CN109980082B - 一种基于ZnMgO的阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ZnMgO的阻变存储器及其制备方法，解决了现有技术中公开的掺杂的ZnO材料应用到阻变存储器中依然存在工作电压相对较高、开关比和抗疲劳特性不足的问题。本发明中的一种基于ZnMgO的阻变存储器，包括从下到上依次设置的衬底、底电极、阻变层和顶电极，所述底电极为ITO导电层，阻变层为ZnMgO薄膜，顶电极为Al层；所述ZnMgO薄膜中Mg与Zn的原子比为1:3.23。本发明展现出了典型的双极型阻变特性，工作电压相对较低，开关比性能优异，初始循环时达到106左右，抗疲劳特性较稳定。
Description
技术领域
本发明涉及半导体存储技术领域，具体涉及一种基于ZnMgO的阻变存储器及其制备方法。
背景技术
随着便携式电子产品的快速普及，对存储电路的集成度要求越来越高，现有的浮栅存储器件已发展至瓶颈期，遇到巨大的挑战。发展性能优异的新式非易失性存储器如相变存储器、铁电存储器、磁阻存储器和阻变存储器成为当前半导体行业的研究热点，其中阻变存储器(RRAM)具有结构简单、读写速度快、存储密度高、能耗低、稳定性和兼容性好等优点，很有可能成为下一代通用存储器。
阻变存储器利用某些材料中发生的电致电阻转变来实现信息的存储，是忆阻器在二值情况下的特殊应用。其基本结构是由上电极、电阻转变层和下电极组成的三明治结构，在外加电压、电流等电信号的作用下会在不同的电阻状态之间发生可逆转变从而实现信息的存储。其中的电阻转变层通常为薄膜材料，涵盖了固体电解质、钙钛矿氧化物、二元金属氧化物等热门材料体系。作为第三代半导体材料之一，ZnO在阻变存储方面具有潜在应用价值，其阻变性能引起业界的广泛关注。
掺杂通常用来改善ZnO材料的电学、光学、磁学等性能，现有技术中公开的用于阻变存储器的掺杂其他元素的ZnO材料使用后，其依然存在工作电压较高、开关比和抗疲劳特性不足等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ZnMgO的阻变存储器及其制备方法，解决现有技术中公开的掺杂的ZnO材料应用到阻变存储器中依然存在工作电压相对较高、开关比和抗疲劳特性不足的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于ZnMgO的阻变存储器，包括从下到上依次设置的衬底、底电极、阻变层和顶电极，所述底电极为ITO导电层，阻变层为ZnMgO薄膜，顶电极为Al层。
进一步，所述ZnMgO薄膜中Mg与Zn的原子比为1:3.23。
本发明的阻变存储器展现出了典型的双极型阻变特性，工作电压相对较低，开关比性能优异，初始循环时达到106左右。抗疲劳特性较稳定，在40次循环内开关比仍然可保持在103～104。所使用的底电极和阻变层均为透明薄膜材料，器件具有较高的可见光透过率，在光电子器件领域有较大的应用潜力。
更进一步，所述衬底为石英玻璃或者柔性衬底；或者也可以是其他适用于附着ITO层的衬底。所述附着有ITO导电层的石英玻璃通过商业手段获得，ITO薄膜的方阻为6Ω左右，厚度为185nm。
一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法，包括：
(1)获得附着有ITO导电层的衬底；
(2)采用磁控溅射技术在ITO导电层上附着ZnMgO薄膜；
(3)在ZnMgO薄膜表面蒸镀Al层。
其中，所述磁控溅射技术附着ZnMgO薄膜的过程为：
将ZnO靶置于射频靶位进行射频溅射，Mg靶置于直流靶位进行直流反应磁控溅射，以双靶共溅射方式在附着有ITO导电层的石英玻璃衬底上制备ZnMgO层。
本发明首先采用磁控溅射技术，将ZnO靶置于射频靶位进行射频溅射，Mg靶置于直流靶位进行直流反应磁控溅射，以双靶共溅射方式在附着有ITO导电层的石英玻璃衬底上制备ZnMgO层，然后利用金属掩膜版，使用电子束蒸发在ZnMgO薄膜表面蒸镀Al层作为顶电极，从而构成Al-ZnMgO-ITO结构的阻变存储器。
