铁电开关器件、制备方法、控制方法及三维存储器与流程

1.本公开涉集成电路领域，尤其涉及一种铁电开关器件、制备方法、控制方法及三维存储器。


背景技术：

2.随着微电子技术的发展，集成电路上晶体管的特征尺寸不断趋近于物理极限，如果进一步减小器件尺寸，就会存在严重的漏电问题。而基于电-机械耦合的功能器件由于具有机械的“开”和“关”特性，因此就有效避免了“关”状态下漏电的问题。同时，相对于传统的半导体器件，微机电器件还存在开关比大、功耗低、结构及工艺简单等优点，这在开发高密度、低功耗、高稳定性的存储器、晶体管以及逻辑器件方面，具有巨大的发展潜力和应用价值。


技术实现要素：

3.本公开实施例所要解决的技术问题是，提供一种铁电开关器件及其制备方法、控制方法及三维存储器。
4.本公开实施例一方面提供了一种铁电开关器件，其包括：铁电层；第一电极及第二电极，设置在所述铁电层两侧，用于向所述铁电层施加电压；层间绝缘层，设置在所述第二电极上；导电层，设置在所述层间绝缘层上；第一信号输送端及第二信号输送端，分别设置在所述导电层上；其中，自所述铁电层沿垂直所述铁电层的方向延伸并贯穿所述第二电极、所述层间绝缘层、及所述导电层有裂纹，所述导电层被所述裂纹分隔为彼此独立的两部分，所述第一信号输送端和所述第二信号输送端分别设置在所述导电层被所述裂纹分隔为彼此独立的两部分上，改变施加在所述铁电层上的电压的方向可控制所述裂纹的分离及闭合。
5.在一些实施例中，所述第一电极的延展性大于所述第二电极及所述导电层的延展性。
6.在一些实施例中，所述第二电极沿第一横向延伸，所述第二电极至少有部分区域在第二横向上的宽度小于其他区域的宽度，所述第二电极在第二横向上宽度最小的区域位于所述第一信号输送端与第二信号输送端之间，且所述裂纹位于所述第二电极在第二横向上宽度最小的区域，所述裂纹沿所述第一横向分离或闭合，并沿所述第二横向延伸。
7.在一些实施例中，所述第二电极包括沿第一横向排布的第一区段及第二区段，所述第二区段在所述铁电层上的正投影，位于所述第一信号输送端在所述铁电层上的正投影与所述第二信号输送端在所述铁电层上的正投影之间，所述第二区段在第二横向上的宽度小于所述第一区段在第二横向上的宽度，所述裂纹位于所述第二区段。
8.在一些实施例中，所述第一区段与所述第二区段的交界位于所述第一信号输送端与第二信号输送端之间，所述裂纹位于所述第一区段与所述第二区段的交界处
9.在一些实施例中，所述第二电极包括两个第一区段及一个第二区段，在第一横向
上两个所述第一区段分别位于所述第二区段的两端，所述裂纹位于所述第二区段与其中一个所述第一区段的交界处。
10.在一些实施例中，所述第二区段包括多个在第二横向上宽度不同的子区段，所述裂纹位于宽度最小的子区段处。
11.在一些实施例中，所述层间绝缘层覆盖所述第二电极的部分表面，在所述第二电极暴露的表面设置有第一导电端子。
12.在一些实施例中，所述第二电极上设置有两个所述第一导电端子，两个所述第一导电端子分设于所述裂纹的两侧。
13.在一些实施例中，所述铁电层覆盖所述第一电极的部分表面，在所述第一电极暴露的表面设置有第二导电端子。
14.在一些实施例中，所述第二电极在所述铁电层上的正投影覆盖所述导电层在所述铁电层上的正投影。
15.在一些实施例中，所述第一电极的材料与所述第一信号输送端及第二信号输送端的材料相同。
16.在一些实施例中，所述第二电极的材料与所述导电层的材料相同。
17.在一些实施例中，所述导电层的材料包括金属间合金材料。
18.在一些实施例中，所述金属间合金材料包括mnpt或者fept。
19.本公开实施例另一方面还提供一种铁电开关器件的制备方法，其包括：提供衬底；在所述衬底表面形成第一电极、铁电层、第二电极、层间绝缘层、导电层、及第一信号输送端与第二信号输送端，所述第一信号输送端与第二信号输送端均设置在所述导电层上，且彼此独立；形成裂纹，所述裂纹自所述铁电层沿垂直所述铁电层的方向延伸并贯穿所述第二电极、所述层间绝缘层、及所述第一信号输送端与第二信号输送端之间的所述导电层，且所述导电层被所述裂纹分隔为彼此独立的两部分，所述第一信号输送端和所述第二信号输送端分别设置在所述导电层被所述裂纹分隔为彼此独立的两部分上。
20.在一些实施例中，形成裂纹的方法包括：经所述第一电极及所述第二电极向所述铁电层施加极化电压，使所述铁电层的铁电畴极化方向与所述极化电压的方向相同；经所述第一电极及所述第二电极向所述铁电层施加翻转电压，所述翻转电压与所述极化电压极性相反。
21.本公开实施例再一方面还提供一种如上所述的铁电开关器件的控制方法，其包括：经所述第一电极及所述第二电极向所述铁电层施加第一电压，控制所述裂纹的分离，经所述第一电极及所述第二电极向所述铁电层施加第二电压，控制所述裂纹的闭合，实现所述第一信号输送端与所述第二信号输送端的电绝缘与电导通，其中，所述第一电压与所述第二电压极性相反。
