CN105529399A - 一种基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器及其制备方法，属于储存器技术领域。本发明是在衬底依次集成有底电极层，阻变层和顶电极层的结构，所述底电极材料为掺杂2at％Al的ZnO，所述阻变层材料为CuGaZnO，所述顶电极材料为Cu。本发明制备方法包括以下步骤：先采用射频磁控溅射法，在衬底上制备底电极，在所述底电极层上放置金属掩膜，然后在其上制备CuGaZnO薄膜形成阻变层；最后采取真空镀膜技术，在所述CuGaZnO薄膜上制备Cu顶电极，从而构成底电极-阻变层-顶电极的结构。本发明阻变储存器具有高开关比、较低的开关电压、稳定的保持特性与抗疲劳特性；有效解决了制备过程中阻变层材料成本高的问题；制备工艺的可移植性强，有利于实现全透明器件。
Description
技术领域
本发明属于储存器技术领域，特别涉及一种基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着半导体工艺的高速发展，半导体存储器的尺寸越来越小存储容量越来越大。但是随着器件集成度的提高，传统Flash存储器遇到更为严苛的物理限制，因此人们一直在寻找新型非易失性存储器来代替传统Flash存储器。相变存储器、阻变存储器、铁电存储器、磁性随机存储器等新型非易失性存储器引起了人们的广泛研究。其中，阻变存储器以其优势成为一个研究热点。
阻变存储器(RRAM)存储单元的一个重要组成器件就是阻变开关。阻变开关具有很简单的结构，一般是金属—绝缘体或半导体—金属的三明治结构。可以实现电阻可逆转换的材料非常多，目前研究较多的阻变开关介质层材料有：二元过渡金属氧化物，多元金属氧化物，氮化物，非晶硅，有机介质材料，固态电解质等。其中近年来的研究热点材料有ZnO、TiOx、NiO、InGaZnO等二元和多元氧化物薄膜。不过，对于众多可用于RRAM的材料会经历一个淘汰选择的过程，一方面要深入理解材料电阻转变的物理机制，另一方面要考虑材料的制备工艺，特别要考虑和CMOS集成电路工艺兼容。
RRAM是采用MIM结构的储存器件，结构十分简单，在上下电极之间是忆阻材料，当在两个电极之间加适当的电压会使得忆阻材料在两个稳定的电阻态转换。阻变存储器具有相对较低的操作电压、较迅速的读写速度、较强的反复操作性、相对较长的数据保持时间以及很高的存储容量；除此之外，比起其他类型储存器，RRAM器件制备工艺可以采用磁控溅射、化学气相沉淀、脉冲激光沉淀以及真空镀膜等工艺形成变阻层，不需要增加专门的设备，有些工艺还可在室温下进行，不需要高温工序。这些都有利于降低成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器及其制备方法，本发明阻变储存器具备高开关比、较低的开关电压、稳定的保持特性与抗疲劳特性；能有效地解决目前工艺制备的成本高的问题，且完全可以实现量产。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器，是在衬底依次集成有底电极层，阻变层和顶电极层的结构；所述底电极材料为掺杂2at％Al的ZnO，所述阻变层材料为CuGaZnO，所述顶电极材料为Cu；其中，所述CuGaZnO中Cu、Ga、Zn原子的摩尔比为1∶1∶1。
一种基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器的制备方法，包含以下步骤：
首先采用射频磁控溅射法，选择掺杂2at％Al的ZnO为底电极层材料，在衬底上制备底电极，在所述底电极层上放置金属掩膜，然后选择Cu、Ga、Zn原子的摩尔比为1∶1∶1的陶瓷靶材在其上制备CuGaZnO薄膜形成阻变层；最后采取真空镀膜技术，选择Cu为顶电极层材料，在所述CuGaZnO薄膜上制备顶电极，从而构成底电极-阻变层-顶电极的结构。
所述底电极制备中，衬底温度范围为18℃～460℃，工作环境真空度为0.1～0.3Pa，通入氩气流量为80sccm，射频功率为50W，溅射时间为2小时。
所述CuGaZnO薄膜阻变层制备中，将所述底电极层加热并保持在18℃～460℃，工作环境真空度为0.1～0.3Pa，通入氩气和氧气的混合气体作为工作气体，其中氧气的体积分数为40％～90％,氩气的体积分数为10％～60％，射频功率为70W，溅射时间40分钟。
所述顶电极制备中，以Cu作为蒸发源，工作环境真空度为0.1～0.3Pa，蒸发源电流为180A，蒸发时间为2分钟。
所述Cu顶电极可以为圆形点状、薄膜层或者任何合适的形状。
所述衬底可以选择硬质基底，也可以选择柔性基底或其他适用于本发明的衬底。
本发明变阻层材料CuGaZnO是一种多元金属氧化物薄膜，其中的Cu原子易与Zn原子发生替位，这种替位式杂质可为薄膜中提供氧空位和电子等载流子；其中的Ga离子具有较强的电负性，能够牢牢吸附O离子，并使Cu、Zn等离子与Ga离子不会太过分散，使得电子载流子能够共用电子轨道从而提高薄膜的载流子迁移率。值得一提的是低温下溅射出有阻变性质的薄膜器件效果不佳，然而这也是满足柔性衬底的关键工艺需求，本发明在室温下也可以溅射出有优良阻变性质的薄膜。除此之外，CuGaZnO与底电极材料具有较高的匹配性，因此薄膜生长质量较为良好。