本发明中所制备的ZnMgO薄膜仍然是ZnO六角纤锌矿型结构，且具有良好的c轴取向。通过本发明的设置，Mg2+有效的融入ZnO晶格中取代了部分Zn的位置且未引起相的分离，随着Mg2+的掺入，薄膜的(002)衍射峰增强，说明其结晶质量得到改善。本发明的制备工艺简单可控，可移植性强，易实现产业化发展。
进一步，在磁控溅射过程中，工作环境的真空度为4.3×10-3pa，工作气体为氩气与氧气，氩气流速为30sccm，氧气流速为20sccm，ZnO靶的溅射功率控制在110W，Mg靶的溅射电压为160～180V，溅射时间为60min。
进一步，所述Al层蒸镀时，Al作为蒸发源，工作气压为1.3×10-3pa，工作电流为200mA，蒸镀时间为100s，蒸发厚度为100nm。所述Al层蒸镀时，掩膜版采用刻蚀有通孔的不锈钢掩膜版，该通孔的形状与Al层形状相匹配。所述通孔的形状为圆形、方形或条形。本发明中优选制备的Al电极为200μm的圆点状。
进一步，所述ITO薄膜的方阻为5～7Ω，厚度为185nm。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的阻变存储器展现出典型的双极型阻变特性，工作电压相对较低，开关比性能优异，初始循环时达到106左右；
2、本发明的阻变存储器抗疲劳特性较稳定，在40次循环内开关比仍然可保持在103～104；
3、本发明制备工艺简单可控，可移植性强，易实现产业化发展。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的阻变存储器的结构剖面图。
图2为实施例1在对数坐标下的I-V特性图。
图3为实施例1在50次循环内的高低阻态分布图。
图4为实施例1在50次循环内set电压和reset电压的统计分布图。
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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种基于ZnMgO的阻变存储器，从下到上依次为衬底、底电极、阻变层、顶电极。其中，衬底为石英玻璃，底电极为ITO，阻变层为ZnMgO薄膜，其中Mg与Zn的原子比为1:3.23，顶电极为Al。
上述一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法包括以下步骤：
(1)清洗ITO导电玻璃。将ITO导电玻璃分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗6min，重复以上步骤2次至膜面清洗干净，然后使用氮气吹干待用。
(2)制备ZnMgO薄膜。将纯度为99.99％的ZnO靶置于射频靶位，纯度为99.99％的Mg靶置于直流靶位，清洗后的ITO导电玻璃固定于样品台上，将腔体抽真空至4.3×10-3pa，然后通入30sccm的氩气与20sccm的氧气，使样品台以10rpm的转速进行旋转，开启射频电源，功率为110W，使ZnO靶开始预溅射，3min后开启直流电源，电压设置为160V使Mg靶开始溅射。待双靶溅射稳定后打开样品台挡板开始镀膜。镀膜时间为60min。
(3)制备Al顶电极。将制备好的ZnMgO薄膜置于不锈钢掩膜版后，放到电子束蒸发腔室中，在坩埚位放入Al块作为蒸发源。将腔体抽真空至1.3×10-3pa，然后开高压至8kV，调束流至200mA开始蒸发，蒸镀时间为100s。
实施例2
一种基于ZnMgO的阻变存储器，从下到上依次为衬底、底电极、阻变层、顶电极。其中，衬底为石英玻璃，底电极为ITO，阻变层为ZnMgO薄膜，其中Mg与Zn的原子比为1:3.23，顶电极为Al。
上述一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法包括以下步骤：
(1)清洗ITO导电玻璃。将ITO导电玻璃分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗6min，重复以上步骤2次至膜面清洗干净，然后使用氮气吹干待用。
(2)制备ZnMgO薄膜。将纯度为99.99％的ZnO靶置于射频靶位，纯度为99.99％的Mg靶置于直流靶位，清洗后的ITO导电玻璃固定于样品台上，将腔体抽真空至4.3×10-3pa，然后通入30sccm的氩气与20sccm的氧气，使样品台以10rpm的转速进行旋转，开启射频电源，功率为110W，使ZnO靶开始预溅射，3min后开启直流电源，电压设置为170V使Mg靶开始溅射。待双靶溅射稳定后打开样品台挡板开始镀膜。镀膜时间为60min。
