一種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，包括底層導(dǎo)電電極；設(shè)于底層導(dǎo)電電極上表面的非晶ZnO薄膜介質(zhì)層；設(shè)于非晶ZnO薄膜介質(zhì)層上表面的非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層；設(shè)于非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層上表面的TiN電極。通過本發(fā)明不僅可解決ZnO阻變器件十字交叉陣列的串?dāng)_問題，同時(shí)ZnO簡單的成分和晶體結(jié)構(gòu)、豐富的來源、低廉的價(jià)格將降低器件的制作工藝和成本，推進(jìn)十字交叉阻變存儲(chǔ)器陣列的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要意義。
【專利說明】一種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新型微納電子材料及功能器件領(lǐng)域，涉及一種具有雙層結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于“半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)”開發(fā)出來的存儲(chǔ)器，已成為現(xiàn)今存儲(chǔ)媒體的主導(dǎo)，在計(jì)算機(jī)、移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備及數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著人們對大容量便攜式存儲(chǔ)設(shè)備的青睞，存儲(chǔ)產(chǎn)品將逐漸趨于小型化及高密度集成。傳統(tǒng)的磁隨機(jī)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和閃存因自身物理尺寸的限制，已不能滿足高密度的存儲(chǔ)要求，所以開發(fā)新型態(tài)的存儲(chǔ)器元件有其相當(dāng)重要的意義和價(jià)值。當(dāng)前，基于氧化物材料(如Ni0、Ti02、Zn0、、SrZr03等)的電致阻變效應(yīng)開發(fā)的阻變器件，因結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快速、操作功耗低和非易失性等特點(diǎn)，有望獲得小型化的大容量存儲(chǔ)器件，已引起了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和IT公司如HP、IBM、Samsung、中芯國際等的廣泛關(guān)注和研究。
[0003]阻變器件小型化和高密度集成的主要途徑就是利用器件簡單的“三明治”結(jié)構(gòu)，通過十字交叉陣列(Crossbar Array)的方式,實(shí)現(xiàn)3D疊層構(gòu)架。這樣，每個(gè)存儲(chǔ)單元將縮小至4F2/n的尺寸(F為制造工藝的特征尺寸，η為十字交叉陣列的層數(shù))。然而，十字交叉陣列中因字線、位線與存儲(chǔ)介質(zhì)形所成的節(jié)點(diǎn)，其寄生漏電路徑的存在是不可避免的，這將導(dǎo)致相鄰存儲(chǔ)單元的串?dāng)_問題(Crosstalk Problem)。尤其是讀取阻變器件低阻態(tài)時(shí)，因較大的漏電流，串?dāng)_問題尤為嚴(yán)重。這種串?dāng)_是阻變器件高密度集成應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。如何在實(shí)際應(yīng)用操控中解決器件十字交叉陣列的串?dāng)_，對未來阻變存儲(chǔ)器的發(fā)展和應(yīng)用至關(guān)重要。
[0004]對存儲(chǔ)器件十字交叉陣列的串?dāng)_問題，傳統(tǒng)的解決辦法是將記憶元件與一個(gè)選擇性元件如晶體管、二極管等進(jìn)行串聯(lián)，但這種集成方式無疑將增加器件制作工藝的復(fù)雜性和成本。最近，互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器(Complementary Resistive Switches, CRS)的概念被提出，以解決雙極性阻變存儲(chǔ)器在十字交叉陣列中的串?dāng)_問題。互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的基本原理是將兩個(gè)存儲(chǔ)元件逆向串聯(lián)在陣列的交叉點(diǎn)中，設(shè)置其中的一個(gè)元件為低阻態(tài)而另一個(gè)為高阻態(tài)，通過交替變換實(shí)現(xiàn)“O”和“I”的記憶。這樣，器件在低偏壓時(shí)均為高阻態(tài)，將在無選擇性元件的情況下有效解決十字交叉陣列的串?dāng)_問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有阻變存儲(chǔ)技術(shù)的不足，提供一種基于非晶MgZnO/ZnO異質(zhì)結(jié)薄膜的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，解決阻變器件十字交叉陣列的串?dāng)_問題。
