一种基于直线形微加热器与环绕相变层的GeTe相变开关及其制备方法与流程

本发明涉及相变开关领域，具体而言，涉及一种基于直线形微加热器与环绕相变层的gete相变开关及其制备方法。

背景技术：

1、相变开关是一种利用相变材料在晶态（低电阻）与非晶态（高电阻）之间可逆转变实现开关功能的电子器件，因其开关速度快、插入损耗低、线性度高、耐久性高等优势，被视为替代传统射频微机电系统开关和pin二极管开关的理想方案之一。锗碲（gete）作为相变材料，因其非易失性（静态功耗为零）、晶态电阻率低、非晶态电阻率高、相变温度适中且与半导体微纳加工工艺兼容性好等优点，在相变开关的科学研究和工程化生产中被广泛应用。

2、典型的传统gete相变开关，通常采用垂直堆叠的平面薄膜结构，自下而上依次为，衬底材料、微加热器、介质隔离层、gete相变层、薄膜电极和钝化保护层。其工作原理为，电脉冲激励经微加热器转化为脉冲焦耳热，热量经介质隔离层传导至gete相变层，使gete在晶态与非晶态之间发生相变，从而实现开关状态的切换。该结构中，微加热器与gete之间通过介质隔离层实现电学隔离与热耦合，相变区域主要集中在微加热器正上方的一小片区域内。

3、上述传统平面薄膜结构在器件性能、制造工艺和设计灵活性方面存在以下不足：

4、一、微加热器热量利用率低，功耗偏高

5、传统平面薄膜结构中，微加热器位于gete相变层下方，微加热器产生的焦耳热从微加热器向上穿过介质隔离层传导至gete相变层，但微加热器产生的焦耳热还有相当一部分会向衬底方向耗散，这部分热量无法被gete相变层利用，造成微加热器实际用于驱动相变的有效热量占比偏低，器件功耗偏高。

6、二、相变区域集中，相变不均匀导致开态/关态电阻离散度大

7、传统平面薄膜结构中，微加热器与gete相变层之间的热耦合集中在一个较小的区域内，微加热器自身的温度分布存在本征的不均匀性，直接导致gete相变层中不同位置所处的温度环境存在显著差异，由于相变区域本身就非常小，任何微纳加工工艺的波动或热传递过程的变化，都会使这一微小区域的有效相变面积发生波动，造成不同批次之间、相同批次不同器件之间、相同器件不同开关循环之间的开态电阻和关态电阻离散度很大，制约了器件的可靠性和实际工程应用。

8、三、多层光刻对准精度要求苛刻，工艺容差小、良率低

9、传统平面薄膜结构器件的核心功能区域由多层薄膜垂直堆叠而成，每一层图形都需要通过独立的光刻步骤定义，器件的最终性能对这些多层光刻之间的累积对准误差较为敏感，薄膜电极图形所定义的沟道位置，须精确对准微加热器正上方gete相变层相变最充分的区域，这样才可确保电流主要流经相变最充分的区域（特别是开态状态下），沟道位置发生偏移或光刻线宽发生波动，沟道内会包含更多相变不充分甚至完全未相变的区域，导致器件的开态电阻增大且批次间差异增大，这种敏感性使得传统平面薄膜结构的工艺窗口较窄，对工艺条件的要求较为苛刻，量产良率难以保障。

10、四、电阻设计自由度受限，面积与电阻值强关联

11、在传统平面薄膜结构中，gete相变层的电阻值本应由平面尺寸和薄膜厚度共同决定，然而在实际的微纳加工工艺中，通过改变膜厚来调节电阻并非可行的设计手段，gete相变开关由多层薄膜垂直堆叠而成，各膜层的厚度共同决定了器件整体的台阶覆盖情况和表面平整度，一旦改变gete相变层的厚度，光刻工艺中的聚焦精度、刻蚀工艺的均匀性、以及金属电极在台阶处的覆盖连续性均可能受到不利影响，因此，在工程应用中，膜厚通常被视为固定工艺参数，gete相变层的电阻值实质上只能通过长度、宽度和形状来调节，而平面尺寸的调整常受到芯片面积的严格约束，这使得在需要特定电阻值的设计中，缺乏灵活且不影响其他性能指标的设计调整手段。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于直线形微加热器与环绕相变层的gete相变开关及其制备方法，解决现有gete相变开关热量利用率低、相变不均匀性严重以及参数窗口过窄的问题。