22.本公开实施例再一方面还提供一种三维存储器，包括如上所述的铁电开关器件。
23.在一些实施例中，所述三维存储器包括在三维空间内阵列排布的多个存储单元，构成多个存储串，每一个存储串对应设置有所述铁电开关器件，其中，所述铁电开关器件的第一电极和第二电极分别与对应的漏极选择线电连接，第一信号输送端与位线电连接，第二信号输送端与存储串电连接；或者，所述铁电开关器件的第一电极和第二电极分别与对应的源极选择线电连接，第一信号输送端与存储串电连接，第二信号输送端与源极线电连
接。
24.本公开实施例提供的铁电开关器件的导电层被裂纹分为彼此独立的两部分，可通过改变施加在所述铁电层上的电压的方向控制所述裂纹的分离及闭合，进而实现铁电开关器件的“开”与“关”。例如，经所述第一电极及所述第二电极向所述铁电层施加第一电压，能够控制所述裂纹的闭合，所述第一信号输送端与所述第二信号输送端能够通过所述导电层实现电连接，实现铁电开关器件的“开”功能；经所述第一电极及所述第二电极向所述铁电层施加第二电压，控制所述裂纹的分离，所述第一信号输送端与所述第二信号输送端能够通过所述导电层实现电绝缘，实现铁电开关器件的“关”功能。
25.本公开实施例提供的铁电开关器件利用裂纹的分离及闭合实现“关”、“开”功能，比传统的mosfet开关具有更高的速度、更低的能耗和更小的芯片面积，且制造工艺简单，与fe-nand工艺兼容，成本低，经济效益大；并且，基于铁电-裂纹的铁电开关器件具有突变的开关行为和高的on/off电流比；金属接触界面接触面积大，使得接触电阻低，信号传输速度快。
附图说明
26.图1是本公开第一实施例提供的铁电开关器件的俯视示意图；
27.图2是沿图1所示c-c’线的截面示意图；
28.图3是本公开第一实施例提供的铁电开关器件的另一俯视示意图；
29.图4是沿图3所示c-c’线的截面示意图；
30.图5是本公开第二实施例提供的铁电开关器件的俯视示意图；
31.图6是本公开第二实施例提供的铁电开关器件暴露第二电极时的扫描电镜图；
32.图7是本公开第三实施例提供的铁电开关器件的俯视示意图；
33.图8是本公开实施例提供的铁电开关器件暴露第二电极时的电场强度分布图，其中，(b)为(a)的放大图；
34.图9是本公开实施例提供的铁电开关器件的制备方法的步骤示意图；
35.图10a～图10c是本发明实施例提供的铁电开关器件的制备方法的主要步骤形成的器件结构示意图；
36.图11a是本公开实施例提供的施加于铁电层的三角形循环电压的示意图；
37.图11b是本公开实施例提供的施加于铁电层的脉冲循环电压的示意图；
38.图12是本公开实施例提供的铁电开关器件的扫描电镜图，其中，(a)为裂纹闭合的扫描电镜图，(b)为裂纹分离的扫描电镜图；
39.图13是本公开实施例提供的三维存储器中铁电开关器件的一种应用示意图；
40.图14是本公开第四实施例提供的铁电开关器件的俯视示意图。
具体实施方式
41.为了使本公开实施例的目的、技术手段及其效果更加清楚明确，以下将结合附图对本公开实施例作进一步地阐述。应当理解，此处所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本公开。基于本公开中的实施例，本领域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，都属于本公开保护的范围。
42.图1及图3是本公开第一实施例提供的铁电开关器件的俯视示意图，图2是沿图1所示c-c’线的截面示意图，图4是沿图3所示c-c’线的截面示意图。
43.请参阅图1～图4，所述铁电开关器件包括铁电层10、第一电极20、第二电极30、层间绝缘层40、导电层50、第一信号输送端60及第二信号输送端70。所述第一电极20及第二电极30设置在所述铁电层10两侧，用于向所述铁电层10施加电压，所述层间绝缘层40设置在所述第二电极30上，所述导电层50设置在所述层间绝缘层40上，所述第一信号输送端60及第二信号输送端70分别设置在所述导电层50上。其中，自所述铁电层10沿垂直所述铁电层10的方向(如图2中z方向)延伸并贯穿所述第二电极30、所述层间绝缘层40、及所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之间的所述导电层50有裂纹a，且所述导电层50被所述裂纹a分隔为彼此独立的两部分，所述第一信号输送端60和所述第二信号输送端70分别设置在所述导电层50被所述裂纹a分隔为彼此独立的两部分上。其中，改变施加在所述铁电层40上的电压的方向可控制所述裂纹a的分离及闭合，实现所述第一信号输送端60与所述第二信号输送端70的电绝缘与电导通，进而实现所述铁电开关器件的分离及闭合。
