CN111785830A

CN111785830A - 基于氧化镓薄膜的阻变存储器及其制备方法

Info

Publication number: CN111785830A
Application number: CN201910271281.7A
Authority: CN
Inventors: 弭伟; 杨正春; 吴健文; 陈煜婷; 李沛君; 赵金石; 张楷亮
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2020-10-16

Abstract

本发明公开基于氧化镓薄膜的阻变存储器及其制备方法，由下电极、阻变层和上电极构成，阻变层为Ga₂O₃薄膜，本发明创新性地使用Ga₂O₃薄膜作为阻变层应用到阻变器件中。Reset过程中通过不同振幅的reset电压而得到了不同的高阻态电压，至少获得2个电阻值。使用Ta作为上电极大幅度的提高了器件的循环特性。为阻变器件的高密度、大规模集成提供了新的方向。

Description

基于氧化镓薄膜的阻变存储器及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料应用领域及微电子技术领域，更加具体地说，涉及一种基于Ga₂O₃薄膜的阻变存储器及其制备方法。

背景技术

随着现代信息技术的快速发展，数据的处理能力不断增强，数据量急剧增长。同时，人们希望可以获得性能优良、价格低廉的存储芯片来存储海量数据。当前主流的非挥发性存储技术以基于电荷存储机制的浮栅型闪存(Flash存储器)为主，随着尺寸的不断缩小，浮栅器件在操作电压、功耗、集成工艺、可靠性、电路设计等方面面临着物理和技术上的瓶颈。近年来，许多铁电存储器(FeRRAM)、磁性存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)等受到各界的广泛关注。其中，阻变存储器作为下一代非易失性存储器的候选者所表现出来的存储潜力大大超过其他几种非易失型器件，其主要优点有结构简单、擦写速度快、存储密度高、重复擦写次数高、尺寸小、多级存储、低功耗并易于CMOS工艺相兼容等众多优点。

阻变存储器(RRAM)技术是以薄膜材料的电阻可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基本工作原理的。在上电极与下电极之间设置有阻变层。阻变层的电阻值在外加电压作用下可以具有两种不同的状态。即高阻态和低阻态，其可以分别用来表征“0”和“1”两种不同的状态。在不同外加电压的作用下，电阻转变型存储器在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间可实现逆转换，以此来实现信息存储功能。

作为一种二元氧化物材料，Ga₂O₃在阻变存储器应用的相关报道中较其他二元氧化物的报道较少，同时在已有的报道中，循环特性只有几百次。我们在报道的文献中，将上电极改为吉布斯自由能与Ga相近的Ta,极大地提升了循环特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Ga₂O₃薄膜的阻变存储器及其制备方法。该阻变存储器利用基于Ga₂O₃薄膜，为阻变器件的高密度，大规模集成提供了新的方向。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种基于Ga₂O₃薄膜的阻变存储器，自下而上由下电极、阻变层和上电极依次叠加设置而成。

而且，下电极厚度为50-200nm、阻变层厚度为10-100nm、上电极厚度为50-200nm。

而且，下电极为导电金属、金属合金、导电金属化合物或其他导电材料中的一种。

而且，上电极为导电金属、金属合金、导电金属化合物或其他导电材料中的一种。

而且，导电金属为Ta、Cu、Ag、W、Ni、Al或Pt的一种；金属合金为Pt/Ti、Ti/Ta、 Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al或Al/Zr合金的一种；导电金属化合物为TiN或ITO；其他导电材料如AZO、FTO、石墨烯或者纳米银线的一种。

而且，上电极、下电极的制备方法可以选择磁控溅射法、离子束溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发沉积法或原子层沉积法中的任意一种。

而且，阻变层为Ga₂O₃薄膜，针对阻变层的制备，可以采用脉冲激光沉积法、反应热蒸发法、喷雾热分解法、射频磁控溅射法、电子束蒸发法、化学气相沉积法或金属有机化合物气相沉积(MOCVD)法中的任意一种。

进一步，本发明中所述电极是由磁控溅射的方法制成。

上述基于Ga₂O₃薄膜的阻变存储器的制备方法，采用磁控溅射方法进行制成，按照下述步骤进行制备：

步骤1，选择硅(如Si/SiO2)为衬底，利用磁控溅射法在硅衬底上设置二氧化钛层作为粘附层；

在步骤1中，使用超声仪进行硅衬底清洗，如将硅衬底(硅片)置于超声仪中，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声15min。

