CN102623634A - 一种基于掺杂氧化锌薄膜的电阻式存储器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于掺杂氧化锌薄膜的电阻式存储器及其制备方法。现有的电阻式存储器的读写寿命以及稳定性较差。本发明存储器由重掺硅衬底、掺杂氧化锌薄膜、金属薄膜电极构成，掺杂氧化锌薄膜位于重掺硅衬底、金属薄膜电极之间，重掺硅衬底作为电阻式存储器的下电极，金属薄膜电极作为电阻式存储器的上电极。本发明方法是采用半导体标准清洗工艺清洗重掺硅衬底；然后以重掺硅为衬底材料，采用金属锌靶与掺杂金属靶共溅射在衬底上沉积掺杂氧化锌薄膜；最后在掺杂氧化锌薄膜上采用电子束蒸发制备金属薄膜电极。本发明可简化存储器的制作工艺，并能很好地与硅集成电路工艺相兼容。

Description

一种基于掺杂氧化锌薄膜的电阻式存储器及其制备方法

技术领域

本发明属于非挥发性存储器技术领域，涉及一种基于掺杂氧化锌薄膜的电阻式存储器及其制备方法。

背景技术

存储器是现代信息社会不可或缺的重要电子器件，在电子市场中占有相当大的份额。随着电子信息产业的不断发展，存储器朝着更高密度、更高速度、更低能耗、非挥发性的方向发展。传统的动态存储器和静态存储器读写速度快，但断电后储存的信息迅速丢失，需要不断刷新来维持存储的信息，因此能耗较大。非挥发性存储器具有断电后能够长期保持存储信息的优点，不需要刷新，因而能耗很低，目前已经广泛地应用在手机、数码相机和移动存储等产品上。据统计，全球非挥发性闪存的容量在过去的十年间以每年翻一翻的速度增长,市场规模越来越大。然而与动态存储器和静态存储器等挥发性存储器相比，目前所用非挥发性闪存的器件结构与工作原理决定了其较低的存储速度，因此研究开发新一代既具动态存储器或静态存储器相当的存储速度，又具有非挥发性存储器断电后保持信息特性的新一代存储器具有非常重要的意义。

作为一种新型的非挥发性随机存储器，电阻式存储器具有功耗低、结构简单、存储速度快、可高密度集成等优点，有望成为下一代通用的非挥发性存储器。但是，作为新型的非挥发性存储器，电阻式存储器的读写寿命以及稳定性较差，远低于动态存储器和静态存储器高达10¹⁶的读写寿命，直接阻碍了电阻存储器进入实际应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于掺杂氧化锌薄膜的电阻式存储器及其制备方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案：

一种基于掺杂氧化锌薄膜的电阻式存储器，该存储器由重掺硅衬底、掺杂氧化锌薄膜、金属薄膜电极构成，掺杂氧化锌薄膜位于重掺硅衬底、金属薄膜电极之间，重掺硅衬底作为电阻式存储器的下电极，金属薄膜电极作为电阻式存储器的上电极。

所述的重掺硅衬底的电阻率小于0.1Ω·cm。

所述的掺杂氧化锌薄膜的厚度范围为10～100nm。

所述的掺杂氧化锌薄膜中掺杂所形成的氧化物的标准吉布斯自由能低于Zn金属氧化形成ZnO的标准吉布斯自由能，掺杂氧化锌薄膜中掺杂材料选用钛、铝或镁，掺杂浓度范围为0～10%。

所述的金属薄膜电极为在温度100℃下呈固体的金属材料，金属材料选用金、铂、铜、铝、钛或镍。

制备上述电阻式存储器的方法，包括以下步骤：

步骤1.采用半导体标准清洗工艺清洗重掺硅衬底；

步骤2.以重掺硅为衬底材料，采用金属锌靶与掺杂金属靶共溅射在衬底上沉积掺杂氧化锌薄膜；

步骤3.在掺杂氧化锌薄膜上采用电子束蒸发制备金属薄膜电极。

在步骤2中，利用磁控溅射法制备掺杂氧化锌薄膜，具体条件为：氩气与氧气流量比例范围为9～1，锌靶溅射时功率为24W，通过改变掺杂金属靶的溅射功率来改变掺杂浓度,变化范围为0～50W。

