CN111223986A - 一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法 - Google Patents
一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111223986A CN111223986A CN202010037678.2A CN202010037678A CN111223986A CN 111223986 A CN111223986 A CN 111223986A CN 202010037678 A CN202010037678 A CN 202010037678A CN 111223986 A CN111223986 A CN 111223986A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- hafnium oxide
- transition layer
- silver
- gating device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 93
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 91
- 239000004332 silver Substances 0.000 title claims abstract description 91
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 title claims abstract description 82
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 title claims abstract description 82
- 230000007704 transition Effects 0.000 title claims abstract description 78
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 67
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 67
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 28
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims abstract description 16
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 15
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 12
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 49
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 28
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(iv) oxide Chemical compound O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 12
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 7
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 11
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N Cu2+ Chemical compound [Cu+2] JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 229910001431 copper ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- -1 silver ions Chemical class 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- HFLAMWCKUFHSAZ-UHFFFAOYSA-N niobium dioxide Inorganic materials O=[Nb]=O HFLAMWCKUFHSAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/883—Oxides or nitrides
- H10N70/8833—Binary metal oxides, e.g. TaOx
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/08—Oxides
- C23C14/083—Oxides of refractory metals or yttrium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
- C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
- C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/021—Formation of switching materials, e.g. deposition of layers
- H10N70/026—Formation of switching materials, e.g. deposition of layers by physical vapor deposition, e.g. sputtering
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法，属于微电子技术领域。本发明的选通器件从下至上依次包括底电极层、转变层、银插层和顶电极层；其中：所述底电极材料为氮化钛、钛或铂中的任一种，所述转变层材料为氧化铪薄膜，所述顶电极材料为金属钨、钛或铂中的任一种。本发明制备的选通器件展现了十分小的漏电流，达到pA级别；并且其低阻态电流和高阻态电流之比超过107，展现了非常高的非线性度。另外，本发明的选通器件还展示了明显的双向阈值选通特性，有利于器件的集成。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法。
背景技术