(3)制备Al顶电极。将制备好的ZnMgO薄膜置于不锈钢掩膜版后，放到电子束蒸发腔室中，在坩埚位放入Al块作为蒸发源。将腔体抽真空至1.3×10-3pa，然后开高压至8kV，调束流至200mA开始蒸发，蒸镀时间为100s。
实施例3
一种基于ZnMgO的阻变存储器，从下到上依次为衬底、底电极、阻变层、顶电极。其中，衬底为石英玻璃，底电极为ITO，阻变层为ZnMgO薄膜，其中Mg与Zn的原子比为1:3.23，顶电极为Al。
上述一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法包括以下步骤：
(1)清洗ITO导电玻璃。将ITO导电玻璃分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗6min，重复以上步骤2次至膜面清洗干净，然后使用氮气吹干待用。
(2)制备ZnMgO薄膜。将纯度为99.99％的ZnO靶置于射频靶位，纯度为99.99％的Mg靶置于直流靶位，清洗后的ITO导电玻璃固定于样品台上，将腔体抽真空至4.3×10-3pa，然后通入30sccm的氩气与20sccm的氧气，使样品台以10rpm的转速进行旋转，开启射频电源，功率为110W，使ZnO靶开始预溅射，3min后开启直流电源，电压设置为180V使Mg靶开始溅射。待双靶溅射稳定后打开样品台挡板开始镀膜。镀膜时间为60min。
(3)制备Al顶电极。将制备好的ZnMgO薄膜置于不锈钢掩膜版后，放到电子束蒸发腔室中，在坩埚位放入Al块作为蒸发源。将腔体抽真空至1.3×10-3pa，然后开高压至8kV，调束流至200mA开始蒸发，蒸镀时间为100s。
实施例4
本实施例为实施例1的对比例，区别在于，本实施例中阻变存储器的结构不同，具体设置如下：
一种基于ZnMgO的阻变存储器，从下到上依次为衬底、底电极、阻变层、顶电极。其中，衬底为石英玻璃，底电极为ITO，阻变层由ZnMgO薄膜层构成，其中Mg与Zn的原子比为1:10，顶电极为Al电极。
本实施例中该阻变存储器的制备方法为：
(1)清洗ITO导电玻璃。将ITO导电玻璃分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗6min，重复以上步骤2次至膜面清洗干净，然后使用氮气吹干待用。
(2)制备MgZnO薄膜。将Mg0.1Zn0.9O陶瓷靶材置于射频靶位，将腔体抽真空至1×10- 4pa，然后通入30sccm的氩气与20sccm的氧气，使样品台以10rpm的转速进行旋转，开启射频电源，功率为100W，进行镀膜操作形成MgZnO薄膜。
(3)制备Al电极。将制备好的ZnMgO薄膜置于不锈钢掩膜版后，放到电子束蒸发腔室中，在坩埚位放入Al块作为蒸发源。将腔体抽真空至1.3×10-3pa，然后开高压至8kV，调束流至200mA开始蒸发，蒸镀时间为100s。
本发明实施例1制成的阻变存储器进行了以下性能检测，包括在对数坐标下的I-V特性检测，在50次循环内的高低阻态分布检测，在50次循环内set电压和reset电压的统计分布检测，检测结果如图2-图4所示。
其中，通过图2可知：电压采取0～-2.5V～0～2.5V～0的扫描方式，器件一开始呈高阻状态，在电压加到-1.16V时，电流突然从2.62×10-7A激增到2.08×10-3A，随后电压加到-1.72V时，电流又发生小范围的阶跃，阻值状态最终由高阻态(HRS)转换为低阻态(LRS)，即set过程。正向扫描过程中，电压到0.8V时，电流由4.92×10-3A下降至2.06×10-7A，阻值状态由LRS转化到HRS，即reset过程。通过图3可知：LRS保持在80～130Ω左右，HRS波动较大，介于8.3×104～1.3×107Ω之间，在45次循环后，HRS开始明显下降。通过图4可知：set电压相对reset电压具有较大的分散性。这可能是由于导电细丝的生成比断裂更具有随机性。
