基于铝氧化物的RRAM及其制备方法与流程

本发明涉及的是一种电子器件领域的技术，具体是一种基于铝氧化物的rram(resistiverandomaccessmemory，阻变式随机存取存储器)及其制备方法。

背景技术：

随着数字科技的飞速发展以及便携式数字多媒体产品的广泛普及，对移动存储设备的要求越来越高，例如：高速度、高密度、低成本、低功耗和长寿命等特点，同时，由于自身结构的原因，不同的存储器都多多少少有自己的优势，而也有不可弥补的技术缺陷也暴露无遗。易失性作为动态存储器和静态存储器的弱点之一受到了广泛的关注与研究，断电情况下存储信息丢失且极易受到电磁干扰。而闪存则存在记录密度低和读取速度慢等技术障碍。因此，存储器在向着读取速度更快、存储容量更大这个大方向发展的同时，也向着多样化的方向发展。故对于非易失性存储器的研究颇具前景。rram由于其简单的结构以及包括cmos逻辑兼容工艺技术，成为非易失性存储器的主要候选对象。rram是一种根据施加在金属氧化层(metaloxide)上的电压不同，使材料在高阻态(hrs，high-resistance-state)和低阻态(lrs，low-resistance-state)之间变化，从而实现数据的擦写、开启或阻断电流流通通道，利用这种性质存储信息的内存，它可显著提高耐久性和数据传输速度。

现有的rram研究主要集中在阻变氧化层性质方面，传统的阻变氧化层薄膜可以通过溅射、化学气相淀积(cvd)、原子层淀积(ald)等方法实现，但上述方法受限于设备，生产成本高，无法满足低成本的产业化需求。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于铝氧化物的rram及其制备方法，能够满足rram低成本的产业化需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于铝氧化物的rram，包括由下至上层叠设置的基底、阻变氧化层和上电极层；

所述基底包括绝缘层和下电极层；

所述阻变氧化层为al2o3薄膜层；

所述上电极层包括若干阵列在阻变氧化层上的上电极，所述上电极在远离阻变氧化层的表面设有金属保护层。

所述金属保护层为金属铝薄膜层或金属钨薄膜层。

所述上电极为金属镍薄膜或金属钛薄膜，厚度为50～100nm。

所述下电极层为金属铂薄膜层或硅薄膜层，厚度为50～150nm。

优选地，所述绝缘层采用层叠设置的三层结构，包括由下至上设置的硅薄膜层/二氧化硅薄膜层/钛薄膜层。

本发明涉及上述rram的制备工艺方法，包括：

a)清洗基底；

将基底完全浸入盛放去离子水的烧杯中，将所述烧杯置于去离子水环境中进行第一次超声清洗；第一次超声清洗后，将基底完全浸入盛放丙酮溶剂的烧杯中，将所述烧杯置于去离子水环境中进行第二次超声清洗；第二次超声清洗后，用去离子水反复冲洗基底清理基底上残留的丙酮溶剂及杂质，之后将基底完全浸入盛放无水乙醇的烧杯中，将所述烧杯置于去离子水环境中进行第三次超声清洗；第三次超声清洗后，用去离子水冲洗基底去除残留的杂质，之后将基底完全浸入盛放去离子水的烧杯中，将所述烧杯置于去离子水环境中进行第四次超声清洗；第四次超声清洗后，用去离子水冲洗基底并用氮气吹干；

b)制备阻变氧化层；

取硝酸铝九水合物，用去离子配置成1.5～3mol/l的硝酸铝溶液；将配置好的硝酸铝溶液滴加在下电极层上，进行旋涂，旋涂时间不超过60s，转速为3500～5000rpm；旋涂完毕后，进行退火至硝酸铝溶液凝固成膜，制得阻变氧化层，退火温度为150～300℃，退火时间不超过1h；

c)制备上电极层；

通过蒸发镀膜法将颗粒状的上电极材料镀制在阻变氧化层上，形成上电极层；

d)制备保护层；

通过蒸发镀膜法将颗粒状的金属保护层材料镀制在上电极层中各上电极远离阻变氧化层的表面上，制得基于铝氧化物的rram。

在进行超声清洗后于真空环境下再对基底进行表面等离子清洗，以增强下电极层的亲水性，提高阻变氧化层的成膜性能；所述表面等离子清洗过程时间需持续至少35min，完成表面等离子清洗后20min内进行阻变氧化层制备。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)采用溶液法工艺制造阻变氧化层，实现低成本rram的制备，设备和原料投资较少，可用于大面积rram器件的制备，实现大规模工业应用；

