一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關的制作方法

專利名稱：一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件領域，尤其涉及一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開
關。背景技術：
近來，超薄膜在多功能器件中的應用在工業上受到很大重視，例如高密度 鐵電隨機存儲器，可以減少存儲單元的橫向和縱向的尺寸而不會減小剩余極化 強度。第一定律的計算以及實驗觀察表明，在薄膜厚度降到幾個單位粒子后， 在這些超薄膜中仍可以存在很強的鐵電性。但是，包括金屬電極的本征有限靜 電屏蔽或者是由于缺陷、應力、相污染以及外延壓力等工藝問題，這些表面效
應可以產生一個相當大的極化場使得一個記憶單元中的單個的疇變為180° /90斑紋型疇。引起這種變化的原因是平衡系統能量的減少，這也是超薄膜器 件很難在實際中應用的原因。另外，存儲器讀寫過程的脈沖寬度相對疇轉變時 間足夠長，這可以保證操作的安全性，這里就提出了一個可靠性的問題，包括 在超負荷場下電極附近的電荷注入引起的壓印和疲勞。
因此，現有技術的缺點在于器件的穩定性和可靠性都不能滿足工業應用的 需求。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種隧道開關，所述隧道開關只有在 疇轉變的時候才會打開，在極化反轉后的場中會立即關閉以避免電極附近的電 荷注入，或者是在保持時間以后關閉從而鎖定在一個單疇模內，以提高器件的 穩定性和可靠性。
為了解決上述問題，本發明提供了一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，包 括襯底；第一電極，所述第一電極設置于襯底表面；鋯鈦酸鉛材料層，所述
3鋯鈦酸鉛材料層設置于第一電極遠離襯底的表面；介質薄膜層，所述介質薄膜 層設置于鋯鈦酸鉛材料層遠離第一電極的表面，所述介質薄膜層的材料為高介 電常數(High-k)材料；以及第二電極，所述第二電極設置于介質薄膜層遠離 鋯鈦酸鉛材料層的表面。
所謂高介電常數材料是半導體材料領域內 一種固定稱謂。在傳統的半導體 工藝中通常采用二氧化硅作為介質材料，而隨著技術的不斷發展，介質層的厚 度不斷降低，二氧化硅的介電常數已經不能滿足要求，因此需要研發介電常數 高于二氧化硅的材料作為介質層，以滿足厚度降低的需求，這種介電常數高于 二氧化硅的材料通常被本領域內的技術人員成為高介電常數材料。
作為可選的技術方案，所述介質薄膜層的介電常數大于7，優選自于氧化 鋁、氧化鉿、氧化鈦和氧化鈮中的一種。所述介質層也可以是其他的具有高介 電常數的介質材料。高k材料具有高介電常數，在低場下這些材料是絕緣體， 當場強達到一定強度時，這些材料又可以變成導體使得電流注入到鐵電材料 中，實現鐵電疇的反轉。
作為可選的技術方案，所述介質薄膜層的厚度為3 6nm。
作為可選的技術方案，所述鋯鈦酸鉛材料層的厚度為50 200nm。
作為可選的技術方案，進一步包括絕緣層，所述絕緣層設置于襯底與第一 電極之間，所述絕緣層的材料為二氧化硅。
作為可選的技術方案，所述第一電極的材料為銥。
作為可選的技術方案，所述第二電極的材料為鉑。
本發明的優點在于，采用了高介電常數材料作為介質薄膜層，并疊加PZT 材料，從而降低了器件的漏電電流，提高了隧道開關的穩定性和可靠性，更好 的滿足工業應用的需要。


附圖1A所示是本發明所述具體實施方式
的隧道開關結構示意圖。 附圖1B至附圖6是對本發明具體實施方式
中所述隧道開關各種性能的測 試結果。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明提供的一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關的具體 實施方式做詳細說明。
附圖1A所示是本具體實施方式
的隧道開關結構示意圖，包括襯底100; 絕緣層110，所述絕緣層110設置于襯底與第一電極.120之間；第一電極120,
