CN102130295A - 一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

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张楷亮
韦晓莹
王芳
曲长庆
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一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器，其器件单元由底电极、阻变存储层和顶电极构成，器件单元为三明治结构，阻变存储层位于底电极和顶电极之间，阻变存储层采用氧化钒薄膜，氧化钒成分为VOx，其中0.5＜X＜2.5，氧化钒薄膜的厚度为(20-500)纳米；所述底电极为Pt、W、Ti、TiN、Cu或导电金刚石，所述顶电极采用电接触较好的Cu、Ag或Al。本发明的优点是：通过本发明能够制备出性能良好的以五氧化二钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜，且通过退火处理，可以降低基于氧化钒的阻变存储器的Forming电压，得到低的Set、Reset电压，从而可以降低器件的功耗。

Description

一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法
(一)技术领域
本发明涉及微电子半导体技术领域，具体涉及一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法。
(二)背景技术
电阻式非挥发性存储器(resistive random access memory，缩写RRAM)是以薄膜材料的电阻可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基本工作原理的，并且其结构简单、操作电压低、读写速度快、尺寸小，因此被誉为下一代非易失性存储器的最有力竞争者之一。阻变材料体系中研究最多的为多元化合物及二元过渡金属氧化物，由于二元氧化物体系的阻变存储器以其结构简单、易于制备、成本低、且与COMS工艺兼容备受关注。目前人们已经研究了CuXO，NiO，ZrO2等氧化物在RRAM中的应用。(CN101051670A)研究了CuXO的存储特性，通过不同的制备方案，消除了Forming现象，在降低功耗方面有一定的贡献。在众多的二元过渡金属氧化物中，氧化钒由于其独特的特性在光热等领域也受到广泛的研究。氧化钒体系在热开关和光开关方面具有超快特性，主要依据氧化钒薄膜热致相变或光致相变引起的电学特性及光学特性的超快变化。近期光学特性主要集中在热光开关应用领域的研究，如(CN2762175Y)所制备的氧化钒薄膜的微型光开关，通过电流加热氧化钒薄膜，其光开关的开关时间为毫秒量级。(CN1598040A)控制氧化钒薄膜的相变温度，可做成适用于不同温度的开关，保证温度控制操作时的高质量、高速度、高响应率。基于氧化钒的超快开关特性及可控的相变温度点，考虑RRAM的发展和应用，氧化钒体系有望成为低功耗阻变存储器新型的阻变材料之一。
(三)发明内容：
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器，其器件单元由底电极、阻变存储层和顶电极构成，器件单元为三明治结构，阻变存储层位于底电极和顶电极之间，阻变存储层采用氧化钒薄膜，氧化钒成分为VOX，其中0.5＜X＜2.5，氧化钒薄膜的厚度为(20-500)纳米。
所述底电极为Pt、W、Ti、TiN、Cu或导电金刚石。
所述顶电极为Cu、Ag或Al。
一种所述基于氧化钒薄膜的阻变存储器器件单元的制备方法，步骤如下：
1)首先采用常规方法在衬底基片上制备底电极；
2)在制备好的底电极上制备氧化钒薄膜；
3)将制备的氧化钒薄膜在惰性气氛或真空气氛下退火；
4)最后在氧化钒薄膜上采用常规方法制备顶电极并在顶电极上加一层常规的保护膜。
所述氧化钒薄膜的制备方法为直流溅射或射频溅射，工艺条件为：本底真空度＜10-4Pa、衬底温度为室温-200℃、工作气压为0.5-2Pa、溅射时在O2和Ar混合气体中氧分压为5％-30％、溅射功率为50-250W。
所述氧化钒薄膜在惰性气氛或真空气氛下退火的工艺条件：退火温度为200-600℃、退火时间为1-120分钟。
本发明的技术分析：本发明结合氧化钒薄膜在光热开关及光信息存储等领域的广泛应用，利用其半导体到金属的转变特性，将氧化钒作为一种新型的阻变存储材料，研究其电致阻变存储特性。设计基于氧化钒薄膜的阻变存储器三明治结构，通过不同的制备方法，得到了性能良好的薄膜。通过实验及测试结果验证，所制备的基于氧化钒薄膜的存储器具有很好的电致电阻转变特性，其初始化(Forming)电压为0.97V，器件由低阻态变为高阻态(Reset)电压为0.39V，器件由高阻态变为低阻态(Set)电压为0.72V，Forming电压接近于Set电压，这样可以消除器件第一次有高阻态转向低阻态时所需要消耗的功率。
本发明的优点是：通过本发明能够制备出性能良好的以五氧化二钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜，且通过退火处理，可以降低基于氧化钒的阻变存储器的Forming电压，得到低的Set、Reset电压，从而可以降低器件的功耗。
(四)附图说明：
图1为该阻变存储器施加扫描电压的forming过程。
图2为该阻变存储器forming之后器件高低电阻可逆转变的过程。
(五)具体实施例：
实施例1：
