專利名稱：基于硫系化合物的浪涌保護器件及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電路中的浪涌保護領域，特別涉及一種用于電路中的基于硫系化合物的過壓浪涌保護器件。
背景技術：
SPD信息時代的今天，電腦網絡和通訊設備越來越精密，其工作環(huán)境的要求也越來越高，而雷電以及大型電氣設備的瞬間過電壓會越來越頻繁的通過電源、天線、無線電信號收發(fā)設備等線路侵入室內電氣設備和網絡設備，造成設備或元器件損壞，人員傷亡，傳輸或儲存的數(shù)據受到干擾或丟失，甚至使電子設備產生誤動作或暫時癱瘓、系統(tǒng)停頓，數(shù)據傳輸中斷，局域網乃至廣域網遭到破壞。浪涌保護裝置就是通過現(xiàn)代電學以及其它技術來防止被雷擊中的設備。常用的低電壓浪涌保護裝置如氣體放電管、雪崩二極管等都屬于半導體浪涌保護裝置。一般半導體浪涌保護裝置基底上安裝了諸如pnpn浪涌保護元件或者pn 二極管元件，這大大增大了產品的尺寸，增加了芯片的面積，使得產品昂貴。

發(fā)明內容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于硫系化合物的浪涌保護器件及其制備方法，以應用于電路中起過壓保護作用。為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種基于硫系化合物的浪涌保護器件及其制備方法，該浪涌保護器件包括下電極(2)、位于該下電極(2)上的下加熱電極(3)、位于下加熱電極(3)上的硫系化合物薄膜(5)以及位于所述硫系化合物薄膜(5)上的上電極(6);所述硫系化合物薄膜(5)下部通過下加熱電極(3)與下電極(2)達成電性連接；所述硫系化合物薄膜(5)上部與上電極
(6)達成電性連接。可選的，該硫系化合物薄膜(5)的材料包括但不限于銻Sb碲Te兩種元素以任意配比組成的化合物，或以其為基礎摻入Ge、As、In元素所組成的化合物或復合材料；且摻入Ge、As、In元素的比例在體積比30%_80%之間?？蛇x的，所述浪涌保護器件還包括包圍所述下加熱電極(3)并位于所述下電極
(2)與所述硫系化合物薄膜(5)之間的絕熱材料層(4)。本發(fā)明還提供一種基于硫系化合物的浪涌保護器的制備方法，該制備方法包括以下步驟步驟一，在硅襯底上制備圓孔，孔內淀積相關材料形成下電極；步驟二，在步驟一之后獲得的結構上淀積絕熱材料層；刻除部分絕熱材料層至下電極，形成凹槽，在凹槽內淀積下加熱電極；步驟三，在步驟二之后獲得的結構上再淀積第二絕熱氧化層；步驟四，在所述第二絕熱氧化層表面刻蝕溝道至下加熱電極，在該溝道內淀積硫系化合物薄膜；
步驟五，在步驟四之后獲得的結構上繼續(xù)沉積第三絕熱材料層，在所述第三絕熱材料層表面淀積上電極?？蛇x的，所述步驟二和步驟三之間還包括化學機械拋光的步驟?？蛇x的，所述步驟四和步驟五之間還包括化學機械拋光的步驟?？蛇x的，所述下電極材料為W、TIN或硅化物?？蛇x的，所述絕熱材料層的材料為SiO2、或Si3N4?？蛇x的，所述硫系化合物薄膜的材料包括但不限于銻Sb碲Te兩種元素以任意配比組成的化合物，或以其為基礎摻入其他元素所形成的化合物或復合材料。 可選的，所述硫系化合物薄膜的材料是Ge2Sb2Te5。可選的，所述上電極的材料是AL或⑶。本發(fā)明提供的一種基于硫系化合物的浪涌保護器件，該器件利用硫系化合物的閾值導通特性來實現(xiàn)過壓浪涌保護。閾值導通特性是指，所采用硫系化合物材料處于非晶態(tài)時，對材料施加相應電信號，在材料上電壓達到和超過閾值電壓時，材料電阻出現(xiàn)由高阻向低阻的突變，但材料并不發(fā)生微觀物相轉變，撤除電信號后材料回復初始的非晶高阻態(tài)，從而實現(xiàn)過壓浪涌保護。本發(fā)明針對硫系化合物所獨有的閾值導通特性來實現(xiàn)對電路的過壓保護，其工作原理與半導體浪涌保護器件完全不同，是一種新型的浪涌保護器件。當通過器件的電壓達到閾值電壓時，硫系化合物的電阻會從高阻突變到低阻，這個響應速度是ns量級。同時本發(fā)明器件的實現(xiàn)只需要在常規(guī)的CMOS工藝兩層金屬層中間添加一層硫系化合物薄膜即可完成基本構造，所需面積極小，閾值電壓可調，且制造工藝與CMOS工藝兼容，大大降低了產品的成本。下圖為典型硫系化合物閾值特性i-v曲線，由圖可以很清楚的看到當外加電壓達到閾值電壓時，器件電阻出現(xiàn)一個由高阻到低阻的突變，同時大電流低電壓情況出現(xiàn)，由此實現(xiàn)過電壓浪涌保護。


