CN108598257B - 一种存储与选通双功能器件及其制备方法 - Google Patents
一种存储与选通双功能器件及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种存储与选通双功能器件，从下至上依次包括底电极、转换层和顶电极，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述顶电极为钨。本发明以铌的氧化物为转换层，以TiN或导电玻璃为底电极、金属钨为顶电极，构成了具有存储与选通双功能的器件。实验结果表明，本发明所提供的器件在大限流时具有选通性能，在小限流时具有阻变性能(即存储性能)；同时在选通和阻变性能测试中，循环测试100圈，所得曲线的偏移程度很小，说明其还具有优异的稳定性；在阻变性能测试中，高阻态电阻阻值比上低阻态电阻阻值大于10，说明该器件还具有较大的存储窗口。
Description
技术领域
本发明涉及电子材料与元器件技术领域，尤其涉及一种存储与选通双功能器件及其制备方法。
背景技术
传统的基于电荷的存储器，例如NAND闪存，面临可微缩性的物理和技术限制，成为其发展的瓶颈。而电阻式随机存取存储器(RRAM)被认为是下一代非易失性存储器(NVM)的候选者之一。RRAM具有器件结构简单，可扩展性优异，开关速度快，潜在的3D存储器架构，卓越的数据保持和与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的兼容性等优点。为了实现高密度存储器，设想将RRAM用于3D交叉阵列存储单元，然而，这种结构的主要缺点之一是通过相邻存储器单元的潜行路径问题。该问题可能导致无意义的存储器寻址和读取错误。潜行路径问题还会增加功耗并限制交叉开关阵列的集成度。
潜行路径问题的一个可能的解决方案是将选择器元件与RRAM单元串联，并已开展了相关研究，其中选择器元件包括穿透二极管，齐纳二极管，混合离子电子传导选择器和绝缘体-金属转移(IMT)选通管。但该解决方案需要将两种元件串联，器件密度小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种存储与选通双功能器件及其制备方法。本发明所提供的器件同时具有存储性能和选通的性能，极大地拓宽器件的应用范围。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种存储与选通双功能器件，从下至上依次包括底电极、转换层和顶电极，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述顶电极为钨。
优选的，所述导电玻璃为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或ZTO导电玻璃。
优选的，所述底电极的厚度为50～300nm，所述底电极的面积为0.16～16μm2。
优选的，所述转换层的厚度为10～30nm，所述转换层的面积为0.16～16μm2。
优选的，所述顶电极的厚度为50～300nm，所述顶电极的面积为0.16～16μm2。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的存储与选通双功能器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)以氩气为工作气体，以五氧化二铌靶为溅射靶，在底电极表面进行第一溅射，得到存储与选通双功能器件半成品；
(2)以氩气为工作气体，以钨靶为溅射靶，在所述存储与选通双功能器件半成品的铌的氧化物表面进行第二溅射，得到存储与选通双功能器件。
优选的，所述第一溅射的系统压力为3～5Torr，所述第一溅射的温度为285～315K。
优选的，所述第一溅射的功率为100～140W，所述第一溅射的时间为200～600s。
优选的，所述第二溅射的系统压力为3～5Torr，所述第二溅射的温度为285～315K。
优选的，所述第二溅射的功率为80～120W，所述第二溅射的时间为200～1200s。
本发明提供了一种存储与选通双功能器件，从下至上依次包括底电极、转换层和顶电极，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述顶电极为钨。本发明以铌的氧化物为转换层，以TiN或导电玻璃为底电极、金属钨为顶电极，构成了具有存储与选通双功能的器件。实验结果表明，本发明所提供的器件在大限流时具有选通性能，在小限流时具有阻变性能(即存储性能)；同时在选通和阻变性能测试中，循环测试100圈，所得曲线的偏移程度很小，说明其还具有优异的稳定性；在阻变性能测试中，高阻态电阻阻值比上低阻态电阻阻值大于10，说明该器件还具有较大的存储窗口。
