一種基于多元金屬氧化物薄膜的阻變儲存器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于儲存器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于多元金屬氧化物薄膜的阻變儲存器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著半導(dǎo)體工藝的高速發(fā)展，半導(dǎo)體存儲器的尺寸越來越小存儲容量越來越大。但是隨著器件集成度的提高，傳統(tǒng)Flash存儲器遇到更為嚴(yán)苛的物理限制，因此人們一直在尋找新型非易失性存儲器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)Flash存儲器。相變存儲器、阻變存儲器、鐵電存儲器、磁性隨機(jī)存儲器等新型非易失性存儲器引起了人們的廣泛研究。其中，阻變存儲器以其優(yōu)勢成為一個研究熱點。
[0003]阻變存儲器(RRAM)存儲單元的一個重要組成器件就是阻變開關(guān)。阻變開關(guān)具有很簡單的結(jié)構(gòu)，一般是金屬一絕緣體或半導(dǎo)體一金屬的三明治結(jié)構(gòu)?？梢詫崿F(xiàn)電阻可逆轉(zhuǎn)換的材料非常多，目前研究較多的阻變開關(guān)介質(zhì)層材料有:二元過渡金屬氧化物，多元金屬氧化物，氮化物，非晶硅，有機(jī)介質(zhì)材料，固態(tài)電解質(zhì)等。其中近年來的研究熱點材料有ZnO、T1x、N1、InGaZnO等二元和多元氧化物薄膜。不過，對于眾多可用于RRAM的材料會經(jīng)歷一個淘汰選擇的過程，一方面要深入理解材料電阻轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制，另一方面要考慮材料的制備工藝，特別要考慮和CMOS集成電路工藝兼容。
[0004]RRAM是采用MM結(jié)構(gòu)的儲存器件，結(jié)構(gòu)十分簡單，在上下電極之間是憶阻材料，當(dāng)在兩個電極之間加適當(dāng)?shù)碾妷簳沟脩涀璨牧显趦蓚€穩(wěn)定的電阻態(tài)轉(zhuǎn)換。阻變存儲器具有相對較低的操作電壓、較迅速的讀寫速度、較強(qiáng)的反復(fù)操作性、相對較長的數(shù)據(jù)保持時間以及很高的存儲容量；除此之外，比起其他類型儲存器，RRAM器件制備工藝可以采用磁控濺射、化學(xué)氣相沉淀、脈沖激光沉淀以及真空鍍膜等工藝形成變阻層，不需要增加專門的設(shè)備，有些工藝還可在室溫下進(jìn)行，不需要高溫工序。這些都有利于降低成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于多元金屬氧化物薄膜的阻變儲存器及其制備方法，本發(fā)明阻變儲存器具備高開關(guān)比、較低的開關(guān)電壓、穩(wěn)定的保持特性與抗疲勞特性;能有效地解決目前工藝制備的成本高的問題，且完全可以實現(xiàn)量產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0007]—種基于多元金屬氧化物薄膜的阻變儲存器，是在襯底依次集成有底電極層，阻變層和頂電極層的結(jié)構(gòu)；所述底電極材料為摻雜2at % Al的ZnO，所述阻變層材料為CuGaZnO，所述頂電極材料為Cu;其中，所述CuGaZnO中Cu、Ga、Zn原子的摩爾比為1:1:1。
[0008]—種基于多元金屬氧化物薄膜的阻變儲存器的制備方法，包含以下步驟:
[0009]首先采用射頻磁控濺射法，選擇摻雜2at%Al的ZnO為底電極層材料，在襯底上制備底電極，在所述底電極層上放置金屬掩膜，然后選擇Cu、Ga、Zn原子的摩爾比為1:1:1的陶瓷靶材在其上制備CuGaZnO薄膜形成阻變層;最后采取真空鍍膜技術(shù)，選擇Cu為頂電極層材料，在所述CuGaZnO薄膜上制備頂電極，從而構(gòu)成底電極-阻變層-頂電極的結(jié)構(gòu)。
[0010]所述底電極制備中，襯底溫度范圍為18°C?460°C，工作環(huán)境真空度為0.1?
0.3Pa，通入氬氣流量為80sccm，射頻功率為50W，濺射時間為2小時。
[0011]所述CuGaZnO薄膜阻變層制備中，將所述底電極層加熱并保持在18°C?460°C，工作環(huán)境真空度為0.1?0.3Pa，通入氬氣和氧氣的混合氣體作為工作氣體，其中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為40 %?90 %，氬氣的體積分?jǐn)?shù)為1 %?60 %，射頻功率為70W，濺射時間40分鐘。
[0012]所述頂電極制備中，以Cu作為蒸發(fā)源，工作環(huán)境真空度為0.1?0.3Pa，蒸發(fā)源電流為180A，蒸發(fā)時間為2分鐘。
[0013]所述Cu頂電極可以為圓形點狀、薄膜層或者任何合適的形狀。
[0014]所述襯底可以選擇硬質(zhì)基底，也可以選擇柔性基底或其他適用于本發(fā)明的襯底。
[0015]本發(fā)明變阻層材料CuGaZnO是一種多元金屬氧化物薄膜，其中的Cu原子易與Zn原子發(fā)生替位，這種替位式雜質(zhì)可為薄膜中提供氧空位和電子等載流子;其中的Ga離子具有較強(qiáng)的電負(fù)性，能夠牢牢吸附O離子，并使Cu、Zn等離子與Ga離子不會太過分散，使得電子載流子能夠共用電子軌道從而提高薄膜的載流子迀移率。值得一提的是低溫下濺射出有阻變性質(zhì)的薄膜器件效果不佳，然而這也是滿足柔性襯底的關(guān)鍵工藝需求，本發(fā)明在室溫下也可以濺射出有優(yōu)良阻變性質(zhì)的薄膜。除此之外，CuGaZnO與底電極材料具有較高的匹配性，因此薄膜生長質(zhì)量較為良好。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點與效果:
[0017]1.本發(fā)明采用CuGaZnO變阻層制備的阻變儲存器具備高開關(guān)比、較低的開關(guān)電壓、穩(wěn)定的保持特性與抗疲勞特性。
[0018]2.本發(fā)明采用CuGaZnO材料相比InGaZnO材料更具有經(jīng)濟(jì)適用性，可以在提高儲存器性能的基礎(chǔ)上有效降低成本，提尚經(jīng)濟(jì)效益。
[0019]3.本發(fā)明采用CuGaZnO材料為透明薄膜材料，適用于多種襯底，工藝的可移植性強(qiáng)，有利于實現(xiàn)全透明器件。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的5次典型1-V曲線Log化之后的阻變特性曲線。
[0021]圖2為本發(fā)明優(yōu)選實施例的疲勞保持特性。
【具體實施方式】
[0022]實施例1:
[0023]1.清洗襯底:選擇聚酰亞胺(PI)作為襯底，將襯底用酒精擦洗以除去有機(jī)雜質(zhì)，用去離子水沖洗襯底數(shù)次，然后將其用普通的氮氣吹干，反復(fù)上述步驟多次直至襯底干凈后待用。
[0024]2.基于CuGaZnO的阻變存儲器的制備
[0025]I)制備底電極:在射頻磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的腔室中，選擇摻雜2at % Al的ZnO作為靶材，將其安裝在靶臺上，石英基片放置在襯底臺上;將腔室抽真空至3.3X 10—3Pa,然后通入流量為80SCCm的氬氣，設(shè)置襯底溫度為300°C，在50W功率下濺射2小時制成底電極。
[0026]2)制備阻變層:將制成的底電極基片取出，用鋁箔在基片的一邊上貼上一個掩膜。以CuGaZn原子比為1:1:1的CuGaZnO陶瓷革El作為革G材，將上述革El材安裝在革El臺后，將上述貼好掩膜的基片放置在襯底臺上;將腔室抽真空至3.3 X 10—3Pa，然后通入流量比為80SCCm:20sCCm的氬氣和氧氣，設(shè)置襯底溫度為300°C，在70W功率下濺射40分鐘制成介質(zhì)層。
[0027]3)制備頂電極:將制成的變阻層的基片放入掩膜板后，置于電阻蒸發(fā)腔室中，在蒸發(fā)舟上加入適量Cu作為蒸發(fā)源，將腔室抽真空至左右，在蒸發(fā)源電流為180A下蒸發(fā)2分鐘制成頂電極。
[0028]實施例2:
[0029]1.清洗襯底:選擇聚酰亞胺(PI)作為襯底，將襯底用酒精擦洗以除去有機(jī)雜質(zhì)，用去離子水沖洗襯底數(shù)次，然后將其用普通的氮氣吹干，反復(fù)上述步驟多次直至襯底干凈后待用。
[0030]2.基于CuGaZnO的阻變存儲器的制備
[0031]I)制備底電極:在射頻磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的腔室中，選擇摻雜2at % Al的ZnO作為靶材，將其安裝在靶臺上，石英基片放置在襯底臺上;將腔室抽真空至3.3X 10—3Pa,然后通入流量為80SCCm的氬氣，設(shè)置襯底溫度為100°C，在50W功率下濺射2小時制成底電極。
[0032]2)制備阻變層:將制成的底電極基片取出，用鋁箔在基片的一邊上貼上一個掩膜。以CuGaZn原子比為1:1:1的CuGaZnO陶瓷革El作為革G材，將上述革El材安裝在革El臺后，將上述貼好掩膜的基片放置在襯底臺上;將腔室抽真空至3.3 X 10—3Pa，然后通入流量比為80SCCm:20sCCm的氬氣和氧氣，設(shè)置襯底溫度為100°C，