近年来，随着Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS)工艺不断发展，传统的多晶硅闪存在向20nm技术推进时面临一系列的技术限制，并且接近工艺的理论物理极限。而随着半导体产业的发展，各种应用领域都对存储器件提出了新的要求，急需新型存储器件来满足日益增长的生活和科技需求。新型的RRAM存储器作为一种新兴的非易失性存储器件，因其具有擦写速度快、耐受性强、多值存储、高密度、可扩展、工艺简单等优异特性引起广泛关注。在RRAM器件集成时一般采用最小特征面积的十字交叉结构，但是由于这种结构存在严重串扰问题，会产生存储信息误读，导致信息缺失。基于此，目前提出了以下解决方法：第一种是将器件低阻态的电流电压曲线变成非线性的，这样存储器件在小电压读取的时候均会表现出高阻状态，配合特定的读取方式就能起到抑制反向电流的作用。第二种是设计全新的存储器件和读取方式，如互补型存储器。第三种是制造RRAM单元时集成额外的整流元件(如晶体管、二极管、选通管)，整流器件只允许电流单向通过，可以达到抑制反向电流的作用。考虑到与CMOS工艺的兼容性，采用额外的整流元件即为首要选择。而晶体管集成时的最小特征面积为8F2，二极管只适用于单极性RRAM器件，因此选用既能满足最小特征面积，又可以与双极RRAM器件集成的选通管作为整流元件。关于选通管的一些性能指标有：I-V曲线的非线性度、耐受性和保持特性、高开态电流密度和低关态电流密度、低开启电压以及CMOS工艺兼容性等。
目前已经报道过的选通管有：双向阈值转换选通管(OTS)(ovonic thresholdswitch selector)、绝缘体金属转换选通管(IMT)(insulator metal transitionselector)、混合电子离子传导选通管(MIEC)(mixed ionic electronic conductionselector)和可编程金属化选通管(programming metallization selector)等。
OTS选通管的机理解释主要是热诱导电子转变、碰撞电离和重组等，其优势在于导通状态下具有较高的开态电流密度。但是其材料系统十分复杂，并且其非线性度较低(<103)。
IMT选通管是通过在高阻的绝缘态和低阻的金属态之间转变以实现存储的，而这种转变过程受电压或温度影响。一般都是在NbO2和VO2类金属氧化物中观察到的，但是由于这类材料的带隙较窄导致这类选通管的漏电流较大，并且其转变温度较低，不利于实际应用。
MIEC转化一般都是在能同时传导电子电荷和离子的材料中发生的。这种选通管通常都是以铜为基底的，通过铜离子移动来形成导电通道，以实现高的非线性比。MIEC具有非常低的漏电流，但是由于铜离子的不断累积导致器件逐渐失效，因此耐受性和保持特性受到很大影响。
基于电化学金属化机制的可编程金属化选通器件基本工作原理是：在施加足够的阈值电压时，形成金属导电细丝；而在施加偏压移除后，导电丝断裂，器件展现出易失的双向阈值转变特性。该器件具有非常好的微缩性，有利于实现高密度的储存应用。
然而，选通管的非线性度直接决定了存储器件的集成密度，为了满足高密度存储的需求，需要研发具有高非线性比的选通管。因此研究具有高非线性比(>107)的可编程金属化器件。
综上所述，目前传统的存储器件闪存(Flash)面临着严峻的技术挑战，如电荷泄露、浮栅耦合、相邻单元之间的串扰问题，并且工艺尺寸逐渐逼近其物理极限，满足不了电子产品越来越小型化的要求。而新兴的RRAM器件在高密度集成时，其十字交叉阵列中的串扰电流会引起信息误读。考虑到与传统CMOS工艺的兼容性，一般采用选通管来抑制反向漏电流。OTS选通管由于其材料系统十分复杂，并且其非线性度较低(<103)。IMT选通管在开启时由于其相变机制导致漏电流很大，选通比较小。MIEC选通管由于其参与传导的金属离子累积而逐渐失效，导致无法拥有较好的耐受性。
而相比之下，可编程金属化选通管的优点很多，例如：选通比远超其他选通管，而且其阈值转换电压一般小于其他选通管，利于集成且功耗低；同时其漏电流非常小，可达pA或fA级别，有很好的CMOS工艺兼容性。除此之外，可编程金属化选通管的转变层的材料体系十分广泛，极具研究潜力。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题或缺陷，本发明的目的在于提供一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法。本发明以氧化铪作为转变层，金属银作为插层，两者共同作用实现选通功能，且可以使器件具有较低漏电流(pA)，较高非线性度(>107)。由于此选通器件中的金属导电丝并不稳定，在所施加的偏压移除之后不稳定的导电丝在热效应和浓度梯度等驱动力的作用下会发生断裂，从而表现出易失的选通特性。
为了实现本发明的上述目的，基于金属导电细丝机制的工作原理，本发明采用的技术方案如下：
一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件，所述选通器件从下至上依次包括底电极层、转变层、银插层和顶电极层；其中：所述底电极材料为氮化钛、钛或铂中的任一种，所述转变层材料为氧化铪薄膜，所述顶电极材料为金属钨、钛或铂中的任一种。
进一步地，上述技术方案，所述底电极层的厚度为100～200nm。
进一步地，上述技术方案，所述转变层的厚度为20～250nm。
进一步地，上述技术方案，所述银插层的厚度为2～40nm。
进一步地，上述技术方案，所述顶电极层的厚度为60～150nm。
进一步地，上述技术方案，所述底电极层、转变层、银插层和顶电极层的形状均可以为矩形或正方形，所述矩形或正方形的边长为0.4μm～1mm。
本发明原理如下：
在本发明选通器件的顶电极上施加电压，银插层中银原子会发生氧化反应形成银离子，在电场的作用下向底电极方向迁移，然后在底电极附近被还原重新形成银原子，直至在电场作用下银原子形成导电细丝连接上下电极，实现器件阻态的转变。当施加电压被移除后，由于此选通器件中的金属导电丝并不稳定，在所施加的偏压移除之后不稳定的导电丝在热效应和浓度梯度等驱动力的作用下会发生断裂，从而表现出易失的选通特性。
本发明的第二个目的在于提供上述所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件，所述方法具体包括如下步骤：
(1)对带有底电极的衬底进行预处理；
(2)在磁控溅射设备上分别安装氧化铪靶、金属银、顶电极靶材，在设备的真空室中通入惰性气体；
(3)制备转变层：开启磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1～6×10-1Pa、温度为290～330K，功率为20～70W条件下，在底电极层上沉积氧化铪转变层，溅射时间为10～150min，沉积完毕后，关闭磁控溅射电源；
(4)制备银插层：开启磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1～6×10-1Pa、温度为290～330K，功率为5～30W条件下，在步骤(3)所述二氧化铪层上沉积金属银插层，溅射时间为5～25min，沉积完毕后，关闭磁控溅射电源；
(5)制备顶电极层：开启磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1～6×10-1Pa、温度为290～330K，功率为30～60W的条件下，在步骤(4)所述银插层表面沉积顶电极层，沉积时间为30～100min，沉积完毕后，关闭磁控溅射电源，冷却至室温，得到所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件。
进一步地，上述技术方案，步骤(2)所述惰性气体优选为体积百分比大于等于99.95％的氩气。
进一步地，上述技术方案，步骤(3)中采用的磁控溅射为射频磁控溅射，步骤(4)、步骤(5)中采用的磁控溅射为直流磁控溅射。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明制备的基于氧化铪转变层的银插层选通器件展现了十分小的漏电流，达到pA级别；并且其低阻态电流和高阻态电流之比超过107，展现了非常高的非线性度；另外，本发明的选通器件具有双向阈值转变特性，有利于器件的集成。
附图说明
图1为本发明实施例1的基于氧化铪转变层的银插层选通器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1的基于氧化铪转变层的银插层选通器件经过聚焦离子束(FIB)刻蚀后的SEM图像；
图3为本发明实施例1的基于氧化铪转变层的银插层选通器件的forming曲线；
图4为本发明实施例1的基于氧化铪转变层的银插层选通器件的直流I-V曲线。
具体实施方式
下面通过实施案例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施案例。
根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。
为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。
关于不同制备工艺下不同器件厚度的器件性能：制备工艺如发明内容所示，改变制备时间即可改变器件厚度；可仅改变氧化铪层厚度，不改变其它层厚度。制备10min的氧化铪层太薄(<20nm)，会导致银插层中银原子直接扩散进去，导致器件电阻太小，无法实现阻态转变。而制备150min的氧化铪层(>250nm)过厚会导致器件电阻大，forming电压过大，器件无法实现阻态转变。
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。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件，所述选通器件从下至上依次包括底电极层、转变层、银插层和顶电极层；其中：所述底电极材料为氮化钛，所述转变层材料为氧化铪薄膜材料，所述顶电极材料为金属钨；所述底电极层的厚度为170nm，所述转变层的厚度为200nm，所述银插层的厚度为20nm，所述顶电极层的厚度为120nm，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为0.36μm2。
本实施例上述所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件采用下述方法制得，所述方法具体包括如下步骤：
(1)对带有氮化钛底电极(底电极为正方形，面积为0.36μm2)的硅衬底进行预处理，底电极的厚度为170nm；
(2)在磁控溅射设备上分别安装氧化铪靶、金属银和钨靶，在设备的真空室中通入惰性气体氩气；
(3)制备转变层：开启磁控溅射射频电源，控制真空室内的系统压力为4.1×10- 1Pa、温度为300K，功率为45W条件下，在底电极层上沉积氧化铪转变层，溅射时间为120min，沉积完毕后，关闭磁控射频电源，薄膜厚度为200nm。
(4)制备银插层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为4.1×10-1Pa、温度为300K，功率为20W条件下，在步骤(3)所述二氧化铪层上沉积金属银插层，溅射时间为10min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为20nm；
(5)制备顶电极层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为4.1×10-1Pa、温度为300K，功率为40W的条件下，在步骤(4)所述银插层表面沉积金属钨顶电极层，沉积时间为60min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为120nm。冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化铪转变层的银插层选通器件。
如图1所示，本实施例制备的选通器件顶电极为金属钨层，中间层为银插层和氧化铪转变层，底电极为氮化钛层。在顶电极上施加偏压，同时底电极接地进行测试。
本实施例制备的选通器件经过聚焦离子束刻蚀后进行SEM测试，结果如图2所示，该图证实器件的微观结构与示意图一致，并且每层薄膜均能清晰的观测到，如顶电极为金属钨层，厚度约为120nm；中间层为银插层和氧化铪转变层，其中银插层约为20nm，氧化铪转变层约为200nm；底电极为氮化钛层，厚度约为170nm。其余部分为Ti粘附层和SiO2衬底。此外，测试时在顶电极上施加偏压，同时底电极接地进行测试。
本实施例测试是在安捷伦B1500A半导体参数分析仪平台上进行的。首先将两根探针分别接触顶电极和底电极，然后设置相应参数进行测试。本实施例测试在钨顶电极上施加电压，氮化钛底电极接地。
在安捷伦B1500A测试软件设定0V～30V的扫描电压，即电压从0V扫描到30V时电流取101个点，测试结果如图3所示。施加0～30V正向forming电压，器件在26V时完成forming过程，达到所设限制电流100μA。此图显示的是在forming过程中，测得该器件电流和施加电压的关系。
在安捷伦B1500A测试软件设定-5V～5V的扫描电压，扫描电压的一个循环分为4个部分，先从0V扫描到5V，再从5V扫描到0V，然后从0V扫描到-5V，最后从-5V扫描到0V，即完成一个循环，每个部分扫描步数为101，即电压从0V扫描到5V时电流取101个点，测试结果如图4所示。所测器件最小电流即高阻态电流可达10-12A，最大电流即低阻态电流接近10-4A，可以明显看出，本实施例制备的选通器件展现了十分小的漏电流，达到pA级别；并且其低阻态电流和高阻态电流之比超过107，展现了非常高的非线性度。本实施例中器件展示了明显的双向阈值选通特性，有利于器件的集成。
实施例2
本实施例的一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件，所述选通器件从下至上依次包括底电极层、转变层、银插层和顶电极层；其中：所述底电极材料为氮化钛，所述转变层材料为氧化铪薄膜材料，所述顶电极材料为金属钨；所述底电极层的厚度为170nm，所述转变层的厚度为20nm，所述银插层的厚度为2nm，所述顶电极层的厚度为60nm，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为0.16μm2。
本实施例上述所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件采用下述方法制得，所述方法具体包括如下步骤：