2、本发明的实施例通过以下技术方案实现：

3、一种基于直线形微加热器与环绕相变层的gete相变开关，包括：顺次层叠的底部gete相变层、第一介质隔离层、直线形微加热器、第二介质隔离层和顶部gete相变层；

4、所述第一介质隔离层用于实现底部gete相变层与直线形微加热器之间的电学隔离并将热量传递至底部gete相变层；

5、所述第二介质隔离层用于实现顶部gete相变层与直线形微加热器之间的电学隔离并将热量传递至顶部gete相变层；

6、所述底部gete相变层包括两条相互平行的gete薄膜；两条所述gete薄膜通过顶部gete相变层首尾连接。

7、直线形微加热器，设置于第一介质隔离层之上，直线形微加热器的加热功能区呈直线条形结构，微加热器在电脉冲激励下产生脉冲焦耳热，作为gete相变材料相变的热量来源，直线形微加热器位于整个gete相变区域的中轴，即直线形微加热器的中点、底部gete相变层的中点和顶部gete相变层的中点位于一条纵向线上。

8、首尾连接指的是：连接两条相互平行的gete薄膜不同侧的两端，gete薄膜与顶部gete相变层在水平面的投影形成z形结构。

9、底部两条平行的gete薄膜加上斜向的顶部gete相变层共同构成完整的gete相变材料缠绕结构。

10、第二介质隔离层覆盖直线形微加热器的加热区。

11、优选的，gete相变开关包括：输入端薄膜电极和输出端薄膜电极，所述输入端薄膜电极与某一gete薄膜远离顶部gete相变层的一端连接；所述输出端薄膜电极与另一gete薄膜远离顶部gete相变层的一端连接。

12、优选的，gete相变开关包括：输入端驱动电极和输出端驱动电极，所述输入端驱动电极与直线形微加热器的输入端连接；所述输出端驱动电极与直线形微加热器的输出端连接。

13、优选的，gete相变开关包括：衬底，所述衬底位于底部gete相变层下方；所述衬底采用si材料，所述衬底表面附有80-120nm的sio2层。

14、sio2用于实现衬底与器件功能层之间的电学隔离，同时提供平整的沉积表面，避免衬底漏电对相变开关电性能的影响。

15、优选的，gete相变开关包括：钝化保护层，所述钝化保护层覆盖于顶部gete相变层；所述钝化保护层采用si3n4或sio2材料；所述钝化保护层的厚度为200-400nm。

16、优选的，单个gete薄膜的长宽比为18:（3-5），顶部gete相变层的长宽比例为（2.8-3.2）:1。

17、优选的，所述第一介质隔离层和第二介质隔离层采用aln材质；第一介质隔离层和第二介质隔离层的厚度均为80-120nm。

18、优选的，所述直线形微加热器采用w材料，直线形微加热器的厚度为80-120nm；底部gete相变层和顶部gete相变层的厚度均为80-120nm。

19、gete相变开关的制备方法包括以下步骤：

20、s100、通过光刻工序和磁控溅射工序制得底部gete相变层；

21、s200、通过磁控溅射工序、光刻工序和刻蚀工序制得第一介质隔离层；

22、s300、通过磁控溅射工序、光刻工序和刻蚀工序制得直线型微加热器；

23、s400、通过磁控溅射工序、光刻工序和刻蚀工序制得第二介质隔离层；

24、s500、通过光刻工序和磁控溅射工序制得顶部gete相变层。

25、磁控溅射工艺、光刻以及刻蚀等均为现有技术，本发明仅是为了制备各层薄膜并将其制成预设的形状，而采用了现有技术，在具体实施过程中，可根据各层参数适应性调整各工艺参数，可得到本发明提供的特定结构的相变开关即可。