44.本公开实施例提供的铁电开关器件的工作过程如下：请参阅图1及图2，当在第一电极20及第二电极30上施加第一电压u1时，所述裂纹a分离，所述导电层50被分为彼此绝缘的两部分，所述第一信号输送端60与所述第二信号输送端70的电绝缘，实现铁电开关器件的“关”功能。请参阅图3及图4，当在第一电极20及第二电极30上施加第二电压u2时，所述裂纹a闭合，所述导电层50的两部分接触，所述第一信号输送端60与所述第二信号输送端70的电导通，实现铁电开关器件的“开”功能。
45.其中，所述第一电压u1与第二电压u2极性相反。例如，在一些实施例中，第一电压u1为垂直器件方向(如图2中z方向)上的正向电压，第二电压u2为垂直器件方向上的负向电压，在另一些实施例中，第一电压u1为垂直器件方向上的负向电压，第二电压u2为垂直器件方向上的正向电压。
46.本公开实施例提供的铁电开关器件的导电层50被裂纹a分为彼此独立的两部分，改变施加在所述铁电层10上的电压的方向可控制所述裂纹a的分离及闭合，进而实现铁电开关器件的“开”与“关”。相较于金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mosfet)开关，本公开实施例提供的铁电开关器件具有更高的速度、更低的能耗和更小的芯片面积，且制造工艺简单，与fe-nand闪存(fe-not and flash)工艺兼容，成本低，经济效益大；并且，基于铁电-裂纹的铁电开关器件具有突变的开关行为和高的on/off电流比。所述导电层50全层作为导电通道，在裂纹a处，导电层被分离的两部分的金属接触界面(断裂面)接触面积大，使得接触电阻低，信号传输速度快。
47.在沿垂直所述铁电层10的方向(如图2中z方向)，所述第一电极20位于所述铁电层10的下方，即所述第二电极20设置在所述铁电层10的下表面。在本实施例中，所述第一电极20设置在一衬底100上，则所述第一电极20位于所述衬底100上，所述铁电层10位于所述第一电极20上。
48.所述第一电极20的延展性较好，则在形成裂纹时，所述裂纹不会延伸至所述第一电极20，从而保持所述第一电极20的完整性，提高所述铁电开关器件的寿命。所述第一电极20可为金属电极，例如pt、au、cu或ag电极等。
49.在沿垂直所述铁电层10的方向(如图2中z方向)，所述第二电极30位于所述铁电层10的上方，即所述第二电极30设置在所述铁电层10的上表面。
50.所述第二电极30的延展性较小，具体地说，所述第一电极20的延展性大于所述第二电极30的延展性，则在形成裂纹时，所述裂纹不会延伸至所述第一电极20，而会自所述铁电层10延伸并贯穿所述第二电极30，进而延伸至所述导电层50。所述第二电极30的材料可为金属间合金材料，例如mnpt或者fept。
51.所述层间绝缘层40位于所述第二电极30上，即在沿垂直所述铁电层10的方向(如图2中z方向)，所述层间绝缘层40设置在所述第二电极30上表面。所述层间绝缘层40包括但不限于氧化物层、氮化层、高k介质层等，例如，所述氧化物层可为氧化铝层。所述层间绝缘层40起到将第二电极30与导电层50电隔离的作用。所述层间绝缘层40的延展性小于所述第一电极30的延展性，则当在形成裂纹时，所述裂纹也会延伸并贯穿所述层间绝缘层40，进而延伸至所述导电层50。
52.所述导电层50位于所述层间绝缘层40上，即在沿垂直所述铁电层10的方向(如图1中z方向)，所述导电层50设置在所述层间绝缘层40上表面。所述导电层50的延展性小于所述第一电极20的延展性，则在形成裂纹a时，所述裂纹a不会延伸至所述第一电极20，而是延伸并贯穿所述导电层50，以将所述导电层50分为彼此独立的两部分，该两部分电隔离。进一步，所述导电层50的延展性小于或者等于所述第二电极30的延展性，即所述第二电极30的延展性大于或者等于所述导电层50的延展性，则在形成裂纹a时，所述裂纹a能够自所述铁电层10延伸并贯穿所述导电层50。
53.所述导电层50的材料可为金属间合金材料，例如mnpt或者fept。在本实施例中，所述导电层50的材料与所述第二电极30的材料相同，两者延展性一致，则便于选择适当的电压，以进一步保证所述裂纹a既能够贯穿所述第二电极30又能够贯穿所述导电层50。在本公开其他实施例中，所述导电层50也可与所述第二电极30的材料不同但延展性相近，以进一步避免所述裂纹a仅贯穿所述第二电极30而不贯穿所述导电层50的情况发生。
