CN109065710A - 一种基于多层氧化物薄膜的选通器器件结构及其制备方法与应用 - Google Patents
一种基于多层氧化物薄膜的选通器器件结构及其制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多层氧化物薄膜的选通器器件结构及其制备方法与应用。它的结构由下至上依次包括衬底、底电极、选通功能层和顶电极；所述选通功能层包括多层氧化物薄膜。它的制备方法，包括如下步骤：通过在所述衬底上光刻出所述选通器的图形；在上述光刻后衬底上依次沉积所述底电极、所述选通功能层和所述顶电极，即得到所述选通器。本发明选通器高选择性(或开关比)、低阈值电压、快响应速度、高寿命、高均一性，电学各项性能指标优异；其利用简单的磁控溅射制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多层氧化物薄膜的选通器器件结构及其制备方法与应用，属于信息电子材料技术领域。
背景技术
存储器作为一种集数据存储和数据处理为一身的半导体器件，在半导体市场中一直占据着举足轻重的地位。作为下一代新型的非易失性存储器，如磁阻存储器和阻变存储器，在基于交叉阵列结构进行高密度集成的过程中必须解决串扰电流问题。目前，串扰电流最有效的解决方案就是将存储单元与选通器串联起来形成1S1R结构再进行阵列集成。选通器的基本原理是：利用电信号控制选通器的开关，施加高于阈值电压的偏压时，选通器打开，由高阻态变为低阻态；撤去外加偏压时，选通器关闭，自主从低阻态回到高阻态。近年来，基于二元氧化物的选通器由于结构与阻变存储器类似，制备方法简单以及与CMOS兼容等优势，成为学界和业界的热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多层氧化物薄膜的选通器器件结构及其制备方法与应用，本发明选通器高选择性(或开关比)、低阈值电压、快响应速度、高寿命、高均一性，电学各项性能指标优异；其利用简单的磁控溅射制备。
本发明提供的一种选通器，其结构由下至上依次包括衬底、底电极、选通功能层和顶电极；
所述选通功能层包括多层氧化物薄膜。
上述的选通器中，所述衬底为商用Pt(～120nm)/Ti(～15nm)/SiO2/Si基片或Si基片。
上述的选通器中，所述底电极和所述顶电极的材料均为活性金属；
所述活性金属包括Ag、Cu和Al中的至少一种；
所述氧化物薄膜的材料包括氧化钽、氧化铪、氧化锌、氧化钴、氧化铬、氧化铜、氧化铝、氧化钒、氧化锰和氧化铌中的至少一种。
上述的选通器中，所述衬底的厚度可为0～200nm；
所述底电极的厚度可为5～100nm；
所述选通功能层的厚度可为10～100nm；
所述顶电极的厚度可为5～100nm。
上述的选通器中，所述选通功能层包括(2n+1)层氧化物薄膜，其中n为正整数；n具体可为1、1～5或1～10。
上述的选通器中，所述选通功能层由下至上依次包括缺氧层、富氧层和缺氧层；
所述缺氧层为所述氧化物薄膜的材料中至少一种的薄膜；
所述富氧层为与所述缺氧层化学组成相同，但氧元素化学计量比更大的所述氧化物薄膜；所述氧元素化学计量比为本领域公知常识，指的是氧元素所占化学计量比的最大值为与之化合的元素最高价态化合物中的氧元素比例。
本发明还提供了上述的选通器的制备方法，包括如下步骤：通过在所述衬底上光刻出所述选通器的图形；在上述光刻后衬底上依次沉积所述底电极、所述选通功能层和所述顶电极，即得到所述选通器。
上述的制备方法中，所述光刻的方法采用紫外曝光技术或电子束曝光技术；
所述底电极和所述顶电极采用直流磁控溅射进行沉积得到；
所述选通功能层采用射频磁控溅射进行沉积得到。
本发明中，所述光刻是经过表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘；
所述直流磁控溅射的具体条件如下：本底真空度优于10-4Pa，使用纯金属靶材(Ag、Cu、Al)，工作氛围是纯氩气气氛，溅射气压约为0.35Pa，溅射功率5-50W；
所述射频磁控溅射的具体条件如下：本底真空度优于10-4Pa，使用纯金属(Ta、Hf等)或陶瓷靶材(TaOx、HfOx等)，工作氛围是纯氩气气氛或者氩气与氧气的混合气氛，溅射气压约为0.35Pa，溅射功率50-200W。
上述的制备方法中，所述方法还包括光刻之前在所述衬底上涂覆光刻胶，并在沉积所述顶电极结束后剥离所述光刻胶的步骤。
本发明中，所述光刻胶为本领域常用的种类；
所述剥离是将镀完打底层和顶电极层后的衬底放入丙酮，去除光刻胶完成剥离。
本发明所述的选通器应用于制备存储器中。
本发明具有以下优点：
利用对称结构的活性电极和三层氧化物薄膜结构，通过氧化物中间富氧层(更接近高价态氧化物的化学计量比)对于活性的强溶解能力和界面对于导电细丝形成的影响，使选通器具有更高的工作电流(1nA-1mA)，更低的操作电压(工作电压范围0.10V至0.30V)，更快的响应速度和超大的选择开关比，在交叉阵列中避免串扰电流问题中有巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的基于氧化物多层薄膜的选通器器件的结构示意图。
图1中各个标记如下：
1衬底；2活性底电极层；3缺氧层；4富氧层；5缺氧层；6顶电极层。
图2为本发明实施例1制备的选通器器件的I-V特性曲线。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中，选通器中衬底为商用Pt(～120nm)/Ti(～15nm)/SiO2/Si基片；
底电极的厚度具体可为5～100nm；
顶电极的厚度具体可为5～100nm。
实施案例1、制备Ag/TaOx/TaOy/TaOx/Ag结构的选通器(y＞x)
