氧化鋅基同質結構的透明rram元器件及製作方法

2023-06-28 14:48:26

專利名稱：氧化鋅基同質結構的透明rram元器件及製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氧化鋅基同質結構的透明RRAM (電阻式隨機存儲器)元器件及製作方法，更確切地說，氧化鋅基同質結構是指頂電極和底電極及中間的功能薄膜均為透明的三明治結構的RRAM元器件及製作方法，屬於透明電子器件領域。
背景技術：
近年來，RRAM由於其具有結構簡單以及與現代半導體CMOS工藝匹配性優異等特點，逐漸成為了新一代非揮發性存儲器的研究熱點。在RRAM材料的研究過程中，人們逐漸發現了多種材料體系具有作為RRAM的應用潛力。主要包括稀土錳氧化物材料、過渡金屬鈣鈦礦型結構材料、二元過渡金屬氧化物材料、有機高分子半導體材料以及一些硫化物材料等。目前，二元過渡金屬氧化物的研究主要有NiO、 Ti02、 CuxO、 Cu-MoOx、 ZnO、 Mg-ZnO、Co-ZnO、 Mn-ZnO、 Fe203、 Zr。2等。
另外，摻雜的氧化鋅薄膜由於其優良的光學性質和電學性質，以及原材料的廉價和無毒被認為是傳統透明導電薄膜(In慘雜Sn02 (ITO))的最佳替代品。目前作為透明導電薄膜的氧化鋅基薄膜主要以摻雜IIIA元素B、 Al、In和Ga為主，其中慘鋁氧化鋅(AZO)薄膜研究較多。
二元氧化物材料一般具有較大的光學帶隙(>3 eV)，因而在可見光範圍內具有較好的透過率。因此，如果選用透明電極及襯底，將可能實現全透明的RRAM存儲單元，並可能集成於未來可視電子器件中。這種全透明RRAM器件並不是取代矽基集成的電子器件，而是為未來可視電子器件提供了一種新的概念，在透明電子器件領域將有可能得到廣泛應用。
本發明擬採用在石英玻璃襯底上依次製備"電極層/阻變氧化物層/電極層"三明治結構以構成RRAM存儲單元。電極層具有良好導電性，(電阻率在10—5~10.4歐姆 釐米)，製備的阻變層薄膜具有良好的電阻轉變性能，且整個器件保持良好的可見光透過性。在透明RRAM存儲單元研究方面，至今為止，氧化鋅基同質結構的RRAM存儲單元在國內外各類文獻中鮮有報導。

發明內容
基於上述對RRAM研究現狀的概述，本發明的目的在於提供一種氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件及製作方法。
本發明的氧化鋅基透明RRAM元器件的結構，包括石英玻璃襯底(1)，其特徵在於在襯底(1)上依次沉積底電極層為ZnO基摻雜的透明導電薄膜(2)，中間阻變氧化物層為ZnO或ZnO基摻雜阻變薄膜(3)，頂電極層為ZnO基摻雜的透明導電薄膜(4)。其中，頂電極層或底電極層為ZnO基摻雜的透明導電薄膜(例如Al摻雜ZnO (AZO)， Ga摻雜ZnO (GZO) ,Ag摻雜ZnO等)；阻變層為ZnO或摻雜的ZnO基阻變薄膜(Mg摻雜ZnO薄膜(MZO)， Mn摻雜ZnO薄膜，Co摻雜ZnO薄膜等)。
本發明是利用氧化鋅基薄膜材料，通過對ZnO進行摻雜，獲得導電性能良好的電極材料或電阻轉變特性優異的阻變層材料。通過對ZnO基薄膜組分的調控，對薄膜材料的導電性及電阻轉變性能進行控制，從而達到穩定存儲的目的。
所述的電極層材料的電阻率為10—5~10_4歐姆 釐米，所述的阻變層材料的電阻轉變倍率變化範圍為4倍~103倍。頂電極層和底電極層的厚度為80 120nm，中間阻變層的厚度為120 150nm。
本發明所述的ZnO基同質結構的RRAM的具體製作步驟是
a) 選用石英玻璃襯底，經丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗；
b) 採用電阻率在10—5 10—4歐姆*釐米的Al摻雜的ZnO、 Ga摻雜的ZnO或Ag摻雜的ZnO陶瓷靶在本底真空為(1~9) X l(r4Pa，沉積溫度為18 25"C條件下沉積底電極；
c) 採用電阻轉變倍率為4倍 10M咅的ZnO或ZnO基摻雜陶瓷耙，在l 5Pa
氧分壓下沉積阻變層；
d) 採用孔洞直徑為0.05 0.2mm的掩膜板，在(1~9) X10"Pa本底真空和18 25。C溫度下沉積頂電極製作成三明治結構。
