專(zhuān)利名稱(chēng)：氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明rram元器件及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM (電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器)元器件及制作方法，更確切地說(shuō)，氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)是指頂電極和底電極及中間的功能薄膜均為透明的三明治結(jié)構(gòu)的RRAM元器件及制作方法，屬于透明電子器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，RRAM由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及與現(xiàn)代半導(dǎo)體CMOS工藝匹配性?xún)?yōu)異等特點(diǎn)，逐漸成為了新一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的研究熱點(diǎn)。在RRAM材料的研究過(guò)程中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了多種材料體系具有作為RRAM的應(yīng)用潛力。主要包括稀土錳氧化物材料、過(guò)渡金屬鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)材料、二元過(guò)渡金屬氧化物材料、有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料以及一些硫化物材料等。目前，二元過(guò)渡金屬氧化物的研究主要有NiO、 Ti02、 CuxO、 Cu-MoOx、 ZnO、 Mg-ZnO、Co-ZnO、 Mn-ZnO、 Fe203、 Zr。2等。
另外，摻雜的氧化鋅薄膜由于其優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)，以及原材料的廉價(jià)和無(wú)毒被認(rèn)為是傳統(tǒng)透明導(dǎo)電薄膜(In慘雜Sn02 (ITO))的最佳替代品。目前作為透明導(dǎo)電薄膜的氧化鋅基薄膜主要以摻雜IIIA元素B、 Al、In和Ga為主，其中慘鋁氧化鋅(AZO)薄膜研究較多。
二元氧化物材料一般具有較大的光學(xué)帶隙(>3 eV)，因而在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有較好的透過(guò)率。因此，如果選用透明電極及襯底，將可能實(shí)現(xiàn)全透明的RRAM存儲(chǔ)單元，并可能集成于未來(lái)可視電子器件中。這種全透明RRAM器件并不是取代硅基集成的電子器件，而是為未來(lái)可視電子器件提供了一種新的概念，在透明電子器件領(lǐng)域?qū)⒂锌赡艿玫綇V泛應(yīng)用。
本發(fā)明擬采用在石英玻璃襯底上依次制備"電極層/阻變氧化物層/電極層"三明治結(jié)構(gòu)以構(gòu)成RRAM存儲(chǔ)單元。電極層具有良好導(dǎo)電性，(電阻率在10—5~10.4歐姆 厘米)，制備的阻變層薄膜具有良好的電阻轉(zhuǎn)變性能，且整個(gè)器件保持良好的可見(jiàn)光透過(guò)性。在透明RRAM存儲(chǔ)單元研究方面，至今為止，氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的RRAM存儲(chǔ)單元在國(guó)內(nèi)外各類(lèi)文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述對(duì)RRAM研究現(xiàn)狀的概述，本發(fā)明的目的在于提供一種氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件及制作方法。
本發(fā)明的氧化鋅基透明RRAM元器件的結(jié)構(gòu)，包括石英玻璃襯底(1)，其特征在于在襯底(1)上依次沉積底電極層為ZnO基摻雜的透明導(dǎo)電薄膜(2)，中間阻變氧化物層為ZnO或ZnO基摻雜阻變薄膜(3)，頂電極層為ZnO基摻雜的透明導(dǎo)電薄膜(4)。其中，頂電極層或底電極層為ZnO基摻雜的透明導(dǎo)電薄膜(例如Al摻雜ZnO (AZO)， Ga摻雜ZnO (GZO) ,Ag摻雜ZnO等)；阻變層為ZnO或摻雜的ZnO基阻變薄膜(Mg摻雜ZnO薄膜(MZO)， Mn摻雜ZnO薄膜，Co摻雜ZnO薄膜等)。
本發(fā)明是利用氧化鋅基薄膜材料，通過(guò)對(duì)ZnO進(jìn)行摻雜，獲得導(dǎo)電性能良好的電極材料或電阻轉(zhuǎn)變特性?xún)?yōu)異的阻變層材料。通過(guò)對(duì)ZnO基薄膜組分的調(diào)控，對(duì)薄膜材料的導(dǎo)電性及電阻轉(zhuǎn)變性能進(jìn)行控制，從而達(dá)到穩(wěn)定存儲(chǔ)的目的。
所述的電極層材料的電阻率為10—5~10_4歐姆 厘米，所述的阻變層材料的電阻轉(zhuǎn)變倍率變化范圍為4倍~103倍。頂電極層和底電極層的厚度為80 120nm，中間阻變層的厚度為120 150nm。
本發(fā)明所述的ZnO基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的RRAM的具體制作步驟是
a) 選用石英玻璃襯底，經(jīng)丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗；
b) 采用電阻率在10—5 10—4歐姆*厘米的Al摻雜的ZnO、 Ga摻雜的ZnO或Ag摻雜的ZnO陶瓷靶在本底真空為(1~9) X l(r4Pa，沉積溫度為18 25"C條件下沉積底電極；
c) 采用電阻轉(zhuǎn)變倍率為4倍 10M咅的ZnO或ZnO基摻雜陶瓷耙，在l 5Pa
氧分壓下沉積阻變層；