1)将商用Pt(～120nm)/Ti(～15nm)/SiO2/Si基片用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗6分钟，然后在用氮气吹干，在上述基片上利用紫外曝光机光刻出器件图形(圆点阵列)，打底胶放入磁控溅射镀膜机真空室；
2)光刻后的基片真空度抽至8×10-5Pa以下后，开始镀膜。Ag采用直流磁控溅射(具体条件为纯氩气气氛下，工作气压为0.35Pa，工作电流0.08A，工作电压320V，溅射功率为25W，溅射时间3min)银靶进行沉积得到底电极(溅射功能层后再沉积得到顶电极)，TaOx采用射频磁控溅射氧化钽陶瓷靶进行沉积。两侧的缺氧层TaOx在纯Ar气氛下溅射，厚度同为15nm(具体条件为纯氩气气氛下，工作气压为0.35Pa，溅射功率为90W，溅射时间4min)；中间的富氧层TaOy在Ar:O2＝1:1的气氛下溅射，工作气压为0.40Pa，溅射功率为100W，溅射时间10min厚度为10nm。所制备的多层膜界面清晰平整。
3)镀膜完成后，关闭电源，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入氮气至真空室内压力为大气压，开腔取出样品，进行剥离得到选通器器件，器件剖面图示意图如图1所示。
4)从底电极和顶电极(均为Ag)各引出两根导线进行电阻变化的测试。测试结果见图2。
图2可以看出，本发明制备出的选通器在直流电压扫描中呈现出稳定的双向选通特性曲线，在不同的限制电流下均可正常工作，阈值电压在0.10V至0.30V之间，选择性开关比最高可达1010，开关曲线斜率小于1mV/decade，器件能够稳定循环超过1000次以上。与传统单层选通功能层的选通器相比，本发明电学各项性能指标均有较大幅度提升，因而应用本发明的技术改良后的选通器更适用于实际应用。
实施案例2、制备Cu/HfOx/HfOy/HfOx/Cu结构的选通器(y＞x)
1)将商用Pt(～120nm)/Ti(～15nm)/SiO2/Si基片用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗6分钟，然后在用氮气吹干，在上述基片上利用紫外曝光机光刻出器件图形，打底胶放入磁控溅射镀膜机真空室；
2)光刻后的基片真空度抽至1×10-4Pa以下后，开始镀膜。Cu采用直流磁控溅射(具体条件为纯氩气气氛下，工作气压为0.35Pa，溅射功率为20W，溅射时间5min)银靶进行沉积，HfOx采用射频磁控溅射(具体条件为纯氩气气氛下，工作气压为0.35Pa，溅射功率为90W，溅射时间7.5min)氧化钽陶瓷靶进行沉积。两侧的缺氧层HfOx在纯Ar气氛下溅射，厚度同为15nm；中间的富氧层HfOy在Ar:O2＝3:1的气氛下溅射，工作气压为0.35Pa，溅射功率为90W，溅射时间10min，厚度为10nm。所制备的多层膜界面清晰平整。
3)镀膜完成后，关闭电源，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入氮气至真空室内压力为大气压，开腔取出样品，进行剥离得到选通器器件，器件剖面图示意图如图1所示。
4)从底电极和顶电极各引出两根导线进行电阻变化的测试。
Claims (10)
1.一种选通器，其特征在于：该选通器的结构由下至上依次包括衬底、底电极、选通功能层和顶电极；
所述选通功能层包括多层氧化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的选通器，其特征在于：所述衬底为商用Pt(～120nm)/Ti(～15nm)/SiO2/Si基片或Si基片。
3.根据权利要求1或2所述的选通器，其特征在于：所述底电极和所述顶电极的材料均为活性金属；
所述活性金属包括Ag、Cu和Al中的至少一种；
所述氧化物薄膜的材料包括氧化钽、氧化铪、氧化锌、氧化钴、氧化铬、氧化铜、氧化铝、氧化钒、氧化锰和氧化铌中的至少一种。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的选通器，其特征在于：所述衬底的厚度为0～200nm；
所述底电极的厚度为5～100nm；
所述选通功能层的厚度为10～100nm；
所述顶电极的厚度为5～100nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的选通器，其特征在于：所述选通功能层包括(2n+1)层氧化物薄膜，其中n为正整数。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的选通器，其特征在于：所述选通功能层由下至上依次包括缺氧层、富氧层和缺氧层；
所述缺氧层为所述氧化物薄膜的材料中至少一种的薄膜；
所述富氧层为与所述缺氧层化学组成相同，但氧元素化学计量比更大的上述氧化物薄膜。
7.权利要求1-6中任一项所述的选通器的制备方法，包括如下步骤：通过在所述衬底上光刻出所述选通器的图形；在上述光刻后衬底上依次沉积所述底电极、所述选通功能层和所述顶电极，即得到所述选通器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述光刻的方法采用紫外曝光技术或电子束曝光技术；
所述底电极和所述顶电极采用直流磁控溅射进行沉积得到；
所述选通功能层采用射频磁控溅射进行沉积得到。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于：所述方法中，还包括光刻之前在所述衬底上涂覆光刻胶，并在沉积所述顶电极结束后剥离所述光刻胶的步骤。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的选通器在制备存储器中的应用。
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