一种N掺杂Ge-Se-As OTS材料、OTS选通器单元及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种N掺杂Ge‑Se‑As OTS材料、OTS选通器单元及其制备方法，所述N掺杂Ge‑Se‑As OTS材料的化学通式为GeSeAs0.2Nx，其中0

【技术实现步骤摘要】
一种N掺杂Ge-Se-AsOTS材料、OTS选通器单元及其制备方法
本专利技术属于微电子
，特别涉及一种N掺杂Ge-Se-AsOTS材料、OTS选通器单元及其制备方法。
技术介绍
随着大数据时代的到来，存储器的市场需求正变得越来越大。随着尺寸的微缩，相变存储器和阻变存储器等新型非易失性存储器都朝着高密度和三维器件结构的方向发展。传统的选通器件如晶体管和二极管在器件尺寸和驱动能力上都无法满足未来新型存储器的发展。因此，需要研发开关性能好、驱动电流大的选通器件来对存储单元进行选通。目前，利用硫系化合物薄膜材料作为介质的OTS选通器被认为是最具有应用价值的选通器。与晶体管和二极管选通器相比，OTS选通器具有开启电流大、漏电流小、开关比大和微缩性好等优点。其关键材料包括具有阈值转变特性的硫系化合物薄膜、加热电极材料、绝缘材料和引出电极材料等。OTS选通器的基本原理是：利用电学信号来控制选通器件的开关，当施加电学信号于选通器件单元，使材料由高阻态向低阻态转变，此时器件处于开启状态；当撤去电学信号时，材料又由低阻态转变成高阻态，器件处于关闭状态。S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末首次发现了具有阈值转变特性的材料，由此引发了科学家对于阈值转变现象的研究，并发现了一系列具有阈值转变特性的硫系化合物。OTS材料是其中一类能满足选通器要求的非晶硫系化合物材料。截至目前，用于OTS选通器的典型材料为硫系化合物Ge-Se薄膜，其中以GeSe应用最广，即Ge、Se两种元素成分的原子比为1:1。OTS选通器的研究主要朝着高开启电流、低漏电流、高开关比和低阈值电压的方向发展。对于二元Ge-Se材料，选通器开启所需阈值电压较高，从而导致其他器件性能如疲劳次数和可靠性也受到影响。此外，选通器的热稳定性也是影响其性能的关键因素。鉴于此，如何对Ge-Se材料进行掺杂改性以提高选通器的热稳定性、开关比和降低漏电流和阈值转变电压来满足现实要求，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种N掺杂Ge-Se-AsOTS材料、OTS选通器单元及其制备方法，克服现有技术中所需阈值电压较高，从而导致其他器件性能如疲劳次数和可靠性也受到影响、热稳定性差、开关比小的缺陷，该N掺杂Ge-Se-AsOTS材料作为OTS的介质时，OTS单元不仅具有阈值电压低、开关比大等优点，而且器件的热稳定性在引入N元素后得到了极大的提高。本专利技术的一种N掺杂Ge-Se-AsOTS材料，所述材料的化学通式为GeSeAs0.2Nx，其中x指N元素的原子比，且满足0<x<1.0。优选所述0.1<x<0.5。本专利技术的一种N掺杂Ge-Se-AsOTS材料的制备方法，采用溅射法、离子注入法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)制备而成。上述制备方法的优选方式如下：所述N掺杂Ge-Se-AsOTS材料中的As元素通过As离子注入法制备，也可以利用As靶与GeSe靶两靶共溅射或共蒸发等方法制备，还可以利用As靶、Ge靶和Se靶三靶共溅射或共蒸发等方法制备。所述N掺杂Ge-Se-AsOTS材料中N的掺杂通过N离子注入法实现N掺杂，也可以在磁控溅射过程中通入N2实现N掺杂，还可以通过在N2气氛中退火实现N掺杂。所述N掺杂Ge-Se-AsOTS材料采用磁控溅射法制备Ge-Se-N薄膜，随后通过离子注入的方式向Ge-Se-N薄膜中注入As制备而成。本专利技术的一种OTS选通器单元，结构包括下电极层、上电极层及位于上、下电极层之间的OTS材料层，所述OST层包含所述的N掺杂Ge-Se-AsOTS材料。所述上电极层与OTS材料层之间和/或下电极层与OTS材料层之间设有阻挡层。所述阻挡层为1-10nm的碳薄膜或者碳化物薄膜。为了提高器件的可靠性与稳定性，在上电极层与OTS材料层之间以及下电极层与OTS材料层之间插入一层性能稳定的具有一定电导率的厚度在1-10nm的碳薄膜或者碳化物薄膜作为阻挡层，以防止OTS材料向上、下电极层的扩散或阻止OTS材料与上、下电极层之间的化学反应。