[0006]為了達(dá)到上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，包括底層導(dǎo)電電極；設(shè)于底層導(dǎo)電電極上表面的非晶ZnO薄膜介質(zhì)層；設(shè)于非晶ZnO薄膜介質(zhì)層上表面的非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層；設(shè)于非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層上表面的TiN電極。
[0008]進(jìn)一步地，所述底層導(dǎo)電電極由Pt、Au、Pd、Al、Ag、Cu、或ITO制成。[0009]進(jìn)一步地，所述底層導(dǎo)電電極和TiN電極的厚度分別為50?500nm。
[0010]進(jìn)一步地,所述非晶ZnO薄膜介質(zhì)層厚度為5?200nm。
[0011]進(jìn)一步地,所述非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層的厚度為4?50nm,其中Mg與Zn的原子數(shù)量比范圍在O?I內(nèi)。
[0012]一種制備上述互補(bǔ)型阻存儲(chǔ)器的方法，包括如下步驟:在基底上制備所述底層導(dǎo)電電極；在底層導(dǎo)電電極上表面制備非晶ZnO薄膜介質(zhì)層；在非晶ZnO薄膜介質(zhì)層上表面制備非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層；在非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層上表面鍍上TiN電極。
[0013]進(jìn)一步地，采用磁控濺射在底層導(dǎo)電電極Pt、Au、Pd、Al、Ag、Cu、或ITO上制備非晶ZnO薄膜介質(zhì)層，濺射靶材為ZnO陶瓷，襯底溫度為室溫，反應(yīng)氣體為氬氣與氧氣的混合氣體，氣壓為10_4Pa，濺射功率為100W。
[0014]進(jìn)一步地,采用磁控派射在非晶ZnO薄膜介質(zhì)層上表面制備非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層，派射祀材為MgaiZna9O陶瓷,襯底溫度為室溫,反應(yīng)氣體為IS氣與氧氣的混合氣體,氣壓為10_4Pa，濺射功率為100W。
[0015]進(jìn)一步地,采用磁控派射在非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層上表面制備厚度為IOOnm,電極大小為直徑IOOym的TiN電極，濺射靶材為TiN靶，襯底溫度為室溫，反應(yīng)氣體為氬氣，氣壓為0.1Pa，濺射功率為100W。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0017]本發(fā)明的互補(bǔ)型阻變阻存儲(chǔ)元件具有相對簡單的器件結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的互補(bǔ)型阻變阻存儲(chǔ)元件通常采用將兩個(gè)“金屬/介質(zhì)/金屬”的存儲(chǔ)單元反向串聯(lián)。
[0018]本發(fā)明的互補(bǔ)型阻變阻存儲(chǔ)元件不需引入場效應(yīng)管、二極管等外加選擇元件就能解決十字交叉陣列存儲(chǔ)器件的串?dāng)_問題，有利于提高器件的存儲(chǔ)密度，也簡化了器件制備過程。
[0019]器件的制備方法采用傳統(tǒng)的磁控濺射，其制備過程容易控制，工藝簡單，制備成本較低，與傳統(tǒng)CMOS工藝的兼容性較高。
[0020]本發(fā)明涉及互補(bǔ)型阻變阻存儲(chǔ)元件，以納米非晶MgZnO/ZnO異質(zhì)結(jié)為存儲(chǔ)介質(zhì)，無需高溫?zé)崽幚?，?jié)能、環(huán)保，在器件小型化和降低制造成本方面具有明顯優(yōu)勢。
[0021]本發(fā)明基于非晶MgZnO/ZnO雙層薄膜構(gòu)筑互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，不僅可解決阻變器件十字交叉陣列的串?dāng)_問題，同時(shí)ZnO材料簡單的成分和晶體結(jié)構(gòu)、豐富的來源、低廉的價(jià)格將降低器件的制作工藝和成本，推進(jìn)十字交叉阻變存儲(chǔ)器陣列的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明所述互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的剖面圖；
[0023]圖2是本發(fā)明所述制備互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的步驟流程圖；