本实施例中衬底为Si/SiO2、Ti粘附层，底电极为Cu、VOX薄膜层、顶电极为Cu，具体制备步骤如下：
1)准备衬底基片SiO2，所准备的衬底基片需要表面清洁；
2)采用离子束溅射法制备粘附层Ti膜，所述Ti膜的厚度为5纳米；
3)采用直流溅射法制备底电极Cu膜，溅射功率50W，薄膜厚度30纳米；
4)采用反应磁控溅射法制备氧化钒薄膜，具体工艺条件为：本底真空度为9×10-5Pa、衬底温度为室温，工作气压为1.0Pa，溅射中氧分压为20％(气体为O2和Ar)、溅射功率为200W，薄膜厚度300纳米；
5)将所制备的薄膜在高温真空退火炉中进行退火，退火温度为450℃，采用普通退火，退火时间为30分钟；
6)采用与3)相同的工艺制备顶电极膜Cu。
测试结果如图1所示，Forming电压为0.97V，Reset电压为0.39V，Set电压为0.72V。
实施例2：
底电极为Pt，VOX薄膜层，顶电极为Cu。具体制备工艺除以下变化，其余同实施例1。
1)采用真空蒸镀法制备电极Pt膜；薄膜厚度5纳米；
2)采用直流溅射法制备氧化钒薄膜，溅射中氧分压为10％、溅射功率为50W、薄膜厚度20纳米；
3)将所制的薄膜在氮气气氛中进行退火，退火温度为200℃，采用快速退火，退火时间为1分钟。
测试结果表明，Forming电压为1.02V，Reset电压为0.49V，Set电压为0.82V。
实施例3：
底电极为Ti，VOX薄膜层，顶电极为Al。具体制备工艺除以下变化，其余同实施例1。
1)采用直流磁控溅射法制备底电极Ti，所述Ti膜的厚度为50纳米；
2)采用射频溅射法制备氧化钒薄膜，溅射中氧分压为25％、溅射功率为250W、薄膜厚度500纳米；
3)将所制的薄膜在高温真空退火炉中进行退火，退火温度为600℃，采用普通退火，退火时间为120分钟；
4)采用直流溅射法制备顶电极Al；溅射功率50W，薄膜厚度50纳米。
测试结果表明，Forming电压为1.17V，Reset电压为0.51V，Set电压为0.93V。
实施例4：
底电极为TiN，VOX薄膜层，顶电极为Ag。具体制备工艺除以下变化，其余同实施例1。
1)采用直流磁控溅射法制备底电极TiN，所述TiN膜的厚度为20纳米；
2)采用射频溅射法制备氧化钒薄膜，溅射功率为100W、薄膜厚度200纳米；
3)将所制的薄膜在高温真空退火炉中进行退火，退火温度为600℃，采用普通退火，退火时间为60分钟；
4)采用直流溅射法制备顶电极Ag；溅射功率50W，薄膜厚度20纳米。
测试结果表明，Forming电压为1.05V，Reset电压为0.46V，Set电压为0.89V。
实施例5：
底电极为W，VOX薄膜层，顶电极为Cu。具体制备工艺除以下变化，其余同实施例1。
1)采用直流磁控溅射法制备底电极W，所述W膜的厚度为10纳米；
2)采用射频溅射法制备氧化钒薄膜，溅射中氧分压为15％，溅射功率为70W、薄膜厚度100纳米；
3)将所制的薄膜在氮气气氛中进行退火，退火温度为400℃，采用快速退火，退火时间为2分钟；
4)顶电极膜Cu薄膜厚度为10纳米。
测试结果表明，Forming电压为1.09V，Reset电压为0.55V，Set电压为0.89V。
实施例6：
底电极为导电金刚石，VOX薄膜层，顶电极为Al。具体制备工艺除以下变化，其余同实施例1。
1)所述导电金刚石膜的厚度为5纳米；
2)采用射频溅射法制备氧化钒薄膜，溅射功率为100W、薄膜厚度50纳米；
3)将所制的薄膜在高温真空退火炉中进行退火，退火温度为300℃，采用普通退火，退火时间为20分钟；
4)采用离子束溅射法制备顶电极Ag；溅射功率30W，薄膜厚度5纳米。
测试结果表明，Forming电压为0.98V，Reset电压为0.51V，Set电压为0.79V。
本发明阻变VOX薄膜用于非易失性阻变存储器时，能够降低器件的工作电压，达到降低功耗的目的，且与传统的COMS工艺兼容。
以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器，其特征在于：其器件单元由底电极、阻变存储层和顶电极构成，器件单元为三明治结构，阻变存储层位于底电极和顶电极之间，阻变存储层采用氧化钒薄膜，氧化钒成分为VOX，其中0.5＜X＜2.5，氧化钒薄膜的厚度为(20-500)纳米。
2.根据权利要求1所述基于氧化钒薄膜的阻变存储器，其特征在于：所述底电极为Pt、W、Ti、TiN、Cu或导电金刚石。
3.根据权利要求1所述基于氧化钒薄膜的阻变存储器，其特征在于：所述顶电极采为Cu、Ag或Al。
4.一种如权利要求1所述基于氧化钒薄膜的阻变存储器器件单元的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)首先采用常规方法在衬底基片上制备底电极；
2)在制备好的底电极上制备氧化钒薄膜；
3)将制备的氧化钒薄膜在惰性气氛或真空气氛下退火；
4)最后在氧化钒薄膜上采用常规方法制备顶电极并在顶电极上加一层常规的保护膜。
5.根据权利要求4所述基于氧化钒薄膜的阻变存储器器件单元的制备方法，其特征在于：所述氧化钒薄膜的制备方法为直流溅射或射频溅射，工艺条件为：本底真空度＜10-4Pa、衬底温度为室温-200℃、工作气压为0.5-2Pa、溅射时在O2和Ar混合气体中氧分压为5％-30％、溅射功率为50-250W。
6.根据权利要求4所述基于氧化钒薄膜的阻变存储器器件单元的制备方法，其特征在于：所述氧化钒薄膜在惰性气氛或真空气氛下退火的工艺条件：退火温度为200-600℃、退火时间为1-120分钟。
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