[发明专利]一种基于锆钛酸铅材料的隧道开关

说明书

【技术领域】

本发明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。

【背景技术】

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。

【发明内容】

本发明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，本发明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 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。

本发明的优点在于，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所示是本发明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是对本发明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】

下面结合附图对本发明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。