[0024]圖3是本發(fā)明所述互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的互補(bǔ)型阻變特性圖。
[0025]圖示:1一TiN電極；2—非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層；3—非晶ZnO薄膜介質(zhì)層；4一Pt電極。
【具體實(shí)施方式】[0026]下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方法來詳細(xì)說明本發(fā)明，在本發(fā)明的示意性實(shí)施及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0027]如圖1所示，本實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器包括作為底層導(dǎo)電電極的Pt電極4、非晶ZnO薄膜介質(zhì)層3、非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層2以及TiN電極I。底層導(dǎo)電電極還可以是Au、Pd、Ag、Cu或ITO等制成,優(yōu)選Pt或Au。Pt電極4的厚度為50?500nm,優(yōu)選lOOnm。非晶ZnO薄膜介質(zhì)層3的厚度5?200nm，優(yōu)選20nm。非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層2的厚度為4?50nm,優(yōu)選5nm。非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層中Mg和Zn的原子數(shù)量比為O?I,優(yōu)選0.1。TiN電極的厚度為50?500nm，優(yōu)選lOOnm。
[0028]如圖2所示，本實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的制備方法包括以下步驟:
[0029]SlO:在基底上制備所述底層導(dǎo)電電極。
[0030]在基底上制備包括Pt、Au、Pd、Ag、Cu或ITO等底層導(dǎo)電電極。
[0031]S20:在底層導(dǎo)電電極上表面制備非晶ZnO薄膜介質(zhì)層。
[0032]采用磁控濺射在底層導(dǎo)電電極Pt上制備非晶ZnO薄膜介質(zhì)層，濺射靶材為ZnO陶瓷，襯底溫度為室溫，反應(yīng)氣體為氬氣與氧氣的混合氣體，氣壓為10_4Pa，濺射功率為100W。
[0033]S30:在非晶ZnO薄膜介質(zhì)層上表面制備非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層。
[0034]采用磁控濺射在非晶ZnO薄膜介質(zhì)層上表面制備非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層，濺射靶材為MgaiZna9O陶瓷,襯底溫度為室溫,反應(yīng)氣體為IS氣與氧氣的混合氣體,氣壓為10_4Pa,濺射功率為100W。
[0035]S40:在非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層上表面鍍上TiN電極。
[0036]采用磁控派射在非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層上表面制備厚度為IOOnm,電極大小為直徑100 μ m的TiN電極，濺射靶材為TiN祀，襯底溫度為室溫，反應(yīng)氣體為氬氣，氣壓為
0.1Pa，濺射功率為100W。
[0037]本發(fā)明提供的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)功能如圖3所示。該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)特性在合適的電壓范圍內(nèi)(Vth3，Vthl)具有兩個(gè)極性相反的高阻態(tài)，HRS-p和HRS-n分別代表兩個(gè)極性相反的正向和負(fù)向的高阻態(tài)。其中，負(fù)向高阻態(tài)HRS-n在(Vth4，Vthl)的偏壓范圍內(nèi)保持。當(dāng)施加大于Vthl且小于Vth2的正向偏壓后，負(fù)向高阻態(tài)HRS-n變?yōu)榈妥钁B(tài)LRS。正向高阻態(tài)HRS-p在(Vth3，Vth2)偏壓范圍內(nèi)保持，當(dāng)施加大于Vth4且小于Vth3的負(fù)向偏壓后，正向高阻態(tài)HRS-p變?yōu)榈妥钁B(tài)LRS。因此，可定義在(Vth4，Vthl)穩(wěn)定的負(fù)向高阻態(tài)HRS-n為器件的“ I ”狀態(tài)，而在(Vth3，Vth2)內(nèi)穩(wěn)定的正向高阻態(tài)HRS-p為器件的“O”?！癘”和“ I ”狀態(tài)可以通過施加一個(gè)(Vthl，Vth2)之間的偏壓來識別。由圖3可知，當(dāng)施加一個(gè)在(Vthl，Vth2)之間的偏壓時(shí)，此時(shí)“O”代表的正向高阻態(tài)HRS-p仍保持正高阻態(tài)，而“ I ”代表的負(fù)向高阻態(tài)HRS-n則變?yōu)榈妥钁B(tài)LRS，即“I”的讀取具有破壞性。