CN113066927A - 一种基于掺钛氧化铌的1s1r器件及其制备方法 - Google Patents
一种基于掺钛氧化铌的1s1r器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113066927A CN113066927A CN202110170101.3A CN202110170101A CN113066927A CN 113066927 A CN113066927 A CN 113066927A CN 202110170101 A CN202110170101 A CN 202110170101A CN 113066927 A CN113066927 A CN 113066927A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- titanium
- niobium oxide
- doped niobium
- layer
- bottom electrode
- 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
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 82
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 73
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 40
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 38
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 22
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 14
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 11
- ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N niobium pentoxide Inorganic materials O=[Nb](=O)O[Nb](=O)=O ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 5
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract description 82
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 23
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 23
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 23
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 16
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 5
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 abstract description 5
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 18
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 description 15
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 2
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000007334 memory performance Effects 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008568 cell cell communication Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 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
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 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
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/20—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes
-
- 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
-
- 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
-
- 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
-
- 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
- H10N70/841—Electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件及其制备方法，该器件包括：底电极；转换层；阻变层；顶电极；转换层为钛掺杂的氧化铌。本申请的器件，转换层为钛掺杂的氧化铌，基于该材料制得的选通管有操作电压十分稳定、抗高脉冲电流等优点；阻变层采用氮化硅薄膜，由于氮化物的存在使得氧空位移动受到限制，使得氧空位更为可控。本申请采用掺钛氧化铌作为选通管功能层和氮化硅薄膜作为阻变层，使制得的1S1R器件具有稳定的SET电压、RESET电压、负极性阈值电压和正极性保持电压等相关操作电压，明显的存储窗口和选通比(非线性值)，在直流耐受性测试中表现出较强的稳定性，因此能够有效地减小漏电流，有一定的抗串扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及信息存储技术领域，尤其涉及一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件及其制备方法。
背景技术
随着大数据时代的到来，需要存储分析的信息正在爆炸式增长,因此存储器有着巨大的需求和市场，不断提高存储器的性能成为信息科学领域的一个关键性基础问题。随着半导体技术节点的不断向前推进，摩尔定律在逐渐受到挑战，目前主流的基于电荷存储机制的浮栅结构的闪存存储器也正面临着严重的技术挑战，当其特征尺寸缩小到16nm以下，继续缩小将面临诸多物理极限，如浮栅耦合、电荷泄露、相邻单元之间的串扰问题等，因此亟待寻求下一代非挥发性存储器。
阻变存储器(RRAM)因其结构简单、功耗低、单元尺寸小、器件密度高、编程/擦写速度快、且与互补金属氧化物(CMOS)工艺兼容等特点，与传统闪存相比具有明显优势，被认为是最适合三维集成的新型存储器之一。所以，RRAM成为重要的下一代存储技术之一，具有取代现有主流Flash存储器的潜力，受到工业界和学术界的高度重视。在RRAM的存储阵列架构中，由于RRAM单元置于低阻态时的欧姆导电特性，使得在读取某一阻变单元阻值时，其相邻交叉单元若也处于低阻态便会有电流流过，使得读取到的阻值不准确，这个过程称为串扰效应(Cross-Talk)，相邻低阻单元上的电流称为漏电流或串扰电流。当存储阵列变大或多层阵列堆叠时,更多的漏电流将使串扰效应更加严重，使得读取到的信息不准确，此外，漏电流还会引起功耗增大等问题。
为解决串扰问题，目前主要的解决方法有：一、集成一个具有整流特性的二极管，构成1D1R(D是二极管，R是RRAM单元)结构，但这种结构只适用于单极性的RRAM；二、设计自整流RRAM器件，使器件在低阻态时具有整流特性，但该类器件的性能还不够稳定；三、采用互补型阻变存储器(CRS)结构，但CRS结构复杂制备困难；四、集成一个场效应晶体管构成1T1R结构，但该结构单元面积大，占用硅衬底面积，不利于三维集成；五、集成一个选通管构成1Selector-1 RRAM(1S1R)结构。其中1S1R结构，结构简单、不依赖CMOS工艺的前段制程，可以实现最小的存储单元面积4F2(F为特征尺寸)等自身优势。
三维集成技术是RRAM实现超高密度存储的必然选择，要实现这一点，1S1R结构单元成为了关键。因此，只有得到性能稳定、抑制漏电流效果优异的1S1R单元，解决阵列中存在的串扰问题之后，才能将1S1R应用到RRAM的三维存储阵列当中。
当前RRAM的三维存储阵列主要有两种：一种是交叉阵列多层堆叠结构(X-point交叉阵列)，即把二维交叉阵列结构重复制备，堆积多层形成；另一种方法是垂直交叉阵列结构(V-point垂直阵列)，即把传统的水平交叉阵列结构旋转90度并在水平方向重复延伸形成垂直交叉结构三维阵列。在当前已有技术中，只有当RRAM和选通器件集成形成1S1R器件时保留中间电极才有稳定性能，需要注意的是，V-point三维垂直结构不能接受RRAM器件和选通器件集成时存在中间电极，因为其特殊结构导致在有中间电极时同一垂直支柱上的单元之间存在短路连通的风险，因此，V-point三维垂直结构中的器件单元需要是一个没有中间电极的1S1R器件。
因此，如何提高善1S1R器件的稳定性、减小1S1R器件的漏电流以及没有中间电极的1S1R器件，成为本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件及其制备方法，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。
第一方面，本发明提供了一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件，包括：
底电极；
转换层，位于所述底电极一侧表面；
阻变层，位于所述转换层远离所述底电极一侧表面；
顶电极，位于所述阻变层远离所述底电极一侧表面；
其中，所述转换层的材料为钛掺杂的氧化铌。
可选的，所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，所述阻变层的材料为氮化硅。
可选的，所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，所述底电极的材料为Ti、Pt、W或TiN中的一种；所述顶电极的材料为Pt或Ti中的一种。
可选的，所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，所述底电极的厚度为180～220nm，所述转换层的厚度为80～100nm，所述阻变层的厚度为40～60nm，所述顶电极的厚度为60～100nm。
可选的，所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，所述顶电极的形状为矩形或圆形，所述矩形的边长为50～1000μm，所述圆形的直径为50～1000μm。
第二方面，本发明还提供了一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，包括以下步骤：
提供底电极；
在所述底电极表面制备转换层；
在所述转换层远离所述底电极一侧的表面制备阻变层；
在所述阻变层远离所述底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，所述转换层的材料为钛掺杂的氧化铌。
可选的，所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，在所述底电极表面制备转换层具体包括：
