本發(fā)明屬于電子薄膜與元器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種阻變薄膜存儲(chǔ)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

阻變隨機(jī)存儲(chǔ)器(Resistive Random Access Memory,RRAM)因其具有高存儲(chǔ)密度、低功耗、高讀寫(xiě)速率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易小型化等特點(diǎn)成為了很有潛力的非易失存儲(chǔ)器。阻變隨機(jī)存儲(chǔ)器是基于材料的阻變特性利用阻變單元的電阻變化來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。阻變存儲(chǔ)器的阻變層一般以過(guò)渡金屬氧化物薄膜為主，包括氧化鈦、氧化鉿、氧化鉭、氧化鋯、鐵酸鉍、鈮酸鋰、鈦酸鍶等等，此外還包括硫化物薄膜和氮化物薄膜。

之前的研究表明，氧空位等缺陷在氧化物薄膜材料的阻變性能中扮演著重要的角色。傳統(tǒng)的方法都是通過(guò)在薄膜沉積過(guò)程(如脈沖激光沉積、磁控濺射等)中調(diào)整氧分壓或者原位的后續(xù)退火過(guò)程來(lái)控制氧化物薄膜中的氧空位含量。但是上述方法都不能很好地控制缺陷(以氧空位為主)分布的區(qū)域，這就會(huì)使導(dǎo)電通道的形成具有很大的隨機(jī)性，從而使阻變單元的阻變特性具有一定的隨機(jī)性，這就會(huì)對(duì)不同阻變單元的性能的一致性產(chǎn)生很大的影響。除了之前提到的氧空位以外，其它活性金屬離子如銀離子等也會(huì)在電場(chǎng)的作用下在原本絕緣性較好的氧化物薄膜中形成導(dǎo)電細(xì)絲，從而出現(xiàn)阻變的現(xiàn)象，目前這種離子的引入主要依靠的是上電極材料采用活性的金屬，在電場(chǎng)作用下活性金屬發(fā)生先氧化后還原的過(guò)程，堆積形成導(dǎo)電通道，上述方法都不能很好地預(yù)先控制粒子分布的區(qū)域，這就會(huì)使導(dǎo)電通道的形成具有很大的隨機(jī)性。

離子注入是一種常用的半導(dǎo)體的工藝，能夠?qū)Ρ∧さ谋砻嬉约耙欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)改性，能夠在薄膜局部引入缺陷(如氧空位等)或者活性的金屬離子。離子注入的參數(shù)主要包括離子注入的束流、離子加速的電壓、離子注入的時(shí)間等，通過(guò)調(diào)控這些參數(shù)，可以較為精確的控制離子注入所影響的區(qū)域的深度，產(chǎn)生引入缺陷或者粒子的數(shù)量等。

目前，在阻變存儲(chǔ)的研究中，離子注入是在整片薄膜上進(jìn)行的，主要用于調(diào)控氧化物薄膜與金屬電極之間的勢(shì)壘。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的問(wèn)題或不足，本發(fā)明提供了一種阻變薄膜存儲(chǔ)器及其制備方法。為了人為地引入氧空位并將其限制在局部范圍內(nèi)，從而將氧空位組成的導(dǎo)電通道的形成限制在一定的區(qū)域以?xún)?nèi)，減少其形成過(guò)程的隨機(jī)性，提高不同阻變單元的性能的一致性，并且通過(guò)調(diào)控離子注入的參數(shù)以及阻變單元中離子注入的區(qū)域來(lái)調(diào)控阻變行為，進(jìn)而以進(jìn)一步優(yōu)化和改善材料的阻變行為，此外，還可以只在薄膜上的特定區(qū)域完成阻變存儲(chǔ)的功能，而并不影響薄膜上剩余的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)其它的功能，有利于提高器件的集成性。

本發(fā)明阻變薄膜存儲(chǔ)器，從下至上依次包括基片、下電極、氧化物薄膜和上電極。

所述氧化物薄膜中位于上電極的正下方有離子注入，離子注入的水平投影不超出上電極范圍，離子注入的深度h有0＜h≤H，H為氧化物薄膜的總厚度。所述單個(gè)上電極正下方的離子注入數(shù)量至少一個(gè)。