d) 采用孔洞直徑為0.05 0.2mm的掩膜板，在(1~9) X10"Pa本底真空和18 25。C溫度下沉積頂電極制作成三明治結(jié)構(gòu)。
由于本發(fā)明采用的氧化鋅基薄膜材料及石英襯底均為透明材料，在可見(jiàn)光(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)400 800nm)范圍內(nèi)都具有大于或等于60%的較高的透過(guò)率。構(gòu)成RRAM元器件的存儲(chǔ)單元后，仍能保持良好的透明性。本發(fā)明是利用氧化鋅基薄膜材料構(gòu)成電極層/阻變氧化物層/電極層同質(zhì)結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)過(guò)程中，晶格失配度小，匹配性好。
本發(fā)明的透明存儲(chǔ)元器件的工作過(guò)程是在外加電場(chǎng)的作用下，材料的電阻在低阻態(tài)("0")和高阻態(tài)("1")之間可逆轉(zhuǎn)變，基于這種效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)
RRAM器件的記憶過(guò)程。為了方便表征，通常采用不同電壓下的電流值變化
來(lái)間接表征電阻值的變化。
本發(fā)明提供的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件，其最大的優(yōu)點(diǎn)是基于低成本的氧化鋅基薄膜材料，通過(guò)摻雜控制獲得一種性能穩(wěn)定且具有良好透明性的氧化鋅同質(zhì)結(jié)構(gòu)RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，有利于RRAM元器件存儲(chǔ)單元向低成本、高性能透明器件方向發(fā)展。


圖1為氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件結(jié)構(gòu)示意2為氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件實(shí)物3為氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件透過(guò)譜4為氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件特征曲線(xiàn)圖
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)具體實(shí)施例的闡述，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。
選用Al摻雜的ZnO薄膜(AZO)為電極層，分子通式式為AlxZni.xO，(0.02<x<0.04),電阻率約2X 10'4~9X l(T4歐姆 厘米；選用Mg摻雜的ZnO薄膜(MZO)為阻變層，分子式為MgyZni_yO， (0.1<y<0.4)，電阻轉(zhuǎn)變倍率變化范圍為4倍~103倍。由所述的電極層和阻變層構(gòu)筑成的一種氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件，其特征在于在襯底(1)上依次沉積底電極層AZO (2)，中間阻變層MZO (3)，頂電極AZO (4)。采用脈沖激光沉積法(PLD)制作，具體工藝步驟如下
1) 襯底選用石英玻璃(1),經(jīng)丙酮、乙醇和去離子水標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗；
2) 采用摻雜Al摩爾百分比為3。/。的ZnO陶瓷靶，在本底真空為3xl(^Pa，沉積溫度為室溫(約18~25°C)條件下沉積厚度為100 nm的AZO底電極層(2);
3) 采用摻雜Mg(30M)的ZnO陶瓷靶，在2Pa氧分壓下沉積厚度為 120-150 nm的MZO阻變層(3);
4) 采用孔洞直徑0.1mm的掩模板，摻雜A1 (3%)的ZnO陶瓷靶，在本 底真空為3xl(T4 Pa和18 25°C條件下沉積厚度為100 nm的AZO頂 電極(4)。
制備獲得的氧化鋅基透明RRAM元器件，其結(jié)構(gòu)為石英玻璃襯底上的 AZO/MZO/AZO同質(zhì)三明治結(jié)構(gòu)，示意圖參見(jiàn)附圖l。
肉眼觀(guān)察該元器件具有良好的透明性，參見(jiàn)附圖2。由附圖3光學(xué)透過(guò) 譜圖所示，該元器件在可見(jiàn)光(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)400 800nm)范圍內(nèi)具有較高的透 過(guò)率(最大83%，最小63%)。
該元器件特征/-^曲線(xiàn)如附圖4所示，其電阻轉(zhuǎn)變過(guò)程可描述為薄膜
原始處于高阻態(tài)，施加正向電壓到一定數(shù)值，薄膜轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)，然后施加
負(fù)向電壓到一定值，薄膜恢復(fù)至高阻態(tài)，如此為一個(gè)循環(huán)，圖中為50個(gè)循環(huán) 的7-F曲線(xiàn)，可見(jiàn)其重復(fù)性、穩(wěn)定性良好。高阻態(tài)約為3400~3500 Q，低阻 態(tài)約為700 800Q，高/低阻態(tài)轉(zhuǎn)變倍率約為4 5倍。施加電壓過(guò)程中，頂電 極為正方向，底電極為負(fù)方向，參見(jiàn)附圖l。
需特別強(qiáng)調(diào)指出的是本實(shí)施例選取的AZO和MZO分別作為電極層材料 和阻變層材料最具有代表性，實(shí)際上電極層材料除AZO之外還可選取Ga摻 雜的或Ag摻雜的ZnO，阻變層材料可選取Mn摻雜的ZnO或Co摻雜的ZnO， 甚至ZnO透明薄膜，只是控制不同的摻雜比例但均為透明薄膜。
