基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器及其製備方法

2023-05-11 05:44:51

專利名稱：基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器及其製備方法
技術領域：
本發明屬於微電子技術領域，具體涉及一種基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器及其製備方法。
背景技術：
阻變存儲器由於具有較高的集成密度、較快的擦寫速度、較長的保持時間，並且有著多值存儲的潛能，最近幾年來受到了研究人員的廣泛關注。阻變機理的研究、新型結構的設計、新型材料的提出，研究人員都在追求更高的集成密度、更快的讀寫速度、多值存儲的突破。阻變存儲器的結構為簡單的金屬-絕緣層-金屬(MM)結構，即上下電極以 及中間的阻變層的三明治結構，大多數阻變層為單層結構。近幾年來，由於雙層結構的優勢，研究人員開始提出了一些疊層阻變結構，並且器件的性能得到了改善。2009年韓國光州科學和技術研究所的文獻中(Reliable resistiveswitching device based onbi-layers of Zr0x/Hf0x films), J. Lee 等人採用 Zr0x/Hf0x 的疊層結構，獲得了穩定的雙極性阻變特性，並且該器件具有多值存儲的特性潛能。2012年美國託萊多大學文獻(Switching Characteristicsof Ru/Hf02/Ti02_x/Ru RRAM Devices for Digital andAnalog NonvolatileMemory Applications)中，B. Long and Y. Li 等人通過 HfO2/Ti02_x 疊層結構獲得了較高一致性的雙極性結構。新型疊層結構可以克服單層結構中存在的不足、結合單層結構的優點，改善單層結構的性能，新型疊層結構的探索和研究成為研究人員的一個關注點。在一種基於氧化釩薄膜的阻變存儲器及其製備方法(CN102130295A)中，本課題組使用氧化釩作為阻變存儲器的介質層，獲得了一種單級性的阻變存儲器，reset電流為40mA,單層的氧化f凡薄膜作為阻變層材料時,具有較大的reset電流；在一種氧化鋅的極性可控阻變存儲器及其製備方法(CN102194995A)中，本課題組通過沉積不同的上下電極可以獲得單級性、雙極性、無極性的阻變存儲器，reset電流為10mA，但是一致性和重複性仍然需要改進。

發明內容
本發明的目的是針對上述存在的技術問題，提供一種基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器及其製備方法，該阻變存儲器具有氧化鋅雙極性和單極性極性可控的優勢，可提高器件的一致性和重複性。本發明的技術方案一種基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器，由下電極、阻變層和上電極構成，阻變層為由氧化釩介質層和氧化鋅介質層組成的疊層結構，氧化鋅的成分為ZnOh，其中0〈x〈0. 5,氧化鋅介質層的厚度為l-500nm ;氧化鑰;的成分為VOy,其中O. 5〈y〈2. 5,氧化鑰；介質層的厚度為l_500nm。
所述上下電極材料為導電金屬、金屬合金和導電金屬化合物，其中導電金屬為Ta、Cu、Ag、W、Ni、Al 或 Pt ;金屬合金為 Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al 或 Al/Zr ;導電金屬化合物為TiN或ΙΤ0。一種所述基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器的製備方法，步驟如下，其中氧化釩介質層和氧化鋅介質層薄膜的製備不限定先後次序I)以Si片為襯底，利用熱氧化的方法製備SiO2絕緣層；2)在SiO2絕緣層上利用離子束濺射的方法製備Ti粘附層；3)在Ti粘附層上製備下電極；4)在下電極上採用直流濺射或射頻濺射法沉積氧化釩薄膜，濺射工藝條件為本底真空小於10_4Pa、襯底溫度為室溫-200°C、工作壓強O. l_2Pa、氧分壓為5%_30%、濺射功率為 50-250W ； 5)在氧化釩薄膜上採用直流濺射或射頻濺射法沉積氧化鋅薄膜，濺射工藝條件為本底真空小於10_4Pa、襯底溫度為室溫-300°C、工作壓強為O. l_2Pa、氧分壓為5%_40%、濺射功率為50-250W ；6)在氧化鋅薄膜上製備上電極；7)在上電極上利用PECVD的方法生長一層SiO2作為保護層。