一种阈值转变器件及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体器件领域，公开了一种阈值转变器件及其制备方法，阈值转变器件包括底电极，顶电极以及位于底电极和顶电极之间的功能层；功能层为离子注入改性的二元或多元金属氧化物，且经过离子注入改性后在所述功能层的内部或者表面形成有活性金属纳米颗粒；经过离子注入改性后的功能层中注入的离子浓度随功能层深度呈现近高斯分布；活性金属纳米颗粒限制了氧化还原反应发生的区域，减小了导电细丝生长的随机性，提升了阈值转变器件的一致性；且纳米级的活性电极区域使得导电通道在较大限流下依然可以保持自发断裂的特性，提升了阈值转变器件的开态电流密度。值转变器件的开态电流密度。值转变器件的开态电流密度。

A threshold transition device and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种阈值转变器件及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件领域，更具体地，涉及一种基于金属导电细丝的阈值转变(TS)器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，电阻型存储器(RRAM、PCM等)以其速度快、特征尺寸小和三维堆叠潜力大的优势受到了研究者的青睐。但是，在进行读写操作时会面临漏电流串扰问题，因此，选通管被集成到存储阵列中来解决串扰问题。其中，基于金属导电细丝的阈值转变型(TS，Threshold Switching)忆阻器作为一种二端选通管，不仅具有极大的开关比和极低的漏电流(Leakage Current)，还具有结构简单、易于集成和CMOS工艺兼容性高的优势，成为选通管
的研究热点。
[0003]传统的金属导电细丝TS器件以活性金属薄膜(比如Ag或Cu)为顶电极，在电场作用下发生氧化还原反应，当外加电压大于V
th
时，介质层中形成金属导电通道，器件切换到低阻态；当外加电压小于V
h
时，金属导电通道自发断裂，器件回到高阻态。但是，由于金属导电细丝的生长具有很强的随机性，导致器件一致性较差。同时，为了保持金属导电细丝自发断裂的能力，器件的开态电流较小(<100μA)，难以驱动与之串联的存储器，另外，器件的稳定性也较差，这些问题都阻碍了TS器件在大规模存储芯片中的应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种阈值转变器件，旨在解决现有技术中由于金属导电细丝生长的随机性导致器件一致性和稳定性较差以及开态电流密度较小的问题。
[0005]本专利技术提供了一种阈值转变器件，包括底电极，顶电极以及位于底电极和顶电极之间的功能层；所述功能层为离子注入改性的二元或多元金属氧化物，且经过离子注入改性后在所述功能层的内部或者表面形成有活性金属纳米颗粒；经过离子注入改性后的功能层中注入的离子浓度随功能层深度呈现近高斯分布；所述活性金属纳米颗粒限制了氧化还原反应发生的区域，减小了导电细丝生长的随机性，提升了阈值转变器件的一致性；且纳米级的活性电极区域使得导电通道在较大限流下依然可以保持自发断裂的特性，提升了阈值转变器件的开态电流。
[0006]其中，底电极和顶电极均为惰性金属，如Pt、Pd、Au、Ru、W、TiN、TaN、掺杂Si等，通过磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发等方法沉积在衬底上。
[0007]更进一步地，功能层的材料为HfO2、Al2O3、ZrO2、SiO2、Ta2O5、MgO、TiO2、HfAlO
x
或HfZrO
x
。
[0008]作为本专利技术的一个实施例，功能层为单层结构或多层结构；功能层的厚度为5nm～20nm。
[0009]更进一步地，经过离子注入改性后的功能层在其表面形成单层纳米颗粒，且所述
单层纳米颗粒的尺寸范围为1nm～50nm。
[0010]另外，经过离子注入改性后的功能层也可以在其内部形成梯度尺寸的纳米团簇，且梯度尺寸范围为0.1nm～10nm，中心位置d
p
范围为1nm～20nm。
[0011]本专利技术还提供了一种制备上述的阈值转变器件的方法，依次包括下述步骤：底电极沉积、功能层生长、光刻、纳米颗粒可控制备和顶电极沉积工艺；其中所述纳米颗粒可控制备工艺通过离子注入工艺实现，且离子注入工艺中的离子束元素种类为活性金属，注入离子的能量范围为1keV～30keV，注入离子的剂量范围为10
13
～10
17
ions/cm2，离子注入的角度范围为
‑
45
°
～45
°
，注入时衬底温度范围RT～600℃。