上述阻變薄膜存儲(chǔ)器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、在帶有下電極的基片的下電極一面制備厚度50-500納米的氧化物薄膜。

步驟2、采用光刻方法，在氧化物薄膜上覆蓋一層光刻膠，使注入?yún)^(qū)域大小對(duì)應(yīng)圖形的掩膜版在光刻機(jī)中進(jìn)行曝光；在完成顯影過(guò)程之后，需要注入?yún)^(qū)域沒(méi)有光刻膠覆蓋，其余的區(qū)域有光刻膠覆蓋。

步驟3、利用離子源(可用惰性氣體離子或金屬離子)對(duì)步驟2所制得基片的光刻膠一面進(jìn)行離子注入，光刻膠未覆蓋的區(qū)域受到離子的轟擊，由于光刻膠的保護(hù)，所以只有光刻膠未覆蓋的區(qū)域受到了離子的轟擊。離子注入的深度h有0＜h≤H，H為氧化物薄膜的總厚度。

步驟4、采用濺射的方法，在步驟3所得基片的氧化物薄膜一側(cè)制備金屬上電極，在濺射后，去除光刻膠，這樣上電極剛好沉積在被離子注入的局部區(qū)域上，而其余地方?jīng)]有電極存在；所述上電極沉積區(qū)域完全覆蓋離子注入?yún)^(qū)域。

進(jìn)一步的，所述光刻方法采用兩次光刻套刻的方法，以調(diào)控單個(gè)上電極沉積區(qū)域內(nèi)的離子注入?yún)^(qū)域的數(shù)量。

進(jìn)一步的，所述離子注入的深度h通過(guò)調(diào)控離子源離子注入的能量和束流實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明中，離子注入的目的是為了人為地引入氧空位并將其限制在局部范圍內(nèi)，從而將氧空位組成的導(dǎo)電通道的形成限制在預(yù)定的區(qū)域以?xún)?nèi)，減少其形成過(guò)程的隨機(jī)性，進(jìn)而提高不同阻變單元的性能的一致性。

本發(fā)明通過(guò)控制離子注入的區(qū)域進(jìn)而在與光刻掩膜一致的圖形范圍內(nèi)引入缺陷，進(jìn)而將在阻變行為中起關(guān)鍵作用的導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)控制在預(yù)定范圍內(nèi)，從而大大提高阻變單元阻變性能的可控性和不同阻變單元之間性能的一致性。而且離子注入?yún)^(qū)域的形狀、大小、數(shù)量和位置均可調(diào)控，以便在未注入?yún)^(qū)域?qū)崿F(xiàn)其它功能，例如集成與互聯(lián)的功能；此外，在一個(gè)阻變單元中包含有多個(gè)離子注入的區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)的阻變存儲(chǔ)。本發(fā)明還可以通過(guò)調(diào)控離子注入的能量和劑量，以調(diào)控阻變單元的性能。

綜上所述，本發(fā)明可以很好地調(diào)控阻變單元的性能，提升阻變單元阻變的性能，同時(shí)可以大大提高同一薄膜上不同阻變單元的一致性，可以制備出性能優(yōu)越可控、制作工藝簡(jiǎn)單、一致性好的具有廣泛應(yīng)用性的導(dǎo)電細(xì)絲型阻變存儲(chǔ)器。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例2剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例3剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

步驟1、選用帶鉑電極的硅基片，在其鉑電極一面制備厚度300nm的鈮酸鋰薄膜。

步驟2、設(shè)定局部注入的區(qū)域?yàn)?個(gè)直徑50μm的圓形區(qū)域的光刻掩膜版。

步驟3、利用步驟2的光刻掩膜版完成光刻圖形化的工藝，使薄膜需要注入的局部區(qū)域(直徑50μm的圓形區(qū)域)上無(wú)光刻膠覆蓋，而薄膜其余的區(qū)域上有光刻膠覆蓋。