本发明的有益效果：与普通电阻式随机存储器的存储单元相比，本发明通过采用金属薄膜电极/掺杂氧化锌薄膜/重掺硅衬底结构作为电阻式存储器的存储单元，可简化存储器的制作工艺，并能很好地与硅集成电路工艺相兼容。同时，通过对氧化锌薄膜进行掺杂，可以获得良好的电阻转变特性，提高器件的稳定性及读写寿命，且所制备的器件具有较长的信息保持特性。

附图说明

图1是本发明电阻式存储器的结构示意图；

图2是实施例1所制备的不同钛掺杂浓度的氧化锌基电阻式存储器的形成电压、置位电压和复位电压；

图3是实施例1所制备的不同钛掺杂浓度的氧化锌基电阻式存储器的复位电流；

图4是实施例1中钛的掺杂浓度为2%时器件的置位和复位电压随电阻开关循环次数的变化；

图5是实施例1中钛的掺杂浓度为2%时器件的高阻态和低阻态阻值随时间的变化。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方案作进一步详细描述。

本发明采用的技术方案是：

如图1所示，一种电阻式存储器的存储单元，包括：金属薄膜电极/掺杂氧化锌薄膜/重掺硅衬底结构的电阻存储器。该存储器由重掺硅衬底1、掺杂氧化锌薄膜2、金属薄膜电极3构成。其中，作为存储单元上电极的金属薄膜，可以为金、铂、铜、铝、钛、或镍。掺杂氧化锌薄膜2作为存储单元的工作层，起电阻转变作用，掺杂种类可以为钛、铝或镁，掺杂浓度范围为0～10%。重掺硅作为存储单元的下电极及衬底。

本发明采用磁控溅射法制备掺杂氧化锌薄膜。所采用的重掺硅衬底的电阻率为10^-2～10^-3Ω·cm。将重掺硅衬底通过半导体标准清洗工艺清洗干净，放入磁控溅射仪，当腔体本底真空抽至8×10^-5Pa时，通入一定比例的氩气和氧气使腔体达到0.25Pa的工作压强，氩气与氧气流量比例范围为9～1。采用锌靶和掺杂金属靶（钛、铝或镁）反应共溅射，室温条件下在重掺硅衬底上沉积掺杂氧化锌薄膜。在溅射过程中，锌靶的溅射功率固定为24W，通过调节掺杂金属靶溅射功率在0～50W范围内变化，获得不同掺杂浓度的掺杂氧化锌薄膜。通过控制溅射时间来实现不同厚度的掺杂氧化锌薄膜，厚度范围为10～100nm。直径为600μm的圆形金属薄膜电极在电子束蒸发镀膜仪中通过不锈钢掩模板沉积在掺杂氧化锌薄膜上。这样所获得的三明治结构的器件制备工艺简单、稳定性好，读写寿命高，且具有较长的信息保持特性。