54.在本实施例中，所述第一信号输送端60作为所述铁电开关器件的电信号的输入端，所述第二信号输送端70作为所述铁电开关器件的电信号的输出端。所述第一信号输送端60与所述第二信号输送端70彼此独立是指两者不存在直接的连接。当所述裂纹闭合时，外界需要通过所述铁电开关器件传输的电信号经所述第一信号输送端60输入，经所述导电层50传导，再经所述第二信号输送端70输出。当所述裂纹a分离时，外界需要通过所述铁电开关器件传输的电信号经所述第一信号输送端60输入，受到裂纹a的影响，所述导电层50不能够传导所述电信号，则外界需要通过所述铁电开关器件传输的电信号不能够经所述第二信号输送端70输出。在另一些实施例中，所述第一信号输送端60可作为所述铁电开关器件的电信号的输出端，所述第二信号输送端70可作为所述铁电开关器件的电信号的输入端。
55.进一步，所述第一信号输送端60及所述第二信号输送端70可为金属端子，其材料包括但不限于pt、au、cu或ag等。在本实施例中，所述第一电极20的材料与所述第一信号输送端60及第二信号输送端70的材料相同，则所述第一信号输送端60及第二信号输送端70的延展性与所述第一电极20的延展性相同，则可进一步避免裂纹a贯穿所述第一信号输送端60及第二信号输送端70，提高铁电开关器件的可靠性及寿命。
56.进一步，在本实施例中，为了保证所述裂纹a能够将所述导电层50分为完全断裂的
两部分，在垂直铁电层的方向上(如图2中z方向的反方向)，所述第二电极30在所述铁电层10上的正投影覆盖所述导电层50在所述铁电层10上的正投影，即所述导电层50在铁电层10上的正投影位于所述第二电极30在所述铁电层10上的正投影的范围内。若所述导电层50在铁电层10上的正投影位于所述第二电极30在所述铁电层10上的正投影的范围外，则在第二横向(如图1所示的y方向)上可能会存在裂纹a仅分隔部分所述导电层50，而并未将所述导电层50分隔为完全断裂的两部分，从而不能够实现第一信号输送端60与第二信号输送端70之间的电隔离。
57.进一步，在本实施例中，所述层间绝缘层40覆盖所述第二电极30的部分表面，即所述层间绝缘层40并未覆盖所述第二电极30的全部表面，所述第二电极30的部分表面被暴露，则所述第二电极30暴露的表面可作为电连接面，例如，在本公开一些实施例中，在所述第二电极30暴露的表面设置有第一导电端子31，所述第一导电端子31可与电压供应电路连接，以使电压供应电路通过所述第一导电端子31向所述第二电极30提供电位。在本公开另一些实施例中，也可不设置所述第一导电端子31，而是直接将电压供应电路连接至第二电极30暴露表面。
58.在本实施例中，在所述第二电极30暴露的表面设置有一个第一导电端子31，而在本公开另一些实施例中，所述第二电极30上设置有两个所述第一导电端子31，两个所述第一导电端子31分设于所述裂纹a的两侧，具体示意请参阅图14。其中，可通过在两个第一导电端子31施加电压，测试两个第一导电端子31之间的电流值来判断裂纹a是否贯穿所述第二电极30。
59.进一步，在本实施例中，所述铁电层10覆盖所述第一电极20的部分表面。即所述铁电层10并未覆盖所述第一电极20的全部表面，所述第一电极20的部分表面被暴露，则所述第一电极20暴露的表面可作为电连接面，例如，在本公开一些实施例中，在所述第一电极20暴露的表面设置有第二导电端子21，所述第二导电端子21与电压供应电路电连接，以使电压供应电路通过所述第二导电端子21向所述第一电极20提供电位。在本公开另一些实施例中，也可不设置所述第二导电端子21，而是直接将电压供应电路连接至第一电极20暴露表面。
60.发明人发现，铁电开关器件的裂纹易在第二电极宽度较窄的区域出现。经过发明人深入研究，产生该种现象的原因在于，当经第一电极及第二电极向所述铁电层施加电压时，第二电极宽度较窄位置的电场强度较高，使得铁电层的应力在该处对应区域集中，该处易产生裂纹。
61.鉴于上述原因，为了进一步控制裂纹的位置，提高铁电开关器件的可靠性。本公开一些实施例提供了一种铁电开关器件，所述铁电开关器件的所述第二电极沿第一横向延伸，所述第二电极至少有部分区域在第二横向上的宽度小于其他区域的宽度，所述第二电极在第二横向上宽度最小的区域位于所述第一信号输送端与第二信号输送端之间，且所述裂纹位于所述第二电极在第二横向上宽度最小的区域。其中，所述裂纹沿所述第一横向分离或闭合，并沿所述第二横向延伸。
62.具体地说，在一些实施例中，所述第二电极包括沿第一横向排布的第一区段及第二区段，所述第二区段位于所述第一信号输送端与第二信号输送端之间，所述第二区段在所述铁电层上的正投影，位于所述第一信号输送端在所述铁电层上的正投影与所述第二信
