專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于鈦酸鉍的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于存儲(chǔ)器領(lǐng)域，具體是一種鈦酸鉍阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人電腦和平板電腦等便攜式電子產(chǎn)品的普及，非易失性存儲(chǔ)器的重要性日益凸顯。由消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)的存儲(chǔ)器市場(chǎng)需要更高密度、高速度、低功耗、具有不揮發(fā)性且價(jià)格便宜的存儲(chǔ)器產(chǎn)品。浮柵式存儲(chǔ)器(Flash)是非易失性存儲(chǔ)器市場(chǎng)上的主流器件。但是隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷推進(jìn)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)未來(lái)技術(shù)對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的要求，多種新型存儲(chǔ)器，例如鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)、磁性存儲(chǔ)器(MRAM)、相變存儲(chǔ)器(PRAM)以及阻變存儲(chǔ)器(RRAM)應(yīng)運(yùn)而生。其中RRAM由于具有操作速度快、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成密度高、可縮小性好以及與CMOS技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)弓I起廣泛關(guān)注。RRAM利用材料電阻率的可逆轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制信息的存儲(chǔ)。由于能夠?qū)崿F(xiàn)電阻可逆轉(zhuǎn)換的材料非常多，因此容易選擇出制備工藝簡(jiǎn)單且能夠與CMOS工藝兼容的材料。在RRAM研發(fā)中，高性能電致阻變材料的開(kāi)發(fā)和單元器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)最為引人關(guān)注。近十來(lái)，在多種材料體系中均發(fā)現(xiàn)了電致阻變效應(yīng)，例如Pra7Caa3MnO3等稀土錳氧化物材料，SrZrTiO3等過(guò)渡金屬鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)材料，NiO, TiO2, CuO, ZnO,Fe2O3和ZrO2等二元過(guò)渡金屬氧化物材料，有機(jī)高分子半導(dǎo)體 材料以及硫化物材料。為達(dá)到RRAM實(shí)用化的目標(biāo)，提高RRAM器件的高阻態(tài)和低阻態(tài)的電阻比值，低的設(shè)置電壓和復(fù)位電壓，抗疲勞，存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，以及制備工藝與半導(dǎo)體工藝兼容和低成本的電致阻變材料顯得非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于鈦酸鉍的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下:
一種基于鈦酸鉍的阻變存儲(chǔ)器件，包括從下至上疊接的襯底、下電極、阻變介質(zhì)層和上電極四層材料，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是:阻變介質(zhì)層為鈦酸鉍及其摻雜物。所述鈦酸鉍的摻雜元素包括Nb、Ta、La、Sr、V、Nd、Ce、Sm、Ca和Pr，摻雜元素的含量低于10at%。所述鈦酸鉍及其摻雜物阻變介質(zhì)層為薄膜形態(tài)，厚度為IOnm到lOOOnm。所述下電極和上電極材料為導(dǎo)電氧化物、金屬或者導(dǎo)電硅片，導(dǎo)電氧化物可以是ΙΤ0、ΑΖ0、GZ0、ΙΖ0、IGZ0,金屬可以是Au、Ag、Pt、Cu、Al、N1、Ti，氧化物或金屬電極的厚度為 80nm 到 500nm。所述阻變介質(zhì)層，上、下氧化物或金屬電極材料制備工藝為磁控濺射，制備氧化物電極或鈦酸鉍及其摻雜物阻變介質(zhì)層時(shí)，使用氧化物陶瓷靶材。制備金屬上、下電極時(shí)，使用金屬靶材，純氬氣氣氛濺射。當(dāng)使用導(dǎo)電硅片作為襯底時(shí)，可選擇性制備下電極，即可用導(dǎo)電娃片襯底兼做下電極。一種基于鈦酸鉍的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，包括如下步驟:
(1)在襯底上磁控濺射導(dǎo)電氧化物或金屬靶材制備下電極，如果使用導(dǎo)電硅片為襯底時(shí)，可同時(shí)兼作下電極，無(wú)需制備下電極；
(2)在下電極上磁控濺射鈦酸鉍基靶材制備阻變介質(zhì)層；
(3)在阻變介質(zhì)層上用磁控濺射導(dǎo)電氧化物或金屬靶材制備上電極。通過(guò)上述發(fā)明，具有以下優(yōu)良效果:采用鈦酸鉍作為存儲(chǔ)介質(zhì)的阻變存儲(chǔ)器具有較大的高低電阻比，有利于數(shù)字信息O和I的區(qū)分，降低了數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取的誤判。


圖1為阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意 圖2為實(shí)施例1的Ag/Bi4Ti3012/p+-Si阻變存儲(chǔ)器的雙極性阻變特性；
圖3為實(shí)施例2的Al/Bi4Ti3012/p+-Si阻變存儲(chǔ)器的雙極性阻變特性；
圖4為實(shí)施例3的Ag/Bi4Ti3012/Pt/Glass阻變存儲(chǔ)器的雙極性阻變特性。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:
采用圖1阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)制備鈦酸鉍阻變存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器自下而上地包括襯底1、下電極2、Bi4Ti3O12薄膜3和上電極4。使用P+-Si為襯底，因其具有良好的導(dǎo)電性，同時(shí)將其作為下電極。將鈦酸鉍靶材和P+-Si襯底裝入磁控濺射的濺射室，將濺射腔體抽真空到7.2X10_4Pa，然后通入氬氣和氧氣，濺射氣壓為1.0Pa，氧氣含量為17%，襯底溫度為350°C，射頻濺射功率為150W，襯底旋轉(zhuǎn)速率5rmp，濺射時(shí)間180min。最后，將薄膜在空氣中進(jìn)行熱處理，溫度為600°C，時(shí)間為60min，阻變介質(zhì)層的厚度約為450nm。在上電極的制備中，使用Ag金屬靶材，本底真空度為7.0X 10_4Pa，純氬氣濺射，其濺射氣壓為1.0Pa，襯底溫度為室溫，直流功率100W，上電極使用直徑為0.4mm的不銹鋼圓孔掩膜版，金屬電極的膜厚約為IOOnm0圖2為實(shí)施例1制備的鈦酸鉍阻變存儲(chǔ)器的IV特性曲線。從圖2可知，鈦酸鉍阻變存儲(chǔ)器具有典型的雙極性阻變行為。器件的初始態(tài)為高阻態(tài)(HRS)，在外加偏壓從OV到8V的掃描的過(guò)程中，器件從高阻態(tài)跳變到低阻態(tài)(LRS);電壓從8V到OV的掃描過(guò)程中，器件一直保持為低阻態(tài)；電壓從OV到-8V的掃描過(guò)程中，器件從低阻態(tài)跳變回高阻態(tài)。從圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行電阻計(jì)算，電壓為4V時(shí)的高阻值為3.48 X 107，低阻值為1.82 X 103，高低電阻t匕(HRS/LRS)為1.91X104，具有非常高的電阻比值，為存儲(chǔ)器放大電路寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù)留有較大的識(shí)別空間，可避免數(shù)據(jù)的誤操作。實(shí)施例2:
襯底、下電極、阻變介質(zhì)層的制備與實(shí) 施例1 一樣。上電極使用了 Al金屬，其制備工藝過(guò)程與實(shí)施例1 一樣。圖3為實(shí)施例2制備的鈦酸鉍阻變存儲(chǔ)器的IV特性曲線。從圖3可知，鈦酸鉍阻變存儲(chǔ)器具有典型的雙極性阻變行為。從圖3的數(shù)據(jù)進(jìn)行電阻計(jì)算，電壓為4V時(shí)的高阻值為6.19 X 107，低阻值為1.50父103，高低電阻比(冊(cè)5/11 )為4.10 X 104，具有非常高的電阻比值，為存儲(chǔ)器放大電路寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù)留有較大的識(shí)別空間，可避免數(shù)據(jù)的誤操作。實(shí)施例3:
使用玻璃為襯底，在下電極的制備中，使用Pt金屬靶材，背底真空度為7.0X10_4Pa，純氬氣濺射，其濺射氣壓為1.0Pa,襯底溫度為室溫，直流功率100W，金屬Pt下電極的膜厚約為lOOnm。將鈦酸鉍靶材和鍍了 Pt的玻璃襯底裝入磁控濺射的濺射室，將濺射腔體抽真空到7.2X10_4Pa，然后通入氬氣和氧氣，濺射氣壓為l.0Pa，氧氣含量為17%，襯底溫度為350°C，射頻濺射功率為150W，襯底旋轉(zhuǎn)速率5rmp，濺射時(shí)間180min。最后，將薄膜在空氣中進(jìn)行熱處理，溫度為600°C，時(shí)間為60min，薄膜厚度約為450nm。在上電極的制備中，使用Ag金屬靶材，本底真空度為7.0X 10_4Pa，純氬氣濺射，其濺射氣壓為1.0Pa，襯底溫度為室溫，直流功率100W，上電極使用直徑為0.4mm的不銹鋼圓孔掩膜版，金屬電極的膜厚約為IOOnm0圖4為實(shí)施例3制備的鈦酸鉍阻變存儲(chǔ)器的IV特性曲線。從圖4可知，鈦酸鉍阻變存儲(chǔ)器具有典型的雙極性阻變行為。從圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)行電阻計(jì)算，電壓為4V時(shí)的高阻值為1.66X 105，低阻值為25.5，高度電阻比(HRS/LRS)為6.50 X 104，具有非常高的電阻比值，為存儲(chǔ)器放大電路寫(xiě) 入和讀取數(shù)據(jù)留有較大的識(shí)別空間，可避免數(shù)據(jù)的誤操作。通過(guò)以上詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的基于鈦酸鉍的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做適當(dāng)?shù)淖儞Q或修改，不限于實(shí)施例中所公開(kāi)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種基于鈦酸鉍的阻變存儲(chǔ)器件，包括從下至上疊接的襯底、下電極、阻變介質(zhì)層和上電極四層材料，其特征是:阻變介質(zhì)層為鈦酸鉍及其摻雜物，摻雜元素包括Nb、Ta、La、Sr、V、Nd、Ce、Sm、Ca 和 Pr,摻雜含量低于 10at%。
2.權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征是:鈦酸鉍及其摻雜物阻變介質(zhì)層為薄膜形態(tài)，厚度為IOnm到IOOOnm。
3.權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征是:下電極和上電極材料為導(dǎo)電氧化物或金屬材料，其厚度為80nm到500nm ;用導(dǎo)電娃片作為襯底時(shí),可兼做下電極使用。
4.一種基于鈦酸鉍的阻變存儲(chǔ)器件的制備方法，其特征是:包括如下步驟: (1)在襯底上磁控濺射導(dǎo)電氧化物或金屬靶材制備下電極，如果使用導(dǎo)電硅片為襯底時(shí)，可同時(shí)兼作下電極，無(wú)需制備下電極； (2)在下電極上磁控濺射鈦酸鉍基靶材制備阻變介質(zhì)層； (3)在阻變介質(zhì) 層上磁控濺射導(dǎo)電氧化物或金屬靶材制備上電極。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于鈦酸鉍材料的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。阻變存儲(chǔ)介質(zhì)層為Bi4Ti3O12及其摻雜物，摻雜元素包括Nb、Ta、La、Sr、V、Nd、Ce、Sm、Ca和Pr，阻變介質(zhì)層為薄膜形態(tài)。器件結(jié)構(gòu)為襯底/下電極/阻變介質(zhì)層/上電極，上、下電極材料為導(dǎo)電氧化物或金屬，上、下電極的厚度為80nm到500nm，阻變介質(zhì)層厚度為10nm到1000nm。整個(gè)存儲(chǔ)器的制備使用磁控濺射方法。本發(fā)明的有益效果在于采用鈦酸鉍作為存儲(chǔ)介質(zhì)的阻變存儲(chǔ)器具有較大的高低電阻比，有利于數(shù)字信息0和1的區(qū)分，降低了數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取的誤判。
文檔編號(hào)H01L45/00GK103236497SQ20131014570
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者許積文, 王 華, 周尚菊, 楊玲, 丘偉, 張玉佩 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)