CN103840081B - 基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器及其制备方法 - Google Patents

基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器，该存储器包括：上电极；下电极；以及形成于上电极与下电极之间的钇铁石榴石薄膜。该存储器有如下特点：在室温下，钇铁石榴石薄膜结构为多晶态，可使用其制备小尺寸、高密度、性能稳定的非挥发性记忆器件。采用Pt或者Au作为器件的上下电极，器件表现出双极型开关阻变存储器。本发明还公开了一种基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的制备方法，上下电极薄膜材料采用电子束蒸发设备制得，存储介质钇铁石榴石薄膜采用磁控溅射设备制得。本发明的存储器器件具有结构简单，易集成，成本低，与传统的硅平面CMOS工艺兼容等优点，有利于本发明的广泛推广和应用。

Description

基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子器件及存储器技术领域，尤其涉及一种基于钇铁石榴石(Y3Fe5O12)的非挥发电阻转变型存储器及其制备方法。
背景技术
传统Flash存储器是基于多晶硅薄膜浮栅结构的硅基非挥发性存储器，而这种结构正面临着如何持续缩小的挑战。从2005年国际半导体技术发展路线图(ITRS)来看，传统的多晶硅浮栅存储器只能延续的65nm技术节点，这主要是因为，多晶硅薄膜在反复擦写的过程中会导致隧穿氧化层产生漏电通道，因而要获得高可靠性，隧穿氧化层厚度必须保持在9nm以上，相应的读写电压也要保持在较高的水平，同时也使得编程/擦除速度较慢。
未来的非挥发性存储器(NVM)要求具备更低的编程/擦除(P/E)电压、更快的P/E速度、更强的数据保持特性等。最近几年，国内和国际上针对可替代多晶硅浮栅存储器的下一代非挥发存储器的结构和材料进行了广泛的研究，主要包括以下几种：纳米晶浮栅存储器、相变存储器、有机存储器和电阻转变型存储器。其中，电阻转变型存储器由于具有简单的器件结构(金属-绝缘体-金属)、很高的器件密度、较低的功耗、较快的编程/擦除速度等突出的优点，因此更加受到重视。
电阻转变存储技术是以材料的电阻在电压的控制下可以在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的。目前已经报道具有电阻转变特性的材料，主要可以分为以下三种：(1)有机聚合物，如聚酰亚胺(PI)、AIDCN以及CuTCNQ等；(2)多元金属氧化物，如磁阻材料Pr0.7Ca0.3MnO3和La0.7Ca0.3MnO3等，掺杂的SrTiO3和SrZrO3等，(3)二元过渡族金属氧化物，如NiO、Nb2O5、CuOx、ZrO2、HfO2、Ta2O5、TiO2等。二元氧化物由于材料制造比较简单，同时可以与当前的CMOS工艺完全的兼容，因而更加受到重视。
铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。就电特性来说，铁氧体的电阻率比金属、合金磁性材料大得多，而且还有较高的介电性能。铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率。因而，铁氧体已成为高频弱电领域用途广泛的非金属磁性材料。由于铁氧体单位体积中储存的磁能较低，饱合磁化强度也较低(通常只有纯铁的1/3～1/5)，因而限制了它在要求较高磁能密度的低频强电和大功率领域的应用。1956年E.F.贝尔托和F.福拉又报道了亚铁磁性的钇铁石榴石(Y3Fe5O12)的研究结果，由于这类磁性化合物的晶体结构与天然矿物石榴石相同，故将其称之为石榴石结构铁氧体。但是目前将Y3Fe5O12作为阻变存储介质目前还未见报道。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器及其制备方法，以得到制造工艺简单、制造成本低、器件产率高、转变特性稳定的电阻转变型存储器器件。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器，该存储器包括：上电极；下电极；以及形成于上电极与下电极之间的钇铁石榴石薄膜。
上述方案中，所述上电极与下电极采用的材料为金属Ti或Pt。
上述方案中，所述钇铁石榴石薄膜为多晶的钇铁石榴石薄膜，厚度为20至200nm。