在步骤1中，利用磁控溅射法在硅衬底上设置二氧化钛层时，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、硅衬底温度为室温20—25摄氏度、工作压强为0.3～1Pa、溅射功率为30～100W。

步骤2，利用磁控溅射法在硅衬底的粘附层上设置下电极，即将作为下电极的材料作为靶材料放在靶台上，对硅衬底进行磁控溅射；

在步骤2中，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、衬底温度为室温20—25摄氏度、工作压强为0.3～1Pa、溅射功率为30～100W，通入惰性保护气体，气体流量为10—60sccm，时间为5—60min。

步骤3，利用磁控溅射法在下电极上设置阻变层，即将作为阻变层的材料作为靶材料设置在靶台上，对下电极进行磁控溅射；

在步骤3中，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、衬底温度为室温、工作压强为0.3～1Pa、溅射功率为30～80W，通入惰性保护气体，气体流量为10—60sccm，时间为5—20min。

在步骤3中，阻变层的材料为氧化镓陶瓷靶。

步骤4，利用磁控溅射法在阻变层上设置上电极，即将作为上电极的材料作为靶材料设置在靶台上，对阻变层进行磁控溅射。

在步骤4中，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、衬底温度为室温20—25摄氏度、工作压强为0.3～1Pa、溅射功率为30～100W，通入惰性保护气体流程为10—60sccm，时间为 10—60min。

在制备过程中，采用固相合成法制备相应步骤的靶材料，惰性保护气体为氩气、氮气或者氦气。

本发明还公开了Ga₂O₃薄膜在制备阻变存储器中的应用。

针对本发明的技术方案进行分析如下：(1)Ga₂O₃作为一种二元氧化物，带隙较宽

被认为是理想的阻变介质层候选材料之一，因为它具有固有的高电阻特性和对氧气非常敏感的传导性。(2)在电极材料的选择上，除采用常规导电金属、导电合金、导电化合物如：Cu、Ag；Cu/Ti、Cu/Al；TiN外，我们还采用了一些如石墨烯、纳米银线等的导电材料，通过引入这些材料，可以得到更好的导电效果和更小的导电接触。

本发明的优点：本发明创新性的将Ga₂O₃用于阻变存储器的介质材料，并使用Ta作为上电极，大幅度的提高了器件的循环特性与稳定性，为阻变器件的高密度、大规模集成提供了新的方向。

附图说明

图1为该阻变存储器结构示意图。

图中：1.下电极2.基于Ga₂O₃薄膜结构层3.上电极

图2为本发明中基于Ga₂O₃薄膜阻变器件的电流电压特性曲线图。

图3为本发明中基于Ga₂O₃薄膜阻变器件的循环曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如附图1所示，本发明实施例提供的阻变存储器的结构示意图，本发明实施例提供的阻变存储器包括在衬底上沉积下电极1、阻变层2、上电极3，其中，阻变层为Ga₂O₃薄膜。

实施例1：一种基于Ga₂O₃薄膜的阻变存储器，1为由200nm厚的Pt作为下电极，2为15nm厚的Ga₂O₃层薄膜，3为厚度200nm厚的Ta作为上电极。该阻变器件的制备步骤如下：

(1)清洗硅衬底。

将硅片置于超声仪中，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声15min；

(2)制备粘附层

在上述衬底上利用磁控溅射等方法制备TiO₂做粘附层，磁控溅射真空度小于10^- ⁴Pa、衬底温度为室温、工作压强为0.5Pa、溅射功率为100W。

(3)制备下电极

将作为下电极的靶材料发在靶台上，在硅衬底上利用磁控溅射等技术制备下电极，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、衬底温度为室温、工作压强为0.5Pa、溅射功率为80W，通入氩气流量为36sccm，时间为7min，厚度为200nm。

(4)制备阻变层

作为阻变层的Ga₂O₃靶材放在射频溅射靶台上，对下电极进行磁控溅射，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、衬底温度为室温、工作压强为1Pa、溅射功率为40W，通入惰性保护气体，气体流量为40sccm，时间为10min。

(5)制备上电极

将作为上电极的靶材料放在靶台上，在上述阻变层上，利用磁控溅射等技术制备下电极，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、衬底温度为室温、工作压强为1Pa、溅射功率为50W，通入惰性保护气体，气体流量为43sccm，时间为20min。

