專利名稱：阻變氧化物材料Lu₂O₃薄膜制備方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子材料領(lǐng)域，具體涉及一種阻變氧化物L(fēng)U203薄膜和制備方法及其在制備可快速讀寫的高密度非易失性阻變存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用。
二背景技術(shù)：
微電子產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)久以來(lái)一直在尋求高密度、高存儲(chǔ)速度、低能耗的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
器，即使在沒(méi)有電源支持的時(shí)候仍能夠保存原來(lái)的數(shù)據(jù)。阻變存儲(chǔ)器兼顧了 Flash電子存儲(chǔ)器非易失性和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)高速度存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)而避免了它們自身的缺點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)普遍應(yīng)用于當(dāng)今電腦產(chǎn)業(yè)中，但是數(shù)據(jù)保存必須依靠電源支持，是易失性的。另一方面，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器是一種非易失性存儲(chǔ)器，但其存儲(chǔ)數(shù)度不夠理想，而且寫入/擦除次數(shù)有限，因此不能應(yīng)用于須要高速重復(fù)性讀些的計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)。當(dāng)微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展到2016年22nm工藝后，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)將技術(shù)到達(dá)尺度極限。其主要原因是傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)都基于電荷存儲(chǔ)，而日趨縮小的器件中難以穩(wěn)定保持足夠的電子。占當(dāng)今市場(chǎng)小份額的磁存儲(chǔ)和鐵電存儲(chǔ)同樣面臨器件小型化的挑戰(zhàn)。
阻性存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有電阻開關(guān)(resistive switching)特性的氧化物薄膜材料夾于兩電極(例如Pt)之間，這里電阻開關(guān)是指材料在電壓掃描過(guò)程中能夠表現(xiàn)出穩(wěn)定的高、低電阻態(tài)。因而可通過(guò)外加電壓調(diào)制存儲(chǔ)材料的電阻狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)(Boolean algebra)中"1"和"0"碼的編制。氧化物阻性存儲(chǔ)器被視為可行性高，最具競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用前景的非易失性存儲(chǔ)器件之一。它兼具動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器快速寫入/擦除的能力以及flash存儲(chǔ)器非易失性存儲(chǔ)的特點(diǎn)，同時(shí)具有低工作電壓及低能耗，并可實(shí)現(xiàn)高存儲(chǔ)密度，能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)主存和外存提供新的技術(shù)方案。
近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，集成電路的發(fā)展基本遵循了G.E.Moore提出的預(yù)言"單個(gè)芯片上集成的元件數(shù)每十八個(gè)月增加一倍"。當(dāng)硅基CMOS器件的尺寸逐漸縮小到納米量級(jí)，傳統(tǒng)器件將走近物理和技術(shù)的極限。所以，發(fā)展新型的存儲(chǔ)技術(shù)，設(shè)計(jì)新型的存儲(chǔ)器件，已經(jīng)成為當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展中一個(gè)重要的方面。其中，新型存儲(chǔ)材料的開發(fā)是當(dāng)前存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種阻變氧化物L(fēng)u203薄膜和制備方法及其在非易失性阻變存儲(chǔ)記憶元件中的應(yīng)用。
