CN208127213U - 一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件 - Google Patents
一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件。本实用新型的选通器件从下至上依次包括底电极层、氧化锆隧穿层、氧化铌转换层和顶电极层；所述底电极层的厚度为50～300nm，所述隧穿层的厚度为1～5nm，所述转换层的厚度为30～100nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm。本实用新型在氧化铌转换层和底电极层之间增加了一层超薄的氧化锆隧穿层，氧化锆隧穿层有效减小了器件的操作电流和操作电压，可显著降低器件的使用功耗，增加高阻态电阻值，提升非线性度，因此，本实用新型制得的选通器件非线性值高，非常具有发展潜力和应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及信息存储技术，更具体地说，本实用新型涉及一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件。
背景技术
传统多晶硅闪存技术在持续微缩到20nm以下技术节点后面临一系列技术限制和理论极限，已难以满足超高密度的存储要求，因此开发新型存储技术已成为下一代高密度存储器件的迫切需求。阻变存储器(RRAM)具有单元尺寸小，器件结构简单，操作速度快，功耗低，微缩性好，易于集成等优点，已成为下一代非挥发存储技术的有力竞争者，具有广阔的应用前景。但是，RRAM在集成过程中存在明显的串扰问题，从而造成存储信息误读，引起信息的缺少。基于此，选择器件成为RRAM集成的必然选择。选择器包括硅基选通管，氧化物势垒选通管，阈值开关选通管，混合离子-电子导体选通管和场助非线性选通管等。其中选通管(seletor)可以看作是一种非线性电阻，其在低电压和高电压下的阻值差距非常大，常常有几个数量级的差别，可广泛应用于包括相变存储在内的3D存储集成架构，组成1S1R结构。1S1R结构是指串联一个阻变存储器和一个双向选通管器件来共同构成一个存储单元，在抑制串扰电流的同时还能够保持与单个阻变器件相同的器件尺寸，可以实现十字交叉阵列的高密度集成。
然而，选通管的选择能力直接决定了存储器的集成密度。目前，选通管的非线性比较低，不能满足超大规模存储的集成需求，因此提高选通器件的非线性比成为研究的首要目标。
实用新型内容
针对背景技术中所指出的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，本实用新型的选通器件在氧化铌和底电极之间增加一层超薄的氧化锆隧穿层，提高了选通器件的非线性。
为了实现本实用新型的上述目的，发明人经过大量的试验研究，开发出了一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述选通器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中：所述底电极层为FTO、ITO、ZTO或TiN材料中的任一种，所述隧穿层为氧化锆薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料，所述的氧化铌为NbOx。
进一步地，上述技术方案中所述的氧化铌为五氧化二铌。
进一步地，上述技术方案中所述底电极层的厚度为50～300nm，所述隧穿层的厚度为1～5nm，所述转换层的厚度为30～100nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm。
进一步地，上述技术方案中所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状为矩形或正方形，边长为100nm～100μm。
进一步地，上述技术方案中所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状为正方形，边长为0.4μm～4μm。
与现有技术相比，本实用新型的优点和有益效果为：
(1)本实用新型中采用的氧化锆是一种传统的High K材料，本实用新型在氧化铌转换层和底电极层之间增加了一层超薄的氧化锆隧穿层，氧化锆隧穿层有效减小了器件的操作电流和操作电压，可显著降低器件的使用功耗，增加高阻态电阻值，提升非线性度，因此本实用新型制得的氧化铌选通器件具有较大的非线性值，同时，由于转变电压更低，器件使用功耗低；
(2)本实用新型采用氧化铌作为转换层材料，该材料不仅具有成分简单、性能稳定的特点，且引入该材料使本实用新型具有较大的非线性值、高的开态电流密度，稳定的电学性能，因此，本实用新型制得的选通器件非常具有发展潜力和应用价值；
(3)本实用新型以氧化铌为转换层的选通器件单元具有良好的循环耐受性。
附图说明
图1为本实用新型实施例1所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件的单元结构示意图；
图2为本实用新型实施例1和对比例1中基于0.64μm2的正方形氧化铌选通器件的I-V测试结果对比图；
图3为本实用新型实施例2和对比例2中基于1μm2的正方形氧化铌选通器件的forming测试结果对比图；
图4为本实用新型实施例2和对比例2中基于1μm2的正方形氧化铌选通器件的I-V测试结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
实施例1
本实施例的一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述器件从下至上依次包括底电极层1、隧穿层2、转换层3和顶电极层4，其中，所述底电极层为TiN材料，所述隧穿层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料；所述底电极层的厚度为200nm，所述隧穿层的厚度为3nm，所述转换层的厚度为45nm，所述顶电极层的厚度为200nm；所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状均为正方形，正方形边长为0.8μm，所述选通器件的单元结构示意图如图1所示。
本实施例上述所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，是按如下方法制备而成，所述方法具体包含如下步骤：
(1)对带有TiN底电极的面积为0.64μm2的正方形载膜基材进行表面预处理；
(2)在磁控溅射设备上分别安装陶瓷氧化锆靶、陶瓷五氧化二铌靶和金属铂靶，以氩气为惰性工作气体通入磁控溅射设备的真空室内；
(3)制备遂穿层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为120W条件下，在底电极层表面沉积氧化锆隧穿层，沉积时间为80s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(4)制备转换层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为120W条件下，在步骤(2)所述氧化锆隧穿层表面沉积氧化铌转换层，沉积时间为800s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(5)制备顶电极层：开启直流磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为100W的条件下，在步骤(3)所述氧化铌转换层表面沉积金属铂顶电极层，沉积时间为900s，沉积完毕后，关闭直流磁控溅射电源，冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为0.64μm2。
对比例1
本对比例的选通器件，与实施例1中的选通器件的构造和制备方法均相同，区别仅在于，本对比例的选通器件不含隧穿层，即，本对比例的选通器件从下至上依次仅包括底电极层、转换层和顶电极层，其他均与实施例1相同。
性能测试：
将实施例1和对比例1制得的选通器件分别进行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。首先利用两根探针分别接触顶电极和底电极，然后利用安捷伦B1500A测试软件设定-1.5V～+1.5V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+1.5V，再从+1.5V扫描到0V，然后从0V扫描到-1.5V，最后从-1.5V扫描到0V，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+1.5V时电流取101个点，测试结果如图2所示，图2中实线部分为实施例1的选通器件的I-V测试结果，虚线部分为对比例1的选通器件的I-V测试结果，由图2可知，引入超薄ZrO2隧穿层的选通器件，非线性比值增大，转变电压减小，显著提高了器件的选通比和转变电压，优化了器件的抗串扰能力和功耗效率。
实施例2
本实施例的一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为TiN材料，所述隧穿层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料；所述底电极层的厚度为200nm，所述隧穿层的厚度为3nm，所述转换层的厚度为45nm，所述顶电极层的厚度为200nm；所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状均为正方形，正方形边长为1μm。
本实施例上述所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，是按如下方法制备而成，所述方法具体包含如下步骤：
(1)对带有TiN底电极的面积为1μm2的正方形载膜基材进行表面预处理；
(2)在磁控溅射设备上分别安装陶瓷氧化锆靶、陶瓷五氧化二铌靶和金属铂靶，以氩气为惰性工作气体通入磁控溅射设备的真空室内；
(3)制备遂穿层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为120W条件下，在底电极层表面沉积氧化锆隧穿层，沉积时间为80s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(4)制备转换层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为120W条件下，在步骤(2)所述氧化锆隧穿层表面沉积氧化铌转换层，沉积时间为800s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(5)制备顶电极层：开启直流磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为100W的条件下，在步骤(3)所述氧化铌转换层表面沉积金属铂顶电极层，沉积时间为900s，沉积完毕后，关闭直流磁控溅射电源，冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为1μm2。
对比例2
本对比例的选通器件，与实施例2中的选通器件的构造和制备方法均相同，区别仅在于，本对比例的选通器件不含隧穿层，即，本对比例的选通器件从下至上依次仅包括底电极层、转换层和顶电极层，其他均与实施例2相同。
性能测试：
将本实施例制得的于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件进行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。首先利用两根探针分别接触顶电极和底电极，然后利用安捷伦B1500A测试软件设定-1.5V～+1.5V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+1.5V，再从+1.5V扫描到0V，然后从0V扫描到-1.5V，最后从-1.5V扫描到0V，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+1.5V时电流取101个点，forming测试结果如图3所示，I-V测试结果如图4所示，其中：图3中实线部分为实施例2的选通器件的forming测试结果，虚线部分为对比例2的选通器件的forming测试结果；图4中实线部分为实施例2的选通器件的I-V测试结果，虚线部分为对比例2的选通器件的I-V测试结果。由图4可知，引入超薄ZrO2隧穿层的选通器件非线性比值增大，转变电压减小，显著提高了器件的选通比和转变电压，优化了器件的抗串扰能力和功耗效率。
实施例3
本实施例的一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为FTO材料，所述隧穿层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料；所述底电极层的厚度为50nm，所述隧穿层的厚度为1nm，所述转换层的厚度为30nm，所述顶电极层的厚度为50nm；所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状均为正方形，正方形边长为100nm。
本实施例上述所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，是按如下方法制备而成，所述方法具体包含如下步骤：
(1)对带有FTO底电极的面积为(100nm)2的正方形载膜基材进行表面预处理；
(2)在磁控溅射设备上分别安装陶瓷氧化锆靶、陶瓷五氧化二铌靶和金属铂靶，以氩气为惰性工作气体通入磁控溅射设备的真空室内；
(3)制备遂穿层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为100W条件下，在底电极层表面沉积氧化锆隧穿层，沉积时间为20s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(4)制备转换层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为100W条件下，在步骤(2)所述氧化锆隧穿层表面沉积氧化铌转换层，沉积时间为600s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(5)制备顶电极层：开启直流磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为80W的条件下，在步骤(3)所述氧化铌转换层表面沉积金属铂顶电极层，沉积时间为200s，沉积完毕后，关闭直流磁控溅射电源，冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为(100nm)2。
实施例4
本实施例的一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为ITO材料，所述隧穿层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料；所述底电极层的厚度为300nm，所述隧穿层的厚度为5nm，所述转换层的厚度为100nm，所述顶电极层的厚度为300nm；所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状均为正方形，正方形边长为4μm。
本实施例上述所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，是按如下方法制备而成，所述方法具体包含如下步骤：
(1)对带有ITO底电极的面积为16μm2的正方形载膜基材进行表面表面预处理；
(2)在磁控溅射设备上分别安装陶瓷氧化锆靶、陶瓷五氧化二铌靶和金属铂靶，以氩气为惰性工作气体通入磁控溅射设备的真空室内；
(3)制备遂穿层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为140W条件下，在底电极层表面沉积氧化锆隧穿层，沉积时间为60s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(4)制备转换层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为140W条件下，在步骤(2)所述氧化锆隧穿层表面沉积氧化铌转换层，沉积时间为2000s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(5)制备顶电极层：开启直流磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为120W的条件下，在步骤(3)所述氧化铌转换层表面沉积金属铂顶电极层，沉积时间为1200s，沉积完毕后，关闭直流磁控溅射电源，冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为16μm2。
实施例5
本实施例的一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为ZTO材料，所述隧穿层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料；所述底电极层的厚度为200nm，所述隧穿层的厚度为3nm，所述转换层的厚度为45nm，所述顶电极层的厚度为200nm；所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状均为正方形，正方形边长为0.4μm。
本实施例上述所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，是按如下方法制备而成，所述方法具体包含如下步骤：
(1)对带有ZTO底电极的面积为0.16μm2的正方形载膜基材进行表面预处理；
(2)在磁控溅射设备上分别安装陶瓷氧化锆靶、陶瓷五氧化二铌靶和金属铂靶，以氩气为惰性工作气体通入磁控溅射设备的真空室内；
(3)制备遂穿层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为120W条件下，在底电极层表面沉积氧化锆隧穿层，沉积时间为80s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(4)制备转换层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为120W条件下，在步骤(2)所述氧化锆隧穿层表面沉积氧化铌转换层，沉积时间为800s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(5)制备顶电极层：开启直流磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为100W的条件下，在步骤(3)所述氧化铌转换层表面沉积金属铂顶电极层，沉积时间为900s，沉积完毕后，关闭直流磁控溅射电源，冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述选通器件的各层形状均为正方形，各层面积均为0.16μm2。
实施例6
本实施例的一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为TiN材料，所述隧穿层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料；所述底电极层的厚度为200nm，所述隧穿层的厚度为3nm，所述转换层的厚度为45nm，所述顶电极层的厚度为200nm；所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状均为正方形，正方形边长为100μm。
本实施例上述所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，是按如下方法制备而成，所述方法具体包含如下步骤：
(1)对带有TiN底电极的面积为(100μm)2的正方形载膜基材的表面进行清洁处理；
(2)在磁控溅射设备上分别安装陶瓷氧化锆靶、陶瓷五氧化二铌靶和金属铂靶，以氩气为惰性工作气体通入磁控溅射设备的真空室内；
(3)制备遂穿层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为120W条件下，在底电极层表面沉积氧化锆隧穿层，沉积时间为80s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(4)制备转换层：开启射频磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为120W条件下，在步骤(2)所述氧化锆隧穿层表面沉积氧化铌转换层，沉积时间为800s，沉积完毕后，关闭射频磁控溅射电源；
(5)制备顶电极层：开启直流磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为100W的条件下，在步骤(3)所述氧化铌转换层表面沉积金属铂顶电极层，沉积时间为900s，沉积完毕后，关闭直流磁控溅射电源，冷却至室温，即制得本实施例的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述选通器件各层均为正方形，各层面积均为(100μm)2。
将实施例3～6制得的选通器件分别进行I-V测试，测试结果表明，所制备的选通器件均具有很好的抗串扰能力，选通性能优异，因此，本实用新型通过引入超薄ZrO2隧穿层，显著提高了器件的选通比和转变电压，优化了器件的抗串扰能力和功耗效率。
Claims (4)
1.一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述选通器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中：所述底电极层为FTO、ITO、ZTO或TiN材料中的任一种，所述隧穿层为氧化锆薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料；所述底电极层的厚度为50～300nm，所述隧穿层的厚度为1～5nm，所述转换层的厚度为30～100nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm。
2.根据权利要求1所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述的转换层原料为五氧化二铌。
3.根据权利要求1或2所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状为矩形，边长为100nm～100μm。
4.根据权利要求3所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状为正方形，边长为0.4μm～4μm。
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| CN201820359115.3U CN208127213U (zh) | 2018-03-16 | 2018-03-16 | 一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件 |
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Publications (1)
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| CN201820359115.3U Active CN208127213U (zh) | 2018-03-16 | 2018-03-16 | 一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件 |
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Cited By (2)
| 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 |
| CN110752293A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-02-04 | 北京大学 | 一种双向阈值开关选择器件及其制备方法 |
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2018
- 2018-03-16 CN CN201820359115.3U patent/CN208127213U/zh active Active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| 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 |
| CN108231823B (zh) * | 2018-03-16 | 2020-03-24 | 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 |
| CN110752293A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-02-04 | 北京大学 | 一种双向阈值开关选择器件及其制备方法 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |