CN103794621B - 一种双向限流器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种双向限流器件，由下电极、介质层和上电极组成并构成叠层结构，其中介质层为氧化钒薄膜和氧化铜薄膜叠层结构；其制备方法是，首先以硅片为衬底制备二氧化硅绝缘层，再利用离子束溅射的方法制备Ti粘附层；在Ti粘附层上采用磁控溅射工艺或蒸发工艺制备下电极；在下电极上采用磁控溅射或热氧化的方法制备氧化铜薄膜；在氧化铜薄膜上采用直流溅射或射频溅射法沉积氧化钒薄膜；在氧化钒薄膜上采用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺制备上电极。本发明的优点是：该双向限流器件介质层为氧化钒/氧化铜叠层结构，具有双向限流特性，该器件可应用在阻变存储器领域，通过与阻变存储器件串联，可以作为单极性的选择器件或双极性的限流器件。

Description

一种双向限流器件及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种双向限流器件及其制备方法。

背景技术

阻变存储器(RRAM)由于具有高的读写速度、低的功耗、高集成度、多值存储能力、与CMOS工艺有良好的兼容性等优势，因此最近得到了研究人员的广泛关注。阻变存储器最有希望取代Flash存储器，成为下一代非挥发性存储器件。其中阻变存储器的集成度最受关注，因为它能够进行尺寸缩小到10nm一下，从而获得高密度的集成。阻变存储器中分为单极性（Unipolar）和双极性（Bipolar）器件。单极性器件在集成的时候由于其串扰问题需要与串联一个二极管进行集成，形成1个二极管和1个阻变器件（1D1R）的串联结构；双极性晶体管，在集成的时候需要一个选择器件及限流器件，一般需要串联一个晶体管进行集成，形成1个晶体管和1个阻变器件（1D1R）的串联结构，由于晶体管需要在Si衬底上进行集成，并且面积比较大，这就为阻变存储器的造成了高密度集成的瓶颈。

最近，研究人员对具有二极管特性的器件进行了不断的探索。韩国先进科技学院（KAIST）文献：A ZnO cross-bar array resistive random access memory stacked withheterostructure diodes for eliminating the sneak current effect，Jung Won Seo等人报道了NiO/ZnO和WO₃/ZnO叠层结构实现了P-N结功能的器件，应用了RRAM的选择器件上，其正反向I-V特性均没有限流特性。台湾国立交通大学Jiun-Jia Huang等人文献：Transition of stable rectification to resistive-switching in Ti/ TiO₂/Ptoxide diode中，采用了Ti/TiO₂/Pt结构，通过TiO₂/Pt界面形成的肖特基势垒，而Ti/TiO₂形成欧姆接触，这样形成了的一种非对称的I-V整流特性来作为选择器件，其整流特性中I-V特性具有较差的一致性。

目前文献和专利报道中，作为1D1R的单极性选择器件中，I-V特性的一致性不够完善。另一方面选择器件中未具有限流特性的器件报道，因此不能应用于双极性器件。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的技术问题，提供一种双向限流器件及其制备方法，该双向限流器件采用氧化钒/氧化铜叠层结构，双向具有不同大小限流特性，在阻变存储器领域中，可作为单极性的选择器件或双极性的限流器件。

本发明的技术方案：

一种双向限流器件，由下电极、介质层和上电极组成并构成叠层结构，其中介质层为氧化钒薄膜和氧化铜薄膜叠层结构，各层薄膜的厚度分别为：下电极50-200 nm、氧化钒5-200nm、氧化铜1-200nm、上电极50-200nm；上下电极材料为导电金属、金属合金或导电金属化合物，其中导电金属为Al、Ti、Ni、Cu、Ag、W、Au或Pt；金属合金为Pt/Ti、、Cu/Ti、Cu/Au或Cu/Al且比例任意；导电金属化合物为TiN、TaN、ITO或AZO。

一种双向限流器件的制备方法，首先以硅片为衬底利用热氧化的方法制备二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅绝缘层上利用离子束溅射的方法制备Ti粘附层，然后在Ti粘附层上制备双向限流器件，步骤如下：

1）在Ti粘附层上采用磁控溅射工艺或蒸发工艺制备下电极；

2）在下电极采用磁控溅射或热氧化的方法制备氧化铜薄膜，磁控溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4 Pa、衬底温度为18-400℃、工作压强0.1-2Pa、氧分压为5-30%、溅射功率为20-250W；热氧化工艺条件为：气压为常压、氛围为氧气氛围、退火温度为100-500℃；

3）在氧化铜薄膜上采用直流溅射或射频溅射法沉积氧化钒薄膜，溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4 Pa、衬底温度为18-500℃、工作压强0.1-2Pa、氧分压为5-30%、溅射功率为50-250W；

4）在氧化钒薄膜上采用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺制备上电极。

所述制备下电极、上电极的磁控溅射工艺条件为：以金属靶为靶材，本底真空小于10^-4 Pa、衬底温度为18-800℃、工作压强0.1-2Pa、溅射功率为50-250W；电子束蒸发工艺条件为：本底真空小于10^-4 Pa，采用低熔点的金属作为蒸发源，加热方式为干锅加热或电子束加热。

所述制备好上电极的器件通过PECVD的方法生长一层二氧化硅作为保护层，工艺参数为：本底真空小于10^-5Pa、工作压强为0.1-5Pa、射频功率为50-300W、反应气体为SiH₄和N₂O，SiH₄ 流量为50-600sccm、N₂O流量为20-50sccm。

本发明的技术分析：

该双向限流器件包含了下电极、氧化铜薄膜、氧化钒薄膜、上电极，通过氧化铜与下电极形成肖特基势垒，氧化钒和上电极也形成肖特基势垒，两个肖特基势垒的高度不同，从而导致了正反向不同大小的限流特性。

本发明的优点和有益效果是：

该双向限流器件介质层为氧化钒/氧化铜叠层结构，由于氧化铜和下电极形成的肖特基势垒，氧化钒和上电极也形成肖特基势垒，两个肖特基势垒高的不同，所以器件在所加电压的正向和方向具有不同的限流特性，即具有双向限流特性；该器件应用在阻变存储器领域，通过与阻变存储器件串联，可以作为单极性的选择器件或双极性的限流器件。

附图说明

图 1 为一种双向限流器件结构示意图。

图中：1.下电极 2.氧化铜薄膜 3.氧化钒薄膜 4.上电极

图 2 为20个该双向限流器件重复性测试的电流电压特性曲线。

图 3 为20个该双向限流器件一致性测试的电流电压特性曲线。

图 4 为该双向限流器件与双极性阻变存储器件串联时的电流电压特性曲线，实线为单独的双向限流器件的电流电压特性曲线，虚线为与双极性阻变存储器件串联时的电流电压特性曲线。

图中：a、b分别为双极性阻变存储器件的set过程、reset过程。

图5为该双向限流器件与单极性阻变存储器件串联时的电流电压特性曲线，实线为单独的双向限流器件的电流电压特性曲线，虚线为与单极性阻变存储器件串联时的电流电压特性曲线。

图中：c、d分别为单极性阻变存储器件的set过程、reset过程。

具体实施方式

实施例1：

一种双向限流器件，如图1所示，由铜下电极1、介质层和铝上电极4组成并构成叠层结构，其中介质层为氧化铜薄膜3和氧化钒薄膜4叠层结构，各层的厚度分别为：铜下电极100 nm、氧化铜薄膜20nm、氧化钒薄膜70nm、铝上电极100 nm。

该双向限流器件的制备方法，以硅片为衬底，利用热氧化的方法首先制备二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅绝缘层上利用离子束溅射的方法制备5 nm厚的Ti粘附层，然后在Ti粘附层上制备双向限流器件，步骤如下：

1）在Ti粘附层上采用蒸发工艺制备铜下电极，蒸发工艺条件为：本底真空小于10^-4Pa，采用低熔点的金属铜作为蒸发源，加热方式电子束加热；

2）在下电极采用热氧化的方法制备氧化铜薄膜，热氧化工艺条件为：气压为常压、氛围为氧气氛围、氧化温度为250℃，时间为1分钟；

3）在下电极上采用射频磁控溅射制备70nm厚的氧化钒薄膜，溅射工艺条件为：直径Φ60mm氧化钒靶材，溅射模式为射频（RF）磁控溅射，本底真空小于5×10^-4 Pa、衬底温度为22℃、工作压强1Pa、溅射功率为100W，反应气体O₂、Ar流量分比为为16、64 Sccm；

4）在形成的氧化钒薄膜上通过电子束蒸发沉积厚度为100 nm铝上电极，电子束蒸发工艺条件为：本底真空5×10^-4 Pa，采用金属铝作为蒸发源，加热方式为电子束加热；

5）在上电极上利用PECVD的方法生长一层SiO₂作为保护层，工艺参数为：本底真空5×10^-4Pa、工作压强为3Pa、射频功率为150W、反应气体为SiH₄ 和N₂O，SiH₄ 流量为50sccm、N₂O流量为20sccm。

该器件的电学特性通过半导体参数分析仪进行测试，如图2所示，图中表明：该器件有高度一致的双向限流特性，正向限流为500μA，反向限流为1μA，在20测一致性测试中电流电压特性高度重合、高度一致。该器件与单极性器件串联作为选择器件，解决了单极性器件集成的串扰问题，如图5所示。