本发明与现有技术相比的优点与效果：
1.本发明采用CuGaZnO变阻层制备的阻变储存器具备高开关比、较低的开关电压、稳定的保持特性与抗疲劳特性。
2.本发明采用CuGaZnO材料相比InGaZnO材料更具有经济适用性，可以在提高储存器性能的基础上有效降低成本，提高经济效益。
3.本发明采用CuGaZnO材料为透明薄膜材料，适用于多种衬底，工艺的可移植性强，有利于实现全透明器件。
附图说明
图1为本发明优选实施例的5次典型I-V曲线Log化之后的阻变特性曲线。
图2为本发明优选实施例的疲劳保持特性。
具体实施方式
实施例1：
1.清洗衬底：选择聚酰亚胺(PI)作为衬底，将衬底用酒精擦洗以除去有机杂质，用去离子水冲洗衬底数次，然后将其用普通的氮气吹干，反复上述步骤多次直至衬底干净后待用。
2.基于CuGaZnO的阻变存储器的制备
1)制备底电极：在射频磁控溅射镀膜系统的腔室中，选择掺杂2at％Al的ZnO作为靶材，将其安装在靶台上，石英基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量为80sccm的氩气，设置衬底温度为300℃，在50W功率下溅射2小时制成底电极。
2)制备阻变层：将制成的底电极基片取出，用铝箔在基片的一边上贴上一个掩膜。以CuGaZn原子比为1：1:1的CuGaZnO陶瓷靶作为靶材，将上述靶材安装在靶台后，将上述贴好掩膜的基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量比为80sccm：20sccm的氩气和氧气，设置衬底温度为300℃，在70W功率下溅射40分钟制成介质层。
3)制备顶电极：将制成的变阻层的基片放入掩膜板后，置于电阻蒸发腔室中，在蒸发舟上加入适量Cu作为蒸发源，将腔室抽真空至左右，在蒸发源电流为180A下蒸发2分钟制成顶电极。
实施例2：
1.清洗衬底：选择聚酰亚胺(PI)作为衬底，将衬底用酒精擦洗以除去有机杂质，用去离子水冲洗衬底数次，然后将其用普通的氮气吹干，反复上述步骤多次直至衬底干净后待用。
2.基于CuGaZnO的阻变存储器的制备
1)制备底电极：在射频磁控溅射镀膜系统的腔室中，选择掺杂2at％Al的ZnO作为靶材，将其安装在靶台上，石英基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量为80sccm的氩气，设置衬底温度为100℃，在50W功率下溅射2小时制成底电极。
2)制备阻变层：将制成的底电极基片取出，用铝箔在基片的一边上贴上一个掩膜。以CuGaZn原子比为1：1:1的CuGaZnO陶瓷靶作为靶材，将上述靶材安装在靶台后，将上述贴好掩膜的基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量比为80sccm：20sccm的氩气和氧气，设置衬底温度为100℃，在70W功率下溅射40分钟制成介质层。
3)制备顶电极：将制成的变阻层的基片放入掩膜板后，置于电阻蒸发腔室中，在蒸发舟上加入适量Cu作为蒸发源，将腔室抽真空至左右，在蒸发源电流为180A下蒸发2分钟制成顶电极。
实施例3：
清洗衬底：选择聚酰亚胺(PI)为衬底，将衬底用酒精擦洗以除去有机杂质，用去离子水冲洗衬底数次，然后将其用普通的氮气吹干，反复上述步骤多次直至衬底干净后待用。
2.基于CuGaZnO的阻变存储器的制备
1)制备底电极：在射频磁控溅射镀膜系统的腔室中，选择掺杂2at％Al的ZnO作为靶材，将其安装在靶台上，石英基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量为80sccm的氩气，设置衬底温度为200℃，在50W功率下溅射2小时制成底电极。
2)制备阻变层：将制成的底电极基片取出，用铝箔在基片的一边上贴上一个掩膜。以以CuGaZn原子比为1：1:1的CuGaZnO陶瓷靶作为靶材，将上述靶材安装在靶台后，将上述贴好掩膜的基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量比为80sccm：20sccm的氩气和氧气，设置衬底温度为200℃，在70W功率下溅射40分钟制成介质层。
3)制备顶电极：将制成的变阻层的基片放入掩膜板后，置于电阻蒸发腔室中，在蒸发舟上加入适量Cu作为蒸发源，将腔室抽真空至左右，在蒸发源电流为180A下蒸发2分钟制成顶电极。
实施例4：
1.清洗衬底：选择聚碳酸酯(PC)为衬底，将衬底用酒精擦洗以除去有机杂质，用去离子水冲洗衬底数次，然后将其用普通的氮气吹干，反复上述步骤多次直至衬底干净后待用。
2.基于CuGaZnO的阻变存储器的制备
