一種無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，該阻變存儲(chǔ)器具有上下兩個(gè)電極和位于上下電極中間的有源層，有源層材料為富鋁的AlxOy納米薄膜。一般的阻變存儲(chǔ)器都需要一個(gè)軟擊穿過程來(lái)激發(fā)氣阻變特性，但發(fā)明所示阻變存儲(chǔ)器無(wú)需軟擊穿過程即可激發(fā)阻變特性，這是該器件在工業(yè)應(yīng)用中的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該存儲(chǔ)器運(yùn)行基于導(dǎo)電絲原理，同時(shí)采用物理與化學(xué)方法制備，器件具有制備簡(jiǎn)單，成本低廉等特點(diǎn)。
【專利說明】
一種無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)需軟擊穿的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]1962年，T.W.Hickmott首次報(bào)道了在三氧化二鋁中觀測(cè)到的阻變現(xiàn)象而引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，在60-80年代涌現(xiàn)大量的有關(guān)阻變機(jī)理的研究。90年代末期，摩爾定律的發(fā)展規(guī)律開始受到物理瓶頸的限制，傳統(tǒng)硅器件的微縮化日益趨近于極限，新結(jié)構(gòu)與新材料成為研究者日益關(guān)注的熱點(diǎn)。與此同時(shí)，研究者開始發(fā)現(xiàn)阻變器件極為優(yōu)異的微縮化潛力及其作為NVM器件具有可觀的應(yīng)用前景，因而引發(fā)了對(duì)基于阻變?cè)淼淖枳兇鎯?chǔ)器件的廣泛研究。
[0003]阻變式存儲(chǔ)器可顯著提高耐久性和數(shù)據(jù)傳輸速度的可擦寫內(nèi)存技術(shù)。RRAM是一種“根據(jù)施加在有源層上的電壓的不同，使材料的電阻在高阻態(tài)和低阻態(tài)間發(fā)生相應(yīng)變化，從而開啟或阻斷電流流動(dòng)通道，并利用這種性質(zhì)儲(chǔ)存各種信息的內(nèi)存”。
[0004]在工業(yè)界，三星電子成功開發(fā)出備受業(yè)界矚目的阻變式存儲(chǔ)器(ResistiveRandom Access Memory) “可顯著提高耐久性和數(shù)據(jù)傳輸速度的可擦寫內(nèi)存技術(shù)”。利用三星電子開發(fā)成功的RRAM技術(shù)制成的內(nèi)存產(chǎn)品，和現(xiàn)有內(nèi)存相比，擦寫速度提高了 100萬(wàn)倍，可反復(fù)擦寫I兆次，保證了產(chǎn)品優(yōu)異的耐久性。不僅如此，還可以大幅降低電流量，因此在業(yè)界產(chǎn)生了極大的反響。作為未來(lái)集成電路的基本元件，RRAM的電激發(fā)過程(軟擊穿)會(huì)成為其發(fā)展一個(gè)阻礙，在高密度集成電路中提供4-10V的電壓對(duì)RRAM進(jìn)行激發(fā)顯然不合適，未來(lái)發(fā)展中必須要減小RRAM激發(fā)電壓，甚至消除電激發(fā)過程。
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【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)普通憶阻器需要電壓激發(fā)過程的問題，提供一種無(wú)需軟擊穿的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0007]—種無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器，包括硅襯底，硅襯底上依次設(shè)置有厚度為200?100nm的底金屬電極、厚度為30?50nm的AlxOy薄膜以及厚度為500?100nm的頂金屬電極。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:
[0009]所述硅襯底采用P型或者N型硅片，且硅片上生長(zhǎng)有一層厚度為5?1nm的二氧化娃層。
[0010]所述底金屬電極和頂金屬電極的材料采用Al、Cu、T1、Ag或Ni。
