CN208127244U - 一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1s1r器件 - Google Patents
一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1s1r器件 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件。本实用新型的1S1R器件从下至上依次包括底电极层、氧化锆阻变层、氧化铌转换层和顶电极层；所述底电极层的厚度为100～300nm，所述阻变层的厚度为15～30nm，所述转换层的厚度为30～80nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm。本实用新型采用氧化锆作为阻变层，氧化铌选通管作为转换层，制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件具有较大的非线性值，能够有效减小漏电流、可实现十字交叉阵列的高密度集成，因此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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件。
背景技术
阻变存储器作为下一代非易失性存储器的巨大优势之一就是其优异的小型化潜力。其简单的三层结构可以采用理论上最高集成度(4F2)的十字交叉结构。但是十字交叉结构存在严重的串扰电流问题，会导致器件发生信息误读。串扰电流问题还会增加功耗并限制交叉开关阵列的大小，从而将会严重影响存储器的性能。
目前，为解决潜行路径问题，有几种解决思路，第一种方法就是抑制电流反向流过器件，而至允许电流从一个方向流经器件。这种方法通常通过集成额外的整流器件，如晶体管、二极管或者利用具有整流效应的材料来实现；第二种方法是设计全新的存储单元结构和信息读取方式，例如采取互补型阻变存储器结构；第三种方法通常通过将器件在低阻态时的电流曲线变成非线性的，非线性的电流电压曲线使得所有存储单元在小电压读取时都表现出高阻态，再配合以特定的读取方式就可以抑制串扰电流。
由于与CMOS工艺的兼容性，构成晶体管-电阻器(1T1R)结构，利用晶体管作为整流器件来抑制串扰电流。器件操作时，对应晶体管打开，其它闭合，这样就避免串扰电流的问题。但是1T1R是一种有源结构，器件面积取决于晶体管的大小，不利于高密度集成。另一方面，晶体管结构复杂并且制备过程中所需要的加工温度非常高，不利于获得成本低并且性能稳定的阻变存储器。二极管-电阻器(1D1R)结构只适用于单极性阻变存储器，双极性阻变器件不能采用。CRS结构过于复杂，制备困难且成本较高，且破坏性读取方式。
选通管-电阻器(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。选通管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。不同于二极管单向导通的特点，双向选通管具有对称的电流电压曲线。在双向选通管器件与阻变器件组成的1S1R结构中，在正向扫描时，当扫描电压大于选通管器件的正向开启电压时，选通器件打开，但是整个器件 (1S1R)要到阻变单元的转变电压才会转变到低阻态。在电压降至正向保持电压之前选通管器件始终保持为开启状态。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对解决上述漏电流问题，提供一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，本实用新型的1S1R器件，具有优异的抗串扰能力，为RRAM 的大规模集成提供了技术支撑。
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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述1S1R器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、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，所述阻变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100～300nm，所述阻变层的厚度为15～30nm，所述转换层的厚度为30～80nm，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、阻变层、转换层和顶电极层的形状为矩形、正方形或圆形，所述矩形或正方形的边长为100nm～100μm，所述圆形的直径为 100nm～100μm。
优选地，上述技术方案中，当所述底电极层、阻变层、转换层和顶电极层的形状为矩形时，所述底电极层的边长为400nm～4μm；所述阻变层、转换层和顶电极层的边长为100nm～4μm。
进一步地，上述技术方案中所述底电极层、阻变层、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)本实用新型采用传统的High K材料氧化锆作为阻变层，采用新型的转换材料氧化铌选通管作为转换层，制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件具有较大的非线性值，能够有效减小漏电流，且该器件抗串扰能力优异，可以实现十字交叉阵列的高密度集成，具有很高的应用价值；
(2)本实用新型采用氧化铌作为转换层材料，该材料成分简单、性能稳定，引入该材料使本实用新型制得的1S1R器件具有较大的非线性值、高的开态电流密度，稳定的电学性能；
(3)本实用新型采用电学性质非常稳定的氧化锆存储薄膜作为阻变层，制得的1S1R器件也具有稳定的电学性能。
(4)本实用新型以氧化铌为转换层的1S1R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所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件的结构示意图；
图2为本实用新型对比例1制得的基于氧化铌选通管的I-V测试结果图；
图3为本实用新型实施例1制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件的I-V测试结果图；
图4为本实用新型对比例2制得的基于氧化铌选通管的I-V测试结果图；
图5为本实用新型实施例2制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件的I-V测试结果图。
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
本实施例的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述器件从下至上依次包括底电极层1、阻变层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(NbOx)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，所述阻变层的厚度为 20nm，所述转换层的厚度为45nm，所述顶电极层的厚度为200nm；所述转换层的形状为矩形，所述1S1R器件的结构示意图如图1所示。
本实施例上述所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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)制备阻变层：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阻变层，沉积时间为 400s，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)所述氧化锆阻变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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述1S1R器件的电极形状为正方形，面积为0.64μm2。
对比例1
本对比例的氧化铌选通管，与实施例1中的1S1R器件的构造和制备方法均相同，区别仅在于，本对比例的氧化铌选通管不含氧化锆阻变层，即，本对比例的氧化铌选通管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：
分别将实施例1制得的1S1R器件和对比例1制得的氧化铌选通管进行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-2.5V～+3V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+3V，再从+3V扫描到0V，然后从0V扫描到-2.5V，最后从-2.5V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+3V时电流取101个点。图2为对比例1制得的基于氧化铌选通管的I-V测试结果图；图3为实施例1制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的 1S1R器件的I-V测试结果图。由图3可知，小电压下器件具有比较好的非线性，减小了漏电流，获得了具有抗串扰能力的忆阻器基本性能。
实施例2
本实施例的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为TiN材料，所述阻变层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌(NbOx)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，所述阻变层的厚度为20nm，所述转换层的厚度为45nm，所述转换层的形状为矩形，所述顶电极层的厚度为200nm。
本实施例上述所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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)制备阻变层：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阻变层，沉积时间为 400s，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)所述氧化锆阻变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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述1S1R器件的电极形状为正方形，面积为1μm2。
对比例2
本对比例的氧化铌选通管，与实施例2中的1S1R器件的构造和制备方法均相同，区别仅在于，本对比例的氧化铌选通管不含氧化锆阻变层，即，本对比例的氧化铌选通管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：
分别将实施例2制得的1S1R器件和对比例1制得的氧化铌选通管进行I-V测试，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-2.5V～+3V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+3V，再从+3V扫描到0V，然后从0V扫描到-2.5V，最后从-2.5V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+3V时电流取101个点。图4为本实用新型对比例2制得的基于氧化铌选通管的I-V测试结果图，图5本实用新型实施例2制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件的I-V测试结果图。由图可知，小电压下器件具有比较好的非线性，减小了漏电流，获得了具有抗串扰能力的忆阻器基本性能。
实施例3
本实施例的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为FTO材料，所述阻变层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌(NbOx)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100nm，所述阻变层的厚度为15nm，所述转换层的厚度为30nm，所述顶电极层的厚度为50nm。
本实施例上述所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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)制备阻变层：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阻变层，沉积时间为 300s，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)所述氧化锆阻变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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述1S1R器件的电极形状为正方形，面积为(100nm)2。
实施例4
本实施例的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为ITO材料，所述阻变层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌(NbOx)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，所述阻变层的厚度为30nm，所述转换层的厚度为80nm，所述顶电极层的厚度为300nm。
本实施例上述所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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)制备阻变层：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阻变层，沉积时间为 600s，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)所述氧化锆阻变层表面沉积氧化铌转换层，沉积时间为1600s，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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述1S1R器件的电极形状为正方形，面积为16μm2。
实施例5
本实施例的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为ZTO材料，所述阻变层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌(NbOx)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，所述阻变层的厚度为20nm，所述转换层的厚度为45nm，所述转换层的形状为矩形，所述顶电极层的厚度为200nm。
本实施例上述所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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的矩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)制备阻变层：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阻变层，沉积时间为 400s，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)所述氧化锆阻变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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述1S1R器件的电极形状为矩形，面积为0.16μm2。
实施例6
本实施例的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、转换层和顶电极层，其中，所述底电极层为TiN材料，所述阻变层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌(NbOx)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，所述阻变层的厚度为20nm，所述转换层的厚度为45nm，所述顶电极层的厚度为200nm。
本实施例上述所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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底电极的直径为100μm的圆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)制备阻变层：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阻变层，沉积时间为 400s，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)所述氧化锆阻变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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述1S1R器件的电极形状为圆形，直径为100μm。
分别将实施例3～6制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件进行I-V测试。测试结果表明，上述实施例制得的1S1R器件均具有很好的抗串扰能力，只有当扫描电压大于选通管器件的开启电压时，选通器件打开，但是整个器件要到阻变单元的转变电压才会转变到低阻态。在电压降至保持电压之前选通管器件始终保持为开启状态。本器件的核心是具有稳定阻变性能的氧化锆(ZrO2)薄膜材料和具有优异选通性能的氧化铌(NbOx)薄膜材料，结合具有优异性能的FTO/ITO/ZTO底电极材料，本实用新型制得的1S1R器件均优异的抗串扰能力，具备忆阻器的基本性能。
Claims (5)
1.一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：所述1S1R器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、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，所述阻变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100～300nm，所述阻变层的厚度为15～30nm，所述转换层的厚度为30～80nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm。
2.根据权利要求1所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：所述底电极层、阻变层、转换层和顶电极层的形状为矩形或圆形，所述矩形的边长为100nm～100μm，所述圆形的直径为100nm～100μm。
4.根据权利要求3所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：当所述底电极层、阻变层、转换层和顶电极层的形状为矩形时，所述底电极层的边长为400nm～4μm；所述阻变层、转换层和顶电极层的边长为100nm～4μm。
5.根据权利要求4所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：所述底电极层、阻变层、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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2018
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