(1)对带有氮化钛底电极(底电极为正方形，面积为0.16μm2)的硅衬底进行预处理，底电极的厚度为170nm；
(2)在磁控溅射设备上分别安装氧化铪靶、金属银和钨靶，在设备的真空室中通入惰性气体氩气；
(3)制备转变层：开启磁控溅射射频电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1Pa、温度为290K，功率为20W条件下，在底电极层上沉积氧化铪转变层，溅射时间为10min，沉积完毕后，关闭磁控射频电源，薄膜厚度为20nm。
(4)制备银插层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1Pa、温度为290K，功率为5W条件下，在步骤(3)所述二氧化铪层上沉积金属银插层，溅射时间为5min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为2nm；
(5)制备顶电极层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1Pa、温度为290K，功率为30W的条件下，在步骤(4)所述银插层表面沉积金属钨顶电极层，沉积时间为30min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为60nm。冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化铪转变层的银插层选通器件。
实施例3
本实施例的一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件，所述选通器件从下至上依次包括底电极层、转变层、银插层和顶电极层；其中：所述底电极材料为氮化钛，所述转变层材料为氧化铪薄膜材料，所述顶电极材料为金属钨；所述底电极层的厚度为170nm，所述转变层的厚度为250nm，所述银插层的厚度为40nm，所述顶电极层的厚度为150nm，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为1mm2。
本实施例上述所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件采用下述方法制得，所述方法具体包括如下步骤：
(1)对带有氮化钛底电极(底电极为正方形，面积为1mm2)的硅衬底进行预处理，底电极的厚度为170nm；
(2)在磁控溅射设备上分别安装氧化铪靶、金属银和钨靶，在设备的真空室中通入惰性气体氩气；
(3)制备转变层：开启磁控溅射射频电源，控制真空室内的系统压力为6×10-1Pa、温度为330K，功率为70W条件下，在底电极层上沉积氧化铪转变层，溅射时间为150min，沉积完毕后，关闭磁控射频电源，薄膜厚度为250nm。
(4)制备银插层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为6×10-1Pa、温度为330K，功率为30W条件下，在步骤(3)所述二氧化铪层上沉积金属银插层，溅射时间为25min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为40nm；
(5)制备顶电极层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为6×10-1Pa、温度为330K，功率为60W的条件下，在步骤(4)所述银插层表面沉积金属钨顶电极层，沉积时间为100min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为150nm。冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化铪转变层的银插层选通器件。
实施例4
本实施例的一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件，所述选通器件从下至上依次包括底电极层、转变层、银插层和顶电极层；其中：所述底电极材料为金属钛，所述转变层材料为氧化铪薄膜材料，所述顶电极材料为金属钛；所述底电极层的厚度为170nm，所述转变层的厚度为20nm，所述银插层的厚度为2nm，所述顶电极层的厚度为60nm，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为0.64μm2。
本实施例上述所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件采用下述方法制得，所述方法具体包括如下步骤：
(1)对带有金属钛底电极(底电极为正方形，面积为0.64μm2)的硅衬底进行预处理，底电极的厚度为170nm；
(2)在磁控溅射设备上分别安装氧化铪靶、金属银和钛靶，在设备的真空室中通入惰性气体氩气；
(3)制备转变层：开启磁控溅射射频电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1Pa、温度为290K，功率为20W条件下，在底电极层上沉积氧化铪转变层，溅射时间为10min，沉积完毕后，关闭磁控射频电源，薄膜厚度为20nm。
(4)制备银插层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1Pa、温度为290K，功率为5W条件下，在步骤(3)所述二氧化铪层上沉积金属银插层，溅射时间为5min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为2nm；
(5)制备顶电极层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1Pa、温度为290K，功率为30W的条件下，在步骤(4)所述银插层表面沉积金属钛顶电极层，沉积时间为30min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为60nm。冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化铪转变层的银插层选通器件。
实施例5
本实施例的一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件，所述选通器件从下至上依次包括底电极层、转变层、银插层和顶电极层；其中：所述底电极材料为金属铂，所述转变层材料为氧化铪薄膜材料，所述顶电极材料为金属铂；所述底电极层的厚度为170nm，所述转变层的厚度为20nm，所述银插层的厚度为2nm，所述顶电极层的厚度为60nm，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为0.25μm2。
本实施例上述所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件采用下述方法制得，所述方法具体包括如下步骤：
(1)对带有金属铂底电极(底电极为正方形，面积为0.25μm2)的硅衬底进行预处理，底电极的厚度为170nm；