以金属钛、五氧化二铌为靶材，利用磁控溅射法在所述底电极表面共沉积得到钛掺杂的氧化铌即为转换层。
可选的，所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，所述阻变层的材料为氮化硅材料，所述阻变层的制备方法具体为：
以氮化硅为靶材，利用磁控溅射法在所述转换层表面制备得到氮化硅即为阻变层。
可选的，所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，所述顶电极的材料为Ti，所述顶电极的制备方法具体为：
以钛为靶材，利用磁控溅射法在所述阻变层表面制备得到钛即为顶电极。
可选的，所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，五氧化二铌靶材溅射功率为40～60W，金属钛靶材溅射功率为15～30W。
本发明的一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本申请的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，转换层的材料为钛掺杂的氧化铌，钛掺杂的氧化铌转换层作为选通管，钛掺杂后使其产生了更多的氧空位，大量的氧空位形成的氧空位细丝十分稳定，即氧空位的移动更为可控，使得选通管内部的细丝部分稳定，而剩下的氧化铌转变区可以更加稳定的工作，从而使得基于该材料制得的选通管在独立使用过程中不需要Forming过程(Forming过程即在使用选通管器件之前需要一个大电压来驱动器件，此处基于掺钛氧化铌的选通管不需要这一过程)，且正负极性的阈值电压和保持电压均近乎重合十分稳定，引入该选通管使得本发明制得的1S1R器件也具有较为稳定的正极性保持电压和负极性阈值电压，且这两个电压参数都拥有很大的亚阈值斜率；本申请采用掺钛的氧化铌转换层作为选通管，使制得的1S1R器件具有高的开态电流密度、可以抗高脉冲电流的优点；
(2)本申请的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，采用电学性质非常稳定的氮化硅存储薄膜作为阻变层，由于氮化物的存在使得氧空位移动受到限制，使得氧空位更为可控，基于该材料制得的阻变层存储器性能稳定，具有稳定的SET电压和RESET电压，以及稳定的存储窗口，制得的1S1R器件也具有稳定的电学性能，同样拥有稳定的SET电压和RESET电压，以及明显的存储窗口；
(3)本申请的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，具有稳定的SET电压、RESET电压、阈值电压和保持电压等相关电压，明显的存储窗口比和非线性比，因此能够有效地减小漏电流，有一定的抗串扰能力，在直流耐受性测试中表现出较强的稳定性；
(4)本申请的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，没有中间电极，可同时应用于X-point交叉阵列和V-point垂直阵列中，为RRAM实现超高密度三维存储阵列提供了技术支撑，在工业和学术上都有很高的价值，应用前景十分广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1制备得到的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的FIB-SEM示意图；
图3为本发明的实施例1制备得到的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的Forming过程的I-V曲线图；
图4为本发明的实施例1制备得到的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的I-V曲线图；
图5为本发明的实施例1制备得到的基于掺钛氧化铌的1S1R器件1/2读取法则下的阻态分布图；
图6为本发明的实施例1制备得到的基于掺钛氧化铌的1S1R器件1/3读取法则下的阻态分布图；
图7为本发明的实施例1制备得到的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的相关电压盒子分布图；
图8为本发明的实施例1制备得到的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的相关电压统计分布图；
图9为本发明的实施例2制备得到的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的I-V曲线图；
图10为本发明的实施例3制备得到的基于掺钛的氧化铌选通管器件的I-V曲线图；
图11为对比例1制备得到的RRAM器件的I-V曲线图；
图12为对比例2制备得到的1S1R器件的I-V曲线图；
图13为对比例3制备得到的1S1R器件的I-V曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件，包括：
底电极1；
转换层2，位于底电极1一侧表面；
阻变层3，位于转换层3远离底电极一侧表面；
顶电极4，位于阻变层3远离底电极1一侧表面；
其中，转换层2的材料为钛掺杂的氧化铌。
需要说明的是，本发明的1S1R器件，包括底电极1、转换层2、阻变层3和顶电极4，转换层2的材料为钛掺杂的氧化铌(NbOx)，钛掺杂的氧化铌转换层作为选通管，钛掺杂后使其产生了更多的氧空位，大量的氧空位形成的氧空位细丝十分稳定，即氧空位的移动更为可控，使得选通管内部的细丝部分稳定，而剩下的氧化铌(NbOx)转变区可以更加稳定的工作，从而使得基于该材料制得的选通管正负极性的阈值电压和保持电压均近乎重合十分稳定，引入该选通管使得本发明制得的1S1R器件也具有较为稳定的正极性保持电压和负极性阈值电压，且这两个电压参数都拥有很大的亚阈值斜率；本发明采用掺钛的氧化铌转换层作为选通管，基于该材料制得的选通管有一个重要的特性就是具有高的开态电流密度以及可以抗过冲电流的特点，引入该选通管使本发明制得的1S1R器件具有高的开态电流密度、可以抗高脉冲电流的优点。