实施例2：

一种双向限流器件，如图1所示，由TiN下电极1、介质层和铝上电极4组成并构成叠层结构，其中介质层为氧化铜薄膜3和氧化钒薄膜4叠层结构，各层的厚度分别为：TiN下电极100 nm、氧化铜薄膜30nm、氧化钒薄膜100nm、铝上电极100 nm。

该双向限流器件的制备方法，以硅片为衬底，利用热氧化的方法首先制备二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅绝缘层上利用离子束溅射的方法制备5 nm厚的Ti粘附层，然后在Ti粘附层上制备双向限流器件，步骤如下：

1）在Ti粘附层上采用反应磁控溅射工艺制备TiN下电极，磁控溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4 Pa、衬底温度为25℃、工作压强0.5Pa、氮分压为3%、直流(DC)溅射功率为100W；

2）在下电极采用磁控溅射制备30nm厚的氧化铜薄膜，溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4 Pa、衬底温度为25℃、工作压强0.5Pa、氧分压为10%、溅射功率为30W；

3）在下电极上采用射频磁控溅射制备70nm厚的氧化钒薄膜，溅射工艺条件为：直径Φ60mm金属钒靶材，溅射模式为直流（DC）磁控溅射，本底真空小于5×10^-4 Pa、衬底温度为22℃、工作压强1Pa、溅射功率为100W，反应气体O₂、Ar流量分比为为20、64 Sccm；

4）在形成的氧化钒薄膜上通过电子束蒸发沉积厚度为100 nm铝上电极，电子束蒸发工艺条件为：本底真空5×10^-4 Pa，采用金属铝作为蒸发源，加热方式为电子束加热；

5）在上电极上采用PECVD方法生长一层SiO₂作为保护层，方法同实施例1。

该器件的电学特性通过半导体参数分析仪进行测试，如图3所示：该器件有良好的双向限流特性，在20个器件的一致性测试中电流电压特性曲线重合较好，有高度的一致性；如图4所示，该器件与双极性阻变器件串联时，在forming和set过程有较好的限流功能。

Claims (4)

1.一种双向限流器件，其特征在于：由下电极、介质层和上电极组成并构成叠层结构，其中介质层为氧化钒薄膜和氧化铜薄膜叠层结构，各层薄膜的厚度分别为：下电极50-200nm、氧化铜1-200nm、氧化钒5-200nm、上电极50-200nm；上下电极材料为导电金属、金属合金或导电金属化合物，其中导电金属为Al、Ti、Ni、Cu、Ag、W、Au或Pt；金属合金为Pt/Ti、Cu/Ti、Cu/Au或Cu/Al且比例任意；导电金属化合物为TiN、TaN、ITO或AZO。

2.一种如权利要求1所述双向限流器件的制备方法，首先以硅片为衬底利用热氧化的方法制备二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅绝缘层上利用离子束溅射的方法制备Ti粘附层，然后在Ti粘附层上制备双向限流器件，其特征在于步骤如下：

1)在Ti粘附层上采用磁控溅射工艺或蒸发工艺制备下电极；

2)在下电极上采用磁控溅射或热氧化的方法制备氧化铜薄膜，磁控溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4Pa、衬底温度为18-400℃、工作压强0.1-2Pa、氧分压为5-30％、溅射功率为20-250W；热氧化工艺条件为：气压为常压、氛围为氧气氛围、退火温度为100-500℃；

3)在氧化铜薄膜上采用直流溅射或射频溅射法沉积氧化钒薄膜，溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4Pa、衬底温度为18-500℃、工作压强0.1-2Pa、氧分压为5-30％、溅射功率为50-250W；

4)在氧化钒薄膜上采用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺制备上电极。

3.根据权利要求2所述双向限流器件的制备方法，其特征在于：所述制备下电极、上电极的磁控溅射工艺条件为：以金属靶为靶材，本底真空小于10^-4Pa、衬底温度为18-800℃、工作压强0.1-2Pa、溅射功率为30-250W；电子束蒸发工艺条件为：本底真空小于10^-4Pa，采用低熔点的金属作为蒸发源，加热方式为坩埚加热或电子束加热。

4.根据权利要求2所述双向限流器件的制备方法，其特征在于：所述制备好上电极的器件通过PECVD的方法生长一层二氧化硅作为保护层，工艺参数为：本底真空小于10^-5Pa、工作压强为0.1-5Pa、射频功率为50-300W、反应气体为SiH₄和N₂O，SiH₄流量为50-600sccm、N₂O流量为20-50sccm。