所述第一電極120設置于襯底100表面；鋯鈦酸鉛材料層130，所述鋯鈦酸鉛 材料層130設置于第一電極120遠離襯底110的表面；介質薄膜層140，所述 介質薄膜層140設置于鋯鈦酸鉛材料層130遠離第一電極120的表面；以及第 二電極150，所述第二電極150設置于介質薄膜層140遠離鋯鈦酸鉛材料層130 的表面。
本具體實施方式
中，襯底100為單晶硅，絕緣層110為100nm厚的Si02 作為，第一電極120 (或者叫做底電極)為70nm厚的金屬銥，介質薄膜層140 為非晶態的氧化鋁(A1203)，第二電極150 (或者叫做頂電極)為金屬鉑。
上述結構中的第一電極120的材料為銥。鋯鈦酸鉛材料層130 (PZT)可 以采用金屬有機物化學氣相淀積(MOCVD)方法生長，將具有上述結構的襯 底置于8英寸大的液體輸運MOCVD反應室中生長。長完PZT后，晶片被切 為2X2 cn^的小塊。生長氧化鋁可以采用原子層淀積(ALD)工藝。最后再 采用真空濺射工藝生長金屬鉑。
所述介質薄膜層140的厚度為3 6nm;所述鋯鈦酸鉛材料層130的厚度 為50 200nm。
首先介紹本具體實施方式
所述隧道開關在極化反轉中隧道開關的打開情況。
附圖1B是上述隧道開關的P-V滯回曲線。表示分別采用不同厚度的A1203 層時曲線的變化，此圖分別表示線性入1203和PZT層的壓降。曲線是通過 TF2000分析器采用FE模型在上電極上加三角波測得的。當d增加時剩余極化 強度&以及矯頑場Ve會有意想不到的變大，曲線也更加不同，這與通常情況 下窄并且翹起的回線恰好相反。這表明在疇轉換的時候，A1203層不再是絕緣
5層了。附圖1C是從P-V滯回曲線中萃取正負矯頑電壓作出與d的關系圖，用 不同的表述技術得出的正負矯頑場(+AFc)與Ab03的關系，其中實線是與數 據最吻合的。這些點呈線性，如圖中兩條近似平行的實線所示。
一旦Al203層變得導電了，其阻抗可以通過轉換電流直接估測出來。附圖 2A和附圖2B表示的分別是d=0和d=60埃時的瞬時點疇轉換電流，電壓Vppl 不斷增加，脈沖寬度為2)tis.轉換電流W是由50Q內置電阻以及內阻為50Q的 波形發生器相串聯得到的。對于一個理想的鐵電層，轉換電流在最初電容充電
之后應該有一個峰值，同時在to時鐵電層的壓降會增加到Vfc，然后，由于電
路中總阻抗RiJ艮制了轉換電流的的最大值，所以會出現一個穩定的電流。在 電疇轉換完畢之后，之前的充電的電容將儲存這些電荷， 一直到鐵電層的壓降 完全消失。但是，這一段平穩的峰還是會翹起，因為界面層電容Q遵循以下 公式
初始電流為
(to《t tsw) (1)
A『
o —'卿/
(2)
其中U是極化反轉完成的時間。總阻抗應該包括電路寄生電阻Rp、薄膜 與電極之間的接觸電阻Rc，所以R產Ro+Rw+Rp+Rc，對于鐵電-氧化物雙層膜來 說，Rc包括A1203層可導情況下的內阻。另外Q也要考慮A1203層的影響，1/Ci. =1/(^+1/(^其中Cm、 Ci'分別是絕緣八1203層的電容和PZT在上下電極附近的 界面電容。
附圖2A和附圖2B中一些列平行的點線是最符合公式(1)的瞬時轉換電 流。在to時刻開始偏離瞬時電流(圖中以圓圈表示)，從這些點線中除了得到 RiCi時間常數以外我們還可以得到4vG和^ppi的關系圖。附圖2C為/J和Fappl 的關系圖，從而我們可以推得Rp，最后通過R推出Rc。附圖2D和2E所示分 別為q與Rc的同薄膜厚度的關系圖。從圖中可以看出，Rc并不是與薄膜厚度
6呈線性關系，在d=0是為6±1 Q而在心60 A是60±9 Q，成橢圓形增長。這些
低的阻抗和高Q值(>>CA1)表明在疇轉換過程中氧化鋁的高可導性。
接下來介紹本具體實施方式
所述隧道開關的關閉及閾值場。
從雙脈沖下電流響應的時間積分(持續時間為4=5 ps)可以得到分別在同
向和反向脈沖電壓下rappl與轉換的極化強度Psw和未轉換的極化強度Pnsw之間
的依賴關系，P^與P,之差為2Pr。附圖3A是不同Al203厚度下2倍剩余極
化及為反轉極化與電壓的關系。當d從0增加到60A時，2&增加了56%，而
P,與Kppi成近似線性的關系，如圖中實線所示。通過公式Ct。t =5^nsw/Jrappl
我們可以得到雙層膜的總電容。如果Al203層在疇對準之后隨著外電場仍然保
持可導的話，Ct。t應該與鐵電層的電容Cf相等，與d獨立。否則，應該遵循下
面的公式