本發(fā)明技術(shù)方案是 一種阻變氧化物L(fēng)U203薄膜，其特征在于該薄膜為非晶態(tài)，薄膜的厚度為50 土20nm。阻變氧化物L(fēng)u203薄膜的制備步驟如下
a) Lu203陶瓷靶材的制備將購(gòu)買的氧化镥粉末經(jīng)研缽研磨后冷壓成圓柱形薄片，并
在箱式電阻爐中燒結(jié)，溫度范圍為1400±100°C，得到致密的Lll203陶瓷靶材；
b) 將燒結(jié)好的Lii203靶材4固定在脈沖激光沉積成膜系統(tǒng)(如圖1所示)的靶臺(tái)5上，襯底1固定在襯底臺(tái)9上，他們都位于脈沖激光沉積成膜系統(tǒng)的生長(zhǎng)室6中；
c) 依次用機(jī)械泵和分子泵將生長(zhǎng)室6內(nèi)真空抽到約8±3 X l(T5 Pa。激光沉積Lu203薄膜的厚度至50 士20nm;
d)將沉積好的薄膜置于快速熱退火爐中，在氬氣氣氛保護(hù)下200 °C退火60±30秒。 激光沉積時(shí)啟動(dòng)準(zhǔn)分子激光器2，使激光束通過(guò)聚焦透鏡3聚焦在Lu203靶材4上; 根據(jù)該薄膜在能量密度為1.5mJ/cm2、頻率為5Hz的生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)速率為0.5A/S,
確定沉積時(shí)間，在襯底1上沉積厚度為 50nm厚的Lu2O3薄膜；生長(zhǎng)薄膜的條件可為室
溫沉積。
上述制備方法步驟a)中冷壓的壓力為12Mpa，壓成0>22X4mm圓柱形薄片。
所述襯底為金屬薄膜(如Au、 Pt、 Ti)、 Si02或Si(lll)襯底。 上述制備方法制備的薄膜，經(jīng)測(cè)試薄膜處于非晶態(tài)。
上述的阻變氧化物L(fēng)u203薄膜在制備非易失性阻變存儲(chǔ)記憶元件中的應(yīng)用 使用阻變氧化物薄膜Lu203制備非易失性阻變存儲(chǔ)記憶元件的基本構(gòu)型為三明治結(jié)
構(gòu)(如圖2所示)， 一層非晶氧化物L(fēng)U203薄膜沉積在上下電極膜之間構(gòu)成，薄膜和上下
電極膜的直徑為0.1毫米，(實(shí)施例中制備的電極直徑大小為0.1毫米，實(shí)際上對(duì)于此類 器件0.1毫米之下可以正常工作，甚至尺寸減小到納米量級(jí)仍能正常工作)。將一層非晶 氧化物L(fēng)U203薄膜沉積在下電極Pt電極膜上，壓上掩膜板后用磁控濺射方法沉積上Pt 電極，如圓柱形上電極直徑為0.1毫米，這就是一個(gè)記憶單元，像一個(gè)微型電容器。電極 的大小是由掩膜板孔徑大小決定的，有孔的地方電極就能長(zhǎng)到Lu203膜上去，揭去掩模
板后Lll203膜上就留下一個(gè)個(gè)電極。
本發(fā)明有益效果是本發(fā)明制備的應(yīng)用于非易失性阻變存儲(chǔ)器的材料LU20s薄膜在國(guó)
際上尚未見(jiàn)報(bào)道。本發(fā)明所使用的材料Lu203曾作為高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料的候選材 料研究，已驗(yàn)證與傳統(tǒng)的CMOS工藝相兼容。
1) 被發(fā)明制備的薄膜為非晶態(tài)，沒(méi)有晶粒大小和晶界的影響，應(yīng)用此材料的器 件可以做的更小。
2) 使用激光沉積方法制備的Lu203薄膜非常平整，厚度均勻，且與襯底的界面 非常清晰。
3) 如圖3所示，使用該方法制備的薄膜經(jīng)過(guò)X射線衍射分析，其形態(tài)為非晶態(tài)。
4) 使用該薄膜制備非易失性阻變存儲(chǔ)記憶元件具有以下效果-
a) 如圖4所示，該記憶元初始處于高阻態(tài)，在Pt上電極上加上較大電壓的 同時(shí)加上限定電流，器件便從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)。在撤去限定電流后，加上一較小電
壓，器件便從低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。高低阻態(tài)的電阻值比超過(guò)103。且該記憶元電阻態(tài)的轉(zhuǎn)
變與Pt上下電極膜所加電壓的極性無(wú)關(guān)，是一典型的單極型阻變行為。
b) 如圖5所示，該記憶元件在室溫下自少重復(fù)性工作300次，且能承受非常 高的工作溫度，在30(TC時(shí)仍能正常工作。
c) 該記憶元件低阻態(tài)的電阻隨溫度變化展現(xiàn)出了金屬行為，如圖6所示。