2)阻变效果好，针对set和reset过程所需要的电压较小，其绝对值在1～4v之间；

3)使用单质金属材料代替氧化铟或氮化钛作为上电极，进一步降低了成本。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例1在200～300℃范围内的阻变特性变化图；

图中：金属保护层100、上电极101、阻变氧化层200、下电极层300、钛薄膜层400、二氧化硅薄膜层401、硅薄膜层402。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及一种基于铝氧化物的rram，包括由下至上层叠设置的基底、阻变氧化层200和上电极层，所述上电极层包括若干阵列在阻变氧化层200上的上电极101，所述上电极101在远离阻变氧化层200的表面设有金属保护层100；

所述基底包括绝缘层和下电极层300；

所述阻变氧化层200为al2o3薄膜层。

所述金属保护层100为金属铝薄膜层。

所述上电极层中上电极101为圆柱形金属镍薄膜，厚度为50～100nm、直径为0.1～0.3mm，优选地，厚度为70nm、直径为0.1mm；

所述下电极层300为金属铂薄膜层，厚度为50～150nm，优选地，厚度为100nm。

所述绝缘层采用层叠设置的三层结构，包括由下至上设置的硅薄膜层402/二氧化硅薄膜层401/钛薄膜层400。

本实施例涉及上述rram的制备工艺方法，包括：

a)清洗基底；

将基底完全浸入盛放去离子水的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中进行第一次10min超声清洗；

第一次超声清洗后，将基底完全浸入盛放丙酮溶剂的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中进行第二次10min超声清洗；

第二次超声清洗后，用去离子水反复冲洗基底，清理其上残留的丙酮溶剂及杂质，继续将基底完全浸入盛放无水乙醇的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中进行第三次10min超声清洗；

第三次超声清洗后，将基底捞出用去离子水适当冲洗，继续将基底完全浸入盛放去离子水的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中进行第四次10min超声清洗；

第四次超声清洗后，用去离子水冲洗基底并用氮气吹干；

将经上述超声清洗处理并干燥的基底放入表面等离子清洗机的真空腔内，进行表面等离子清洗以增强下电极层300的亲水性；所述表面等离子清洗过程时间持续50min；

b)制备阻变氧化层200；

在室温(25℃)条件下，取硝酸铝九水合物，用去离子配置成1.5～3mol/l的硝酸铝溶液；优选地，取18.75g、纯度为99.99％的硝酸铝九水合物置于烧杯中，向烧杯中加入20ml去离子水，配置成2.5mol/l的硝酸铝溶液，匀速搅拌至溶液澄清，之后静置10min；

在完成表面等离子清洗后20min内，将配置好的硝酸铝溶液通过0.45μm孔径、pes材质滤嘴的注射器滴加在下电极层300上，旋涂45s，转速为3500～4500rpm；旋涂完毕后，置于150℃～300℃的加热板上退火1h，硝酸铝溶液在下电极层300上凝固成膜，制得阻变氧化层200；

c)制备上电极101；

将颗粒状金属材料镍放置于电子束蒸发镀膜机的坩埚中，将孔径为0.1mm的掩膜板覆盖于阻变氧化层200上，掩膜板向下放入镀膜机腔体中的吸板上，关闭腔体进行蒸发镀膜操作，将金属材料镍镀制在阻变氧化层200上，形成具有上电极101的半成品；

d)制备金属保护层100；

上电极101制作完成后，将颗粒状金属材料铝放置于电子束蒸发镀膜机的坩埚中，将孔径为0.1mm的掩膜板覆盖于上电极101上，掩膜板向下放入镀膜机腔体中的吸板上，关闭腔体进行二次蒸发镀膜操作，在上电极101上镀制形成金属铝保护层100。

如图2所示为本实施例rram器件的阻变测试结果，以横坐标0点为分界线，负轴为reset(复位)过程，正轴为set(置位)过程，其电压偏置绝对值都在4v以下，且阻变均保持在一定范围内，reset过程中出现一定概率的渐变现象。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。