实施例2：以实施例1为例，测试方法为使用安捷伦B1500半导体参数分析仪对制备好的阻变器件进行电学测试，如附图2所示。对于一个新的器件，电阻的初始状态为高阻态，需要一个相对较大的电压来激发它后续转变，这个过程定义为forming过程，其电压为forming电压。定义电阻从高阻态转为低阻态过程为set过程，其电压称为set电压。定义电阻从低阻态转为高阻态的过程为reset过程，其电压称为reset电压。图2黑线所示为器件的forming过程，红线分别表示器件的set和reset过程。在set过程中，在0.1V 的读取电压下，器件的电阻值从2364Ω转变为100Ω左右，其高低阻值的比为25倍左右，实现了器件的存储。reset过程中，在-0.1V的读取电压下，电阻值从100Ω回到1520Ω，实现了器件的擦除。由此可知，基于Ga₂O₃薄膜的阻变器表现出阻变层的电阻值在外加电压作用下具有两种不同的状态，即高阻态和低阻态，其可以分别用来表征“0”和“1”两种不同的状态。

图3是所制备的氧化镓阻变器件的循环测试结果图。对器件上电极分别施加1.5V的set电压与-1.5V的reset电压，此为一个循环，即对应于实际应用当中的一次输入信号与一次擦除信号。如此往复循环进行。并在每次施加set、reset电压过程中，测试位于0.1V与-0.1V电压处的电流，从而分别得到高电阻、低电阻的大小。高阻值与低阻值的比值大于10倍，即认为器件有效。

将所得到的电阻值进行绘图，黑色点是低阻值的大小，红色点是高阻值的大小。可以看到器件的有效循环达到了20万次以上，即可以在实际应用当中实现20万次的输入、擦除信号，达到存储器的日常使用需求。

根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现阻变存储器的制备，且表现出与实施例基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.基于氧化镓薄膜的阻变存储器，其特征在于，自下而上由下电极、阻变层和上电极依次叠加设置而成，阻变层为Ga₂O₃薄膜，下电极为导电金属、金属合金、导电金属化合物或其他导电材料中的一种，上电极为导电金属、金属合金、导电金属化合物或其他导电材料中的一种。

2.根据权利要求1所述的基于氧化镓薄膜的阻变存储器，其特征在于，下电极厚度为50-200nm、阻变层厚度为10-100nm、上电极厚度为50-200nm。

3.根据权利要求1或者2所述的基于氧化镓薄膜的阻变存储器，其特征在于，导电金属为Ta、Cu、Ag、W、Ni、Al或Pt的一种；金属合金为Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al或Al/Zr合金的一种。

4.根据权利要求1或者2所述的基于氧化镓薄膜的阻变存储器，其特征在于，导电金属化合物为TiN或ITO；其他导电材料如AZO、FTO、石墨烯或者纳米银线的一种。

5.基于氧化镓薄膜的阻变存储器的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射方法进行制成，按照下述步骤进行制备：

6.根据权利要求5所述的基于氧化镓薄膜的阻变存储器的制备方法，其特征在于，在步骤1中，使用超声仪进行硅衬底清洗，如将硅衬底(硅片)置于超声仪中，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声15min；利用磁控溅射法在硅衬底上设置二氧化钛层时，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、硅衬底温度为室温20—25摄氏度、工作压强为0.3～1Pa、溅射功率为30～100W。

7.根据权利要求5所述的基于氧化镓薄膜的阻变存储器的制备方法，其特征在于，在步骤2中，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、衬底温度为室温20—25摄氏度、工作压强为0.3～1Pa、溅射功率为30～100W，通入惰性保护气体，气体流量为10—60sccm，时间为5—60min。

8.根据权利要求5所述的基于氧化镓薄膜的阻变存储器的制备方法，其特征在于，在步骤3中，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、衬底温度为室温、工作压强为0.3～1Pa、溅射功率为30～80W，通入惰性保护气体，气体流量为10—60sccm，时间为5—20min；阻变层的材料为氧化镓陶瓷靶。

9.根据权利要求5所述的基于氧化镓薄膜的阻变存储器的制备方法，其特征在于，在步骤4中，磁控溅射真空度小于10^-4Pa、衬底温度为室温20—25摄氏度、工作压强为0.3～1Pa、溅射功率为30～100W，通入惰性保护气体流程为10—60sccm，时间为10—60min。

10.Ga₂O₃薄膜在制备阻变存储器中的应用。