所述掺杂氧化锌薄膜可以本领域常规用于物理沉积法制备掺杂氧化锌薄膜得到，优选的，本发明所述掺杂组成如下：

ZnO：Ti                                 1%～7%掺杂浓度

更为优选的，所述掺杂组成如下：

ZnO：Ti                                 2%掺杂浓度

或者，所述掺杂组成如下：

ZnO：Al                                1%～6%掺杂浓度

更为优选的，所述掺杂组成如下：

ZnO：Al                                3%掺杂浓度

或者，所述掺杂组成如下：

ZnO：Mg                                1%～8%掺杂浓度

更为优选的，所述掺杂组成如下：

ZnO：Mg                               2%掺杂浓度

实施例1

利用磁控溅射法在洁净的重掺硅衬底上沉积掺钛的氧化锌薄膜，当腔体本底真空抽为8×10-5Pa时，通入氩气和氧气使腔体达到0.25Pa的工作压强，采用锌和钛双靶反应共溅射，在溅射过程中，氩气与氧气的比例为4:1，锌靶溅射功率为24W，调整钛靶的溅射功率，使得钛的掺杂浓度范围为1～5%，掺钛氧化锌薄膜的溅射时间为10分钟，厚度为50nm。利用电子束蒸发通过掩模法在掺钛氧化锌薄膜上制备金属薄膜电极，电极为直径600μm的圆形铜电极。存储单元的结构如图1所示。所制备的不同钛掺杂浓度的氧化锌薄膜基电阻式存储器的形成电压、置位电压和复位电压如图2所示。由图可以看出，钛掺杂浓度为2%的氧化锌薄膜基电阻式存储器的置位电压和复位电压相对较低。掺杂氧化锌薄膜基电阻式存储器的复位电流随钛掺杂浓度的变化如图3所示。与未掺杂的氧化锌薄膜相比，钛掺杂的氧化锌薄膜复位电流有着较大幅度的下降，并且其离散度也有所减小。随着钛掺杂浓度的增加，掺杂氧化锌薄膜的复位电流进一步下降，但下降的幅度较小。复位电流的减小意味着器件的功耗降低，对电阻存储器的商用化具有十分重要的意义。当钛的掺杂浓度为2%时，所制备的存储单元的置位电压和复位电压随电阻开关循环次数的变化结果见图4。由图可以看出，在连续200次的电阻开关循环中，置位电压和复位电压都较为稳定，两者的电压范围没有发生重叠现象，置位电压的最小值和复位电压的最大值保持0.3V的电压差，这可以防止电阻存储器在工作过程中的误擦写操作。另外，随着循环次数的增加，置位电压和复位电压的离散度都有所减小，器件的性能更加稳定。由图5可以看出，当钛的掺杂浓度为2%时，器件高阻态和低阻态阻值在120小时的时间内变化幅度不大，高阻态与低阻态阻值比始终保持100倍以上。根据高阻态和低阻态阻值的变化趋势，通过外推法，可以得出所制备的电阻存储器的信息保持特性为10年以上的时间，高阻态与低阻态的阻值比仍能保持100倍的差距，这些特性表明本发明在非挥发性存储器领域具有潜在的应用价值。 

实施例2

利用磁控溅射法在洁净的重掺硅衬底上制备掺铝的氧化锌薄膜，当腔体本底真空抽为8×10^-5Pa时，通入氩气和氧气使腔体达到0.25Pa的工作压强，采用锌和铝双靶反应共溅射，在溅射过程中，氩气与氧气的比例为3:1，锌靶溅射功率为24W，调整铝靶的溅射功率，使得铝的掺杂浓度为3%，掺铝氧化锌薄膜的溅射时间为10分钟，厚度是50nm。利用电子束蒸发通过掩模法在掺铝氧化锌薄膜上制备金属薄膜电极，电极为直径600μm的圆形铜电极。存储单元的结构如图1所示。

上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (9)

1. 一种基于掺杂氧化锌薄膜的电阻式存储器，其特征在于：该存储器由重掺硅衬底、掺杂氧化锌薄膜、金属薄膜电极构成，掺杂氧化锌薄膜位于重掺硅衬底、金属薄膜电极之间，重掺硅衬底作为电阻式随机存储器的下电极，金属薄膜电极作为电阻式随机存储器的上电极。

2.如权利要求1所述的电阻式随机存储器，其特征在于：重掺硅衬底的电阻率小于0.1Ω·cm。

3.如权利要求1所述的电阻式存储器，其特征在于：掺杂氧化锌薄膜的厚度范围为10～100nm。

4.如权利要求1所述的电阻式存储器，其特征在于：掺杂氧化锌薄膜中掺杂所形成的氧化物的标准吉布斯自由能低于Zn金属氧化形成ZnO的标准吉布斯自由能。

5.如权利要求4所述的电阻式存储器，其特征在于：掺杂氧化锌薄膜中掺杂材料选用钛、铝或镁，掺杂浓度范围为0～10%。

6.如权利要求1所述的电阻式存储器，其特征在于：金属薄膜电极为在温度100℃下呈固体的金属材料。

7.如权利要求6所述的电阻式存储器，其特征在于：所述的金属材料选用金、铂、铜、铝、钛或镍。

8.制备如权利要求1所述电阻式存储器的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1.采用半导体标准清洗工艺清洗重掺硅衬底；

步骤2.以重掺硅为衬底材料，采用金属锌靶与掺杂金属靶共溅射在衬底上沉积掺杂氧化锌薄膜；

步骤3.在掺杂氧化锌薄膜上采用电子束蒸发制备金属薄膜电极。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤2中，利用磁控溅射法制备掺杂氧化锌薄膜，具体条件为：氩气与氧气流量比例范围为9～1，锌靶溅射时功率为24W，通过改变掺杂金属靶的溅射功率来改变掺杂浓度,变化范围为0～50W。

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