CN111276602A - 一种基于钨酸铋材料的非挥发性阻变存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钨酸铋材料的非挥发性阻变存储器，通过脉冲激光沉积方法生长钌酸锶下电极钨酸铋薄膜，并通过掩膜版法制作铂上电极，完成BWO薄膜器件的制备。使用安捷伦安捷伦B1500A测量其I‑V特性曲线，在双对数坐标系下，分析其内部导电机制符合空间电荷限制传导，且正方向具有优异的保持特性，BWO薄膜器件具有制备阻变存储器的潜力。使用安捷伦B1500A、Radiant铁电铁测试仪，对BWO阻变存储器的数据保持特性以及疲劳特性进行测试，评估BWO阻变存储器的可靠性。实验发现，BWO薄膜器件拥有优秀的阻变特性，且具备良好的保持和疲劳特性，可应用于阻变存储器件。
Description
技术领域
本发明涉及阻变薄膜器件及半导体工艺领域，适用于各类阻变薄膜存储器件。
背景技术
随着半导体技术的发展，基于铁电材料的阻变存储器受到了越来越多的关注。阻变存储器具有制造简单，成本低，密度高，运行速度快，可扩展性好和功耗低等优点。
钨酸铋(Bi2WO6，BWO)材料具备如压电、铁电、热释电及催化等物理化学性能，使其在铁磁材料、催化等诸多领域有着广泛的应用。但是，在阻变薄膜器件的研究领域，钨酸铋材料还未有涉及。因此，研究钨酸铋薄膜器件的阻变特性是十分必要的。
本发明提供一种新型基于钨酸铋材料的非挥发性阻变存储器。这种技术有利于拓展新型阻变存储器，推进阻变存储器件的研究与发展。
发明内容
本发明提供了一种基于钨酸铋材料的新型非挥发性阻变存储器。
达成上述目的，本发明提供如下解决方案：
一种生长在钛酸锶(SrTiO3，STO)衬底上铁酸铋(BWO)阻变存储器结构特征包括：STO衬底1、下电极2、BWO薄膜3、上电极4和探针5。上电极4为铜(Au)，下电极2为钌酸锶(SrRuO3，SRO)。下电极2生长在STO衬底1上，BWO薄膜3生长在下电极2上，上电极4生长在BWO薄膜3上。
通过脉冲激光沉积方法(Pulsed Laser Deposition，PLD)生长上述结构的钨酸铋阻变存储器，并对其进行电学性能测量，分析钨酸铋阻变存储器的性能，实现步骤如下。
选择(001)晶向的STO单晶作为衬底材料，并通过脉冲激光沉积方法(PulsedLaser Deposition，PLD)生长15nm厚的SRO薄膜，作为BWO阻变存储器的下电极。
在生长BWO薄膜前，使用氯氮嗪酸蚀刻STO薄膜，是STO薄膜表面裸露出光滑的TiO2-原子层。再通过PLD技术，在SRO薄膜上生长高质量(113)晶向的BWO薄膜。PLD生长BWO薄膜采用波长为248nm，能量密度为～1J cm-2的KrF准分子激光器，脉冲重复频率1Hz。薄膜生长温度700℃，氧气压力13Pa。
实验中，我们通过控制生长时间控制薄膜厚度，并通过扫描电子显微镜(SEM)测量进行确认。而薄膜的相和结晶度则通过X射线衍射法进行确认。
BWO薄膜沉积完成后，提升氧气压力，使BWO薄膜在104Pa的氧气压力下进行慢退火(5℃/分钟)。BWO退火完成后，使用传统的掩膜版技术，在BWO薄膜表面生长厚度为60nm铂(Pt)圆电极。
对上述生长的BWO阻变存储器进行电学性质测量，测量步骤如下。
首先，通过探针台的探针5连接BWO薄膜3与安捷伦B1500A，BWO阻变存储器的下电极2接地，上电极4连接驱动电压。
在室温下，分别测量BWO阻变存储器在正向、负向偏压区域的I-V曲线，分析在双对数坐标系下I-V曲线的斜率变化，判断BWO阻变存储器的导电机制。
为了进一步探索钨酸铋阻变存储器的可靠性，使用安捷伦B1500A对钨酸铋阻变存储器施加长时间的读取电压脉冲，测量钨酸铋阻变存储器的数据保持特性。
使用Radiant Technologie铁电铁测试仪，对钨酸铋阻变存储器施加疲劳脉冲，评估的钨酸铋阻变存储器得耐疲劳特性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1为生长在STO衬底上的BWO阻变存储器结构图。
图2(a)为负向偏压下BFO阻变存储器的I-V曲线。(b)为正向偏压下BFO阻变存储器的I-V曲线，箭头表示扫描方向。
图3为设置不同偏置电压(0V，﹢6V，-6V)后，使用-2→2V扫描BWO阻变存储器的I-V曲线。
图4(a)为BWO阻变存储器数据保持特性测量波形。(b)为BWO阻变存储器数据保持特性曲线。
图5(a)为BWO阻变存储器耐疲劳特性测量波形。(b)为BWO阻变存储器耐疲劳特性曲线。
图1中：1、STO衬底，2、下电极，3、BFO薄膜，4、上电极，5、探针。
具体实施方式
一种钨酸铋(BWO)阻变存储器的结构特征包括：STO衬底1、下电极SRO2、BWO薄膜3、上电极4、探针5，如图1。