为达到上述目的，本发明还提供了一种基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的制备方法，该方法包括：选择并清洗衬底；在清洗后的衬底上制备下电极；在下电极上制备钇铁石榴石薄膜，并对钇铁石榴石薄膜进行热退火处理；以及在钇铁石榴石薄膜上制备上电极。
上述方案中，所述选择并清洗衬底的步骤中，衬底是选用硅片，对衬底进行清洗是先将硅片分别放在丙酮和酒精中用超声波各清洗10分钟，然后用塑料夹子取出放入去离子水中用超声波清洗5分钟。
上述方案中，所述在清洗后的衬底上制备下电极的步骤中，是采用电子束蒸发工艺，在清洗后的衬底上生长Ti或Pt/Ti作为下电极。
上述方案中，所述在下电极上制备钇铁石榴石薄膜的步骤，具体包括：
步骤1：将制备有下电极的衬底固定在衬底台上，Y3Fe5O12靶材固定在磁控溅射制膜系统的靶台上，并将衬底台和靶台均放置于磁控溅射制膜系统的生长室中；
步骤2：采用真空泵通过机械泵和分子泵的接口阀对生长室抽真空，直至生长室的气压小于2.0×10-4Pa；
步骤3：采用外部气路系统从充气阀向生长室中通入流量为50sccm的氩气；
步骤4：启动射频发射器，调节接口阀使反应室内起辉；
步骤5：根据薄膜沉积速率，确定沉积时间，在衬底上沉积厚度为20-200nm的Y3Fe5O12薄膜。
上述方案中，所述对钇铁石榴石薄膜进行热退火处理的步骤中，是在氧气环境和650℃温度条件下进行30分钟的热退火处理。
上述方案中，所述在钇铁石榴石薄膜上制备上电极的步骤中，是采用采用电子束蒸发工艺，在Y3Fe5O12薄膜上生长Ti或Pt作为上电极。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，Y3Fe5O12薄膜能够用于非挥发阻变存储器。多晶的Y3Fe5O12薄膜具有磁性，器件可表现出双极型阻变存储特性。器件制造工艺简单、制造成本低、器件产率高、转变特性稳定的电阻转变型存储器器件。
2、利用本发明，这种基于多晶的Y3Fe5O12薄膜非挥发电阻转变型存储器，其制造工艺简单、制造成本低、与传统的硅平面CMOS工艺的兼容性非常好。
3、在本发明中，该器件高低阻态电阻值比高达106，容易分辨电阻状态，防止出现误读现象。
4、在本发明中，器件的保持较好，经过3.6×105秒以后，没有发现高低阻态电阻值有明显的衰减，能够满足存储数据达十年以后的要求。
5、在本发明中的器件，优良率几乎能达到100％，可见非常适合器件的实用化。
附图说明
图1是本发明提供的基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的结构示意图；其中101为上电极，102为下电极，103为存储介质层多晶的Y3Fe5O12薄膜。
图2是制备图1中多晶Y3Fe5O12薄膜的射频磁控溅射系统的结构示意图；其中：1-衬底材料；2-衬底台；3-衬底加热器；4-溅射材料靶材；5-靶台；6-生长室；7-机械泵和分子泵的接口阀；8-充气阀；9-射频发射器。
图3是图2制备的多晶的Y3Fe5O12薄膜的X射线衍射能谱。
图4是图2制备的多晶的Y3Fe5O12薄膜的磁滞回线。
图5是依照本发明实施例采用多晶的Y3Fe5O12薄膜作为阻变存储介质能够得到的双极型电阻转变型存储器器件理想化的电流电压曲线示意图。
图6是依照本发明实施例制备基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的耐受性性能。
图7是依照本发明实施例制备基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的数据保持性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的结构示意图，该存储器包括：上电极101；下电极102；以及形成于上电极与下电极之间的钇铁石榴石薄膜103。其中，上电极与下电极采用的材料为金属Ti或Pt或其他导电电极材料。钇铁石榴石薄膜为多晶的钇铁石榴石薄膜，厚度为20至200nm。
基于图1所示的非挥发电阻转变型存储器，本发明还提供了一种基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的制备方法，该方法包括：
步骤20：选择并清洗衬底；其中，衬底是选用硅片，对衬底进行清洗是先将硅片分别放在丙酮和酒精中用超声波各清洗10分钟，然后用塑料夹子取出放入去离子水中用超声波清洗5分钟。
步骤21：在清洗后的衬底上制备下电极；其中，是采用电子束蒸发工艺，在清洗后的衬底上生长Ti或Pt/Ti作为下电极。
步骤22：在下电极上制备钇铁石榴石薄膜，并对钇铁石榴石薄膜进行热退火处理；
其中，在下电极上制备钇铁石榴石薄膜具体包括：