1 —丄+ d
其中Sai是A1203層的介電常數，sQ為真空介電常數。附圖3B所示為以A1203 厚度為參數，從Pnsw-"關系圖的斜率萃取的總電容的倒數與在100khz下阻抗 分析儀直接測量結果的比較。附圖3B的結果與方程(3)符合的很好，這很好 的表明了在疇轉換之后氧化鋁層的高絕緣性。從曲線的斜率可以得到，Sa!=9.0 與第一原理的計算相吻合，同時，在^pp「0時阻抗分析儀直接測定Ct。t得到確 切的Sat8.0，如圖3B所示，盡管兩條線在1/Ct。t軸上有一些縱向偏離。從對sa! 的估算中可以看出在PZT上面的A1203的電容要遠小于圖2D中的Q，這說明 隧道開關的打開。附圖3C所示為疇轉換過程中串聯電阻和電容等效電路圖， 虛線框中為不同狀態的隧道開關。但是當疇在外電場下有序排列后，氧化鋁有 保持一個好的絕緣性，相當于"off"狀態(圖中未示)。
無電極的絕緣Al203層與反向極化的鐵電材料結合在一起可以達到很高的
壓降。當壓降足夠高達到閾值電壓Vth，八1203層中就會相應的打開一個導電通 道，于是我們有
(4)
從附圖1C中Fe-d的關系可以得到，Vth與d成正比；由直線的斜率我們得到相應的閾值電場五th-12土l MV/cm，其中Ffc為常量。圖1B下半部分分別 表示出了 A1203和PZT串聯層的電壓降Val和Vf，初始條件甴60 A， Fappl=FA1+ Ff， 假設鐵電層為反向極化的線性電容。當F尸Ffc時，疇轉換導致隧道開關打開之 前，在Vf恒定時，Va!非常快的增加到Vth。在極化反轉之后，隧道開關關閉， Val立即就會很迅速的降低，兩層的電壓又會變回原先的點線。
接下來介紹本具體實施方式
所述隧道開關中，鐵電薄膜厚度、轉換電流、 轉換時間和溫度與閾值場之間的關系。
附圖4A、 4B以及4C所示是分別是不同PZT薄膜厚度、不同測量頻率以 及不同溫度下，PZT薄膜厚度與電壓之間的關系示意圖。附圖4A是在1kHz 下，不同厚度的PZT膜下從P-V滯回曲線中萃取的Al203厚度與矯頑場的關系， 其中所有數據有實線表示。附圖4B是對于300nrn厚的PZT膜在不同頻率下的 Vc-d關系，小圖中表示的是曲線的斜率。附圖4C是對于150nrn厚的PZT膜 在lkHz時，在不同的溫度下Ve-d的關系，小圖為斜率。當PZT薄膜厚度從 50變到500nm時，^W直線的斜率幾乎不變。由于Vfc與鐵電膜厚度的關系， 圖形在電壓軸上會有一點縱向的移動。如附圖4B所示測量頻率從lk減到10Hz 時，在頻率的對數座標下，圖形斜率會減少約14%，如圖內小圖所示，這與典 型鐵電材料的&-/關系相近。當f足夠高轉換時間為1(T3-10'7S數量級時，斜 率變化較小，如圖1C。另外，斜率會隨著溫度的提高而降低，如圖4C中所示， 但是在298到393k時不會超過13%左右。
所以我們期望的到一個修正過的/sw-￡th以提高隧道開關的場靈敏度。實驗 中，在Vapp,下脈沖寬度為0.01s時，當Ro從50變到1MQ時，由公式(2)可 以看出1^可以減小4個數量級還多。在這種低速極化反轉中的/s^-Fapp,圖也 相應的做出來。在根據方程(2)對數據最優化后，在&20A時，我們近似的 的得到一個線性的Fc-d關系，Eth=10±l MV/cm。在大于10±1 MV/cm時，/^-五& 關系的修正值基本上按照如下規律A4v/A^h 0.01B.cm/MV。在圖4A中，在用 短脈沖測量時上面的Fe-d關系在電壓軸上有垂直移動，但是d減小時也會變小。 這表明低估了4v(五th)平方關，因為還包含了壓印的關系。大體上，在隧穿通道 打開之前，Al203和PZT界面積累的熱注入電荷是與壓印物理學有關的。但是，
8只有在時間大于1)IS是電荷注入的影響才會顯得很重要，低于這一時間時，注
入是十分微小的。基于這些考慮，在快速疇轉換下的出的Eth更為準確一些。
接下來結合附圖介紹本具體實施方式