d) 由于該新型非易失性阻變記憶元件存儲(chǔ)信息的基本原理是器件薄膜中導(dǎo)電通道的形成與斷開導(dǎo)致的低、高電阻態(tài)，在信息存儲(chǔ)期間不需要向它提供任何能量補(bǔ) 充，它是一種非易失性存儲(chǔ)器。
四

圖1 :本發(fā)明制備LU203薄膜的脈沖激光沉積薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2:本發(fā)明制備的非易失性阻變記憶元件的結(jié)構(gòu)示意圖 圖3:本發(fā)明制備的薄膜X射線衍射圖譜
圖4:本發(fā)明記憶元件的電壓一電流特性，其中X軸表示器件所受電壓(單位為伏 特)，y軸表示器件的響應(yīng)電流(單位為毫安培)。電壓施加的過(guò)程是在加上一限定電流
(0. 2mA)的前提下，從0 V到8 V，撤去限定電流后，從0V到2 V，然后再加上限定電流， 從0V到6V。電壓信號(hào)為臺(tái)階模式，臺(tái)階寬度約為100ms。
圖5:本發(fā)明基于LU203薄膜制備的非易失性阻變記憶元件在室溫下的開關(guān)次數(shù)。 圖6:本發(fā)明所制備記憶元低阻態(tài)的電阻隨溫度變化的特性圖譜。
1一襯底材料、2—KrF準(zhǔn)分子激光器、3—聚焦透鏡、4一Lii203陶瓷靶材、5 — 靶臺(tái)、6—生長(zhǎng)室、7、 8—機(jī)械泵和分子泵的接口閥、9一襯底臺(tái)、IO—進(jìn)氣閥。11-上 電極引線、12-上電極、13-下電極引線、14-Pt下電極、15-襯底、16-氧化镥薄膜。
五具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l.制備LU203陶瓷靶材將購(gòu)買的氧化镥粉末經(jīng)研缽研磨后在12MPa冷壓 下，壓制成022x4 mm的圓柱形薄片，并在箱式電阻爐中140(TC燒結(jié)，得到致密的Lu203 陶瓷靶材。
實(shí)施例2.制備非晶薄膜，其制備步驟如下
a) 將燒結(jié)好的Lu203靶材4固定在脈沖激光沉積成膜系統(tǒng)(如圖1所示)的靶臺(tái)5 上，襯底1固定在襯底臺(tái)9上，他們都位于脈沖激光沉積成膜系統(tǒng)的生長(zhǎng)室6中；
b) 依次用機(jī)械泵和分子泵將生長(zhǎng)室6內(nèi)真空抽到約8.0X 10—5 Pa。
c) 啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器2，使激光束通過(guò)聚焦透鏡3聚焦在LU203靶材4上；
e) 根據(jù)該薄膜在能量密度為1.5mJ/cm2、頻率為5Hz的生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)速率為 0.5A/S，確定沉積時(shí)間，在襯底1上沉積厚度為 50nm厚的Lu2O3薄膜；
f) 將沉積好的薄膜置于快速熱退火爐中，在氬氣氣氛保護(hù)下20(TC退火60秒 實(shí)施例3.使用變Lu203薄膜制備阻變記憶元件的方法，其制備步驟如下
在Pt/Ti/Si02/Si (lll)的多層薄膜襯底上生長(zhǎng)厚度約為50nrn的1^203薄膜，在沉積 過(guò)程中用壓片夾壓住一角，這樣漏出部分Pt下電極膜作為下電極，取出后把孔徑為O. 1 毫米的掩模板壓在上表面上，然后用磁控濺射沉積100納米后的Pt膜，然后將掩模板取 下。之后將其放在探針臺(tái)上，通過(guò)探針臺(tái)的輔助顯微鏡將上電極探針小心地搭在Pt上下 電極上，構(gòu)成一個(gè)微型的三明治結(jié)構(gòu)，這就是一個(gè)記憶單元。
上述的Pt下電極膜厚度在100納米左右；該氧化物L(fēng)U203薄膜所制備的非易失性阻
變記憶元件的工作原理如下本發(fā)明采用新型材料一氧化镥薄膜。如圖2所示，將此膜 夾在Pt上下電極之間構(gòu)成一個(gè)微型三明治結(jié)構(gòu)，這就是一個(gè)記憶單元。初始時(shí)，器件處 于高阻態(tài)，隨著加在器件上的電壓增大，電流緩慢增加，當(dāng)電壓達(dá)到一定值后電流迅速增大，為避免薄膜被完全擊穿，在測(cè)量時(shí)加上限定電流。經(jīng)過(guò)這一過(guò)程后，器件的電阻 態(tài)由原來(lái)的高阻態(tài)變?yōu)榱说妥钁B(tài)。在接下來(lái)的掃描過(guò)程中，限定電流被取消。隨著器件 上所加電壓的增大，電流迅速增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值后突然減小。器件的電阻態(tài)變?yōu)楦咦?態(tài)。這里的高、低電阻狀態(tài)就構(gòu)成了布爾代數(shù)中的"0"和"1"兩個(gè)狀態(tài)。器件的高低 阻態(tài)可以通過(guò)加一低于關(guān)斷電壓的小電壓信號(hào)讀出，利用這種原理和結(jié)構(gòu)我們制成了新 型的非易失記憶元件。它的基本構(gòu)型為三明治結(jié)構(gòu)，像一個(gè)微型電容器。它具有體積小、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非易失性、可快速讀寫、工作電壓低、低能耗、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、非破壞性讀出 等優(yōu)點(diǎn)。