步骤1：将制备有下电极的衬底固定在衬底台上，Y3Fe5O12靶材固定在磁控溅射制膜系统的靶台上，并将衬底台和靶台均放置于磁控溅射制膜系统的生长室中；
步骤2：采用真空泵通过机械泵和分子泵的接口阀对生长室抽真空，直至生长室的气压小于2.0×10-4Pa；
步骤3：采用外部气路系统从充气阀向生长室中通入流量为50sccm的氩气；
步骤4：启动射频发射器，调节接口阀使反应室内起辉；
步骤5：根据薄膜沉积速率，确定沉积时间，在衬底上沉积厚度为20-200nm的Y3Fe5O12薄膜。
所述对钇铁石榴石薄膜进行热退火处理，是在氧气环境和650℃温度条件下进行30分钟的热退火处理。
步骤23：在钇铁石榴石薄膜上制备上电极；其中，是采用采用电子束蒸发工艺，在Y3Fe5O12薄膜上生长Ti或Pt作为上电极。
在本发明的一个实施例中，通过电子束蒸发工艺，在P型半导体Si衬底生长Ti/Pt作为下电极。首先淀积一层50nm的Y3Fe5O12薄膜，接着在氧气环境和650℃温度条件下进行30分钟的热退火处理，最后采用光刻技术和电子束淀积上电极Pt，完成整个器件的基本结构。
图5、6、7是用来说明本发明一个实施例的示意图。
图5是说明本发明采用多晶的Y3Fe5O12薄膜作为阻变存储介质能够得到的双极型电阻转变型存储器器件。说明多晶的Y3Fe5O12薄膜磁性薄膜可以用于阻变存储介质，器件的高、低阻态的电阻比率约为106倍。
图6是说明本发明一个实施例中器件耐受性性能的曲线。如图6所示，在经过500多次的重复操作后，器件的高、低阻态的电阻比率约为106倍，依然具有良好的可辨窗口。
图7是说明本发明一个实施例中器件数据保持性能的曲线。如图7所示，对于高阻或低阻状态，在经过360000秒后的电阻值并没有明显的改变，证明了器件的非挥发性性能。
由上述可知，在本发明的实施例中，通过电子束蒸发在Ti/SiO2/Si衬底上制备了Pt薄膜，然后采用磁控溅射技术进行多晶的Y3Fe5O12薄膜作为存储介质，最后结合光刻技术，利用电子束蒸发生长上电极Pt。这种基于多晶的Y3Fe5O12薄膜非挥发电阻转变型存储器，其制造工艺简单、制造成本低、与传统的硅平面CMOS工艺的兼容性非常好。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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 (5)

1.一种基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的制备方法，其特征在于，该方法包括：
选择并清洗衬底；
在清洗后的衬底上制备下电极；
在下电极上制备钇铁石榴石薄膜，并对钇铁石榴石薄膜进行热退火处理；以及
在钇铁石榴石薄膜上制备上电极；
其中，所述在下电极上制备钇铁石榴石薄膜的步骤，具体包括：
步骤1：将制备有下电极的衬底固定在衬底台上，Y3Fe5O12靶材固定在磁控溅射制膜系统的靶台上，并将衬底台和靶台均放置于磁控溅射制膜系统的生长室中；
步骤2：采用真空泵通过机械泵和分子泵的接口阀对生长室抽真空，直至生长室的气压小于2.0×10-4Pa；
步骤3：采用外部气路系统从充气阀向生长室中通入流量为50sccm的氩气；
步骤4：启动射频发射器，调节接口阀使反应室内起辉；
步骤5：根据薄膜沉积速率，确定沉积时间，在衬底上沉积厚度为20-200nm的Y3Fe5O12薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的制备方法，其特征在于，所述选择并清洗衬底的步骤中，衬底是选用硅片，对衬底进行清洗是先将硅片分别放在丙酮和酒精中用超声波各清洗10分钟，然后用塑料夹子取出放入去离子水中用超声波清洗5分钟。
3.根据权利要求1所述的基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的制备方法，其特征在于，所述在清洗后的衬底上制备下电极的步骤中，是采用电子束蒸发工艺，在清洗后的衬底上生长Ti或Pt/Ti作为下电极。
4.根据权利要求1所述的基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的制备方法，其特征在于，所述对钇铁石榴石薄膜进行热退火处理的步骤中，是在氧气环境和650℃温度条件下进行30分钟的热退火处理。
5.根据权利要求1所述的基于钇铁石榴石的非挥发电阻转变型存储器的制备方法，其特征在于，所述在钇铁石榴石薄膜上制备上电极的步骤中，是采用采用电子束蒸发工艺，在Y3Fe5O12薄膜上生长Ti或Pt作为上电极。
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