由於本發明採用的氧化鋅基薄膜材料及石英襯底均為透明材料，在可見光(對應波長400 800nm)範圍內都具有大於或等於60%的較高的透過率。構成RRAM元器件的存儲單元後，仍能保持良好的透明性。本發明是利用氧化鋅基薄膜材料構成電極層/阻變氧化物層/電極層同質結構，生長過程中，晶格失配度小，匹配性好。
本發明的透明存儲元器件的工作過程是在外加電場的作用下，材料的電阻在低阻態("0")和高阻態("1")之間可逆轉變，基於這種效應來實現
RRAM器件的記憶過程。為了方便表徵，通常採用不同電壓下的電流值變化
來間接表徵電阻值的變化。
本發明提供的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件，其最大的優點是基於低成本的氧化鋅基薄膜材料，通過摻雜控制獲得一種性能穩定且具有良好透明性的氧化鋅同質結構RRAM存儲單元結構，有利於RRAM元器件存儲單元向低成本、高性能透明器件方向發展。


圖1為氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件結構示意2為氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件實物3為氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件透過譜4為氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件特徵曲線圖
具體實施例方式
下面通過具體實施例的闡述，進一步說明本發明的實質性特點和顯著的進步。
選用Al摻雜的ZnO薄膜(AZO)為電極層，分子通式式為AlxZni.xO，(0.02<x<0.04),電阻率約2X 10'4~9X l(T4歐姆 釐米；選用Mg摻雜的ZnO薄膜(MZO)為阻變層，分子式為MgyZni_yO， (0.1<y<0.4)，電阻轉變倍率變化範圍為4倍~103倍。由所述的電極層和阻變層構築成的一種氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件，其特徵在於在襯底(1)上依次沉積底電極層AZO (2)，中間阻變層MZO (3)，頂電極AZO (4)。採用脈衝雷射沉積法(PLD)製作，具體工藝步驟如下
1) 襯底選用石英玻璃(1),經丙酮、乙醇和去離子水標準超聲清洗；
2) 採用摻雜Al摩爾百分比為3。/。的ZnO陶瓷靶，在本底真空為3xl(^Pa，沉積溫度為室溫(約18~25°C)條件下沉積厚度為100 nm的AZO底電極層(2);
3) 採用摻雜Mg(30M)的ZnO陶瓷靶，在2Pa氧分壓下沉積厚度為 120-150 nm的MZO阻變層(3);
4) 採用孔洞直徑0.1mm的掩模板，摻雜A1 (3%)的ZnO陶瓷靶，在本 底真空為3xl(T4 Pa和18 25°C條件下沉積厚度為100 nm的AZO頂 電極(4)。
製備獲得的氧化鋅基透明RRAM元器件，其結構為石英玻璃襯底上的 AZO/MZO/AZO同質三明治結構，示意圖參見附圖l。
肉眼觀察該元器件具有良好的透明性，參見附圖2。由附圖3光學透過 譜圖所示，該元器件在可見光(對應波長400 800nm)範圍內具有較高的透 過率(最大83%，最小63%)。
該元器件特徵/-^曲線如附圖4所示，其電阻轉變過程可描述為薄膜
原始處於高阻態，施加正向電壓到一定數值，薄膜轉變成低阻態，然後施加
負向電壓到一定值，薄膜恢復至高阻態，如此為一個循環，圖中為50個循環 的7-F曲線，可見其重複性、穩定性良好。高阻態約為3400~3500 Q，低阻 態約為700 800Q，高/低阻態轉變倍率約為4 5倍。施加電壓過程中，頂電 極為正方向，底電極為負方向，參見附圖l。
需特別強調指出的是本實施例選取的AZO和MZO分別作為電極層材料 和阻變層材料最具有代表性，實際上電極層材料除AZO之外還可選取Ga摻 雜的或Ag摻雜的ZnO，阻變層材料可選取Mn摻雜的ZnO或Co摻雜的ZnO， 甚至ZnO透明薄膜，只是控制不同的摻雜比例但均為透明薄膜。
通過本實施例的描述，本領域的技術人員可以方便製作出由不同電極層 材料和阻變層材料構築成的ZnO基同質透明的RRAM元器件。
權利要求
1、氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件，包括石英玻璃襯底，其特徵在於在襯底上依次沉積底電極層、中間阻變氧化物層和頂電極層，構成三明治結構，且底電極層、中間阻變層和頂電極層是由氧化鋅基同質結構的透明薄膜組成。