[0012]在本专利技术实施例中，注入进功能层的金属离子由于表面张力不匹配，不易与氧化物介质成键，而倾向于与自身成键，形成纳米颗粒或纳米团簇。而纳米颗粒或团簇在功能层中的位置、尺寸、分布范围则由上述工艺条件严格控制。
[0013]其中，离子束元素是单离子或双离子；离子束元素为Ag、Cu、Ni、Ag2Te、Ag2S、Ag2Se、Cu2S、Cu2Se或Cu2Te。
[0014]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于离子注入可控制备的活性金属纳米颗粒限制了氧化还原反应发生的区域，极大减小了导电细丝生长的随机性，使得TS器件一致性得到显著提升；同时，纳米级的活性电极区域也使得导电细丝在较大限流下依然可以保持自发断裂的特性，使得TS器件的开态电流得到显著提升，从而弥补了其在大规模存储芯片应用中的不足。
[0015]另外，与其他传统的化学与物理方法比较，本专利技术提供的制备方法有以下两点优势：(1)具有超高的半导体工艺兼容性，且工艺步骤简单；(2)工艺的精确可控性，以及稳定性和可靠性。
附图说明
[0016]当结合附图阅读下面的详细描述时，能更好地理解本专利技术的内容。需要强调的是，根据工业中的标准实践，各个部件没有按照比例绘制。
[0017]图1为现有技术提供的对照组的器件结构；
[0018]图2为本专利技术实施例(I)的器件结构；
[0019]图3为本专利技术实施例(II)的器件结构；
[0020]图4为本专利技术实施例提供的具体的基于离子注入技术的TS器件制备方法流程；
[0021]图5为现有技术提供的对照组器件的循环I
‑
V曲线图；
[0022]图6为本专利技术实施例(I)器件的循环I
‑
V曲线图；
[0023]图7为本专利技术实施例(II)器件的循环I
‑
V曲线图；
[0024]图8为本专利技术实施例提供的不同器件的Vth分布。
[0025]其中，1是衬底，2是底电极，3是功能层，4是活性金属顶电极，5是惰性金属顶电极，6是活性金属纳米颗粒，7是离子注入保护层，8是活性金属纳米团簇。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并
不用于限定本专利技术。
[0027]图1是现有技术提供的TS器件结构图，作为对照组，具体结构包括衬底1(SiO2/Si)，底电极2(Pt/Ti)，功能层3(HfO2)，活性金属顶电极4(Ag)和惰性金属顶电极5(Pt)。
[0028]如图2和图3所示，本专利技术实施例提供的TS器件包括：底电极和顶电极，以及位于底电极和顶电极之间的功能层，功能层通过离子注入改性，其内部或表面分布着一定尺寸和浓度的活性金属纳米颗粒或者纳米团簇。制备方法包括底电极沉积、功能层生长、光刻、离子注入和顶电极沉积等工艺。
[0029]其中，底电极和顶电极均为惰性金属，如Pt、Pd、Au、Ru、W、TiN、TaN、掺杂Si等，通过磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发等方法沉积在衬底上。功能层为二元或者多元金属氧化物，如Hf本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阈值转变器件，其特征在于，包括底电极，顶电极以及位于底电极和顶电极之间的功能层；所述功能层为离子注入改性的二元或多元金属氧化物，且经过离子注入改性后在所述功能层的内部或者表面形成有活性金属纳米颗粒；经过离子注入改性后的功能层中注入的离子浓度随功能层深度呈现近高斯分布；所述活性金属纳米颗粒限制了氧化还原反应发生的区域，减小了导电细丝生长的随机性，提升了阈值转变器件的一致性；且纳米级的活性电极区域使得导电通道在较大限流下依然可以保持自发断裂的特性，提升了阈值转变器件的开态电流密度。2.如权利要求1所述的阈值转变器件，其特征在于，所述功能层的材料为HfO2、Al2O3、ZrO2、SiO2、Ta2O5、MgO、TiO2、HfAlO
x
或HfZrO
x
。3.如权利要求1或2所述的阈值转变器件，其特征在于，所述功能层为单层结构或多层结构。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的阈值转变器件，其特征在于，所述功能层的厚度为5nm～20nm。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的阈值转变器件，其特征在于，经过离子注入改性后的功能层在其表面形成单层纳米颗粒，且所述单层纳米颗粒的尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祎，左文彬，缪向水，任升广，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：