1)制备底电极：在射频磁控溅射镀膜系统的腔室中，选择掺杂2at％Al的ZnO作为靶材，将其安装在靶台上，石英基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量为80sccm的氩气，设置衬底温度为室温，在50W功率下溅射2小时制成底电极。
2)制备阻变层：将制成的底电极基片取出，用铝箔在基片的一边上贴上一个掩膜。以CuGaZn原子比为1：1:1的CuGaZnO陶瓷靶作为靶材，将上述靶材安装在靶台后，将上述贴好掩膜的基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量比为80sccm：20sccm的氩气和氧气，设置衬底温度为室温，在70W功率下溅射40分钟制成介质层。
3)制备顶电极：将制成的变阻层的基片放入掩膜板后，置于电阻蒸发腔室中，在蒸发舟上加入适量Cu作为蒸发源，将腔室抽真空至左右，在蒸发源电流为180A下蒸发2分钟制成顶电极。
实施例5：
1.清洗衬底：选择聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为衬底，将衬底用酒精擦洗以除去有机杂质，用去离子水冲洗衬底数次，然后将其用普通的氮气吹干，反复上述步骤多次直至衬底干净后待用。
2.基于CuGaZnO的阻变存储器的制备
1)制备底电极：在射频磁控溅射镀膜系统的腔室中，选择掺杂2at％Al的ZnO作为靶材，将其安装在靶台上，石英基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量为80sccm的氩气，设置衬底温度为室温，在50W功率下溅射2小时制成底电极。
2)制备阻变层：将制成的底电极基片取出，用铝箔在基片的一边上贴上一个掩膜。以CuGaZn原子比为1：1:1的CuGaZnO陶瓷靶作为靶材，将上述靶材安装在靶台后，将上述贴好掩膜的基片放置在衬底台上；将腔室抽真空至3.3×10-3Pa，然后通入流量比为60sccm：80sccm的氩气和氧气，设置衬底温度为室温，在70W功率下溅射40分钟制成介质层。
3)制备顶电极：将制成的变阻层的基片放入掩膜板后，置于电阻蒸发腔室中，在蒸发舟上加入适量Cu作为蒸发源，将腔室抽真空至左右，在蒸发源电流为180A下蒸发2分钟制成顶电极。
基于优选的实施例1，下面结合附图对多元金属氧化物薄膜的阻变储存器的阻变特性作进一步的详细描述：
图1为本发明实施例1的5次典型I-V曲线Log化之后的阻变特性曲线，从图中可以看出该器件每次开起电压位置约为2.5V左右，并且每次开启电压位置、开启幅度均十分稳定；在-2.5V左右有明显关断行为，关断效应十分显著；并且每次开启关断曲线路径稳定，可知器件稳定性较强、循环性能良好。开关比大小也可从图中看出，电流从大约10-3跃变至接近0.1，开关比达到102数量级。
图2为本发明实施例1的疲劳保持特性，该图显示在连续循环扫描50次下，阻变开关的性能仍能保持稳定。
Claims (5)
1.一种基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器，是在衬底依次集成有底电极层，阻变层和顶电极层的结构，其特征在于，所述底电极材料为掺杂2at％Al的ZnO，所述阻变层材料为CuGaZnO，所述顶电极材料为Cu；其中，所述CuGaZnO中Cu、Ga、Zn原子的摩尔比为1∶1∶1。
2.一种基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器的制备方法，包括以下步骤：
首先采用射频磁控溅射法，选择掺杂2at％Al的ZnO为底电极层材料，在衬底上制备底电极，在所述底电极层上放置金属掩膜，然后选择Cu、Ga、Zn原子的摩尔比为1∶1∶1的陶瓷靶材在其上制备CuGaZnO薄膜形成阻变层；最后采取真空镀膜技术，选择Cu为顶电极层材料，在所述CuGaZnO薄膜上制备顶电极，从而构成底电极-阻变层-顶电极的结构。
3.根据权利要求2所述基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器的制备方法，其特征在于，所述底电极制备中，衬底温度范围为18℃～460℃，工作环境真空度为0.1～0.3Pa，通入氩气流量为80sccm，射频功率为50W，溅射时间为2小时。
4.根据权利要求2所述基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器的制备方法，其特征在于，所述CuGaZnO薄膜阻变层制备中，将所述底电极层加热并保持在18℃～460℃，工作环境真空度为0.1～0.3Pa，通入氩气和氧气的混合气体作为工作气体，其中氧气的体积分数为40％～90％,氩气的体积分数为10％～60％，射频功率为70W，溅射时间40分钟。
5.根据权利要求2所述基于多元金属氧化物薄膜的阻变储存器的制备方法，其特征在于，所述顶电极制备中，以Cu作为蒸发源，工作环境真空度为0.1～0.3Pa，蒸发源电流为180A，蒸发时间为2分钟。
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