所述隧道開關的保持性能的改進。 當薄膜厚度減小到幾個單胞時，金屬電極的不完全的本征遮蔽長度只有零 點幾埃，但在薄膜中卻是至關重要的。但是，當膜厚度大于5nm時，薄膜工 藝中的界面效應的影響就更加顯著了，比如，應力場與自發極化耦合，在表面 附近極化梯度的終結，以及合成物和微觀結構的多相性，它通過產生一個大的 去極化場使得部分疇反向轉換，這使得它在極化保持性能中起到很重要的作 用。附圖5A所示的是對不同厚度的PZT膜，tre尸ls時，通過雙脈沖測量得到 的2&與d的關系，小圖為頻率為lkHz時，50nm厚的PZT膜與不同厚度的 Ab03結合時的P-V滯回曲線。保持時間遠大于附圖3A中的5 pS，這使得薄 膜有緩慢極化弛豫過程這是由應變效應引起。在^30 A時2&比d=0時增加 了125%。于是在d:20A是P/變大，p-v滯回曲線也變得更加方了，如圖中所 示，在用了氧化鋁之后被負電壓軸分割的曲線的開口明顯減小。相對的，對于 150nm厚的PZT膜2&不再隨著d的變化而變化，如附圖5A所示，因為極化 場于鐵電層的厚度成反比關系。這一結果與附圖3A中的很是不同，不斷的正 負脈沖測量使得薄膜變得疲勞。然而，在附圖5A中，為了減輕這一問題，測 量只進行1-2個循環，在d =40 A時50nrn厚的PZT的最終穩定極化強度比 150nm厚的膜增加了 118%。這種極化的增強是由薄膜上的晶格匹配應力效應 引起的。
在極化反轉后隧道開關關閉，從而避免了超負載場下的電荷注入。附圖5B 所示是雙電極脈沖寬度為5ps，頻率為10kHz及不同的電壓下，對于150nm厚 的PZT膜隨著Al203層厚度的增加耐疲勞特性的改善。。當(1=0時，在幾個循 環內薄膜就很容易疲勞。通過增加Al203層的厚度，這一狀況可以明顯改善， 但是這樣做也會導致疲勞電壓的的增加。在每一個周期中疇壁的釘扎與反釘扎 共存的模型與試驗數據十分吻合，如圖中實線所示，在這一模型中疲勞物理原 理被認為是由于電極附近電荷注入所造成的。對于我們采用的膜，底電極為銥，有很好的抗疲勞特性，所以薄膜的主要疲勞損害是由商店極Pt的電荷注入引起 的。
一旦注入通道被氧化鋁絕緣層阻塞，疲勞特性將會提高。
附圖5C所示是在加訪問脈沖前后隧道開關機疇狀態的示意圖，脈沖寬度 大于U以保證極化完全。 一開始，開關關閉，但是緊接在t^期間，正電荷從 上電極漂移過氧化鋁補償界面附近的邊界電荷同時，先前的負的屏蔽電荷被抽 出。之后，當極化反轉完成后，開關關閉，使得在超負載場下電荷將不能在鐵
電層中注入的更深。最后，所有的正補償電荷被界面態捕獲，在Va一后，疇的 形式也被氧化鋁絕緣層鎖定。在tr之后，如果在一個薄膜的亞區域中(如附圖
5C)又有疇反向轉換出現，就會在鐵電層中產生一個反極化場Ed來阻止這一
過程，其值為2iVZ/s()sa!，其中Ps為剩余極化強度。如果氧化鋁層沒有泄漏的
話，在^10A時，與llv數量級的極化電壓相比，這一電場是很大的。
接下來結合附圖介紹本具體實施方式
所述隧道開關的高場下電子隧穿。 由經典量子力學可知，電子有一定幾率穿過勢壘高度為(h (大于電子能量
E)的一維矩形勢壘，當Fa^(J)b吋，對于直接隧穿，透射系數與
exp[-2c^2m*+ —五)/方2]成正比，其中q為元電荷，p為費米能級，w*
為有效質量，力是簡化的普朗克常量。由于FA!X])B勢壘成三角形狀翹起從而減
少隧穿長度，這成指數的增加了隧穿電流(Fowler-Nordheim隧穿)。 一般來 說，場強為lMV/cm，比Eth低一個數量級。Eth越高(j)B也就越高。于是，在如 此高的())b下，即使Eth減少很小一點，隧穿電流也會相差幾個數量級。同時當 溫度升高時，由于電子能量變大增寬了能量分布函數，使得隧道電流也會增加， 所以要得到相等的Isw就要減小Eth，這就解釋了圖4C中的E也-T的關系。
附圖6所示是極化反轉后隧道開關在高場下打開。d:40及60A時，對于 PZT (150nm) /八1203雙層膜分別在正負電壓下非反轉極化與電壓的關系。小 圖為電壓低于及高于Vth=-10V時的瞬時電流的坐標圖，分別用雙線和單線表 示。當Va!降低到Vth以下，Kpp^Fc時，疇陣列沿外電場排布如圖1B,隧道電 流會減少幾個數量級，也就是說隧道開關關閉了。但是，如果圖1B中的外電 壓足夠高，|Fappl|>|Fe'|，隧道開關可以再次打開。我們之后的實驗表明只有在KPPi<0是才會有這種現象，例如洳60 A時Fappl<-15 V及d=40 A時Fappl<-10 V。但是在Kpp,X)時，隧穿電流很微弱，這很好的說明了隧穿的載流子是主要 是電子而不是空穴。可以推測，這是由于空穴質量要比電子大，要達到相同的 效率的話需要更大的電壓。當隧道開關打開時，電路的RC時間增長了，于是 在這一時刻可以用雙線滿足之前的瞬時電流的半對數坐標，如附圖6中小圖所
