一种半导体器件及其制备方法与流程

本申请涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种半导体器件及其制备方法。

背景技术：

近年来随着对阻变式存储器(rram)器件研究的不断深入，很多钙钛矿结构的阻变材料被发现。钙钛矿材料是指一类陶瓷氧化物材料，其分子通式为abo3，这些材料都有着稳定的电阻开关特性。srtio3作为一种经典的钙钛矿结构材料，因为它具有可调谐的高介电常数、较低的介电损耗、良好的热稳定性等优良性能广泛应用于消磁、微波、超导、传感、催化等各个方面。

认识到srtio3本身具有如此丰富的性能，科研学者们开展了大量的工作对srtio3各项属性进行了深入研究，介电、热导性能始终是各种研究的重点，但是自从在钛酸锶基材料发现反常电学性质之后，材料的阻变特性成为了研究的新热点，出现了很多关于电阻开关的文章，人们相继在la:srtio3、nb:srtio3、cr:srtio3、srtio3单晶等多种钛酸锶基材料中发现了电阻开关现象。

虽然对于钛酸锶基材料的性能研究较为广泛，但缺少钛酸锶基材料在半导体器件中的应用。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体器件及其制备方法，以实现将钛酸锶基材料应用于半导体器件，并发掘钛酸锶基材料在半导体器件发挥的独特作用的目的。

为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种半导体器件，包括：

衬底；

位于所述衬底表面的底电极；

位于所述底电极背离所述衬底一侧表面的三元氧化物薄膜，所述三元氧化物薄膜的化学通式为ao(abo3)n；

位于所述三元氧化物薄膜背离所述底电极一侧表面的顶电极。

可选的，所述三元氧化物薄膜为rp结构的(sro(srtio3)10)薄膜。

可选的，所述底电极为lanio3电极或srruo3电极或fto电极或ito电极或pt电极。

可选的，所述顶电极为au电极或pt电极或al电极或w电极或ito电极。

一种半导体器件的制备方法，包括：

制备三元氧化物溶胶，所述三元氧化物薄膜的化学通式为ao(abo3)n；

在衬底表面制备底电极；

利用所述三元氧化物溶胶在所述底电极背离所述衬底一侧表面制备三元氧化物薄膜；

在所述三元氧化物薄膜背离所述底电极一侧表面制备顶电极。

可选的，当所述三元氧化物溶胶为(sro(srtio3)10)溶胶时，所述制备三元氧化物溶胶包括：

向sr(ac)2溶液中滴入预设体积乙酰丙酮作为稳定剂；

将ti(oc4h9)4溶液滴入加入稳定剂的sr(ac)2溶液中，在滴入ti(oc4h9)4溶液的过程中不断搅拌直至获得稳定澄清的sro(srtio3)10溶胶；

向所述稳定澄清的sro(srtio3)10溶胶中加入乙酸和无水乙醇，以将所述稳定澄清的sro(srtio3)10溶胶的ph值调整为5±0.5，并将所述稳定澄清的sro(srtio3)10溶胶的浓度调整为0.3mol/l，获得所述sro(srtio3)10溶胶。

可选的，当所述三元氧化物溶胶为(sro(srtio3)10)溶胶时，所述利用所述三元氧化物溶胶在所述底电极背离所述衬底一侧表面制备三元氧化物薄膜包括：

a：采用溶胶凝胶法在所述底电极背离所述衬底一侧旋涂所述sro(srtio3)10溶胶；

b：对旋涂后的sro(srtio3)10溶胶进行烘胶处理；

c：重复a和b步骤n次；

d：对步骤c获得的产物在空气气氛中进行退火处理，获得所述sro(srtio3)10溶胶薄膜。

可选的，n的取值为3。

可选的，所述对旋涂后的sro(srtio3)10溶胶进行烘胶处理包括：

e：将旋涂后的sro(srtio3)10溶胶在150℃环境下烘烤10min；

f：将步骤e得到的产物在300℃环境下烘烤60min。

可选的，所述底电极和三元氧化物薄膜的厚度的取值范围为300nm-350nm，包括端点值。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种半导体器件及其制备方法，其中，所述半导体器件包括由下至上依次排列的衬底、底电极、三元氧化物薄膜和顶电极。所述半导体器件将钛酸锶材料(三元氧化物ao(abo3)n)应用于器件结构中，通过对于半导体器件的测试可以看出这种结构的半导体器件随着两端施加电压的升高，半导体器件内部的电流先增大到一极值点后突然变小最终维持在一个平稳状态，呈现出明显的负微分电阻特性。这种结构的半导体器件结构简单，可以实现电子器件的高度集成，且稳定性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种半导体器件的剖面结构示意图；