(2)在磁控溅射设备上分别安装氧化铪靶、金属银和铂靶，在设备的真空室中通入惰性气体氩气；
(3)制备转变层：开启磁控溅射射频电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1Pa、温度为290K，功率为20W条件下，在底电极层上沉积氧化铪转变层，溅射时间为10min，沉积完毕后，关闭磁控射频电源，薄膜厚度为20nm。
(4)制备银插层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1Pa、温度为290K，功率为5W条件下，在步骤(3)所述二氧化铪层上沉积金属银插层，溅射时间为5min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为2nm；
(5)制备顶电极层：开启磁控直流电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1Pa、温度为290K，功率为30W的条件下，在步骤(4)所述银插层表面沉积金属铂顶电极层，沉积时间为30min，沉积完毕后，关闭磁控溅射直流电源，薄膜厚度为60nm。冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化铪转变层的银插层选通器件。
将实施例2～5制得的选通器件分别进行实施例1相同的forming测试和I-V测试，测试结果表明，实施例2～5制备的选通器件均展现了十分小的漏电流，达到pA级别；并且其低阻态电流和高阻态电流之比超过107，展现了非常高的非线性度。另外，各实施例中器件还展示了明显的双向阈值选通特性，有利于器件的集成。
Claims (9)
1.一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件，其特征在于：所述选通器件从下至上依次包括底电极层、转变层、银插层和顶电极层；其中：所述底电极材料为氮化钛、钛或铂中的任一种，所述转换层材料为氧化铪薄膜，所述顶电极材料为金属钨、钛或铂中的任一种。
2.根据权利要求1所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件，其特征在于：所述底电极层的厚度为100～200nm。
3.根据权利要求1所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件，其特征在于：所述转变层的厚度为20～250nm。
4.根据权利要求1所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件，其特征在于：所述银插层的厚度为2～40nm。
5.根据权利要求1所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件，其特征在于：所述顶电极层的厚度为60～150nm。
6.根据权利要求1所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件，其特征在于：所述底电极层、转变层、银插层和顶电极层的形状为矩形或正方形，所述矩形或正方形的边长为0.4μm～1mm。
7.权利要求1所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件的制备方法，其特征在于：所述方法具体包括如下步骤：
(1)对带有底电极的衬底进行预处理；
(2)在磁控溅射设备上分别安装氧化铪靶、金属银、顶电极靶材，在设备的真空室中通入惰性气体；
(3)制备转变层：开启磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1～6×10-1Pa、温度为290～330K，功率为20～70W条件下，在底电极层上沉积氧化铪转变层，溅射时间为10～150min，沉积完毕后，关闭磁控溅射电源；
(4)制备银插层：开启磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1～6×10-1Pa、温度为290～330K，功率为5～30W条件下，在步骤(3)所述二氧化铪层上沉积金属银插层，溅射时间为5～25min，沉积完毕后，关闭磁控溅射电源；
(5)制备顶电极层：开启磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为2×10-1～6×10- 1Pa、温度为290～330K，功率为30～60W的条件下，在步骤(4)所述银插层表面沉积顶电极层，沉积时间为30～100min，沉积完毕后，关闭磁控溅射电源，冷却至室温，得到所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件。
8.根据权利要求7所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述惰性气体优选为体积百分比大于等于99.95％的氩气。
9.根据权利要求7所述的基于氧化铪转变层的银插层选通器件的制备方法，其特征在于：步骤(3)中采用的磁控溅射为射频磁控溅射，步骤(4)、步骤(5)中采用的磁控溅射为直流磁控溅射。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010037678.2A CN111223986B (zh) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010037678.2A CN111223986B (zh) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111223986A true CN111223986A (zh) | 2020-06-02 |
| CN111223986B CN111223986B (zh) | 2023-09-12 |
Family
ID=70831147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010037678.2A Active CN111223986B (zh) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111223986B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111769133A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-13 | 中国科学院微电子研究所 | 一种提升选通管器件性能的方法、系统、设备和介质 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108231823A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-06-29 | 湖北大学 | 一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件及其制造方法 |