号输送端在所述铁电层上的正投影之间，所述第二区段在第二横向上的宽度小于所述第一区段在第二横向上的宽度，所述裂纹位于所述第二区段。例如，请参阅图5，其为本公开第二实施例提供的铁电开关器件的俯视示意图，在该实施例中，所述第二电极30包括两个第一区段301及一个第二区段302，在第一横向(x方向)上两个所述第一区段301分别位于所述第二区段302的两端，形成桥形结构。所述第二区段302位于所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之间，所述第二区段302在第二横向(y方向)上的宽度小于所述第一区段301在第二横向(y方向)上的宽度，所述裂纹a位于所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之间的区域(如图5中的e区域)，且位于所述第二区段302上。
63.进一步，发明人经长期分析及研究发现，裂纹a易存在于第二电极30的最窄的区段与其相邻的区段的交界处。例如，如图5所示，在本实施例中，所述第一区段301与所述第二区段302的交界位于所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之间的区域(如图5中的e区域)，所述裂纹a位于所述第一区段301与所述第二区段302的交界处。其中，所述第一区段301与所述第二区段302的交界处包括所述第一区段301与所述第二区段302相交的位置及临近两者相交的位置的部分第二区段302。
64.当铁电层10产生一条裂纹之后，由于应力被释放，其不会再产生第二条裂纹，因此，在本实施例中，所述裂纹a仅位于所述第二区段302与其中一个所述第一区段301的交界处，在所述第二区段302与另一个所述第一区段301的交界处不存在裂纹。
65.图6是本公开第二实施例提供的铁电开关器件暴露第二电极时的扫描电镜图，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的比例尺分别为10微米、5微米及1微米，在(c)及(e)中，裂纹不清晰，采用虚线标示。从图6可以看出，在第二电极宽度最小的区域必然会形成了裂纹(如图中箭头a所指示位置)，本公开实施例提供的铁电开关器件具有较高的可靠性。
66.在第二实施例中，在所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之间的区域，所述第二区段302的在第二横向(y方向)上的宽度相同，而在本公开其他实施例中，在所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之间的区域，所述第二区段302包括多个在第二横向(y方向)上宽度不同的子区段，所述裂纹a位于宽度最小的子区段处。如图7所示，其为本公开第三实施例提供的铁电开关器件的俯视示意图，所述第二区段302包括沿第一横向(x方向)设置的三个子区段302a、302b及302c，所述子区段302b在第二横向(y方向)上的宽度小于所述子区段302a及302c在第二横向(y方向)上的宽度，所述裂纹a位于所述子区段302b与所述子区段302a的交界处，在其他实施例中，所述裂纹a也可位于所述子区段302b与所述子区段302c的交界处。
67.可以理解的是，在一些实施例中，在所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之间的区域，不论所述第二电极30的宽度如何变化，其必然大于或者等于导电层50的宽度，以保证所述导电层50能够被裂纹完全分隔。
68.在上述实施例中，所述第二电极30在第二横向(y方向)上的宽度以区段形式发生变化，而在本公开其他实施例中，所述第二电极的宽度也可在第一横向(x方向)上自两端向中间逐渐减小，只要保证第二电极30位于所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之间的区域的宽度小于位于所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之外的区域的宽度即可。
69.图8是本公开实施例提供的铁电开关器件暴露第二电极时的电场强度分布图，其
中，(b)为(a)的放大图，从图8可以看出，第二电极不同宽度区段的交界处的颜色较深，说明该处电场强度最强(如(b)中虚线椭圆框标示区域)，则裂纹易在该区域产生。
70.本公开实施例还提供一种上述铁电开关器件的制备方法。请参阅图9，其是本公开实施例提供的铁电开关器件的制备方法的步骤示意图，所述制备方法包括：步骤s901，提供衬底；步骤s902，在所述衬底表面形成第一电极、铁电层、第二电极、层间绝缘层、导电层、及第一信号输送端与第二信号输送端，所述第一信号输送端与第二信号输送端均设置在所述导电层上，且彼此独立；步骤s903，形成裂纹，所述裂纹自所述铁电层沿垂直所述铁电层的方向延伸并贯穿所述第二电极、所述层间绝缘层、及所述第一信号输送端与第二信号输送端之间的所述导电层，且所述导电层被所述裂纹分隔为彼此独立的两部分。