图2(a)-图2(d)为本申请的一个实施例提供的半导体器件在不同外界电压下的i-v特性曲线；

图3为本申请的一个实施例提供的一种半导体器件制备方法的流程示意图；

图4为本申请的另一个实施例提供的一种半导体器件制备方法的流程示意图；

图5为本申请的又一个实施例提供的一种半导体器件制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种半导体器件，如图1所示，包括：

衬底10；

位于所述衬底10表面的底电极20；

位于所述底电极20背离所述衬底10一侧表面的三元氧化物薄膜30；

位于所述三元氧化物薄膜30背离所述底电极20一侧表面的顶电极40。

可选的，所述三元氧化物薄膜30为rp结构的(sro(srtio3)10)薄膜。

需要说明的是，rp相钛酸锶(sro(srtio3)n)是一系列比较有特色的钛酸锶基功能材料，它们内部是一层sro和一层tio2交替堆叠形成的立方层状钙钛矿空间结构。通常像这种层状结构的三元氧化物ao(abo3)n有着许多优越的属性，比如磁性、介电、光吸收、热电、载流子传导等。而且这些性能与合成材料时处于a位和b位的离子以及ao/abo3的比例大小n有关。当材料内b位离子是磁性离子时，材料能够被诱导出磁性；当掺入过渡金属或者稀土元素时，材料能够展现出良好的热电性能；材料内部电荷极化可以由制备过程中缺氧导致的氧空位引起，也可能是因为处在a位的阳离子同时具有两个不同价态，而且b位也是多价阳离子；如果b位阳离子既带有磁性又是多价态离子，那么在外场作用下可能同时具有多种特性，且它们之间相互影响。

参考图2(a)-图2(d)，在对本实施例提供的半导体器件进行i-v曲线测试可以发现：这种结构的半导体器件随着两端施加电压的升高，半导体器件内部的电流先增大到一极值点后突然变小最终维持在一个平稳状态，呈现出明显的负微分电阻特性。这种结构的半导体器件结构简单，可以实现电子器件的高度集成，且稳定性较高。所述底电极20与钛酸锶基材料三元氧化物薄膜30间的界面势垒对传导机制的影响使得该结构的半导体器件具有明显的负微分效应。

图2中(a)，当电压为0.5v时，电流在正负偏压下都是呈对称的线性变化，可见在0.5v小电压下，半导体器件里的电流传导机制还是服从欧姆机制的。随着外界偏压的升高，器件发生整流效应，电流随电压升高表现出负微分电阻特性。当外界偏压到4.3v附近时，随着电压继续的升高(图2(b)-图2(d)，其中，图2(b)中的电压为1v，图2(c)中的电压为2v，图2(d)中的电压为0.5v、1v、2v和5v)，电流大小几乎不再变化，形成一个相对稳定的状态。此时，正向偏压和负向偏压下的稳定电流分别为9na和22na。从图中可以看出，随着薄膜器件两端施加电压升高，薄膜器件内电流增大到某个点突然变小直到慢慢维持到平稳状态，呈现出明显的负微分电阻特性，之所以表现出负微分电阻效应，是由于底电极20(lanio3)与三元氧化物薄膜30间的界面势垒对传导机制的影响所致，属于电荷俘获与释放阻变机制范畴。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，所述衬底10为单晶、多晶或非晶结构的硅衬底；

所述底电极20可以为lanio3或srruo3电极或fto电极或ito电极或pt电极，但出于优化半导体器件性能的目的考虑，优选地，所述底电极20为lanio3电极，当所述底电极20为lanio3电极时，底电极20与三元氧化物薄膜30之间更接近纯欧姆接触。

所述顶电极40可以为pt电极或al电极或w电极或ito电极，同样的，出于优化半导体器件性能的目的考虑，优选地，所述顶电极40为金电极，当所述顶电极40为金电极时，顶电极40与三元氧化物薄膜30之间更接近纯欧姆接触。

所述顶电极40和底电极20的制备方式可以为磁控溅射、热蒸镀或丝网印刷等。本申请对所述顶电极40和底电极20的具体制备材料和制备方式并不做限定，具体视实际情况而定。