附图说明
图1存储与选通双功能器件单元结构示意图；
图2实施例1所得存储与选通双功能器件的选通性能I-V测试图；
图3实施例1所得存储与选通双功能器件的阻变性能的I-V测试图。
具体实施方式
本发明提供了一种存储与选通双功能器件，从下至上依次包括底电极、转换层和顶电极，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述顶电极为钨。
如图1所示为本发明所提供的存储与选通双功能器件的单元结构示意图，从下至上依次为底电极、转换层和顶电极。
在本发明中，所述导电玻璃优选为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或ZTO导电玻璃。
在本发明中，所述底电极的厚度优选为50～300nm，更优选为120～220nm，最优选为150～200nm；所述底电极的面积优选为0.16～16μm2。
在本发明中，所述转换层的厚度优选为10～30nm，更优选为15～20nm；所述转换层的面积优选为0.16～16μm2。
在本发明中，所述铌的氧化物优选通过磁控溅射得到。
在本发明中，所述顶电极的厚度优选为50～300nm，更优选为120～220nm，最优选为150～200nm；所述顶电极的面积优选为0.16～16μm2。
本发明对所述存储与选通双功能器件的形状没有特殊限定，本领域技术人员可以根据需要选择合适的形状和尺寸。
在本发明实施例中，所述存储与选通双功能器件的形状优选为正方形。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的存储与选通双功能器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)以氩气为工作气体，以五氧化二铌靶为溅射靶，在底电极表面进行第一溅射，得到存储与选通双功能器件半成品；
(2)以氩气为工作气体，以钨靶为溅射靶，在所述存储与选通双功能器件半成品的铌的氧化物表面进行第二溅射，得到存储与选通双功能器件。
本发明优选在磁控溅射设备上安装钨靶和五氧化二铌靶，然后将磁控溅射设备的真空室抽真空后，通入氩气至第一溅射所需压力，得到氩气的工作氛围。在本发明中，当使用一种靶材时，设备会自动保护另一个靶材，以确保每次溅射一种靶材。
在本发明中，所述钨靶的纯度优选≥99.99％。
在本发明中，所述五氧化二铌靶的纯度优选≥99.99％。
本发明对所述钨靶和五氧化二铌靶的来源没有特殊限定，采用市售靶材即可。
得到氩气的工作氛围后，本发明在氩气的工作氛围内，以五氧化二铌靶为溅射靶，在底电极表面进行第一溅射，得到存储与选通双功能器件半成品。
本发明优选对底电极的表面进行清洁处理，再作为基底进行第一溅射。
本发明对所述底电极的来源没有特殊限定，可直接采用市售底电极。在本发明实施例中，所述底电极为市售负载有底电极材料的载膜基材。
本发明对所述清洁处理的方式没有特殊限定，能够将底电极表面的灰尘去除即可。在本发明实施例中，所述清洁处理的方式优选为高压空气冲洗。
在本发明中，所述第一溅射优选为射频磁控溅射。
在本发明中，所述第一溅射的系统压力优选为3～5Torr，更优选为4Torr；所述第一溅射的温度优选为285～315K，更优选为300K。
在本发明中，所述第一溅射的功率优选为100～140W，更优选为110～130W；所述第一溅射的时间优选为200～600s，更优选为300～500s。
第一溅射完成后，本发明以氩气为工作气体，以钨靶为溅射靶，在所述存储与选通双功能器件半成品的铌的氧化物表面进行第二溅射，得到存储与选通双功能器件。
本发明对所述第二溅射的方式没有特殊限定，可以为直流磁控溅射，也可以为射频磁控溅射，在本发明实施例中优选为直流磁控溅射。
在本发明中，所述第二溅射的系统压力优选为3～5Torr，更优选为4Torr；所述第二溅射的温度优选为285～315K，更优选为300K。
在本发明中，所述第二溅射的功率优选为80～120W，更优选为90～110W；所述第二溅射的时间优选为200～1200s，更优选为400～1000s，最优选为600～800s。
下面结合实施例对本发明提供的存储与选通双功能器件及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)将带有面积为1μm2的TiN底电极的载模基材的表面高压空气冲洗，备用；所述TiN底电极为正方形，厚度为200nm；