所述製備上下電極的方法為離子束濺射、磁控濺射或電子束蒸發工藝。本發明的技術分析該阻變存儲器與傳統的單層結構的不同之處在於，存在兩層的介質層氧化釩、氧化鋅，在外加電場的作用下，一種材料氧空位的產生率大於另外一種材料，這樣在一種材料中就優先形成氧空位的導電通道，然後另外一種材料的電場才達到產生氧空位的要求，形成氧空位的通道。Reset過程中恰好相反，優先形成氧空位通道的後斷裂。該氧化釩/氧化鋅疊層結構，由於在reset的過程是一個漸進的過程，可以通過不同振幅的reset電壓獲得不同的高阻態的電阻。本發明的優點和有益效果是該阻變存儲器採用氧化釩/氧化鋅疊層結構，具有氧化鋅雙極性和單極性極性可控的優勢，提高了器件的一致性和重複性；與單層氧化釩相比，reset電流降到了 IOmA以下；在雙極性測試過程中，具有一個漸進的reset過程，可以通過不同振幅的reset電壓而得到不同的高阻態的電阻，至少可以獲得3個電阻值，並且每個電阻值之間有10倍以上的阻值比。


圖I為該阻變存儲器結構示意圖。圖中1.下電極2.氧化釩介質層3.氧化鋅介質層4.上電極圖2為該阻變存儲器單極性電學特性曲線。圖3為該阻變存儲器使用半導體參數分析儀DC掃描，set過程和漸進的reset過程的雙極型曲線。圖4為該阻變存儲器在雙極性時，reset過程採用幅值為-O. 5V和-O. 85V獲得三個態的endurance曲線,每個態之間電阻比大於10倍。
具體實施例方式實施例I :一種基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器，如圖I所示，由下電極I、阻變層和上電極4構成，阻變層為由氧化釩介質層2和氧化鋅介質層3組成的疊層結構，氧化鋅的成分為ZnCVx,其中X為O. 1，氧化鋅介質層的厚度為30nm ;氧化fL的成分為VOy,其中y為
O.15,氧化f凡介質層的厚度為30nm;下電極為Pt、厚度為50nm,上電極為W、厚度為50nm。該阻變存儲器的製備方法，步驟如下I)以Si片為襯底，使用氧化擴散爐，通過熱氧化的方法在矽襯底上製備SiO2絕緣層；2)在SiO2絕緣層上利用離子束濺射的方法製備一層IOnm厚的Ti粘附層； 3)採用電子束蒸發的方法在Ti粘附層上沉積50nm厚Pt下電極；4)在下電極上採用射頻濺射法沉積厚度為30nm氧化釩薄膜，濺射工藝條件為靶材為Φ 60mm氧化釩陶瓷靶材，靶截距為6. 5cm，本底真空小於10_4Pa、襯底溫度為200°C、工作壓強I. OPa、氧分壓為20%、濺射功率為IOOW ；5)在氧化釩薄膜上採用射頻濺射法沉積厚度為30nm氧化鋅薄膜，濺射工藝條件為靶材為Φ 60mm氧化鋅陶瓷靶材，靶截距為6. 5cm，本底真空小於10_4Pa襯底溫度為200°C、工作壓強為O. 5Pa、氧分壓為20%、濺射功率為50W ；6)在氧化鋅薄膜上通過直流磁控濺射沉積厚度為50nm鎢上電極，直流磁控濺射的工藝條件為靶材為Φ 60mm金屬鎢靶，靶截距為6. 5cm，工作壓強O. 5Pa，Ar流量20sccm，濺射功率為50W ；7)在上電極上利用PECVD的方法生長一層SiO2作為保護層。電學特性通過半導體參數分析測試，該器件為一種無極性的器件，可以實現雙極性操作，如圖2所示；也可以實現單極性操作，如圖3所示；通過調整reset電壓的振幅，當reset電壓為O. 5時，高阻態約為600ohm，當reset電壓的振幅為O. 85時，高阻態為約60kohm,如圖4所不。實施例2 一種基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器，結構與實施例I基本相同，不同之處在於以W為下電極、厚度為50nm，TiN為上電極、厚度為lOOnm。該阻變存儲器的製備方法，步驟如下1)、2)與實施例I相同；3)在Ti粘附層上通過直流磁控濺射沉積厚度為50nm鎢下電極，直流磁控濺射的工藝參數靶材為Φ 60mm金屬鎢靶，靶截距為6. 5cm，工作壓強為O. 5Pa，Ar流量為20sccm，濺射功率為50W ；4)在下電極上採用射頻濺射法沉積厚度為30nm氧化釩薄膜，濺射工藝條件為靶材為Φ 60mm氧化釩陶瓷靶材，靶截距為6. 5cm，本底真空小於10_4Pa、襯底溫度為200°C、工作壓強I. OPa、氧分壓為20%、濺射功率為IOOW ；5)在氧化釩薄膜上採用射頻濺射法沉積厚度為30nm氧化鋅薄膜，濺射工藝條件為靶材為Φ 60mm氧化鋅陶瓷靶材，靶截距為6. 