相应的，本申请实施例还提供了一种半导体器件的制备方法，如图3所示，包括：

s101：制备三元氧化物溶胶，所述三元氧化物薄膜的化学通式为ao(abo3)n；

s102：在衬底表面制备底电极；

s103：利用所述三元氧化物溶胶在所述底电极背离所述衬底一侧表面制备三元氧化物薄膜；

s104：在所述三元氧化物薄膜背离所述底电极一侧表面制备顶电极。

可选的，所述三元氧化物薄膜30为rp结构的(sro(srtio3)10)薄膜。

需要说明的是，rp相钛酸锶(sro(srtio3)n)是一系列比较有特色的钛酸锶基功能材料，它们内部是一层sro和一层tio2交替堆叠形成的立方层状钙钛矿空间结构。通常像这种层状结构的三元氧化物ao(abo3)n有着许多优越的属性，比如磁性、介电、光吸收、热电、载流子传导等。而且这些性能与合成材料时处于a位和b位的离子以及ao/abo3的比例大小n有关。当材料内b位离子是磁性离子时，材料能够被诱导出磁性；当掺入过渡金属或者稀土元素时，材料能够展现出良好的热电性能；材料内部电荷极化可以由制备过程中缺氧导致的氧空位引起，也可能是因为处在a位的阳离子同时具有两个不同价态，而且b位也是多价阳离子；如果b位阳离子既带有磁性又是多价态离子，那么在外场作用下可能同时具有多种特性，且它们之间相互影响。

参考图2，在对本实施例提供的半导体器件进行i-v曲线测试可以发现：这种结构的半导体器件随着两端施加电压的升高，半导体器件内部的电流先增大到一极值点后突然变小最终维持在一个平稳状态，呈现出明显的负微分电阻特性。这种结构的半导体器件结构简单，可以实现电子器件的高度集成，且稳定性较高。所述底电极与钛酸锶基材料(sro(srtio3)10)薄膜间的界面势垒对传导机制的影响使得该结构的半导体器件具有明显的负微分效应。

可选的，当所述三元氧化物溶胶为(sro(srtio3)10)溶胶时，所述制备三元氧化物溶胶时，采用分析纯级别乙酸锶(sr(ac)2)，钛酸四丁酯为原材料，无水乙醇和36％乙酸作为溶剂，乙酰丙酮作为稳定剂。按照化学配比精准称量原料，将sr(ac)2和ti(oc4h9)4分别溶入36％乙酸和无水乙醇，在50℃下恒温搅拌直到充分溶解，得到澄清溶胶，具体地，参考图4，所述制备三元氧化物溶胶包括：

s1011：向sr(ac)2溶液中滴入预设体积乙酰丙酮作为稳定剂；

s1012：将ti(oc4h9)4溶液滴入加入稳定剂的sr(ac)2溶液中，在滴入ti(oc4h9)4溶液的过程中不断搅拌直至获得稳定澄清的sro(srtio3)10溶胶；

s1013：向所述稳定澄清的sro(srtio3)10溶胶中加入乙酸和无水乙醇，以将所述稳定澄清的sro(srtio3)10溶胶的ph值调整为5±0.5，并将所述稳定澄清的sro(srtio3)10溶胶的浓度调整为0.3mol/l，获得所述sro(srtio3)10溶胶。

可选的，参考图5，当所述三元氧化物溶胶为(sro(srtio3)10)溶胶时，所述利用所述三元氧化物溶胶在所述底电极背离所述衬底一侧表面制备三元氧化物薄膜包括：

a：采用溶胶凝胶法在所述底电极背离所述衬底一侧旋涂所述sro(srtio3)10溶胶；

b：对旋涂后的sro(srtio3)10溶胶进行烘胶处理；

c：重复a和b步骤n次；

d：对步骤c获得的产物在空气气氛中进行退火处理，获得所述sro(srtio3)10薄膜。

当所述底电极为lanio3时，所述底电极的制备步骤与(sro(srtio3)10)薄膜的制备步骤类似，具体地，包括：

采用溶胶凝胶法在所述衬底上旋涂lanio3溶胶，并在一定的温度气氛条件下烘胶，以充分除去有机物，为达到合适厚度，反复n次旋涂烘胶，之后在空气气氛中750℃保温15min快速退火，得到lanio3薄膜作为底电极。

在本申请的一个具体实施例中，n的取值为3，制备获得的底电极和(sro(srtio3)10)薄膜的厚度的取值范围为300nm-350nm，包括端点值。

当顶电极为au电极时，其制备过程为采用au靶，工作真空度为0.09-0.1mmhg，放电电流为11ma，镀膜时间为120秒，重复2-3次，以达到30-40nm左右厚度。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述对旋涂后的sro(srtio3)10溶胶进行烘胶处理包括：

e：将旋涂后的sro(srtio3)10溶胶在150℃环境下烘烤10min；

f：将步骤e得到的产物在300℃环境下烘烤60min。

综上所述，本申请实施例提供了一种半导体器件及其制备方法，其中，所述半导体器件包括由下至上依次排列的衬底、底电极、三元氧化物薄膜和顶电极。所述半导体器件将钛酸锶材料(三元氧化物ao(abo3)n)应用于器件结构中，通过对于半导体器件的测试可以看出这种结构的半导体器件随着两端施加电压的升高，半导体器件内部的电流先增大到一极值点后突然变小最终维持在一个平稳状态，呈现出明显的负微分电阻特性。这种结构的半导体器件结构简单，可以实现电子器件的高度集成，且稳定性较高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。