对实施例2、实施例3与实施例4所制备的器件进行I-V特性检测和在50次循环内的高低阻态分布检测。通过I-V检测可知：实施例2的set和reset电压分别为-2.21V和0.9V，实施例3的set电压和reset电压分别为-2.67V和0.8V，实施例4的set电压和reset电压分别为-3.67V和1.5V。通过高低阻态分布检测可知：实施例2在18次循环内LRS稳定在100～195Ω之间，HRS介于8.1×105～4.7×107Ω，第19次循环后HRS阻值显著下降，其后未观察到阻变特性。实施例3在22次循环内LRS稳定在70～220Ω之间，HRS介于1.1×104～8.9×106Ω，第22次循环后HRS阻值波动突然变大，其后未观察到阻变特性。实施例4在31次循环内LRS稳定在90～150Ω之间，HRS介于2.3×105～1.1×107Ω，第31次循环后HRS阻值显著下降，其后未观察到阻变特性。通过对比可知实施例1的抗疲劳特性最为优异，功耗相对较小，即阻变性能最佳。
综上可知：本发明展现出典型的双极型阻变特性，工作电压相对较低，开关比性能优异，初始循环时达到106左右。抗疲劳特性较稳定，在40次循环内开关比仍然可保持在103～104，效果十分显著。
以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (9)
1.一种基于ZnMgO的阻变存储器，包括从下到上依次设置的衬底、底电极、阻变层和顶电极，其特征在于，所述底电极为ITO导电层，阻变层为ZnMgO薄膜，顶电极为Al层；所述ZnMgO薄膜中Mg与Zn的原子比为1:3.23；
所述ZnMgO薄膜的制备过程为：
将ZnO靶置于射频靶位进行射频溅射，Mg靶置于直流靶位进行直流反应磁控溅射，以双靶共溅射方式在附着有ITO导电层的衬底上制备ZnMgO层；Mg靶的溅射电压为160V，溅射时间为60min。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZnMgO的阻变存储器，其特征在于，所述衬底为石英玻璃或者柔性衬底。
3.如权利要求1或2所述的一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括：
(1)获得附着有ITO导电层的衬底；
(2)采用磁控溅射技术在ITO导电层上附着ZnMgO薄膜；
(3)在ZnMgO薄膜表面蒸镀Al层。
4.根据权利要求3所述的一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射技术附着ZnMgO薄膜的过程为：
将ZnO靶置于射频靶位进行射频溅射，Mg靶置于直流靶位进行直流反应磁控溅射，以双靶共溅射方式在附着有ITO导电层的衬底上制备ZnMgO层。
5.根据权利要求4所述的一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法，其特征在于，在磁控溅射过程中，工作环境的真空度为4.3×10-3pa，工作气体为氩气与氧气，氩气流速为30sccm，氧气流速为20sccm，ZnO靶的溅射功率控制在110W，Mg靶的溅射电压为160～180V，溅射时间为60min。
6.根据权利要求3所述的一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述Al层蒸镀时，Al作为蒸发源，工作气压为1.3×10-3pa，工作电流为200mA，蒸镀时间为100s，蒸发厚度为100nm。
7.根据权利要求6所述的一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述Al层蒸镀时，掩膜版采用刻蚀有通孔的不锈钢掩膜版，该通孔的形状与Al层形状相匹配。
8.根据权利要求7所述的一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述通孔的形状为圆形、方形或条形。
9.根据权利要求3所述的一种基于ZnMgO的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述ITO薄膜的方阻为5～7Ω，厚度为185nm。
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