒸发法、物理气相法、化学气相法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法制备OTS材料。

本发明还提供一种选通器单元，所述单元包括上述OTS材料。

所述单元自下而上依次包括：下电极层、OTS材料层、上电极层、引出电极。

所述上电极层的厚度为10nm～50nm。

所述OTS材料层的厚度为1nm～100nm；引出电极的厚度为100nm～500nm。

所述下电极层、上电极层和引出电极的材料包括金属单质W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni及其氮化物中的一种或几种。

本发明还提供一种选通器单元的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备下电极层；

(2)在步骤(1)中下电极层上制备选通材料层，其中，选通材料层采用OTS材料；

(3)在步骤(2)中选通材料层上制备上电极层；

(4)在步骤(3)中上电极层上制备引出电极。

所述下电极层、选通材料层、上电极层和引出电极的制备方法包括：物理气相沉积法、化学气相沉积法、电子束蒸发法、分子束外延法或原子层沉积法。

所述上电极层、下电极层和选通材料层通过所述引出电极与其他例如存储单元、驱动电路及外围电路等元件集成。

有益效果

本发明基于Ga_xS_1-x-yR_y(0<x<1，y为0～0.55)的选通器单元，在外部电激励的作用下，能够实现从关断的、高电阻态到导通的、低电阻态的快速转变。而且，在撤去外部电激励时，能够由导通的、低电阻态向关断的、高电阻态快速转变。基于该硫系化合物的选通器单元，具有驱动电流高、阈值电压较低、开启速度快、开关比大、热稳定性好等优点。

附图说明

图1是基于本发明所述选通材料的选通器单元的阈值转换特性曲线，即在电压激励作用下测得的电流-电压(I-V)图。

图2是基于本发明所述选通材料的选通器单元的开关速度表征图。

图3是基于本发明所述选通材料的选通器单元的疲劳特性图。

图4是基于本发明所述选通材料不同温度下的XRD图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

首先，采用物理气相沉积法，化学气相沉积法，电子束蒸发和分子束外延法中任意一种方法制备下电极层，本实施例优选采用化学气相沉积法制备该下电极层，该下电极层的材料可例如为W、TiN、Pt、Al中的任意一种。本实施例中，该下电极层的材料优选为W，且制得的柱状W下电极层的直径为190nm，高度为500nm。

然后，在下电极层上沉积选通材料层，制备方法可采用原子层沉积法，物理气相沉积法和化学气相沉积法中的任意一种。作为示例，本实施例中优选为，在W下电极层上采用磁控溅射法，使用先锋材料公司生产的GaS合金靶溅射制备所述Ga_0.45S_0.55材料层，工艺参数为：本底真空是3.0×10^-4Pa、溅射气体流量(Ar)为20sccm、合金靶射频溅射功率为35W、衬底温度为25℃、溅射时间5min，所制得薄膜厚度约为6nm。

其次，在Ga_0.45S_0.55选通材料层上采用同下电极层的制备方法制备所述上电极层TiN，用Ti靶与N₂制备上电极层，工艺参数为：本底真空是3.0×10^-4Pa、溅射气体流量(Ar)为11sccm、溅射气体流量(N₂)为10.8sccm，合金靶射频溅射功率为95W、衬底温度为25℃、溅射时间20min，所制得薄膜厚度约为20nm。

最后，采用溅射法在上电极层制备上引出电极，本实施例中的优选材料为Al，用Al靶溅射制备上引出电极，工艺参数为：本底真空是3.0×10^-4Pa、溅射气体流量(Ar)为20sccm、合金靶射频溅射功率为55W、衬底温度为25℃、溅射时间60min，所制得薄膜厚度为200nm。

下面对本实施例中的基于Ga_0.45S_0.55材料层的选通器单元进行电学性能的测试，包括电流-电压(I-V)，开关速度和疲劳特性的表征。在电压激励作用下，选通器单元的I-V测试曲线如图1所示。可知初始状态为高阻的关断态，随着电压的持续增加到某个特定范围，电流迅速增大10⁵到10⁶倍，即选通单元开启，此刻的电压值称为开启电压或阈值电压，随着施加电压的继续增加，电流缓慢增加。当继续施加反向电压至零值，选通单元弛豫回高阻的关断态，从而完成一次开启-关断操作。此外，由不同曲线可知，选通单元至少可以达到毫安量级的驱动电流，因此可以用作各类新型存储器的选通开关。

基于Ga_0.45S_0.55的选通器单元的开关速度测试见图2，其开启时间小于为40ns，关断时间低于200ns，可为高速存储单元提供选通操作。具体的疲劳特性如图3所示，在开启电压6V,5μs；关断电压0.5V,5μs的测试条件下，单元的循环次数可达10⁷量级，基本满足存储单元的特性需求。

基于Ga_0.45S_0.55的选通器单元的XRD测试见图4，500℃下依旧没有结晶，具有非常好的热稳定性，完全可以满足后端工艺的要求。

综上所述，本发明的基于Ga_xS_1-x-yR_y(0<x<1，y为0～0.55)选通材料、选通器单元及其制备方法的优势表现在如下方面：

1、在外部电激励的作用下，选通材料可顺利实现多次高阻态和低阻态之间的瞬时转变，高阻态代表关闭状态，低阻态代表开启状态，通过在高低阻态之间的转变从而控制器件的开断，可用作各类新型存储器的选通开关。

2、在将所述材料作为选通器的选通介质时，可以实现毫安量级大的驱动电流，具有高性能选通开关的潜力。

3、基于所述材料的选通器单元，具有较高的结晶温度，有助于提高选通器的可靠性。

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。