首先，选择(001)晶向的STO单晶作为衬底材料，并通过脉冲激光沉积方法(PulsedLaser Deposition，PLD)生长15nm厚的SRO薄膜，作为BWO阻变存储器的下电极。在生长BWO薄膜前，使用氯氮嗪酸蚀刻STO薄膜，是STO薄膜表面裸露出光滑的TiO2-原子层。
再通过PLD技术，在SRO薄膜上生长高质量(113)晶向的BWO薄膜。PLD生长BWO薄膜采用波长为248nm，能量密度为～1J cm-2的KrF准分子激光器，脉冲重复频率1Hz。薄膜生长温度700℃，氧气压力13Pa。
实验中，我们通过控制生长时间控制薄膜厚度，并通过扫描电子显微镜(SEM)测量进行确认。而薄膜的相和结晶度则通过X射线衍射法进行确认。
BWO薄膜沉积完成后，提升氧气压力，使BWO薄膜在104Pa的氧气压力下进行慢退火(5℃/分钟)。BWO薄膜退火完成后，使用传统的掩膜版技术，在BWO薄膜表面生长厚度为60nm铂(Pt)圆电极，实现如图1所示的BWO阻变存储器。
对上述生长的BWO阻变存储器进行电学性质测量，测量步骤如下。
首先，通过探针台的探针5连接BWO薄膜3与安捷伦B1500A，BWO阻变存储器的下电极2接地，上电极4连接驱动电压。在室温下，分别测量BWO阻变存储器在正向、负向偏压区域的I-V曲线，分析在双对数坐标系下I-V曲线的斜率变化，如图2。判断其导电机制符合空间电荷限制传导，阻变效应由陷阱俘获和释放载流子引起。测试条件为：0→5→0V,0→-5→0V,扫描时间2s，测试波形为三角波。
使用小电压-2→2对设置不同偏置电压(0V，﹢5V，-5V)后的BWO阻变存储器进行扫描，如图2。发现其正方向具有优异的保持特性，且高低电阻比超过一个数量级，可作为阻变存储器使用。
为了进一步探索钨酸铋阻变存储器的可靠性，使用安捷伦B1500A对钨酸铋阻变存储器施加长时间的读取电压脉冲，偏置电压为5V，读取脉冲电压为1V，如图4(a)。测量BWO阻变存储器的I-V曲线随时间变化，并绘制保持特性曲线，如图4(b)。发现BWO阻变存储器，在反复读取的情况下，可以有效保持数据104秒左右。
使用Radiant铁电铁测试仪，对钨酸铋阻变存储器施加疲劳脉冲，疲劳脉冲幅值5V，如图5(a)。测量BWO阻变存储器的I-V曲线随疲劳圈数的变化，并绘制疲劳特性曲线，如图5(b)。发现BWO阻变存储器在经受107圈的疲劳后，依旧具有接近一个数量级的高低组比，是制作阻变存储器的优秀材料。
这项工作可以说明，钨酸铋(BWO)薄膜器件拥有优秀的阻变特性，且具备良好的保持和疲劳特性，可应用于阻变存储器件。
Claims (5)
1.一种基于钨酸铋材料的非挥发性阻变存储器，其特征在于：实现该钨酸铋阻变存储器的结构包括STO衬底(1)、下电极(2)、BWO薄膜(3)、上电极(4)；上电极(4)为铂Pt，下电极(2)为钌酸锶；下电极(2)生长在STO衬底(1)上，BWO薄膜(3)生长在下电极(2)上，上电极(4)生长在BWO薄膜(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于钨酸铋材料的非挥发性阻变存储器，其特征在于：选择晶向的STO单晶作为衬底材料，通过脉冲激光沉积方法生长15nm厚的SRO薄膜，作为BWO阻变存储器的下电极；在生长BWO薄膜前，使用氯氮嗪酸蚀刻STO薄膜，裸露出表面光滑的TiO2-原子层；通过PLD技术，在SRO薄膜上生长晶向BWO薄膜；PLD生长薄膜采用波长为248nm，能量密度为～1J cm-2的KrF准分子激光器，脉冲重复频率1Hz；薄膜生长温度700℃，氧气压力13Pa；薄膜沉积完成后，提升氧气压力，使BWO薄膜在104Pa的氧气压力下进行慢退火。
3.根据权利要求2所述的一种基于钨酸铋材料的非挥发性阻变存储器，其特征在于：通过控制生长时间控制薄膜厚度，并通过扫描电子显微镜测量进行确认；而薄膜的相和结晶度则通过X射线衍射法进行确认；BWO薄膜生长完成后，使用掩膜版技术在BWO薄膜表面生长厚度为60nm铂圆电极。
4.根据权利要求1所述的基于BWO材料的非挥发性阻变存储器，其特征在于：使用安捷伦B1500A测量电学特性；通过探针台的探针(5)连接BWO薄膜(3)与安捷伦B1500A，BFO薄膜的下电极(2)接地，上电极(4)连接驱动电压，在室温下，分别测量BWO阻变存储器在正向、负向偏压区域的I-V曲线；并在双对数坐标系下对I-V曲线的斜率变化进行研究，判断钨酸铋阻变存储器的导电机制。
5.根据权利要求1所述的基于钨酸铋材料的非挥发性阻变存储器，其特征在于：使用安捷伦B1500A对钨酸铋阻变存储器施加长时间的读取电压脉冲，测量阻变存储器的保持特性；使用Radiant铁电铁测试仪，评估钨酸铋阻变存储的疲劳特性。
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