示，同時Pr^會突然變大，偏離了前面的尸Mvv-K^線性關系。
通過以上的敘述可以看出，由于采用了非晶態氧化鋁作為介質薄膜層，通 過測試隧道開關的打開、關閉、保持性能，可以看出與PZT結合的Al203勢壘 層的隧道開關在12MV/cm時打開，使得疇轉換得以進行；而在極化反轉結束 后開關關閉以防止疇的反向轉換以及多余的電極附近的電荷注入，從而提高了 隧道開關的穩定性和可靠性，更好的滿足工業應用的需要。
以上試驗結果是以氧化鋁作為介質層所得到的結果，但實際應用應當不僅 限于氧化鋁，采用其他具有高介電常數的材料，例如氧化鉿、氧化鈦、氧化鈮 等也可以達到相同的效果。采用氧化鋁作為介質層的優點是工藝成熟，因此制 備過程簡單且成本較低。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些 改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1. 一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于，包括襯底；第一電極，所述第一電極設置于襯底表面；鋯鈦酸鉛材料層，所述鋯鈦酸鉛材料層設置于第一電極遠離襯底的表面；介質薄膜層，所述介質薄膜層設置于鋯鈦酸鉛材料層遠離第一電極的表面，所述介質薄膜層的材料為高介電常數材料；以及第二電極，所述第二電極設置于介質薄膜層遠離鋯鈦酸鉛材料層的表面。
2. 根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于，所 述介質薄膜層的介電常數大于二氧化硅的介電常數。
3. 根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于，所 述介質薄膜層的介電常數大于7。
4. 根據權利要求3所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于，所 述介質薄膜層的材料選自于氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦和氧化鈮中的一種。
5. 根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于，所 述介質薄膜層的厚度為3 6nm。
6. 根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于，所 述鋯鈦酸鉛材料層的厚度為50 200nm。
7. 根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于，進 一步包括絕緣層，所述絕緣層設置于襯底與第一電極之間。
8. 根據權利要求7所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于，所 述絕緣層的材料為二氧化硅。
9. 根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于，所 述第一電極的材料為銥。
10. 根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，其特征在于， 所述第二電極的材料為鉑。
全文摘要
一種基于鋯鈦酸鉛材料的隧道開關，包括襯底；第一電極，所述第一電極設置于襯底表面；鋯鈦酸鉛材料層，所述鋯鈦酸鉛材料層設置于第一電極遠離襯底的表面；介質薄膜層，所述介質薄膜層設置于鋯鈦酸鉛材料層遠離第一電極的表面，所述介質薄膜層的材料為高介電常數材料；以及第二電極，所述第二電極設置于介質薄膜層遠離鋯鈦酸鉛材料層的表面。本發明的優點在于，采用了高介電常數材料作為介質薄膜層，提高了隧道開關的穩定性和可靠性，更好的滿足工業應用的需要。
文檔編號H01L29/92GK101510564SQ200910048448
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月27日 優先權日2009年3月27日
發明者江安全, 鎮 馬 申請人:復旦大學