圖I是本發(fā)明一個實施例的結構示意圖；圖2是在硅襯底上形成下電極的橫截面示意圖；圖3是在絕熱層上形成下加熱電極的橫截面示意圖；圖4是在絕熱材料層上形成硫系化合物薄膜的橫截面示意圖；圖5是形成上電極的橫截面示意圖；圖6是典型硫系化合物閾值特性I-V曲線。元件標號說明I硅襯底2下電極3下加熱電極4絕熱材料層5硫系化合物薄膜6上電極
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖I至圖5。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。請參閱圖1，是本發(fā)明一個實施例的橫截面結構示意圖，圖中僅表示本發(fā)明的核心 結構，包括下電極2、下加熱電極3、硫系化合物薄膜5和上電極6。如圖I所示，下加熱電極3、硫系化合物薄膜5和上電極6自上而下的設置在下電極2上。硫系化合物薄膜5 (即相變材料層)通過下加熱電極4與下電極2形成電性連接，硫系化合物薄膜5上部與上電極6形成電性連接。以下結合附圖對本發(fā)明結構制備過程進行詳細說明請參閱圖2至圖5所示，本發(fā)明基于相變材料的浪涌器件制備過程包括如下步驟步驟一，在硅襯底I上制備圓孔，孔內淀積W形成下電極2，如圖2所示。步驟二，在上述硅襯底I上表面淀積絕熱材料層4，刻除絕熱材料層4到下電極2為止，形成凹槽，通過CVD法在凹槽內淀積下加熱電極3，最后通過化學機械拋光表面，如圖
3。在化學機械拋光后的絕熱材料層表面再淀積一層絕熱氧化層4。步驟三，在新淀積的絕熱氧化層表面刻蝕溝道至下加熱電極，通過PVD在溝道內淀積硫系化合物薄膜5，化學機械拋光表面，如圖4。步驟四，在形成有硫系化合物薄膜5的絕熱材料層4表面淀積上電極6，并沿下加熱電極3方向刻除所需的上電極6，如圖5。本發(fā)明中下電極2的材料可以是W、TIN或硅化物；下加熱電極3的材料TIN ;絕熱材料層4的材料可以是Si02、Si3N4 ;上電極6的材料是AL、⑶。本實施例中，下電極2材料是W，下加熱電極材料是TIN，絕熱材料是SiO2，硫系化合物薄膜5的材料是Ge2Sb2Te5。本發(fā)明還提供一種基于硫系化合物的電壓浪涌保護器件。所述硫系化合物包括但不限于銻(Sb)碲(Te)兩種元素以任意配比組成的化合物，或以其為基礎摻入Ge、As、In元素所組成的化合物或復合材料。且摻入的Ge、As、In元素的比例在30%_80%之間。經驗證，該類材料具備OTS (Ovonic Threshold Switching)特性而不具備OMS(Ovonic Memory Switching)特性，即經過閾值之后出現(xiàn)顯著的電阻下降電流陸增現(xiàn)象，但材料不發(fā)生微觀物相轉變，電作用撤除后即回復到初始狀態(tài)。本發(fā)明針對硫系化合物所獨有的閾值導通特性來實現(xiàn)對電路的過壓保護，其工作原理與半導體浪涌保護器件完全不同，是一種新型的浪涌保護器件。當通過器件的電壓達到閾值電壓時，硫系化合物的電阻會從高阻突變到低阻，這個響應速度是ns量級。同時本發(fā)明器件的實現(xiàn)只需要在常規(guī)的CMOS工藝兩層金屬層中間添加一層硫系化合物薄膜即可完成基本構造，所需面積極小，閾值電壓可調，且制造工藝與CMOS工藝兼容，大大降低了產品的成本。