一种基于锆钛酸铅材料的隧道开关制造技术

一种基于锆钛酸铅材料的隧道开关，包括：衬底；第一电极，所述第一电 极设置于衬底表面；锆钛酸铅材料层，所述锆钛酸铅材料层设置于第一电极远 离衬底的表面；介质薄膜层，所述介质薄膜层设置于锆钛酸铅材料层远离第一 电极的表面，所述介质薄膜层的材料为高介电常数材料；以及第二电极，所述 第二电极设置于介质薄膜层远离锆钛酸铅材料层的表面。本发明专利技术的优点在于， 采用了高介电常数材料作为介质薄膜层，提高了隧道开关的稳定性和可靠性， 更好的满足工业应用的需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件领域，尤其涉及一种基于锆钛酸铅材料的隧道开关。
技术介绍
近来，超薄膜在多功能器件中的应用在工业上受到很大重视，例如高密度 铁电随机存储器，可以减少存储单元的横向和纵向的尺寸而不会减小剩余极化 强度。第一定律的计算以及实验观察表明，在薄膜厚度降到几个单位粒子后， 在这些超薄膜中仍可以存在很强的铁电性。但是，包括金属电极的本征有限静 电屏蔽或者是由于缺陷、应力、相污染以及外延压力等工艺问题，这些表面效应可以产生一个相当大的极化场使得一个记忆单元中的单个的畴变为180° /90斑纹型畴。引起这种变化的原因是平衡系统能量的减少，这也是超薄膜器 件很难在实际中应用的原因。另外，存储器读写过程的脉冲宽度相对畴转变时 间足够长，这可以保证操作的安全性，这里就提出了一个可靠性的问题，包括 在超负荷场下电极附近的电荷注入引起的压印和疲劳。因此，现有技术的缺点在于器件的稳定性和可靠性都不能满足工业应用的 需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种隧道开关，所述隧道开关只有在 畴转变的时候才会打开，在极化反转后的场中会立即关闭以避免电极附近的电 荷注入，或者是在保持时间以后关闭从而锁定在一个单畴模内，以提高器件的 稳定性和可靠性。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于锆钛酸铅材料的隧道开关，包 括衬底；第一电极，所述第一电极设置于衬底表面；锆钛酸铅材料层，所述3锆钛酸铅材料层设置于第一电极远离衬底的表面；介质薄膜层，所述介质薄膜 层设置于锆钛酸铅材料层远离第一电极的表面，所述介质薄膜层的材料为高介 电常数(High-k)材料；以及第二电极，所述第二电极设置于介质薄膜层远离 锆钛酸铅材料层的表面。所谓高介电常数材料是半导体材料领域内 一种固定称谓。在传统的半导体 工艺中通常采用二氧化硅作为介质材料，而随着技术的不断发展，介质层的厚 度不断降低，二氧化硅的介电常数已经不能满足要求，因此需要研发介电常数 高于二氧化硅的材料作为介质层，以满足厚度降低的需求，这种介电常数高于 二氧化硅的材料通常被本领域内的技术人员成为高介电常数材料。作为可选的技术方案，所述介质薄膜层的介电常数大于7，优选自于氧化 铝、氧化铪、氧化钛和氧化铌中的一种。所述介质层也可以是其他的具有高介 电常数的介质材料。高k材料具有高介电常数，在低场下这些材料是绝缘体， 当场强达到一定强度时，这些材料又可以变成导体使得电流注入到铁电材料 中，实现铁电畴的反转。作为可选的技术方案，所述介质薄膜层的厚度为3 6nm。作为可选的技术方案，所述锆钛酸铅材料层的厚度为50 200nm。作为可选的技术方案，进一步包括绝缘层，所述绝缘层设置于衬底与第一 电极之间，所述绝缘层的材料为二氧化硅。作为可选的技术方案，所述第一电极的材料为铱。作为可选的技术方案，所述第二电极的材料为铂。本专利技术的优点在于，采用了高介电常数材料作为介质薄膜层，并叠加PZT 材料，从而降低了器件的漏电电流，提高了隧道开关的稳定性和可靠性，更好 的满足工业应用的需要。附图说明附图1A所示是本专利技术所述具体实施方式的隧道开关结构示意图。 附图1B至附图6是对本专利技术具体实施方式中所述隧道开关各种性能的测 试结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的一种基于锆钛酸铅材料的隧道开关的具体 实施方式做详细说明。