71.图10a～图10c是本发明实施例提供的铁电开关器件的制备方法的主要步骤形成的器件结构示意图。
72.请参阅步骤s901及图10a，提供衬底100。
73.所述衬底100可以是si衬底、ge衬底、sige衬底、soi(siliconon insulator，绝缘体上硅)衬底或者goi(germanium on insulator，绝缘体上锗)衬底等。在本实施例中，所述衬底100优选为si衬底，用于支撑在其上的器件结构。
74.请参阅步骤s902及图10b，在所述衬底100表面形成第一电极20、铁电层10、第二电极30、层间绝缘层40、导电层50、及第一信号输送端60与第二信号输送端70，所述第一信号输送端60与第二信号输送端70均设置在所述导电层50上，且彼此独立。
75.可采用化学气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积及分子束外延等工艺在衬底100表面形成第一电极材料层，再采用光刻及刻蚀等工艺图案化所述第一电极材料层，以形成所述第一电极20。所述第一电极20可为金属电极，例如pt、au、cu或ag电极等。
76.可采用化学气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积及分子束外延等工艺在第一电极20表面形成铁电材料层，再采用光刻及刻蚀等工艺图案化所述铁电材料层，以形成所述铁电层10。在本实施例中，所述铁电层10的材料为hfzrox，则其可适用于铪基互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)兼容铁电nand(fe-nand)闪存，以简化制备工艺。在本公开其他实施例中，所述铁电层10的材料也可为铌镁酸铅-钛酸铅(pmn-pt)、锆钛酸铅(pzt)、铌铟酸铅-钛酸铅(pin-pt)或者铌镁酸铅-锆钛酸铅-钛酸铅(pmn-pzt-pt)、batio3(bto)等。
77.可采用化学气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积及分子束外延等工艺在所述铁电层10表面形成第二电极材料层，再采用光刻及刻蚀等工艺图案化所述第二电极材料层，以形成第二电极30。其中，第二电极30的形状可与上述铁电开关器件中记载的第二电极30的形状相同。所述第二电极30的材料可为金属间合金材料，例如mnpt或者fept。所述第二电极30的延展性小于所述第一电极20的延展性。
78.可采用化学气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积及分子束外延等工艺在所述第二电极30上形成层间绝缘材料层，再采用光刻及刻蚀等工艺图案化所述层间绝缘材料层，以形成层间绝缘层40。所述层间绝缘层40可不仅覆盖所述第二电极30，还可覆盖所述铁电层10暴露的表面。所述层间绝缘层40包括但不限于氧化物层、氮化层、高k介质层等，例如，所述氧化物层可为氧化铝层。
79.可采用化学气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积及分子束外延等工艺在所述层
间绝缘层40上形成导电材料层，再采用光刻及刻蚀等工艺图案化所述导电材料层，以形成导电层50。所述导电层50的材料可为金属间合金材料，例如mnpt或者fept。所述导电层50的延展性小于所述第一电极20的延展性。进一步，在本实施例中，所述导电层50的材料与所述第二电极30的材料相同，在本公开其他实施例中，所述导电层50也可与所述第二电极30的材料不同但延展性相近。
80.可采用化学气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积及分子束外延等工艺在所述导电层50上形成信号传输材料层，再采用光刻及刻蚀等工艺图案化所述信号传输材料层，以形成第一信号输送端60及第二信号输送端70。所述第一信号输送端60与所述第二信号输送端70彼此独立。
81.请参阅步骤s903及图10c，形成裂纹a，所述裂纹a自所述铁电层10沿垂直所述铁电层10的方向(如图10c中的z方向)延伸并贯穿所述第二电极20、所述层间绝缘层40、及所述第一信号输送端60与第二信号输送端70之间的所述导电层50，且所述导电层50被所述裂纹分隔为彼此独立的两部分，所述第一信号输送端60和所述第二信号输送端70分别设置在所述导电层50被所述裂纹a分隔为彼此独立的两部分上。