26、优选的，输入端薄膜电极、输出端薄膜电极、输入端驱动电极和输出端驱动电极的制备：通过光刻工序和薄膜制备工序制得电极；

27、所述薄膜制备工序包括：通过磁控溅射工序制得厚度为10-30nm的w薄膜、通过磁控溅射工序制得厚度为40-60nm的ti薄膜、通过电子束蒸发工序制得厚度为1-1.5μm的au薄膜。

28、薄膜电极为三层叠层结构，底层为w薄膜，作为粘附层，中间层为ti薄膜，厚度为40-60 nm，作为接触层以降低电极与gete之间的接触电阻，顶层为au薄膜，作为导电层。

29、本发明至少具有以下有益效果：

30、本发明中热传导由二维面接触升级为三维环绕耦合，加热效率显著提升：传统平面薄膜结构中，微加热器位于gete薄膜下方，焦耳热需由微加热器向上穿过介质隔离层传导至gete，向衬底方向传递的热量无法利用，造成微加热器产生的热利用率低，该结构中gete在微加热器外围呈缠绕分布，相当于在微加热器轴向的不同位置形成了多个环绕微加热器的热耦合截面，底部两条平行gete和顶部斜向gete分别位于微加热器的下方和上方，微加热器产生的焦耳热可以同时向上和向下双向传导至gete，打破了传统结构中的单侧加热方式，热利用效率提升，开关功耗降低；

31、相变区域沿轴向延展，通过空间分散效应大幅提升器件的一致性与工艺容忍度：传统平面薄膜结构中，微加热器与gete相变层之间的热耦合集中在一个较小的区域内，微加热器的热量分布存在本征的不均匀性，使得该微小区域内不同位置的gete相变层所处的温度环境差异显著，导致gete相变层有的部分达到了充分相变，有的部分处于半相变状态，有的部分甚至完全没有相变，由于相变区域本身很小，这种不均匀性在整体性能中的占比偏大，任何工艺波动或加热条件的变化都会导致这个小区域的有效相变面积波动，从而使得器件的开态电阻和关态电阻离散度很大，本发明中gete相变材料的等效长度加长，热分布不均匀的问题依然存在于每一小段gete相变材料与微加热器的单侧耦合中（对于每一个小区域的gete相变材料，本质上是从一侧接收微加热器传递的热量），但这种不均匀性被分散到了更长路径中的每一个小区域，这些区段彼此串联，整体的电阻是所有这些区段贡献的平均值，每一小段局部的不均匀性放在一个很长的总长度里，被平均化了，对整体性能的影响被大幅稀释；

32、本发明中底部gete相变层和顶部gete相变层构成的相变区域，降低多层图形光刻对准精度和线宽精度要求，提升工艺容差与良率：传统平面薄膜结构中，器件性能对多层光刻之间的累积对准误差较为敏感，核心区域从下到上依次为微加热器、介质隔离层、gete相变层和电极层图形等多层套刻，其中最关键的一步是，薄膜电极图形中定义的沟道位置，需要精确对准微加热器正上方gete相变层相变最充分的区域，沟道位置的偏离或光刻线宽的波动都会导致沟道间隙包含更多相变不充分甚至未相变的区域，开态时，这些区域的电阻率远高于完全相变的晶态gete，导致器件的开态电阻急剧增大且批次间差异极大，该结构中电流沿整个螺旋路径流动，而非仅穿过微加热器上方的一个小沟道间隙，相变区域分散在整个较长的路径之中，对准偏差或线宽波动只是局部扰动，对整个gete总电阻的影响被大大稀释；

33、本发明中底部gete相变层和顶部gete相变层构成的相变区域，在较小面积内实现宽范围电阻设计，降低了平面结构面积与电阻值强关联的限制：该结构将gete电阻设计从二维平面拓展到了三维空间，可在尽量小的面积内，通过缠绕的圈数调节电阻，也可对每段薄膜电阻的几何参数进行独立设计，精细化微调电阻值，规避了传统平面薄膜结构中为控制面积而牺牲电阻设计自由度的限制。