5cm，本底真空小於10_4Pa襯底溫度為200°C、工作壓強為I. OPa、氧分壓為40%、濺射功率為100W ；6)在氧化鋅薄膜上通過直流磁控濺射沉積厚度為IOOnmTiN上電極，直流磁控濺射的工藝參數革巴材為Φ 60mm金屬鈦革巴,革巴截距為6. 5cm,工作壓強為O. 5Pa,氮分壓為7%,濺射功率為IOOW ；7)在上電極上利用PECVD的方法生長一層SiO2作為保護層。電學特性通過半導體參數分析儀測試，器件表現為雙極性特性，並且器件具有較好的一致性。實施例3 一種基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器，結構與實施例I基本相同，不同之處在於以W為下電極，W為上電極，厚度均為50nm。該阻變存儲器的製備方法，步驟和W電極的製備工藝與實施例I相同。實施例4 一種基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器，結構與實施例I基本相同，不同之處在於以Pt為下電極，Cu為上電極,厚度均為50nm,。該阻變存儲器的製備方法，步驟和Pt電極的製備工藝與實施例I相同。上電極Cu通過直流磁控派射的方法製備,具體工藝條件為祀材為Φ60ι πι金屬銅靶，靶截距為6. 5cm，工作壓強為IPa，Ar流量為20sccm，濺射功率為50W。實施例1-4的檢測結果匯總表
權利要求
1.一種基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器，其特徵在於由下電極、阻變層和上電極構成，阻變層為由氧化釩介質層和氧化鋅介質層組成的疊層結構，氧化鋅的成分為ZnOh，其中0〈x〈0. 5，氧化鋅介質層的厚度為l_500nm ;氧化釩的成分為VOy，其中O.5〈y〈2. 5,氧化I凡介質層的厚度為l-500nm。
2.根據權利要求I所述基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器，其特徵在於所述上下電極材料為導電金屬、金屬合金和導電金屬化合物，其中導電金屬為Ta、Cu、Ag、W、Ni、Al或Pt ;金屬合金為Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al或Al/Zr ;導電金屬化合物為TiN 或 ITO。
3.—種如權利要求I所述基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器的製備方法，其特徵在於步驟如下，其中氧化釩介質層和氧化鋅介質層薄膜的製備不限定先後次序 1)以Si片為襯底，利用熱氧化的方法製備SiO2絕緣層； 2)在SiO2絕緣層上利用離子束濺射的方法製備Ti粘附層； 3)在Ti粘附層上製備下電極； 4)在下電極上採用直流濺射或射頻濺射法沉積氧化釩薄膜，濺射工藝條件為本底真空小於10_4Pa、襯底溫度為室溫-200°C、工作壓強O. l_2Pa、氧分壓為5%_30%、濺射功率為50-250W ； 5)在氧化釩薄膜上採用直流濺射或射頻濺射法沉積氧化鋅薄膜，濺射工藝條件為本底真空小於10_4Pa、襯底溫度為室溫_300°C、工作壓強為O. l_2Pa、氧分壓為5%_40%、濺射功率為 50-250W ； 6)在氧化鋅薄膜上製備上電極； 7)在上電極上利用PECVD的方法生長一層SiO2作為保護層。
4.根據權利要求3所述基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器的製備方法，其特徵在於所述製備上下電極的方法為離子束濺射、磁控濺射或電子束蒸發工藝。
全文摘要
一種基於氧化釩/氧化鋅疊層結構的阻變存儲器，由下電極、阻變層和上電極構成，阻變層為由氧化釩介質層和氧化鋅介質層組成的疊層結構，氧化釩介質層和氧化鋅介質層薄膜採用直流濺射或射頻濺射法製備。本發明的優點是該阻變存儲器採用氧化釩/氧化鋅疊層結構，具有氧化鋅雙極性和單極性極性可控的優勢，提高了器件的一致性和重複性；與單層氧化釩相比，reset電流降到了10mA以下；在雙極性測試過程中，具有一個漸進的reset過程，可以通過不同振幅的reset電壓而得到不同的高阻態的電阻，至少可以獲得3個電阻值，並且每個電阻值之間有10倍以上的阻值比，因而可以將其應用於多值存儲。
文檔編號H01L45/00GK102916129SQ20121044013
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年11月7日
發明者張楷亮, 孫闊, 王芳, 陸濤, 劉凱, 武長強, 趙金石 申請人:天津理工大學