所述上、下电极层的材料包括：单金属材料或由所述单金属材料中的任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物、碳化物或氧化物。所述单金属材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种。本专利技术的一种选通器单元的制备方法，包括：形成下电极层、OST层、上电极层；在所述上电极层上形成引出电极，把上电极层、下电极层通过所述引出电极与器件的存储单元、驱动电路及外围电路集成。一种选通器单元的制备包括：形成下电极层，在下电极层上形成下阻挡层，下阻挡层上形成OTS材料层，再在OST材料层上形成上阻挡层，上阻挡层上形成上电极层；在所述上电极层上形成引出电极，把上电极层、下电极层通过所述引出电极与器件的存储单元、驱动电路及外围电路集成。所述引出电极的材料包括：单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中的任意一种，或由所述单金属材料中的任意两种或多种组合成的合金材料。所述下电极层、所述OTS层、所述上电极层及所述引出电极的方法包括：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、原子气相沉积法或原子层沉积法中的一种。有益效果本专利技术提供的用于OTS选通器的N掺杂Ge-Se-As新型OTS材料，在600℃的高温下快速热退火2min以及300℃下恒温6小时，该OTS材料仍能保持非晶状态，在外部能量的作用下，能够实现高电阻态到低电阻态的瞬时转变；撤去外部能量时，能够立即由低电阻态向高电阻态转变；和基于GeSe的OTS选通器相比，元素As和N的引入极大地降低了阈值电压，提高了开关比，从而更加适用于OTS选通器的实际应用，组分优化后器件的阈值电压与GeSe相比都降低明显；其作为OTS的介质时，OTS单元不仅具有阈值电压低约为2.0V，现有GeSe的电压值为4.5V、开关比大等优点，而且器件的热稳定性在引入N元素后得到了极大的提高，如在600℃高温下，GeSeAs0.2N0.1OTS薄膜材料未出现结晶，其热稳定性远远高于常见的GeSeOTS材料400℃，材料的高热稳定性能有效提高OTS选通器的可靠性，使得器件能满足更高的环境要求。附图说明图1显示为GeSeAs0.2N0.1OTS材料应用于OTS选通器中，所形成的器件单元在电压激励作用下测得的电流-电压(I-V)曲线；图2显示为本专利技术的OTS选通器单元的结构示意图(未包含上、下阻挡层)；其中下电极层1，OTS材料层2，上层电极3，引出电极4；图3显示为形成下电极层的示意图；其中下层电极1；图4显示为在下电极层上形成OTS材料层的示意图；其中下电极层1，OTS材料层2；图5显示为在OTS材料层上形成上电极层的示意图；其中下电极层1，OTS材料层2，上层电极3；图6显示为GeSeAs0.2N0.1OTS薄膜材料方块电阻与退火温度的关系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种N掺杂Ge‑Se‑As OTS材料，其特征在于，所述材料的化学通式为GeSeAs0.2Nx，其中0

【技术特征摘要】
1.一种N掺杂Ge-Se-AsOTS材料，其特征在于，所述材料的化学通式为GeSeAs0.2Nx，其中0<x<1.0。2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述0.1<x<0.5。3.一种如权利要求1所述的N掺杂Ge-Se-AsOTS材料的制备方法，其特征在于，采用溅射法、离子注入法、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、原子气相沉积法或原子层沉积法制备而成。4.一种OTS选通器单元，结构包括下电极层、上电极层及位于上、下电极层之间的OTS材料层，其特征在于，所述OST层包含权利要求1所述的N掺杂Ge-Se-AsOTS材料。5.根据权利要求4所述的选通器单元，其特征在于，所述上电极层与OTS材料层之间和/或下电极层与OTS材料层之间设有阻挡层。6.根据权利要求5所述的选通器单元，其特征在于，所述阻挡层为碳薄膜或者碳化物薄膜。7.根据权利要求4所述的选通器单元，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴良才，刘广宇，宋志棠，陈莹，张菁，封松林，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31