82.本公开实施例还提供一种形成所述裂纹的方法，所述方法包括如下步骤：
83.预极化：经所述第一电极20及所述第二电极30向所述铁电层10施加极化电压，使所述铁电层10的铁电畴的极化方向与所述极化电压的方向相同。
84.对于铁电层10而言，在没有施加极化电压时，即无外加电场时，铁电畴在铁电层10中分布杂乱无章，而在施加极化电压时，即外加电场时，沿电场方向的铁电畴长大，逆电场方向的铁电畴消失，其他方向分布的铁电畴转到电场方向，最终形成与电场方向一致的铁电畴。所述电场方向与所述极化电压的方向相同。在一些实施例中，所述预极化电压形成的电场强度大于所述铁电畴的矫顽场，形成与电场方向一致的铁电畴。
85.翻转：经所述第一电极20及所述第二电极30向所述铁电层10施加翻转电压，所述翻转电压与所述极化电压极性相反。
86.在电压由极化电压变为翻转电压时，由于翻转电压与所述极化电压极性相反，外加电场方向发生变化，铁电层10中的铁电畴也会随之发生翻转，受到铁电层内的缺陷及掺杂物等对畴壁的钉扎作用，会在铁电畴壁产生应力，则在应力集中处会产生所述裂纹a。在一些实施例中，所述翻转电压形成的电场强度大于所述铁电畴的矫顽场，使得所述铁电畴能够发生翻转。
87.所述裂纹a会贯穿所述第二电极30、所述层间绝缘层40及所述导电层50，所述裂纹a使所述导电层50分为两部分，该两部分电隔离。在应用所述铁电开关器件时，通过控制所述裂纹的分离及闭合实现所述导电层50的两部分的连接与断开，以实现第一信号输送端60与所述第二信号输送端70的电绝缘与电连接，从而实现铁电开关器件的“关”与“开”的功能。
88.本公开实施例提供的铁电开关器件的制备方法能够制备具有裂纹的铁电开关器件，通过改变施加在所述铁电层10上的电压的方向控制所述裂纹a的分离及闭合，进而实现铁电开关器件的“开”与“关”。
89.本公开实施例还提供一种上述铁电开关器件的控制方法。所述控制方法包括：
90.如图2所示，经所述第一电极20及所述第二电极30向所述铁电层10施加第一电压
u1，控制所述裂纹a的分离，所述导电层50被分为彼此绝缘的两部分，所述第一信号输送端60与所述第二信号输送端70的电绝缘，实现铁电开关器件的“关”功能。当经所述第一电极20及所述第二电极30向所述铁电层10施加第一电压u1时，外加电场方向发生变化，铁电层10中的铁电畴随之发生翻转，受到铁电层内的缺陷及掺杂物等对畴壁的钉扎作用，会在铁电畴壁产生应力，则在应力集中处会形成所述裂纹a，实现铁电开关器件的“关”功能。
91.如图4所示，经所述第一电极20及所述第二电极30向所述铁电层10施加第二电压u2，控制所述裂纹a的闭合，所述导电层50的两部分接触，所述第一信号输送端60与所述第二信号输送端70的电导通，实现铁电开关器件的“开”功能。当经所述第一电极20及所述第二电极30向所述铁电层10施加第二电压u2时，铁电畴再次被翻转，原本存在于铁电畴壁处的应力散去，裂纹a闭合，实现铁电开关器件的“开”功能。
92.其中，所述第一电压u1与所述第二电压u2极性相反。例如，在一些实施例中，第一电压u1为垂直器件方向(如图2中z方向)上的正向电压，第二电压u2为垂直器件方向上的负向电压，在另一些实施例中，第一电压u1为垂直器件方向上的负向电压，第二电压u2为垂直器件方向上的正向电压。
93.在一些实施例中，所述第一电压u1与所述第二电压u2形成的电场强度大于所述铁电畴的矫顽场，使得所述铁电畴能够发生翻转。
94.在一些实施例中，所述第一电压u1的极性与制备所述铁电开关器件时采用的翻转电压的极性相同，所述第二电压u2的极性与制备所述铁电开关器件时采用的极化电压的极性相同。
95.在一些实施例中，可经所述第一电极20及第二电极30向所述铁电层10施加循环电压来控制所述纳米裂纹的分离及闭合，例如，三角形循环电压及脉冲电压。图11a是三角形循环电压的示意图，其中，三角形循环电压的正向电压达到一数值时，例如峰值u
峰
，铁电畴翻转，产生应力，裂纹分离，当三角循环电压的负向电压达到一数值时，例如谷值u
谷
，铁电畴再次被翻转，应力散去，裂纹闭合；图11b是脉冲循环电压的示意图，其为周期换向脉冲，当正脉冲电压u
正
达到一数值时，铁电畴翻转，产生应力，裂纹分离，当负脉冲电压u
负
达到一数值时，铁电畴再次被翻转，应力散去，裂纹闭合。
96.如图12所示，其中，(a)是本公开实施例提供的铁电开关器件的裂纹闭合的扫描电镜图，(b)是本公开实施例提供的铁电开关器件的裂纹分离的扫描电镜图，当电压供应电路施加的正脉冲电压为 100v(第一电压)时，裂纹分离(如图中椭圆虚线所示)，当外部电源施加的负脉冲电压为-100v(第二电压)时，裂纹闭合(如图中椭圆虚线所示)。
97.本公开实施例提供的铁电开关器件的控制方法通过改变电压的极性，实现贯穿导电层的裂纹的分离及闭合，进而实现铁电开关器件的“关”、“开”功能，比传统的mosfet开关具有更高的速度、更低的能耗。并且，基于铁电-裂纹的铁电开关器件具有突变的开关行为和高的on/off电流比，漏电大大降低；另外，所述导电层全层作为导电通道，在裂纹处，导电层被分离的两部分的金属接触界面(断裂面)接触面积大，使得接触电阻低，信号传输速度快。
98.本公开实施例还提供一种三维存储器。所述三维存储器包括如上所述的铁电开关器件。所述铁电开关器件在所述三维存储器能够代替传统mos晶体管等器件，实现开关功能。下面举例说明所述铁电开关器件在三维存储器中的应用。
99.图13是本公开实施例提供的三维存储器中铁电开关器件的一种应用示意图，请参阅图13，在本公开一些实施例中，所述三维存储器包括在三维空间内阵列排布的多个存储单元，所述存储单元构成多个存储串。例如，第一存储串130由存储单元1301～1305串联而成，第二存储串131由存储单元1311～1315串联而成。
100.每一个存储串对应设置有所述铁电开关器件，其中，所述铁电开关器件的第一电极和第二电极分别与对应的漏极选择线电连接，第一信号输送端与位线电连接，第二信号输送端与存储串电连接。
101.例如，在第一存储串130的顶端设置有铁电开关器件1306，所述铁电开关器件1306作为所述第一存储串130的串选择管。所述铁电开关器件1306的第一电极20(如图1及图2所示)及第二电极30(如图1及图2所示)与对应的漏极选择线dsl电连接，第一信号输送端60(如图1及图2所示)与位线bl1电连接，第二信号输送端70(如图1及图2所示)与第一存储串130电连接。所述存储单元1301～1305还与字线wl1～wl5电连接。
102.再例如，在所述第二存储串131的顶端设置有铁电开关器件1316，所述铁电开关器件1316作为所述第二存储串131的串选择管。所述铁电开关器件1316的第一电极20及第二电极30(如图1及图2所示)与对应的漏极选择线dsl电连接，第一信号输送端60(如图1及图2所示)与位线bl2电连接，第二信号输送端70(如图1及图2所示)与第二存储串131电连接。所述存储单元1311～1315还与字线wl1～wl5电连接。
103.通过所述漏极选择线dsl能够控制所述铁电开关器件1306及铁电开关器件1316的裂纹的分离及关闭，实现所述铁电开关器件的开与关，从而控制所述位线bl1及位线bl2与存储单元的电连接。
104.进一步，在本公开一些实施例中，每一个存储串的底部设置有所述铁电开关器件，作为源选择管。
105.例如，在第一存储串130的底部设置有铁电开关器件1307，所述铁电开关器件1307作为所述第一存储串130的源选择管。所述铁电开关器件1307的第一电极20(如图1及图2所示)及第二电极30(如图1及图2所示)与对应的源极选择线ssl电连接，第一信号输送端60(如图1及图2所示)与第一存储串130电连接，第二信号输送端70(如图1及图2所示)与源极线csl电连接。
106.再例如，在第二存储串131的底部设置有铁电开关器件1317，所述铁电开关器件1317作为所述第二存储串131的源选择管。所述铁电开关器件1317的第一电极20及第二电极30(如图1及图2所示)与对应的源极选择线ssl电连接，第一信号输送端60(如图1及图2所示)与第二存储串131电连接，第二信号输送端70(如图1及图2所示)与源极线csl电连接。
107.通过所述源极选择线ssl能够控制所述铁电开关器件1306及铁电开关器件1316的裂纹的分离及关闭，实现所述铁电开关器件的开与关，从而控制所述公共源极线csl与存储单元的电连接。
108.在本公开其他实施例中，也可仅采用铁电开关器件作为串选择管，而采用mos晶体管作为源选择管，或者仅采用铁电开关器件作为源选择管，而采用mos晶体管作为串选择管。
109.所述三维存储器包括存储阵列(array)区域及外围电路(periphery)区域，所述存储阵列区域用于存储信息，而所述外围电路区域可以位于存储阵列区域的上方或者下方，
也可以位于所述存储阵列区域的四周，外围电路区域用于控制对应的存储阵列区域。所述铁电开关器件可设置在外围电路区。
110.所述铁电开关器件还可以应用于其它的微电子器件中，比如，非易失闪存(nor flash)等，具体不作限制。
111.以上所述仅是本公开实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本公开实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本公开实施例的保护范围。