具有多種存儲效應的電學元件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型微納電子材料及功能器件領(lǐng)域，特別涉及一種具有多種存儲效應的電學元件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)如今，信息量飛速增長，伴隨著計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)以及各種新型大眾化電子產(chǎn)品如筆記本電腦、移動電話和數(shù)碼相機等的快速發(fā)展，人們對存儲器的性能要求也越來越高。相比于傳統(tǒng)電荷存儲機制的存儲器件，電阻式存儲器是通過存儲器件的不同電阻值而得以實現(xiàn)其功能，器件結(jié)構(gòu)簡單，存儲信號穩(wěn)定、易讀取且具有非揮發(fā)性，信噪比高。因此，研發(fā)新型電阻式存儲器引起了國內(nèi)外研發(fā)機構(gòu)的廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為當今科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點之一。
[0003]目前廣泛研宄的阻變存儲器(RRAM)是電阻式存儲器的一種，主要是利用器件在外電場作用下可逆的高、低電阻態(tài)轉(zhuǎn)變效應，即電阻開關(guān)效應。RRAM被認為是替代Flash存儲器有力競爭者。迄今為止，人們相繼在二元金屬氧化物、多元金屬氧化物、鈣鈦礦以及固體電解質(zhì)材料等薄膜材料中發(fā)現(xiàn)電阻開關(guān)特性。另一種非揮發(fā)性電阻式存儲器件一WORM存儲器，由于存儲信號可長期保存且無法修改編輯，可用于關(guān)鍵數(shù)據(jù)文件的保護和存儲。對WORM存儲效應的研宄大多是基于有機介質(zhì)，介質(zhì)在長期的使用過程中，容易退化甚至損壞，因此有必要開發(fā)無機介質(zhì)的WORM存儲器。同時，盡管基于過渡金屬氧化物材料的電阻開關(guān)效應得到廣泛研宄，但現(xiàn)有研宄報道的器件均表現(xiàn)出單一的存儲效應，還未見基于過渡金屬氧化物薄膜器件多種存儲效應的報道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明為彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有多種存儲效應的電學元件，該電學元件可實現(xiàn)一次性寫入重復讀取(WORM)和偶極性電致阻變(BRS)兩種存儲效應。
[0005]本發(fā)明為達到其目的，采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種具有多種存儲效應的電學元件，包括!!《^單層薄膜介質(zhì)層、設于HfOx單層薄膜介質(zhì)層下表面的下表面電極、及設于HfOx單層薄膜介質(zhì)層上表面的TiN電極；其中，0〈x 彡 2o
[0007]進一步的，所述下表面電極選自Pt、Au、Pd、Ag、Al、Cu、ITO等電極中的至少一種。
[0008]優(yōu)選的，所述下表面電極其厚度為50?500nm ;優(yōu)選的，所述TiN電極其厚度為50?500nm ;優(yōu)選的，所述HfOx單層薄膜介質(zhì)層的厚度為10?50nm。采用優(yōu)選厚度，電學元件性能更佳。
[0009]本發(fā)明第二方面提供一種制備如上文所述的具有多種存儲效應的電學元件的方法，包括如下步驟:
[0010]I)制備所述下表面電極；
[0011]2)在下表面電極上通過原子層沉積技術(shù)制備所述!!《^單層薄膜介質(zhì)層；
[0012]3)在所述HfOx單層薄膜介質(zhì)層上表面制備TiN電極。
[0013]進一步的，步驟2)通過原子層沉積技術(shù)制備所述HfOx單層薄膜介質(zhì)層時，采用的Hf源為四(二乙氨基)鉿，氧源為1120，反應溫度150-300°C。
[0014]進一步的，步驟3)中，在HfOx單層薄膜介質(zhì)層上表面通過磁控濺射制備所述TiN電極。
[0015]進一步的，步驟I)在基底上制備所述下表面電極，所述基底為Ti02/Si02/Si。
[0016]本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有如下有益效果:
[0017]1、本發(fā)明提供的電學元器件，其結(jié)構(gòu)類似于三明治結(jié)構(gòu)，其中表面TiN電極接地，通過下表面電極施加電壓。偶極性電阻開關(guān)效應及其實現(xiàn)方式如圖2所示，器件經(jīng)過-5V的電壓Forming后(圖2插圖)，表現(xiàn)為偶極性開關(guān)效應，分別在?-0.7V和?+1.2V實現(xiàn)由OFF態(tài)至ON態(tài)以及ON態(tài)至OFF態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，其中的ON、OFF態(tài)可作為邏輯信號“ 1”、“0”存儲。一次性寫入重復讀取存儲效應及其實現(xiàn)方式如圖3所示，器件經(jīng)+5V電壓Forming后(圖3插圖)，可在-1.3V由OFF態(tài)轉(zhuǎn)變至ON態(tài)，但這種轉(zhuǎn)變是一次性的。在此之后，器件一直處于ON態(tài)，此態(tài)信號可多次讀取。這說明，本發(fā)明提供的電學元件，根據(jù)Forming電壓極性方向的不同，表現(xiàn)出兩種存儲效應，可用于制作非揮發(fā)性存儲器和存儲光盤。
[0018]2、本發(fā)明涉及的電學元件，以單層HfCV薄膜為存儲介質(zhì)，具有簡單的器件結(jié)構(gòu)，且與CMOS工藝兼容。
[0019]3、本發(fā)明涉及的電學元件，其存儲介質(zhì)的制備采用可低溫生長的原子層沉積技術(shù)，無需高溫熱處理，可精確調(diào)控存儲介質(zhì)的厚度。
[0020]4、本發(fā)明涉及的電學元件，不僅具有偶極性電致阻變存儲效應，也有一次性寫入重復讀取的存儲效應，可分別用于制作非揮發(fā)性存儲器和存儲光盤。
[0021]5、本發(fā)明涉及的電學元件結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝簡便，節(jié)能環(huán)保。
【附圖說明】
[0022]圖1為實施例1制備的電學元件結(jié)構(gòu)示意圖以及電壓設置示意圖；
[0023]圖2為電學元件偶極性電阻開關(guān)存儲效應1-V圖，插圖為Forming過程；
[0024]圖3為電學元件一次寫入重復讀取存儲效應1-V圖，插圖為Forming過程
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明:
[0026]實施例1
[0027]一種具有多種存儲效應的電學元件，其按照如下步驟制備:
[0028](I)在Ti02/Si02/Si基底上制備下表面電極，本實施例的下表面電極為Pt電極；
[0029](2)采用原子層沉積技術(shù)在下表面電極上制備厚度為20nm的HfOx (0〈x ( 2)單層薄膜介質(zhì)層，具體為在Pt/Ti02/Si02/Si襯底上制備該HfOx單層薄膜介質(zhì)層。制備HfO ,單層薄膜介質(zhì)層所用的Hf源為四(二乙氨基)鉿(化學式為Hf (NMe2)4),氧源為H20，反應溫度 200。。。
[0030](3)采用磁控濺射在Hf (V薄膜上表面鍍上TiN層，即TiN電極(濺射靶材為高純TiN靶，襯底溫度為室溫，反應氣氛為氬氣，氣壓為0.1Pa，功率為100W)，TiN厚度為100nm，TiN電極的直徑100 μπι。經(jīng)上述步驟形成本發(fā)明的電學元件。
[0031]實施例2
[0032](I)在Ti02/Si02/Si基底上制備下表面電極，本實施例的下表面電極為Au電極；
[0033](2)采用原子層沉積技術(shù)在下表面電極上制備厚度為1nm的HfOx (0〈x ( 2)單層薄膜介質(zhì)層，具體為在Au/Ti02/Si02/Si襯底上制備該HfOx單層薄膜介質(zhì)層。制備HfO !￡單層薄膜介質(zhì)層所用的Hf源為四(二乙氨基)鉿(化學式為Hf (NMe2)4),氧源為H2O,反應溫度 150。。。
[0034](3)采用磁控濺射在HfCV薄膜上表面制備TiN層，即TiN電極(濺射靶材為高純TiN靶，襯底溫度為室溫，反應氣氛為氬氣，氣壓為0.1Pa，功率為100W)，TiN厚度為50nm，TiN電極的直徑100 μπι。經(jīng)上述步驟形成本發(fā)明的電學元件。
[0035]實施例3
[0036](I)在Ti02/Si02/Si基底上制備下表面電極，本實施例的下表面電極為Pd電極；
[0037](2)采用原子層沉積技術(shù)在下表面電極上制備厚度為50nm的HfOx (0〈x ( 2)單層薄膜介質(zhì)層，具體為在Pd/Ti02/Si02/Si襯底上制備該HfOx單層薄膜介質(zhì)層。制備HfO ,單層薄膜介質(zhì)層所用的Hf源為四(二乙氨基)鉿(化學式為Hf (NMe2)4),氧源為H2O,反應溫度 300。。。
[0038](3)采用磁控濺射在HfCV薄膜上表面制備TiN層，即TiN電極(濺射靶材為高純TiN靶，襯底溫度為室溫，反應氣氛為氬氣，氣壓為0.1Pa，功率為100W)，TiN厚度為200nm，TiN電極的直徑100 μπι。經(jīng)上述步驟形成本發(fā)明的電學元件。