具体的，本申请实施例中，阻变层的材料为氮化硅(SiNOx)，底电极的材料为Ti、Pt、W或TiN中的一种；所述顶电极的材料为Pt或Ti中的一种；底电极的厚度为180～220nm，转换层的厚度为80～100nm，阻变层的厚度为40～60nm，顶电极的厚度为60～100nm。
需要说明的是，本申请中阻变层材料使用纯度为99.99％的Si3N4在射频磁控溅射仪中溅射得到的薄膜，溅射过程中会带入少量的氧，因而使得氮化硅基阻变存储器性能稳定，少量氧空位在氮化物中移动受限，使得氮化硅基阻变存储器表现出可控的阻变性能。当阻变存储器顶电极接正偏压而底电极接地时，表现出正电的氧空位在电场的驱动下，从底电极到顶电极形成一条氧空位导电细丝，从而使得器件从高阻态状态转变为低阻态，反之当接负偏压时，氧空位导电细丝从顶电极那一端开始破裂，从而使得器件从低阻态转变为高阻态。
具体的，本申请实施例中，顶电极的形状为矩形或圆形，矩形的边长为50～1000μm，圆形的直径为50～1000μm，实际中顶电极可阵列排布在阻变层3上。
本发明的1S1R器件，采用电学性质非常稳定的氮化硅存储薄膜作为阻变层，由于氮化物的存在使得氧空位移动受到限制，使得氧空位更为可控，基于该材料制得的阻变层存储器性能稳定，具有稳定的SET电压和RESET电压，以及稳定的存储窗口，制得的1S1R器件也具有稳定的电学性能，同样拥有稳定的SET电压和RESET电压，以及明显的存储窗口；从整体上看，本发明的1S1R器件具有稳定的SET电压、RESET电压、阈值电压和保持电压等相关电压，明显的存储窗口比和非线性比，因此能够有效地减小漏电流，有一定的抗串扰能力，在直流耐受性测试中表现出较强的稳定性。
传统方法在制备1S1R器件时，往往得不到1S1R性能，因为用其他一些材料的选通管(有氧空位型、金属细丝型等)和一些其他材料的阻变存储器(同样也分氧空位型、金属细丝型等)直接堆叠集成成为1S1R器件时，两个功能层之间会互相干扰，氧空位或者金属丝会相互渗透，导致两个器件都失效，因此得不到稳定的1S1R性能。所以以往的1S1R器件往往有中间电极辅以连接，或者用导线连接分立的两个器件从而形成1S1R器件，前者集成了中间电极不适于应用于的V-point类型的集成存储阵列当中，后者只能得到1S1R性能而不能用于集成的存储阵列当中；而本发明的1S1R器件，采用有着不需要Fomring过程、且能抗过冲电流等一系列优点的掺钛氧化铌选通管和基于对氧空位移动有抑制作用的氮化物材料的阻变存储器器件。同时，在它们分立工作的过程中都各自具有极其稳定的性能。所以两器件直接集成堆叠形成的1S1R器件在使用过程中，两层功能层在各自发挥功能的工程中，之间的氧空位移动做到几乎互不干扰，各自保持其优异的性能和稳定性，因而不需要中间电极，也能表现出优异的性能和稳定性。本发明的1S1R器件可同时应用于X-point交叉阵列和V-point垂直阵列中，为RRAM实现超高密度三维存储阵列提供了技术支撑，在工业和学术上都有很高的价值，应用前景十分广阔。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了上述基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供底电极；
S2、在底电极表面制备转换层；
S3、在转换层远离底电极一侧的表面制备阻变层；
S4、在阻变层远离底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，转换层的材料为钛掺杂的氧化铌。
S2中具体为：在磁控溅射设备上安装金属钛靶、五氧化二铌靶，室温下控制磁控溅射设备的真空室内的系统压强在通入氩气后为4.1×10-1Pa，在五氧化二铌靶功率为40～60W和Ti靶功率为15～30W的条件下，在底电极之上共溅沉积制备得到钛掺杂的氧化铌即为转换层。显然实际中，除了磁控溅射法，还可以采用化学气相沉积和其它物理气相沉积。
S3具体为：阻变层的材料为氮化硅材料，在磁控溅射设备上安装氮化硅靶材，室温下控制磁控溅射设备真空室内的系统压强在通入氩气后为4.1×10-1Pa，在溅射功率为40～60W条件下，在转换层表面沉积氮化硅薄膜即得阻变层。显然实际中，除了磁控溅射法，还可以采用化学气相沉积和其它物理气相沉积。
S4具体为：顶电极的材料为Ti，顶电极的制备方法具体为：在磁控溅射设备上安装钛靶材，室温下控制磁控溅射设备真空室内的系统压强在通入氩气后为4.1×10-1Pa，在溅射功率为40～60W条件下，在阻变层表面沉积钛薄膜即为顶电极。显然实际中，除了磁控溅射法，还可以采用化学气相沉积和其它物理气相沉积。
以下进一步以具体实施例说明书本申请的1S1R器件及其制备方法。
实施例1
本实施例提供了一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件，包括：
底电极1、转换层2、阻变层3、顶电极4，转换层2的材料为钛掺杂的氧化铌(NbOx(Ti-doped))，底电极1材料为Pt，阻变层3的材料为氮化硅(SiNOx)薄膜材料，顶电极4材料为Ti薄膜材料；底电极厚度约为200nm；转换层2厚度约为100nm；阻变层厚度约为40nm；顶电极厚度约为105nm，顶电极的形状为圆形，直径为200μm。
上述1S1R器件的制备方法为：
S1、对带有Pt底电极的载膜基材表面进行预处理，预处理方法为：依次使用丙酮、乙醇、去离子水在超声仪中超声清洗30min，之后取出并利用高压气体使其干燥其；本申请中带有Pt底电极的载膜基材购买自合肥科晶公司，具体的，在Si片上依次沉积500nm厚的SiO2、50nm厚的Ti和200nm厚的Pt；实际中载膜基材还可采用TiN基底(在Si片上依次沉积500nm厚的SiO2、50nm厚的Ti和200nm厚的TiN)、W基底(在Si片上依次沉积500nm厚的SiO2、100nm厚的W)和Ti基底(在Si片上依次沉积500nm厚的SiO2、100nm厚的Ti)等；
S2、在磁控溅射设备上安装金属钛靶、五氧化二铌靶，室温下控制磁控溅射设备的真空室内的系统压强在通入氩气后为4.1×10-1Pa，在五氧化二铌靶功率为50W和Ti靶功率为20W的条件下，在Pt底电极表面共溅沉积制备得到钛掺杂的氧化铌即为转换层，沉积时间为1800s；
S3、在磁控溅射设备上安装氮化硅靶材，室温下控制磁控溅射设备真空室内的系统压强在通入氩气后为4.1×10-1Pa，在溅射功率为40W条件下，在转换层表面沉积氮化硅薄膜即得阻变层，沉积时间为2400s；
S4、在磁控溅射设备中安装钛靶材，室温下控制磁控溅射设备真空室内的系统压强在通入氩气后为4.1×10-1Pa，在溅射功率为40W条件下，在阻变层表面沉积钛薄膜即为顶电极，沉积时间为1800s。
实施例2
本实施例的1S1R器件结构和制备方法均同实施例1，区别仅在于，在本实施例中制备转换层的步骤当中，五氧化二铌靶的溅射功率为40W，其他参数均与实施例1相同。
实施例3
本实施例的1S1R器件结构和制备方法均同实施例1，区别仅在于，在本实施例中制备转换层的步骤当中，Ti靶的溅射功率为21W，其他参数均与实施例1相同。
对比例1
本对比例的选通管器件结构和制备方法均同实施例1，区别仅在于，本对比例的选通管器件结构中不含氮化硅阻变层，即，本对比例的选通管器件从下至上依次仅包括底电极层、转换层和顶电极层，其他参数均与实施例1相同。
对比例2
本对比例的RRAM器件结构和制备方法均同实施例1，区别仅在于，本对比例的RRAM器件结构中不含钛掺杂的氧化铌转换层，即，本对比例的RRAM器件从下至上依次仅包括底电极层、阻变层和顶电极层，其他参数均与实施例1相同。
对比例3
本对比例的1S1R器件结构和制备方法均同实施例1，区别仅在于，本对比例的1S1R器件结构中转换层为氧化铌转换层，其他参数均与实施例1相同。
性能测试：
使用蔡司crossbeam 540聚焦离子束双束系统表征实施例1中制备得到的1S1R器件，FIB-SEM截面图像如图2所示。
分别将实施例1、2中制得的1S1R器件和对比例1、2中制得的1S1R器件进行I-V测试，测试是在安捷伦B1500A半导体参数分析仪测试平台上进行的，这里主要对实施例1中1S1R器件进行详细地说明。
利用两根探针分别接触实施例1中1S1R器件的顶电极和底电极，其中接触顶电极的一端为正电压；首先是Forming过程，利用安捷伦B1500A测试软件设置一个较大的正向扫描电压(8V,4mA限流)激活器件，使其软击穿形成导电通道，如图3所示；随后负向用一个小电压(-2V,100mA限流)，使导电通道断裂回到高阻态；然后利用安捷伦B1500A测试软件设定-1.7V～+2V的扫描电压，扫描电压工作一个循环分为四部分，先从0V扫描到+2V，再从+2V扫描到0V，这两个部分设置限流为3mA；然后从0V扫描到-1.7V，最后从-1.7V扫描到0V，这两个部分不限流即限流为100mA。即完成一个循环，每一部分扫描步数为101，即电压从0V扫描到+2V时电流取101个读取点，其I-V循环测试图如图4所示，其在一定读取电压时并在1/2读取规则和1/3读取规则下的阻态分布图如图5～6所示，其SET电压(转变电压)、RESET电压(复位电压)等相关电压分布图如图7～8所示。
需要说明的是，1/2读取规则和1/3读取规则具体可参考文献Kim,etal.Numerical study of read scheme in one-selector one-resistor crossbar array[J].Solid State Electronics,2015.DOI:10.1016/j.sse.2015.08.001。以单层的十字交叉阵列为例，1/2读取规则即所有未选择字线和位线上的电压设置为读取电压的一半(1/2Vread)，而选择单元的字线接地，位线电压设置为读取电压(Vread)。在1/2读取格则中，所有未选择的字线和位线偏置为读取电压的一半(1/2Vread)，并且大部分泄漏电流源自所选字线和位线中的半选择单元。1/3读取规则即所有未选择字线上电压设置为读取电压的2/3(2/3Vread)，未选择位线上电压设置为读取电压的1/3(1/3Vread)，而选择单元的字线接地，位线电压设置为读取电压(Vread)。在1/3读取规则下，从所有字线和所有位线中的所有三分之一选择单元产生漏电流。当1S1R器件性能越好，漏电流越小。
图7中横坐标每个电压对应一个盒子，盒子的值均表现出集中，体现出各个操作电压离散性很小、十分稳定。
图9～10为基于实施例2、3制得的1S1R器件的I-V循环测试图；图11为基于对比例1制得的1S1R器件的I-V循环测试结果图；图12为基于对比例2制得的1S1R器件的I-V循环测试结果图；图13为对比例3制得的的1S1R器件的I-V循环测试结果图(60个循环)。
由图4可知，该1S1R器件具有较大的存储窗口和较大的选通比(非线性值)，有效地减小了漏电流，获得了具有抗串扰能力的忆阻器基本性能。对于正向扫描，当扫描电压大于选通管器件的阈值电压时，选通管器件打开，但整个器件要当电压达到阻变单元的转变电压(Vset)才会转变到低阻态。在电压降至保持电压(Vhold+)之前选通管器件始终保持为开启状态，当电压小于保持电压选通管关闭，整个器件又转变到高阻态，起到抑制漏电流的效果；对于负向扫描，当电压达到阈值电压(Vth-)选通管开启，器件转变到低阻态，当电压进一步增大到阻变单元的复位电压(Vreset)，阻变单元转变高阻态，在回扫过程中选通管也关闭，器件转变保持高阻态。
本申请的1S1R器件的核心是具有稳定阻变性能的氮化硅(SiNOx)薄膜材料和具有优异选通性能的掺钛的氧化铌[NbOx(Ti-doped)]薄膜材料。结合图5～8可知，该1S1R器件SET、RESET等相关电压稳定性均较好，在130个直流循环内，阻态保持稳定，特别是相比于基于不掺钛氧化铌选通管和氮化硅阻变层的1S1R器件，稳定性有明显提升(对比图11～13)。此外，该1S1R没有集成中间电极，可同时运用于X-point三维存储阵列和V-point垂直型三维存储阵列中，为RRAM实现超高密度三维存储阵列提供了技术支撑。综上所述，本器件具有优异且稳定的性能，具有很高的应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件，其特征在于，包括：
底电极；
转换层，位于所述底电极一侧表面；
阻变层，位于所述转换层远离所述底电极一侧表面；
顶电极，位于所述阻变层远离所述底电极一侧表面；
其中，所述转换层的材料为钛掺杂的氧化铌。
2.如权利要求1所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，其特征在于，所述阻变层的材料为氮化硅。
3.如权利要求1所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，其特征在于，所述底电极的材料为Ti、Pt、W或TiN中的一种；所述顶电极的材料为Pt或Ti中的一种。
4.如权利要求1所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，其特征在于，所述底电极的厚度为180～220nm，所述转换层的厚度为80～100nm，所述阻变层的厚度为40～60nm，所述顶电极的厚度为60～100nm。
5.如权利要求1所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件，其特征在于，所述顶电极的形状为矩形或圆形，所述矩形的边长为50～1000μm，所述圆形的直径为50～1000μm。
6.一种基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供底电极；
在所述底电极表面制备转换层；
在所述转换层远离所述底电极一侧的表面制备阻变层；
在所述阻变层远离所述底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，所述转换层的材料为钛掺杂的氧化铌。
7.如权利要求6所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，其特征在于，在所述底电极表面制备转换层具体包括：
以金属钛、五氧化二铌为靶材，利用磁控溅射法在所述底电极表面共沉积得到钛掺杂的氧化铌即为转换层。
8.如权利要求6所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，其特征在于，所述阻变层的材料为氮化硅材料，所述阻变层的制备方法具体为：
以氮化硅为靶材，利用磁控溅射法在所述转换层表面制备得到氮化硅即为阻变层。
9.如权利要求6所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，其特征在于，所述顶电极的材料为Ti，所述顶电极的制备方法具体为：
以钛为靶材，利用磁控溅射法在所述阻变层表面制备得到钛即为顶电极。
10.如权利要求7所述的基于掺钛氧化铌的1S1R器件的制备方法，其特征在于，五氧化二铌靶材溅射功率为40～60W，金属钛靶材溅射功率为15～30W。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110170101.3A CN113066927B (zh) | 2021-02-03 | 2021-02-03 | 一种基于掺钛氧化铌的1s1r器件及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110170101.3A CN113066927B (zh) | 2021-02-03 | 2021-02-03 | 一种基于掺钛氧化铌的1s1r器件及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113066927A true CN113066927A (zh) | 2021-07-02 |
| CN113066927B CN113066927B (zh) | 2023-04-07 |
Family
ID=76558735
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110170101.3A Active CN113066927B (zh) | 2021-02-03 | 2021-02-03 | 一种基于掺钛氧化铌的1s1r器件及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113066927B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113643741A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-12 | 湖北大学 | 一种基于1s1r的逻辑运算单元及运算方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104485418A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-01 | 中国科学院微电子研究所 | 一种自选通阻变存储器单元及其制备方法 |
| 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 |
| CN108539014A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-09-14 | 湖北大学 | 一种基于铌的氧化物的选通器件及其制备方法 |
| CN109638154A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-04-16 | 湖北大学 | 一种基于铪钛氧复合薄膜的柔性选通管器件及其制备方法 |
-
2021
- 2021-02-03 CN CN202110170101.3A patent/CN113066927B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104485418A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-01 | 中国科学院微电子研究所 | 一种自选通阻变存储器单元及其制备方法 |