下圖為典型硫系化合物閾值特性i-v曲線，由圖可以很清楚的看到當外加電壓達到閾值電壓時，器件電阻出現(xiàn)一個由高阻到低阻的突變，同時大電流低電壓情況出現(xiàn)，由此實現(xiàn)過電壓浪涌保護。綜上所述，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種基于硫系化合物的浪涌保護器件，其特征在于，該浪涌保護器件包括下電極(2)、位于該下電極(2)上的下加熱電極(3)、位于下加熱電極(3)上的硫系化合物薄膜(5)以及位于所述硫系化合物薄膜(5)上的上電極(6);所述硫系化合物薄膜(5)下部通過下加熱電極(3)與下電極(2)達成電性連接；所述硫系化合物薄膜(5)上部與上電極(6)達成電性連接。
2.如權利要求I所述的基于硫系化合物的浪涌保護器件，其特征在于，該硫系化合物薄膜(5)的材料包括但不限于銻Sb碲Te兩種元素以任意配比組成的化合物，或以其為基礎摻入Ge、As、In元素所組成的化合物或復合材料；且摻入Ge、As、In元素的比例在體積比30%-80% 之間。
3.如權利要求2所述的一種基于硫系化合物的浪涌保護器件，其特征在于，所述浪涌保護器件還包括包圍所述下加熱電極(3)并位于所述下電極(2)與所述硫系化合物薄膜 (5 )之間的絕熱材料層(4 )。
4.一種基于硫系化合物的浪涌保護器件的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟 步驟一，在硅襯底上制備圓孔，孔內淀積相關材料形成下電極； 步驟二，在步驟一之后獲得的結構上淀積絕熱材料層；刻除部分絕熱材料層至下電極，形成凹槽，在凹槽內淀積下加熱電極； 步驟三，在步驟二之后獲得的結構上再淀積第二絕熱氧化層； 步驟四，在所述第二絕熱氧化層表面刻蝕溝道至下加熱電極，在該溝道內淀積硫系化合物薄膜； 步驟五，在步驟四之后獲得的結構上繼續(xù)沉積第三絕熱材料層，在所述第三絕熱材料層表面淀積上電極。
5.如權利要求4所述的基于硫系化合物的浪涌保護器件制備方法，其特征在于，所述步驟二和步驟三之間還包括化學機械拋光的步驟。
6.如權利要求4或5所述的基于硫系化合物的浪涌保護器件制備方法，其特征在于，所述步驟四和步驟五之間還包括化學機械拋光的步驟。
7.如權利要求4所述的基于硫系化合物的浪涌保護器件制備方法，其特征在于，所述步驟四中淀積硫系化合物薄膜是通過采用PVD磁控濺射方法得到的。
8.如權利要求I所述的基于硫系化合物的浪涌保護器件制備方法，其特征在于，所述下電極材料為W、TIN或硅化物。
9.如權利要求4所述的基于硫系化合物的浪涌保護器件制備方法，其特征在于，所述硫系化合物薄膜的材料包括但不限于銻Sb碲Te兩種元素以任意配比組成的化合物，或以其為基礎摻入Ge、As、In元素所組成的化合物或復合材料；且摻入Ge、As、In元素的比例在30%-80% 之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于硫系化合物的浪涌保護器件，該浪涌保護器件包括下電極(2)、位于該下電極(2)上的下加熱電極(3)、位于下加熱電極(3)上的硫系化合物薄膜(5)以及位于所述硫系化合物薄膜(5)上的上電極(6)；所述硫系化合物薄膜(5)下部通過下加熱電極(3)與下電極(2)達成電性連接；所述硫系化合物薄膜(5)上部與上電極(6)達成電性連接。本發(fā)明還提供一種基于硫系化合物的浪涌保護器件的制備方法。本發(fā)明器件利用硫系化合物所特用的閾值導通特性實現(xiàn)過壓保護，概念新穎，結構簡單，是一種過電保護響應速度極快，抑制過壓能力極強的浪涌保護器件。
文檔編號H01L21/334GK102751319SQ20121023032
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權日2012年7月4日
發(fā)明者周密, 宋志棠, 王月青, 王玉嬋, 許林海, 陳一峰, 陳后鵬, 陳小剛, 饒峰 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所