[0039]對實施例1制備的電學元件進行測試，其偶極性電阻開關(guān)存儲效應及其實現(xiàn)方式如圖2所示，器件經(jīng)過-5V的電壓Forming后(圖2插圖)，表現(xiàn)為偶極性開關(guān)效應，分別在?-0.7V和?+1.2V實現(xiàn)由OFF態(tài)至ON態(tài)以及ON態(tài)至OFF態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，其中的0N、OFF態(tài)可作為邏輯信號存儲。一次性寫入重復讀取存儲效應及其實現(xiàn)方式如圖3所示，器件經(jīng)+5V電壓Forming后(圖3插圖)，可在-1.3V由OFF態(tài)轉(zhuǎn)變至ON態(tài)，但這種轉(zhuǎn)變是一次性的。在此之后，器件一直處于ON態(tài)，此態(tài)信號可多次讀取。這說明，本實施例提供的電學元件，根據(jù)Forming電壓極性方向的不同，表現(xiàn)出兩種存儲效應，可用于制作非揮發(fā)性存儲器和存儲光盤。另外，對實施例2、3制備的電學元件也進行了和實施例1 一樣的檢測，其結(jié)果和實施例1基本相同，在此不再贅述。
[0040]上述實施例1?3僅是本發(fā)明的幾個示例，實施例1-3中的下表面電極不僅局限于其中具體列出的Pt、Au、Pd，還可以是Ag、Al、Cu、ITO等電極，在此不再--贅述。
[0041]本發(fā)明的技術(shù)方案是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進行改進而獲得的，文中未特別說明之處，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)其掌握的現(xiàn)有技術(shù)或公知常識可以知曉，因此，在文中不再贅述。
[0042]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，故凡未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種具有多種存儲效應的電學元件，其特征在于，包括HfO ,單層薄膜介質(zhì)層、設于!!?^單層薄膜介質(zhì)層下表面的下表面電極、及設于HfOx單層薄膜介質(zhì)層上表面的TiN電極；其中，0〈x ( 2。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電學元件，其特征在于，所述下表面電極選自Pt、Au、Pd、Ag、Al、Cu、ITO電極中的至少一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電學元件，其特征在于，所述下表面電極的厚度為50?500nmo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電學元件，其特征在于，所述TiN電極的厚度為50?500nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電學元件，其特征在于，所述HfOx單層薄膜介質(zhì)層的厚度為10 ?50nm。6.一種制備如權(quán)利要求1?5任一項所述的具有多種存儲效應的電學元件的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)制備所述下表面電極； 2)在下表面電極上通過原子層沉積制備所述!!《^單層薄膜介質(zhì)層； 3)在所述!!《^單層薄膜介質(zhì)層的上表面制備TiN電極。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟2)通過原子層沉積制備所述HfO,單層薄膜介質(zhì)層時，采用的Hf源為四(二乙氨基)鉿，氧源為&0，反應溫度150-300°C。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟3)中，在HfOx單層薄膜介質(zhì)層上表面通過磁控濺射制備所述TiN電極。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟I)在基底上制備所述下表面電極，所述基底為 Ti02/Si02/Si。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有多種存儲效應的電學元件及其制備方法，該電學元件包括HfOx單層薄膜介質(zhì)層、設于HfOx單層薄膜介質(zhì)層下表面的下表面電極、及設于HfOx單層薄膜介質(zhì)層上表面的TiN電極；其中，0<x≤2。本發(fā)明提供的電學元件，可實現(xiàn)一次性寫入重復讀取(WORM)和偶極性電致阻變(BRS)兩種存儲效應。
【IPC分類】H01L45/00
【公開號】CN104979471
【申請?zhí)枴緾N201510259245
【發(fā)明人】陳心滿, 李艷
【申請人】華南師范大學
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年5月20日