附图1A所示是本具体实施方式的隧道开关结构示意图，包括衬底100; 绝缘层110，所述绝缘层110设置于衬底与第一电极.120之间；第一电极120,所述第一电极120设置于衬底100表面；锆钛酸铅材料层130，所述锆钛酸铅 材料层130设置于第一电极120远离衬底110的表面；介质薄膜层140，所述 介质薄膜层140设置于锆钛酸铅材料层130远离第一电极120的表面；以及第 二电极150，所述第二电极150设置于介质薄膜层140远离锆钛酸铅材料层130 的表面。本具体实施方式中，衬底100为单晶硅，绝缘层110为100nm厚的Si02 作为，第一电极120 (或者叫做底电极)为70nm厚的金属铱，介质薄膜层140 为非晶态的氧化铝(A1203)，第二电极150 (或者叫做顶电极)为金属铂。上述结构中的第一电极120的材料为铱。锆钛酸铅材料层130 (PZT)可 以采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法生长，将具有上述结构的衬 底置于8英寸大的液体输运MOCVD反应室中生长。长完PZT后，晶片被切 为2X2 cn^的小块。生长氧化铝可以采用原子层淀积(ALD)工艺。最后再 采用真空溅射工艺生长金属铂。所述介质薄膜层140的厚度为3 6nm;所述锆钛酸铅材料层130的厚度 为50 200nm。首先介绍本具体实施方式所述隧道开关在极化反转中隧道开关的打开情况。附图1B是上述隧道开关的P-V滞回曲线。表示分别采用不同厚度的A1203 层时曲线的变化，此图分别表示线性入1203和PZT层的压降。曲线是通过 TF2000分析器采用FE模型在上电极上加三角波测得的。当d增加时剩余极化 强度&以及矫顽场Ve会有意想不到的变大，曲线也更加不同，这与通常情况 下窄并且翘起的回线恰好相反。这表明在畴转换的时候，A1203层不再是绝缘5层了。附图1C是从P-V滞回曲线中萃取正负矫顽电压作出与d的关系图，用 不同的表述技术得出的正负矫顽场(+AFc)与Ab03的关系，其中实线是与数 据最吻合的。这些点呈线性，如图中两条近似平行的实线所示。一旦Al203层变得导电了，其阻抗可以通过转换电流直接估测出来。附图 2A和附图2B表示的分别是d=0和d=60埃时的瞬时点畴转换电流，电压Vppl 不断增加，脉冲宽度为2)tis.转换电流W是由50Q内置电阻以及内阻为50Q的 波形发生器相串联得到的。对于一个理想的铁电层，转换电流在最初电容充电之后应该有一个峰值，同时在to时铁电层的压降会增加到Vfc，然后，由于电路中总阻抗RiJ艮制了转换电流的的最大值，所以会出现一个稳定的电流。在 电畴转换完毕之后，之前的充电的电容将储存这些电荷， 一直到铁电层的压降 完全消失。但是，这一段平稳的峰还是会翘起，因为界面层电容Q遵循以下 公式初始电流为(to《t tsw) (1)A『o —'卿/(2)其中U是极化反转完成的时间。总阻抗应该包括电路寄生电阻Rp、薄膜 与电极之间的接触电阻Rc，所以R产Ro+Rw+Rp+Rc，对于铁电-氧化物双层膜来 说，Rc包括A1203层可导情况下的内阻。另外Q也要考虑A1203层的影响，1/Ci. =1/(^+1/(^其中Cm、 Ci'分别是绝缘八1203层的电容和PZT在上下电极附近的 界面电容。附图2A和附图2B中一些列平行的点线是最符合公式(1)的瞬时转换电 流。在to时刻开始偏离瞬时电流(图中以圆圈表示)，从这些点线中除了得到 RiCi时间常数以外我们还可以得到4vG和^ppi的关系图。附图2C为/J和Fappl 的关系图，从而我们可以推得Rp，最后通过R推出Rc。附图2D和2E所示分 别为q与Rc的同薄膜厚度的关系图。从图中可以看出，Rc并不是与薄膜厚度6呈线性关系，在d=0是为6±1 Q而在心60 A是60±9 Q，成椭圆形增长。这些低的阻抗和高Q值(>&g本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于锆钛酸铅材料的隧道开关，其特征在于，包括：　衬底；　第一电极，所述第一电极设置于衬底表面；　锆钛酸铅材料层，所述锆钛酸铅材料层设置于第一电极远离衬底的表面；　介质薄膜层，所述介质薄膜层设置于锆钛酸铅材料层远离 第一电极的表面，所述介质薄膜层的材料为高介电常数材料；以及　第二电极，所述第二电极设置于介质薄膜层远离锆钛酸铅材料层的表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江安全，马镇，
申请(专利权)人：江安全，马镇，
类型：发明
国别省市：31