[发明专利]基于硫系化合物相变材料的限流器及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于硫系化合物相变材料的限流器及制作方法。本发明属于微电子技术领域。

背景技术

Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254～257，1971)发现了硫系化合物相变材料具有存储功能。硫系化合物相变材料的特点是当给它一个电脉冲或采用激光加热的方法时可以使材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变。伴随着材料结构的可逆相变，材料的光学和电学等性能发生可逆相变，处于非晶态时呈现高阻(低反射率)，多晶态时呈现低阻(高反射率)，这样就可以利用其两种状态存储信息。硫系化合物光学性能的可逆变化特性已成功用于可擦重写相变光盘(干福熹等编著.数字光盘存储技术，北京：科学出版社，1998；物理，2002，31(12)：784～788)。而利用硫系化合物相变材料电学性能的可逆变化特性已成功开发出相变型半导体存储器(Jpn.J.Appl.Phys.，2005，44(4B)：2691～2695)。

伴随硫系化合物相变材料的结构发生变化，其电阻性能发生巨大变化(Chin.Phys.Lett.，2004，21(4)：741～743)，非晶态时处于高阻态(电阻约为10⁸欧姆)，多晶态时处于低阻态(电阻约为10²欧姆)，两者之间相差五个数量级以上，并且两种状态之间可以可逆转换。如果把硫系化合物相变材料用于限流器，在电路正常工作状态下，硫系化合物相变材料为多晶态，则整个电路处于低阻导通状态，电流较小，而有较大电流或电压施加于电路中，相变材料会转变为高阻的非晶态或被烧断，则整个电路的电阻立即变得非常大，可大大减小电路的电流，起到限流器的作用，同时相变材料的非晶化过程可以在非常短的时间(十几纳秒—十几微秒)内完成，使得限流器的响应时间非常短，可对整个电路起到很好的保护作用。这正是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硫系化合物相变材料的限流器及制作方法，以达到对电路能够其起到很好保护作用的目的。所提供的限流器的结构包括横向结构和纵向结构两种。

本发明所提供的硫系化合物相变材料限流器的制作过程，具体如下：

横向结构相变限流器的制备工艺步骤是：

(1)在衬底上制备绝缘材料层(如图1所示)，所用的方法为物理制备方法和化学合成方法中的任意一种，其中，物理制备方法包括热蒸发法、热氧化法、气—固生长法、激光烧蚀法，化学合成方法包括溶液—液相—固相法、聚合法、溶胶—凝胶法、金属有机化合物气相外延法。其中的衬底为硅片、绝缘层上的硅衬底、玻璃、GaAs、SiO₂、塑料和晶体材料中任一种；绝缘材料为氧化物、氮化物、碳化物、硫化物中一种或至少两种构成的混合物。

(2)在绝缘材料上制备电极材料层，并通过微纳加工技术制备出两个独立的电极，(如图2所示)，所用的薄膜制备工艺为溅射法、蒸发法、等离子体辅助沉积法、化学气相沉积法、原子层沉积法中任意一种，其中的电极材料可以为单金属材料，如W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu和Ni中一种，或其组合(合金材料)构成；再通过微纳加工技术制备出两个独立的电极，所采用的微纳加工技术为常规光刻技术、聚焦离子束刻蚀技术、原子力显微镜加工技术、电子束光刻法、极紫外光刻法和纳米压印法中任一种。

(3)在两个电极之间填充硫系化合物相变材料，把两个电极连接起来，所用的薄膜制备工艺为溅射法、蒸发法、等离子体辅助沉积法、化学气相沉积法、原子层沉积法中任意一种，其中的硫系化合物相变材料为至少含有一种第六主族元素的化合物；所述的硫系化合物相变材料为Ge₂Sb₂Te₅或Si₂Sb₂Te₅。(图3)

(4)再覆盖一层绝热材料层，以保护硫系化合物相变材料，所用的工艺为溅射法、蒸发法、原子层沉积法、等离子体辅助沉积法、化学气相沉积法、金属有机物热分解法和激光辅助沉积法中任意一种；其中的绝热材料为氧化物、氮化物、碳化物、硫化物中一种或至少两种构成的混合物；最后通过微纳加工技术把两个电极引出，所采用的微纳加工技术为常规光刻技术、聚焦离子束刻蚀技术、原子力显微镜加工技术、电子束光刻法、极紫外光刻法和纳米压印法中任一种。(图4)