| CN108258115A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-07-06 | 湖北大学 | 一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1s1r器件及其制造方法 |
| CN208127244U (zh) * | 2018-03-16 | 2018-11-20 | 湖北大学 | 一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1s1r器件 |
-
2020
- 2020-01-14 CN CN202010037678.2A patent/CN111223986B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108231823A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-06-29 | 湖北大学 | 一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件及其制造方法 |
| CN108258115A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-07-06 | 湖北大学 | 一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1s1r器件及其制造方法 |
| CN208127244U (zh) * | 2018-03-16 | 2018-11-20 | 湖北大学 | 一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1s1r器件 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| XIAOLI HE: ""Heavy Ion Radiation Effects on TiN/HfO2/W Resistive Random Access Memory"" * |
| XIAOLONG ZHAO等: ""Flexible cation-based threshold selector for resistive switching memory integration"" * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111769133A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-13 | 中国科学院微电子研究所 | 一种提升选通管器件性能的方法、系统、设备和介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111223986B (zh) | 2023-09-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Controllable oxygen vacancies to enhance resistive switching performance in a ZrO2-based RRAM with embedded Mo layer | |
| CN101106171B (zh) | 包括可变电阻材料的非易失存储器 | |
| KR100676451B1 (ko) | 고체 전해질 스위칭 소자와 그것을 이용한 ｆｐｇａ,메모리 소자, 및 고체 전해질 스위칭 소자의 제조 방법 | |
| CN109065710B (zh) | 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 | |
| CN108831992A (zh) | 一种铪掺杂氧化锌阻变层的阻变存储器及其制备方法 | |
| JP2011009739A (ja) | 低電力で動作可能なニッケル酸化層を含む抵抗スイッチングメモリセルの製造方法およびそのメモリセル | |
| CN108231823B (zh) | 一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件及其制造方法 | |
| CN111223986B (zh) | 一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法 | |
| CN104518083A (zh) | 一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法 | |
| CN113066927B (zh) | 一种基于掺钛氧化铌的1s1r器件及其制备方法 | |
| CN102820428A (zh) | 一种改进的氧化物薄膜阻变存储器及其改进方法 | |
| CN113113538B (zh) | 一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法 | |
| CN109545964B (zh) | 一种基于氧化物离子注入的选通材料、选通器单元及其制备方法 | |
| CN110752289A (zh) | 一种基于MnZn共掺杂BiFeO3薄膜的阻变存储器及其制备方法 | |
| CN112331766B (zh) | 基于碲化钼的忆阻器及其制备方法、非易失性存储器 | |
| CN101599531B (zh) | 一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Modeling of conducting bridge evolution in bipolar vanadium oxide-based resistive switching memory | |
| CN207993903U (zh) | 一种性能可调控且稳定性高的阻变存储器 | |
| CN113130744B (zh) | 一种基于铝掺杂氧化铌的选通器件及其制备方法 | |
| CN105098065A (zh) | 一种电阻型随机存储器的存储单元的制备方法及其产品 | |
| TWI492371B (zh) | 電阻式隨存記憶體之製作方法 | |
| CN111584710B (zh) | 一种ots材料、选通器单元及其制备方法 | |
| KR101081739B1 (ko) | 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자 | |
| CN111564555B (zh) | 一种改善工作稳定性及存储窗口的阻变存储器及制备方法 | |
| KR102288253B1 (ko) | 초박막 하이브리드 메모리 소자 및 이를 포함하는 수직형 3차원 적층구조 메모리 어레이 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |