專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多晶二氧化錫阻變薄膜及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非易失性存儲(chǔ)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多晶二氧化錫阻變薄膜及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器(Resistive Random Access Memory, RRAM)的機(jī)理是外電場(chǎng)觸發(fā)可逆電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)，即在外加電壓的作用下，器件的電阻在低阻態(tài)(“0”)和高阻態(tài) (“1”)之間可逆轉(zhuǎn)變，并且所得到的電阻在外電場(chǎng)去除后可以保持下來(lái)?；谶@一效應(yīng)， 科學(xué)界提出了一種新型非易失性存儲(chǔ)器概念——電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器。RRAM技術(shù)的最終目標(biāo)是將現(xiàn)有單一電子產(chǎn)品中含有多樣記憶設(shè)備改變成為單一記憶單元。在未來(lái)的若干年時(shí)間中它將會(huì)更廣泛地應(yīng)用于具有各種各樣新型智能化功能的電路芯片，乃至使電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)生革命性的變化。目前的隨機(jī)存儲(chǔ)器件(RAM)主要分為三類(lèi)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器件(SRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器件(DRAM)和閃存(Flash Memory)。各自都有優(yōu)缺點(diǎn)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器件的缺點(diǎn)是一個(gè)存儲(chǔ)單元需要的晶體管數(shù)量多，價(jià)格昂貴，存儲(chǔ)密度低；動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器件在通電的情況下需要不斷刷新才能保存數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)就會(huì)丟失；閃存是唯一能夠在不通電的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)保存的存儲(chǔ)器，但是速度卻比較慢。RRAM是一種全新的存儲(chǔ)概念，其主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在一是制備簡(jiǎn)單。存儲(chǔ)單元為金屬一氧化物一金屬三明治結(jié)構(gòu)，可通過(guò)濺射、氣相沉積等常規(guī)的薄膜工藝制備；二是擦寫(xiě)速度快。擦寫(xiě)速度由觸發(fā)電阻轉(zhuǎn)變的脈沖寬度決定，一般小于100納秒，遠(yuǎn)高于Flash存儲(chǔ)器；三是存儲(chǔ)密度高。研究表明電阻發(fā)生變化的區(qū)域很小， 約幾個(gè)納米，因此存儲(chǔ)單元可以很小，另外，在RRAM中還存在多水平電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，利用這些電阻狀態(tài)可存儲(chǔ)不同信息，在不改變存儲(chǔ)單元體積的條件下可實(shí)現(xiàn)更多信息的存儲(chǔ)；四是半導(dǎo)體工藝兼容性好，RRAM可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝技術(shù)生產(chǎn)，從而大大縮減開(kāi)發(fā)成本。近年來(lái)已有以氧化鈮、氧化鎳、氧化鋯、和氧化鋁等金屬氧化物半導(dǎo)體作為存儲(chǔ)層制備薄膜阻變存儲(chǔ)器的研究報(bào)道。但絕大多數(shù)原材料屬于昂貴金屬，或者需要昂貴復(fù)雜的設(shè)備。二氧化錫(SnO2)是一種很有研究?jī)r(jià)值的氧化物薄膜存儲(chǔ)材料，具有無(wú)毒、無(wú)害、成本低、寬能隙和可見(jiàn)光透射率高等特點(diǎn)。如果在存儲(chǔ)單元矩陣中使用這種氧化物薄膜RRAM，會(huì)在很大程度上降低生產(chǎn)成本。采用透明導(dǎo)電氧化物代替金屬電極的透明阻變存儲(chǔ)器更是在透明電子器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。本發(fā)明考慮到二氧化錫具有以上特性，通過(guò)直流磁控濺射法成功制備了具有阻變特性的多晶二氧化錫薄膜存儲(chǔ)層，并應(yīng)用于氧化物阻變存儲(chǔ)器。磁控濺射法具有可控性好、 沉積速率高、可大面積均勻制薄的特點(diǎn)，適于在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。本方法具有制備工藝簡(jiǎn)易和可大面積生產(chǎn)的特點(diǎn)，在阻變存儲(chǔ)器和透明電子器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種阻變性能好、高低阻態(tài)穩(wěn)定的多晶二氧化錫阻變薄膜及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明提出的多晶二氧化錫(Sn02_x，0<X ( 0.3)阻變薄膜，是以玻璃為基板，采用錫金屬靶或錫的氧化物靶材，通過(guò)磁控濺射技術(shù)沉積而成。具體制備條件如下
(1)使用金屬錫靶或錫的氧化物靶；
(2)加熱基板，控制基板溫度為250 400°C之間；
(3)將OJPAr氣體通入反應(yīng)室，控制O2反應(yīng)氣體的分壓為7X10_2!^ 1.5X10"1Pa, 工作壓強(qiáng)為3. 0 6. OX KT1 Pa ；
(4)控制磁控濺射電流為50 200mA，濺射電壓為300 450 V ；
(5)濺射時(shí)間為10 30分鐘，得到多晶二氧化錫薄膜，厚度為50 250nm。制備的多晶二氧化錫薄膜的化學(xué)計(jì)量比為Sn02_x，0<x ( 0.3。可根據(jù)需要，通過(guò)控制濺射時(shí)間、氧分壓和濺射功率等來(lái)控制薄膜厚度。由上述方法制備得到的多晶二氧化錫阻變薄膜可用于制備阻變存儲(chǔ)器。即該阻變存儲(chǔ)器以上述多晶二氧化錫薄膜作為阻變層。具體結(jié)構(gòu)組成依次為玻璃基板，金屬鈦 (Ti)薄膜，作為底電極的金屬鉬(Pt)薄膜，多晶二氧化錫阻變薄膜，作為頂電極的金屬鎳 (Ni)薄膜。即為Ni/ Sn02_x/Pt/Ti/玻璃基板結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器，見(jiàn)圖1所示。該阻變存儲(chǔ)器的具體制備步驟為
以普通玻璃為基板，選用金屬Ti靴，以Ar氣作為工作氣體，工作壓強(qiáng)為3. 0 X IO-1 Pa。 在濺射電流100 200 mA，濺射電壓為250 400 V，濺射時(shí)間5 10分鐘的工作條件下， 在普通玻璃片上形成金屬Ti附著層薄膜。然后采用金屬Pt靶，在同樣的工作壓強(qiáng)下，以及濺射電流50 100 mA，濺射電壓為400 500 V，濺射時(shí)間5 15分鐘的工作條件下，在 Ti/玻璃基片上形成金屬Pt底電極。然后制備多晶二氧化錫半導(dǎo)體薄膜，具體步驟是先加熱基板，使其溫度為250 400°C，將化和Ar氣體通入反應(yīng)室，控制A反應(yīng)氣體的分壓為7Χ 10_2 Pa 1. 5 X IO"1 Pa， 工作壓強(qiáng)為3. 0 6. OX 10—1 Pa ；在濺射電流50 200 mA、濺射電壓300 450 V、濺射時(shí)間10 30分鐘的條件下形成具有多晶結(jié)構(gòu)的二氧化錫半導(dǎo)體薄膜。制得的透明氧化物半導(dǎo)體薄膜厚度為50 250 nm。最后通過(guò)掩膜板利用直流磁控濺射方法制備鎳頂電極。本發(fā)明中，制備多晶二氧化錫半導(dǎo)體薄膜優(yōu)選的條件如下 基板溫度為320 350 V ；
通過(guò)可變氣導(dǎo)閥將A和Ar氣體通入反應(yīng)室，O2反應(yīng)氣體的分壓為1. 0 1. 2 X KT1Pa, 反應(yīng)室內(nèi)的工作壓強(qiáng)為5. OX KT1 Pa；
濺射電流為80 100 mA，濺射電壓為350 400 V，濺射時(shí)間為15 25分鐘。本發(fā)明中，通過(guò)孔徑為500μπι的掩膜的方法制備厚度為80 150 nm的鎳頂電極，濺射電流為150 200 mA，濺射電壓為300 400 V，濺射時(shí)間5 10分鐘。


圖1多晶二氧化錫薄膜阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)圖。圖2多晶二氧化錫薄膜阻變存儲(chǔ)器的電流電壓特性曲線(xiàn)，寫(xiě)入限制電流為2 mA。
圖3多晶二氧化錫薄膜阻變存儲(chǔ)器的循環(huán)擦寫(xiě)測(cè)試曲線(xiàn)。圖4多晶二氧化錫薄膜阻變存儲(chǔ)器的高低阻態(tài)維持時(shí)間測(cè)試曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下
選用金屬Ti靶，薄膜沉積前先將反應(yīng)室真空抽到低于2. 0X10_3 Pa，然后通過(guò)可變氣導(dǎo)閥將Ar氣通入反應(yīng)室，并控制反應(yīng)室內(nèi)的工作壓強(qiáng)為3.0ΧΚΓ1 Pa。將濺射電流和濺射電壓分別調(diào)為200 mA和320 V，濺射時(shí)間5分鐘，在普通玻璃片上形成金屬鈦薄膜。然后采用金屬鉬靶，在同樣的工作壓強(qiáng)下，將濺射電流和濺射電壓分別調(diào)為80 mA和450 V，濺射時(shí)間為12分鐘，在Ti/玻璃基片上形成金屬Pt底電極。電極方塊電阻小于3歐姆。選用金屬錫靶，薄膜沉積前先將反應(yīng)室真空抽到低于3. OX 10_3 Pa，基片加熱至 350°C，然后通過(guò)可變氣導(dǎo)閥將&和Ar氣體依次通入反應(yīng)室，并控制反應(yīng)室內(nèi)的氧分壓為 1.0X IO"1 Pa，工作壓強(qiáng)為5.0X 10—1 Pa。將濺射電流和濺射電壓分別調(diào)制為100 mA和380 V，濺射時(shí)間20分鐘，在底電極上形成多晶二氧化錫薄膜阻變層。二氧化錫薄膜厚度約為 120 nm。通過(guò)孔徑為500微米左右的掩膜板，采用直流磁控方法制備厚度為80 nm的金屬 Ni薄膜作為頂電極，濺射電流和濺射電壓分別為150 mA和350 V，濺射時(shí)間為20分鐘。由此構(gòu)成的多晶二氧化錫薄膜阻變存儲(chǔ)器的寫(xiě)入電壓在2-4. 5 V之間，高低阻態(tài)之比大于100，直流電壓掃描可擦寫(xiě)重復(fù)次數(shù)大于250次，高低阻態(tài)維持時(shí)間大于IO6秒(圖 2、圖3和圖4)。
權(quán)利要求
1.一種多晶二氧化錫阻變薄膜的制備方法，其特征在于以玻璃為基板，采用磁控濺射技術(shù)，具體步驟如下(1)使用金屬錫靶或錫的氧化物靶；(2)加熱基板，控制基板溫度為250 400°C之間；(3)將OJPAr氣體通入反應(yīng)室，控制O2反應(yīng)氣體的分壓為7X10_2!^ 1.5X10"1Pa, 工作壓強(qiáng)為3. 0 6. OX KT1 Pa ；(4)控制磁控濺射電流為50 200mA，濺射電壓為300 450 V ；(5)濺射時(shí)間為10 30分鐘，得到二氧化錫阻變薄膜，其分子式為Sn02_x，0<X( 0.3，薄膜厚度為50 250 nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法制備獲得的多晶二氧化錫阻變薄膜。
3.如據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶二氧化錫阻變薄膜作為阻變材料在阻變存儲(chǔ)器中的應(yīng)用。
4.一種阻變存儲(chǔ)器，其特征在于以多晶二氧化錫阻變薄膜作為其阻變層，具體結(jié)構(gòu)組成依次為玻璃基板，金屬鈦薄膜，作為底電極的金屬鉬薄膜，多晶二氧化錫阻變薄膜，作為頂電極的金屬鎳薄膜，即為Ni/ Sn02_x/Pt/Ti/玻璃基板結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于具體步驟為以普通玻璃為基板，選用金屬Ti靴，以Ar氣作為工作氣體，工作壓強(qiáng)為3. 0 X ΙΟ"1 Pa, 濺射電流為100 200 mA，濺射電壓為250 400 V，濺射時(shí)間5 10分鐘，在玻璃基板上形成金屬Ti附著層薄膜；然后采用金屬Pt靶，在同樣的工作壓強(qiáng)下，濺射電流為50 100 mA，濺射電壓為400 500 V，濺射時(shí)間5 15分鐘，在Ti/玻璃基板上形成金屬Pt底電極；然后制備多晶二氧化錫薄膜，其步驟為先加熱基板，至250 400°C，將氣體通入反應(yīng)室，控制O2反應(yīng)氣體的分壓為7 X10_2I^ 1.5 X KT1 Pa，工作壓強(qiáng)為3.0 6. OX KT1Pa;在濺射電流為50 200 mA，濺射電壓為300 450 V，濺射時(shí)間為10 30 分鐘，形成具有多晶結(jié)構(gòu)的二氧化錫薄膜；控制薄膜厚度為50 250 nm；最后通過(guò)掩膜板利用直流磁控濺射方法制備鎳頂電極。
全文摘要
本發(fā)明屬于非易失性電阻式存儲(chǔ)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種多晶二氧化錫阻變薄膜及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明以玻璃為基板，用純金屬錫靶材，在一定溫度條件下利用直流磁控濺射技術(shù)，制備多晶二氧化錫半導(dǎo)體阻變薄膜。采用直流磁控濺射法制備鎳頂電極和鉑鈦底電極測(cè)試多晶二氧化錫阻變薄膜的阻變特性。多晶二氧化錫阻變薄膜的高低阻態(tài)之比大于100，直流掃描可擦寫(xiě)次數(shù)大于250次，高低阻態(tài)維持時(shí)間大于106秒。該多晶二氧化錫阻變薄膜可作為阻變存儲(chǔ)器的阻變材料。本發(fā)明還涉及以多晶二氧化錫薄膜為阻變材料的阻變存儲(chǔ)器。本發(fā)明在非易失性存儲(chǔ)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102260846SQ20111020611
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者劉寶營(yíng), 張群 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)