2、 按權利要求1所述的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件，其特徵在於所述的頂電極層或底電極層的材料為Al摻雜的ZnO、 Ga摻雜的ZnO或Ag摻雜的ZnO;電極層材料的電阻率為10—5~10—4歐姆 釐米。
3、 按權利要求2所述的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件，其特徵在於所述的頂電極層或底電極層的材料為Al摻雜的ZnO，組成通式為AlxZn,陽xO，式中0.02<x<0.04。
4、 按權利要求1所述的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件，其特徵在於阻變氧化物層材料為Mg摻雜的ZnO、 Mn摻雜的ZnO或Co摻雜的ZnO，阻變氧化物層材料的電阻轉變倍率範圍為4倍 103倍。
5、 按權利要求4所述的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件，其特徵在於所述的阻變層材料為Mg慘雜的ZnO，組成通式為MgxZni.yO，式中0.1<y<0.04。
6、 按權利要求1~3中任一項所述的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件，其特徵在於底電極層的厚度為80 120nm，頂電極層的厚度為80 120nm。
7、 按權利要求1、4或5所述的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件，其特徵在於阻變氧化物層的厚度為120 150nm。
8、 製作如權利要求1所述的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件的方法，其特徵在於採用脈衝雷射沉積法製作，具體步驟是a) 選用石英玻璃襯底，經丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗；b) 採用電阻率在10'5~10—4歐姆*釐米的Al摻雜的ZnO、 Ga摻雜的ZnO或Ag摻雜的ZnO陶瓷靶在本底真空為(1 9) X l(T4Pa，沉積溫度為18 25。C條件下沉積底電極；c) 採用電阻轉變倍率為4倍 10M音的ZnO或ZnO基摻雜陶瓷耙，在l 5Pa氧分壓下沉積阻變層；d)採用孔洞直徑為0.05 0.2mm的掩膜板，在(1 9) X10—4pa本底真空和18~25 °C溫度下沉積頂電極製作成三明治結構。
9、 按權利要求8所述的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件的製作方法，其特徵在於以Al摻雜的ZnO薄膜為電極層，以Mg摻雜的ZnO薄膜為阻擋層的元器件在400 800nm可見光範圍內最大透光率為83%，最小為63%。
10、 按權利要求9所述的氧化鋅基同質結構的透明RRAM元器件的製作方法，其特徵在於所製作的RRAM元器件經高阻態到低電阻態50個循環的I-V曲線顯示好的重複性和穩定性，高/低阻態轉變倍率為4 5倍。
全文摘要
本發明涉及一種氧化鋅基同質結構的透明電阻式隨機存儲器(RRAM)元器件及製作方法。所述的存儲元器件是在石英玻璃襯底上由依次製備的「電極層/阻變氧化物層/電極層」三明治結構構成。其中，電極層材料為ZnO基摻雜的透明導電薄膜，阻變氧化物層材料為ZnO或ZnO基摻雜阻變薄膜。在保持材料透明性的前提下，通過對ZnO基薄膜組分的調控，對薄膜材料的導電性及電阻轉變性能進行控制，從而達到穩定存儲的目的。本發明的存儲單元結構的最大優點是基於低成本的氧化鋅基同質結構薄膜材料，通過摻雜控制獲得一種性能穩定且具有良好透明性的同質RRAM存儲單元結構，有利於RRAM存儲器件向低成本、高性能透明器件方向發展。
文檔編號H01L45/00GK101533890SQ20091004882
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者於偉東, 劉新軍, 張亦文, 遜 曹, 李效民, 蕊 楊, 長 楊 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所