通過(guò)本實(shí)施例的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以方便制作出由不同電極層 材料和阻變層材料構(gòu)筑成的ZnO基同質(zhì)透明的RRAM元器件。
權(quán)利要求
1、氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件，包括石英玻璃襯底，其特征在于在襯底上依次沉積底電極層、中間阻變氧化物層和頂電極層，構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，且底電極層、中間阻變層和頂電極層是由氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明薄膜組成。
2、 按權(quán)利要求1所述的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件，其特征在于所述的頂電極層或底電極層的材料為Al摻雜的ZnO、 Ga摻雜的ZnO或Ag摻雜的ZnO;電極層材料的電阻率為10—5~10—4歐姆 厘米。
3、 按權(quán)利要求2所述的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件，其特征在于所述的頂電極層或底電極層的材料為Al摻雜的ZnO，組成通式為AlxZn,陽(yáng)xO，式中0.02<x<0.04。
4、 按權(quán)利要求1所述的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件，其特征在于阻變氧化物層材料為Mg摻雜的ZnO、 Mn摻雜的ZnO或Co摻雜的ZnO，阻變氧化物層材料的電阻轉(zhuǎn)變倍率范圍為4倍 103倍。
5、 按權(quán)利要求4所述的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件，其特征在于所述的阻變層材料為Mg慘雜的ZnO，組成通式為MgxZni.yO，式中0.1<y<0.04。
6、 按權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件，其特征在于底電極層的厚度為80 120nm，頂電極層的厚度為80 120nm。
7、 按權(quán)利要求1、4或5所述的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件，其特征在于阻變氧化物層的厚度為120 150nm。
8、 制作如權(quán)利要求1所述的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件的方法，其特征在于采用脈沖激光沉積法制作，具體步驟是a) 選用石英玻璃襯底，經(jīng)丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗；b) 采用電阻率在10'5~10—4歐姆*厘米的Al摻雜的ZnO、 Ga摻雜的ZnO或Ag摻雜的ZnO陶瓷靶在本底真空為(1 9) X l(T4Pa，沉積溫度為18 25。C條件下沉積底電極；c) 采用電阻轉(zhuǎn)變倍率為4倍 10M音的ZnO或ZnO基摻雜陶瓷耙，在l 5Pa氧分壓下沉積阻變層；d)采用孔洞直徑為0.05 0.2mm的掩膜板，在(1 9) X10—4pa本底真空和18~25 °C溫度下沉積頂電極制作成三明治結(jié)構(gòu)。
9、 按權(quán)利要求8所述的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件的制作方法，其特征在于以Al摻雜的ZnO薄膜為電極層，以Mg摻雜的ZnO薄膜為阻擋層的元器件在400 800nm可見(jiàn)光范圍內(nèi)最大透光率為83%，最小為63%。
10、 按權(quán)利要求9所述的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明RRAM元器件的制作方法，其特征在于所制作的RRAM元器件經(jīng)高阻態(tài)到低電阻態(tài)50個(gè)循環(huán)的I-V曲線(xiàn)顯示好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，高/低阻態(tài)轉(zhuǎn)變倍率為4 5倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)的透明電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)元器件及制作方法。所述的存儲(chǔ)元器件是在石英玻璃襯底上由依次制備的“電極層/阻變氧化物層/電極層”三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，電極層材料為ZnO基摻雜的透明導(dǎo)電薄膜，阻變氧化物層材料為ZnO或ZnO基摻雜阻變薄膜。在保持材料透明性的前提下，通過(guò)對(duì)ZnO基薄膜組分的調(diào)控，對(duì)薄膜材料的導(dǎo)電性及電阻轉(zhuǎn)變性能進(jìn)行控制，從而達(dá)到穩(wěn)定存儲(chǔ)的目的。本發(fā)明的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是基于低成本的氧化鋅基同質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜材料，通過(guò)摻雜控制獲得一種性能穩(wěn)定且具有良好透明性的同質(zhì)RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，有利于RRAM存儲(chǔ)器件向低成本、高性能透明器件方向發(fā)展。
文檔編號(hào)H01L45/00GK101533890SQ20091004882
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者于偉東, 劉新軍, 張亦文, 遜 曹, 李效民, 蕊 楊, 長(zhǎng) 楊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所