(2)在磁控溅射设备中安装钨靶和五氧化二铌靶，将步骤(1)处理得到的带有TiN底电极的载模基材置于磁控溅射设备中，将真空室抽真空后，通入氩气至系统压力为4Torr；
(3)开启射频测控溅射电源，在温度为300K的条件，以120W的功率，向TiN底电极表面溅射五氧化二铌400s，然后关闭射频磁控溅射，得到半成品；
(4)开启直流磁控溅射电源，在温度为300K的条件，以100W的功率，向半成品的表面溅射钨900s，然后关闭直流频磁控溅射，得到存储与选通双功能器件。
经测量，本实施例所得存储与选通双功能器件的转换层厚度为20nm，顶电极厚度为200nm。
在安捷伦B1500A半导体参数分析仪测试平台上对本实施例所得存储与选通双功能器件的选通性能和阻变性能进行测试。
选通性能的测试方法具体如下：
首先利用两根探针分别接触顶电极和底电极，然后利用安捷伦B1500A测试软件设定-4V～+4V的扫描电压，扫描电压工作一个循环分为四部分，先从0V扫描到+4V，再从+4V扫描到0V，然后从0V扫描到-4V，最后从-4V扫描到0V，即完成一个循环，每一部分扫描步数为101，即电压从0V扫描到+4V时电流取101个点，限流为10mA，循环测试100圈，结果如图2所示。
由图2可知本实施例所得器件具有选通性能，且具有较大的非线性值和高的导通电流密度，非线性值可达30.61，导通电流密度为3.34*105A/cm2；且循环测试100圈，所得曲线无明显偏移，说明本实施例所得器件具有优异的循环稳定性。
阻变性能的测试方法具体如下：
首先利用两根探针分别接触顶电极和底电极，然后利用安捷伦B1500A测试软件设定-2V～+2V的扫描电压，扫描电压工作一个循环分为四部分，先从0V扫描到+2V，再从+2V扫描到0V，然后从0V扫描到-2V，最后从-2V扫描到0V，即完成一个循环，每一部分扫描步数为101，即电压从0V扫描到+2V时电流取101个点，限流为1mA，循环测试100圈，结果如图3所示。
由图3可知本实施例所得器件具有阻变性能；且循环测试100圈，所得曲线无明显偏移，说明本实施例所得器件具有优异的循环稳定性；同时高阻态电阻阻值比上低阻态电阻阻值为13，大于10，说明该器件具有较大的存储窗口。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种存储与选通双功能器件，从下至上依次由底电极、转换层和顶电极组成，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述转换层的厚度为10～30nm，所述顶电极为钨；所述铌的氧化物通过磁控溅射得到，所述磁控溅射用溅射靶为五氧化二铌靶，磁控溅射工艺中系统压力为3～5Torr，溅射温度为285～315K，溅射功率为100～140W，溅射时间为200～600s；其中，实现选通性能时，器件的限制电流为10mA，实现存储性能时，器件的限制电流为1mA。
2.根据权利要求1所述的存储与选通双功能器件，其特征在于，所述导电玻璃为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或ZTO导电玻璃。
3.根据权利要求1或2所述的存储与选通双功能器件，其特征在于，所述底电极的厚度为50～300nm，所述底电极的面积为0.16～16μm2。
4.根据权利要求1所述的存储与选通双功能器件，其特征在于，所述转换层的面积为0.16～16μm2。
5.根据权利要求1所述的存储与选通双功能器件，其特征在于，所述顶电极的厚度为50～300nm，所述顶电极的面积为0.16～16μm2。
6.一种权利要求1～5任一项所述的存储与选通双功能器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)以氩气为工作气体，以五氧化二铌靶为溅射靶，在底电极表面进行第一溅射，得到存储与选通双功能器件半成品；所述第一溅射的系统压力为3～5Torr，所述第一溅射的温度为285～315K；所述第一溅射的功率为100～140W，所述第一溅射的时间为200～600s；
(2)以氩气为工作气体，以钨靶为溅射靶，在所述存储与选通双功能器件半成品的铌的氧化物表面进行第二溅射，得到存储与选通双功能器件；所述第二溅射的系统压力为3～5Torr，所述第二溅射的温度为285～315K；所述第二溅射的功率为80～120W，所述第二溅射的时间为200～1200s。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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