[00111 所述頂金屬電極為直徑為ΙΟΟμπι、間距為250μηι的圓形電極。
[0012]—種無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，包括以下步驟:
[0013]I)在硅襯底上利用熱生長(zhǎng)氧化法生長(zhǎng)一層厚度為5?1nm的二氧化硅層；
[0014]2)利用離子束蒸發(fā)法在二氧化硅層上沉積厚度為200?100nm的鋁膜作為底金屬電極，制得鍍有鋁膜的硅片；
[0015]3)將鍍有200?100nm鋁膜的硅片一部分浸入0.15mol/L的草酸溶液中，并將未浸入草酸溶液的部分用電線連接至外接40V電源的陽(yáng)極；同時(shí)，將一個(gè)2cmX 2cm的Pt網(wǎng)作為陰極，并一同浸入到草酸溶液中，用電線連接至外接電源的陰極；
[0016]4)接通電源反應(yīng)2小時(shí)候，直至硅片上有肉眼可見的白色物質(zhì)，切斷電源；將硅片從草酸溶液中取出，用去離子水洗凈吹干；
[0017]5)將洗凈吹干的硅片用離子束蒸發(fā)法和金屬掩膜版沉積厚度為500?100nm的鋁膜作為頂金屬電極，得到無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019]本發(fā)明有源層富鋁AlxOy薄膜利用陽(yáng)極氧化反應(yīng)制備，底和頂金屬電極利用離子束蒸發(fā)法制備，沉積速度較快并可以精確控制薄膜厚度。本發(fā)明中的阻變存儲(chǔ)器在制備完成之初就處于阻變狀態(tài)，無(wú)需軟擊穿過程的激發(fā)，因此在該產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)用中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，這一特性在圖3中有所表現(xiàn)。此外，該阻變存儲(chǔ)器顯示了較好的穩(wěn)定性，在室溫和高溫下均能保持在固定阻態(tài)，證明其可控性，并有重大的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
【【附圖說明】】
[0020]圖1為本發(fā)明阻變存儲(chǔ)器的橫截面圖；
[0021]圖2為本發(fā)明的陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)圖；
[0022]圖3為本發(fā)明在室溫下初始阻變存儲(chǔ)器五次伏安特性測(cè)量結(jié)果圖；
[0023]圖4為本發(fā)明的在室溫下阻變存儲(chǔ)器完成100次阻變循環(huán)及置/復(fù)位電壓分布圖。
[0024]其中:1-硅襯底;2-Alx0y薄膜;3-Pt網(wǎng);4_草酸溶液;5_底金屬電極;6_頂金屬電極；7-二氧化娃層。
【【具體實(shí)施方式】】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0026]參見圖1，本發(fā)明無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器，包括硅襯底I，硅襯底I上依次設(shè)置有厚度為200?100nm的底金屬電極5、厚度為30?50nm的AlxOy薄膜2以及厚度為500?100nm的頂金屬電極6。述硅襯底I采用P型或者N型硅片，且硅片上生長(zhǎng)有一層厚度為5?1nm的二氧化娃層7。底金屬電極5和頂金屬電極6的材料采用Al、Cu、T1、Ag或Ni。頂金屬電極6為直徑為ΙΟΟμπι、間距為250μηι的圓形電極。
[0027]本發(fā)明無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，包括以下步驟:
[0028]I)在硅襯底上利用熱生長(zhǎng)氧化法生長(zhǎng)一層厚度為5?1nm的二氧化硅層7;
[0029]2)利用離子束蒸發(fā)法在二氧化硅層上沉積厚度為200?100nm的鋁膜作為底金屬電極，制得鍍有鋁膜的硅片；
[0030]3)如圖2所示，將鍍有200?100nm鋁膜的硅片一部分浸入0.15mo VL的草酸溶液
(4)中，并將未浸入草酸溶液的部分用電線連接至外接40V電源的陽(yáng)極；同時(shí)，將一個(gè)2cmX2cm的Pt網(wǎng)3作為陰極，并一同浸入到草酸溶液中，用電線連接至外接電源的陰極；
[0031]4)接通電源反應(yīng)2小時(shí)候，直至硅片上有肉眼可見的白色物質(zhì)，切斷電源；將硅片從草酸溶液中取出，用去離子水洗凈吹干；
[0032]5)將洗凈吹干的硅片用離子束蒸發(fā)法和金屬掩膜版沉積厚度為500?100nm的鋁膜作為頂金屬電極，得到無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器。
[0033]如圖1所示，圖1為本發(fā)明阻變存儲(chǔ)器的橫截面。在P或N型硅片上生長(zhǎng)5?1nm的二氧化硅作為保護(hù)層，之后利用離子束蒸發(fā)法制作底電極并進(jìn)行2小時(shí)的陽(yáng)極氧化反應(yīng)，生成30?50nm厚度的陽(yáng)極氧化鋁膜。在陽(yáng)極氧化鋁膜上沉積300-500nm的鋁金屬頂電極。
[0034]如圖2所示，利用陽(yáng)極氧化反應(yīng)制備富鋁AlxOy層。在0.15mol/L的草酸溶液中進(jìn)行鋁膜的陽(yáng)極氧化反應(yīng)，陰極為面積2cmX2cm的鉑網(wǎng)。陽(yáng)極氧化電壓40V，測(cè)量電流最大值為60uA，并且會(huì)隨氧化進(jìn)程而改變。氧化時(shí)間2小時(shí)，會(huì)有白色物質(zhì)即AlxOy層在硅片表面形成，斷開電源。
[0035]如圖3所示，室溫下初始阻變存儲(chǔ)器五次伏安特性測(cè)量。從圖中可知，器件無(wú)需軟擊穿過程就處于低阻值狀態(tài)，其原因在于有源層是富鋁的AlxOy薄膜，導(dǎo)致初始電流較高。
[0036]如圖4所示，在室溫狀態(tài)下，發(fā)明阻變存儲(chǔ)器可完成多次阻變循環(huán)。其中高阻態(tài)的阻值變化比較明顯，而低阻態(tài)阻值變化較為平均，這是由于在低阻態(tài)時(shí)形成了較為穩(wěn)定的鋁質(zhì)電阻絲。從圖中可知Vreset(復(fù)位電壓)和Vset(置位電壓)的分布分別在0.4-0.5V和1.0-1.4V之間。
[0037]以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，包括硅襯底(I)，硅襯底(I)上依次設(shè)置有厚度為200?100nm的底金屬電極(5)、厚度為30?50nm的AlxOy薄膜(2)以及厚度為500?100nm的頂金屬電極(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述硅襯底(I)采用P型或者N型硅片，且硅片上生長(zhǎng)有一層厚度為5?1nm的二氧化硅層(7)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述底金屬電極(5)和頂金屬電極(6)的材料采用Al、Cu、T1、Ag或Ni。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述頂金屬電極(6)為直徑為IOOym、間距為250μηι的圓形電極。5.—種無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)在硅襯底上利用熱生長(zhǎng)氧化法生長(zhǎng)一層厚度為5?1nm的二氧化硅層(7); 2)利用離子束蒸發(fā)法在二氧化硅層上沉積厚度為200?100nm的鋁膜作為底金屬電極，制得鍍有鋁膜的硅片； 3)將鍍有200?100nm鋁膜的硅片一部分浸入0.15mol/L的草酸溶液(4)中，并將未浸入草酸溶液的部分用電線連接至外接40V電源的陽(yáng)極；同時(shí)，將一個(gè)2cmX 2cm的Pt網(wǎng)(3)作為陰極，并一同浸入到草酸溶液中，用電線連接至外接電源的陰極； 4)接通電源反應(yīng)2小時(shí)候，直至硅片上有肉眼可見的白色物質(zhì)，切斷電源；將硅片從草酸溶液中取出，用去離子水洗凈吹干； 5)將洗凈吹干的硅片用離子束蒸發(fā)法和金屬掩膜版沉積厚度為500?100nm的鋁膜作為頂金屬電極，得到無(wú)需軟擊穿過程的阻變存儲(chǔ)器。
【文檔編號(hào)】H01L45/00GK105914295SQ201610256942
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】朱瑋, 李 杰
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)安大學(xué)