步驟4、利用氬離子源發(fā)射出的離子對(duì)硅基片覆蓋有光刻膠的一面進(jìn)行離子注入，注入深度為50nm，此時(shí)，光刻膠起到一個(gè)保護(hù)掩膜的作用，只有沒(méi)有光刻膠覆蓋的局部區(qū)域的薄膜才有離子注入。

步驟5、采用濺射的方法先制備一層30nm的鈦，再制備一層50nm的鉑作為上電極。之前圖形化的光刻膠此時(shí)又起到圖形化上電極的作用，在金屬上電極沉積完成之后，去除光刻膠，最終只有受到離子注入作用的局部區(qū)域的正上方有上電極，且上電極的形狀與離子注入作用的局部區(qū)域的形狀完全相同。最終在薄膜上形成了3個(gè)具有鉑/鈦/鈮酸鋰/鉑的類(lèi)電容結(jié)構(gòu)的阻變單元，如圖1所示。

實(shí)施例2：

步驟1、選用帶鉑電極的硅基片，在其鉑電極一面制備厚度300nm的鈮酸鋰薄膜。

步驟2、設(shè)定局部注入的區(qū)域?yàn)?個(gè)直徑50μm的圓形區(qū)域的光刻掩膜版。

步驟3、利用步驟2的光刻掩膜版完成光刻圖形化的工藝，使薄膜需要注入的局部區(qū)域(直徑50μm的圓形區(qū)域)上無(wú)光刻膠覆蓋，而薄膜其余的區(qū)域上有光刻膠覆蓋。

步驟4、利用氬離子源發(fā)射出的離子對(duì)硅基片覆蓋有光刻膠的一面進(jìn)行離子注入，注入深度為300nm，此時(shí)，光刻膠起到一個(gè)保護(hù)掩膜的作用，只有沒(méi)有光刻膠覆蓋的局部區(qū)域的薄膜才有離子注入。

步驟5、采用濺射的方法先制備一層30nm的鈦，再制備一層50nm的鉑作為上電極。之前圖形化的光刻膠此時(shí)又起到圖形化上電極的作用，在金屬上電極沉積完成之后，去除光刻膠，最終只有受到離子注入作用的局部區(qū)域的正上方有上電極，且上電極的形狀與離子注入作用的局部區(qū)域的形狀完全相同。最終在薄膜上形成了3個(gè)具有鉑/鈦/鈮酸鋰/鉑的類(lèi)電容結(jié)構(gòu)的阻變單元，如圖2所示。

實(shí)施例3

步驟1、選用帶鉑電極的硅基片，在其鉑電極一面制備厚度300nm的鈮酸鋰薄膜。

步驟2、設(shè)定局部注入的區(qū)域?yàn)?個(gè)直徑10μm的圓形區(qū)域的光刻掩膜版。

步驟3、利用步驟2的光刻掩膜版完成光刻圖形化的工藝，使薄膜需要注入的局部區(qū)域(直徑10μm的圓形區(qū)域)上無(wú)光刻膠覆蓋，而薄膜其余的區(qū)域上有光刻膠覆蓋。

步驟4、利用氬離子源發(fā)射出的離子對(duì)覆蓋有光刻膠的一面進(jìn)行離子注入，注入深度為200nm，此時(shí)只有沒(méi)有光刻膠覆蓋的局部區(qū)域的薄膜才有離子注入。

步驟5、設(shè)定上電極的區(qū)域?yàn)?個(gè)邊長(zhǎng)100μm的正方形區(qū)域的光刻掩膜版，1個(gè)上電極對(duì)應(yīng)覆蓋一個(gè)離子注入?yún)^(qū)域，1個(gè)上電極對(duì)應(yīng)覆蓋2個(gè)離子注入?yún)^(qū)域，1個(gè)上電極對(duì)應(yīng)覆蓋3個(gè)離子注入?yún)^(qū)域。

步驟6、利用步驟5的光刻掩膜版完成光刻。

步驟7、制備金屬上電極。采用濺射的方法先制備一層30nm的鈦再制備一層50nm的鉑作為上電極。利用步驟5中的光刻膠對(duì)上電極進(jìn)行圖形化。最終使3個(gè)上電極的區(qū)域下方分別有1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)離子注入?yún)^(qū)域，如圖3所示。