在Pt/Ti/Si02/Si (lll)的多層薄膜襯底上生長(zhǎng)厚度約為50nrn的Lu203薄膜和Pt上下
電極之間構(gòu)成一個(gè)微型三明治結(jié)構(gòu)亦為一個(gè)記憶單元的基本結(jié)構(gòu)。
使用該氧化物薄膜制備的非易失性阻變存儲(chǔ)記憶元件的性能測(cè)試 對(duì)制得的記憶元件進(jìn)行性能測(cè)試的儀器為Keithley 2400源測(cè)單元和變溫探針臺(tái)。主
要測(cè)試器件穩(wěn)定工作的次數(shù)、阻態(tài)的保持、溫度變化特性以及對(duì)溫度的承受能力。
權(quán)利要求
1、一種阻變氧化物L(fēng)u2O3薄膜，其特征在于該薄膜為非晶態(tài)，薄膜的厚度為50±20nm。
2、 阻變氧化物L(fēng)U203薄膜的制備方法，其特征在于步驟如下a) Lii203陶瓷靶材的制備將氧化镥粉末經(jīng)研缽研磨后冷壓成圓柱形薄片，并在箱式電阻爐中燒結(jié)，溫度范圍為1400±100°C，得到致密的LU203陶瓷靶材；b) 將燒結(jié)好的LU203靶材放在脈沖激光沉積成膜系統(tǒng)生長(zhǎng)室中的靶臺(tái)上，襯底固定在生長(zhǎng)室中的襯底臺(tái)上；真空度8士3Xl(^Pa;c) 激光沉積Lu203薄膜的厚度至50 土20nm;d) 將沉積好的薄膜置于快速熱退火爐中，在氬氣氣氛保護(hù)下200 。C退火60土30 秒；所述襯底為金屬薄膜、Si02或Si(lll)襯底。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻變氧化物L(fēng)ii203薄膜的制備方法，其特征在于步驟 a)中冷壓的壓力為12Mpa，壓成(D22X4mm圓柱形薄片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻變氧化物L(fēng)U203薄膜的制備方法，其特征在于激光的能量密度為1.5mJ/cm2、頻率為5Hz的生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)速率為0.5A/S，確定沉積時(shí)間決定LU203薄膜的厚度。
5、 阻變氧化物L(fēng)U203薄膜在制備非易失性阻變存儲(chǔ)記憶元件中的應(yīng)用其特征是使用阻變氧化物薄膜Lu203制備非易失性阻變存儲(chǔ)記憶元件的基本構(gòu)型為三明治結(jié)構(gòu)，即一層非晶氧化物L(fēng)U2Cb薄膜沉積在上下電極膜之間構(gòu)成，每個(gè)單元的阻變存儲(chǔ)記憶元件的薄膜和上下電極膜的直徑為0.1毫米。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的阻變氧化物L(fēng)u203薄膜在制備非易失性阻變存儲(chǔ)記憶元 件中的應(yīng)用其特征是在在Pt/Ti/Si02/Si (lll)的多層薄膜襯底上生長(zhǎng)厚度約為50nm的 LU203薄膜和Pt上下電極之間構(gòu)成一個(gè)微型三明治結(jié)構(gòu)為一個(gè)記憶單元的基本結(jié)構(gòu)。
全文摘要
阻變氧化物L(fēng)u₂O₃薄膜的制備方法和應(yīng)用，步驟如下a)Lu₂O₃陶瓷靶材的制備將氧化镥粉末經(jīng)研缽研磨后冷壓成圓柱形薄片，并在箱式電阻爐中燒結(jié)，溫度范圍為1400±100℃，得到致密的Lu₂O₃陶瓷靶材；b)將燒結(jié)好的Lu₂O₃靶材放在脈沖激光沉積成膜系統(tǒng)生長(zhǎng)室中的靶臺(tái)上，襯底固定在生長(zhǎng)室中的襯底臺(tái)上；真空度8±3×10^-5Pa；c)激光沉積Lu₂O₃薄膜的厚度至50±20nm；d)將沉積好的薄膜置于快速熱退火爐中，在氬氣氣氛保護(hù)下200℃退火60±30秒；所述襯底為金屬薄膜、SiO₂或Si(111)襯底。
文檔編號(hào)C23C14/08GK101643890SQ200910034820
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者任建強(qiáng), 劉治國(guó), 夏奕東, 江 殷, 旭 高 申請(qǐng)人:南京大學(xué)