需要施加一個(gè)小于或等于Vth4的負(fù)向偏壓，使其恢復(fù)到“ I ”的負(fù)向高阻態(tài)HRS-n。類似的，也可以定義負(fù)向高阻態(tài)HRS-n為“0”，正向高阻態(tài)HRS-p為“I”。相應(yīng)的，可施加(Vth3，Vth4)的偏壓來實(shí)現(xiàn)的“O”讀取，然后施加一個(gè)大于或等于Vth2的正向偏壓使其恢復(fù)到高阻態(tài)。該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的“O”和“I”都以高阻態(tài)形式存儲(chǔ)，無需外加選擇元件便可消除十字交叉陣列中的竄擾問題，降低功耗，有利于高密度、低耗能存儲(chǔ)器的開發(fā)。
[0038]以上對本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明實(shí)施例的原理以及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只適用于幫助理解本發(fā)明實(shí)施例的原理；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在【具體實(shí)施方式】以及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，包括: 底層導(dǎo)電電極； 設(shè)于底層導(dǎo)電電極上表面的非晶ZnO薄膜介質(zhì)層； 設(shè)于非晶ZnO薄膜介質(zhì)層上表面的非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層； 設(shè)于非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層上表面的TiN電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，其特征在于:所述底層導(dǎo)電電極由Pt、Au、Pd、Al、Ag、Cu、或 ITO 制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，其特征在于:所述底層導(dǎo)電電極和TiN電極的厚度分別為50~500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，其特征在于:所述非晶ZnO薄膜介質(zhì)層厚度為5~200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，其特征在于:所述非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層的厚度為4~50nm，其中Mg與Zn的原子數(shù)量比范圍在O~I內(nèi)。
6.一種制備權(quán)利要求1-5任一權(quán)利要求所述的互補(bǔ)型阻存儲(chǔ)器的方法，其特征在于，包括如下步驟: 在基底上制備所述底層導(dǎo)電電極； 在底層導(dǎo)電電極上表面制`備非晶ZnO薄膜介質(zhì)層； 在非晶ZnO薄膜介質(zhì)層上表面制備非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層； 在非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層上表面鍍上TiN電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的互補(bǔ)型阻存儲(chǔ)器的方法，其特征在于:采用磁控濺射在底層導(dǎo)電電極？丨、八11、？(1、41、48、(:11、或ITO上制備非晶ZnO薄膜介質(zhì)層，濺射靶材為ZnO陶瓷，襯底溫度為室溫，反應(yīng)氣體為IS氣與氧氣的混合氣體，氣壓為10_4Pa,i賤射功率為100W。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的互補(bǔ)型阻存儲(chǔ)器的方法，其特征在于:采用磁控濺射在非晶ZnO薄膜介質(zhì)層上表面制備非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層，濺射靶材為Mga ^na9O陶瓷，襯底溫度為室溫，反應(yīng)氣體為氬氣與氧氣的混合氣體，氣壓為10_4Pa，濺射功率為100W。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的互補(bǔ)型阻存儲(chǔ)器的方法，其特征在于:采用磁控濺射在非晶MgZnO薄膜介質(zhì)層上表面制備厚度為lOOnm，電極大小為直徑100 μ m的TiN電極，濺射靶材為TiN靶，襯底溫度為室溫，反應(yīng)氣體為氬氣，氣壓為0.1Pa，濺射功率為100W。
【文檔編號】H01L45/00GK103730572SQ201410003695
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】陳心滿 申請人:華南師范大學(xué)