| 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 |
| CN108539014A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-09-14 | 湖北大学 | 一种基于铌的氧化物的选通器件及其制备方法 |
| CN109638154A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-04-16 | 湖北大学 | 一种基于铪钛氧复合薄膜的柔性选通管器件及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JU HYUN PARK: "Ti-Doped GaOx Resistive Switching Memory with Self-Rectifying Behavior by Using NbOx/Pt Bilayers", 《APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113643741A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-12 | 湖北大学 | 一种基于1s1r的逻辑运算单元及运算方法 |
| CN113643741B (zh) * | 2021-08-16 | 2023-12-15 | 湖北大学 | 一种基于1s1r的逻辑运算单元及运算方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113066927B (zh) | 2023-04-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9576660B2 (en) | Low forming voltage non-volatile storage device | |
| CN101030622B (zh) | 非易失存储器件和非易失存储器阵列 | |
| EP1858074B1 (en) | Nonvolatile memory device using oxygen-deficient metal oxide layer and method of manufacturing the same | |
| KR100790882B1 (ko) | 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자 | |
| CN102986048B (zh) | 具有电阻开关层以及侧向布置的存储单元 | |
| CN102157526B (zh) | 存储元件和存储装置 | |
| CN108258115B (zh) | 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 | |
| US9978941B2 (en) | Self-rectifying resistive random access memory cell structure | |
| CN101192647A (zh) | 包括无定形合金金属氧化物层的非易失性存储装置 | |
| US20120168706A1 (en) | Resistance random access memory | |
| US10720578B2 (en) | Self-gating resistive storage device having resistance transition layer in vertical trench in stacked structure of insulating dielectric layers and electrodes | |
| CN113066927B (zh) | 一种基于掺钛氧化铌的1s1r器件及其制备方法 | |
| Ren et al. | Pt/Al 2 O 3/TaO X/Ta self-rectifying memristor with record-low operation current (< 2 pA), low power (fJ), and high scalability | |
| US8531861B2 (en) | One time programming memory and method of storage and manufacture of the same | |
| CN110783453B (zh) | 一种双模阻变存储器件及其制备方法 | |
| US9831424B2 (en) | Nanoporous metal-oxide memory | |
| CN101577311A (zh) | 一次编程存储器及其制造方法 | |
| CN112885868A (zh) | 一种基于氧化铌选通管的1s1r器件及其制备方法 | |
| CN112885869A (zh) | 一种基于金属性插层的1s1r器件及其制备方法 | |
| 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 | |
| CN111223986A (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 | |
| CN101969100A (zh) | 一种非易失性阻变存储器及其制备方法 | |
| CN110752293A (zh) | 一种双向阈值开关选择器件及其制备方法 | |
| CN112397648B (zh) | 基于钛掺杂的氧化铌选通管及其制备方法 | |
| WO2022257280A1 (zh) | 一种双极选通忆阻器的制备方法及双极选通忆阻器 |
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 |