专利名称：一种基于氧化铋薄膜的电阻式随机读取存储器及制备方法
技术领域：
本发明属于非挥发性随机读取存储器技术领域，涉及一种基于二氧化锡薄膜的电阻式随机读取存储器及其制备方法。
背景技术：
近年来，日渐增长的便携设备消费量使得非挥发性存储器市场得到了迅速扩大。闪存作为主流的非挥发性存储器，其单元结构由传统的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)演变而来，具有成熟的制造工艺，占据非挥发性存储器90%以上的市场份额，已广泛地应用于便携设备的信息存储。据统计，全球非挥发性闪存的容量在过去的十年间以每年翻一翻的速度增长，市场规模越来越大。但是，闪存利用电荷存储信息的方式将在22nm及以下的CMOS工艺中遇到极大的挑战。因此，铁电存储器、磁阻存储器、相变存储器、电阻存储器等以非电荷方式存储信息的新型非挥发性存储器受到了极大的关注。其中，电阻式随机读取储器具有高速、低功耗、结构简单、可高密度集成等优点，被认为有望成为下一代通用的非挥发性存储器。电阻存储器的结构十分简单，是基于MIM的三明治结构,其中M—般为金属电极,I为绝缘层或半导体薄膜，其中包括二元金属氧化物薄膜(BMOs)、钙钛矿氧化物、硫系化合物和有机物等。在这些材料之中，二元金属氧化物薄膜由于材料组分简单，制备方法简单，与硅集成电路工艺相兼容等特点被认为是一类有望应用于电阻存储器的材料，也是目前研究最多的一类材料。如 Nb2O5'Al2O3' Ta2O5' Ti02、Ni。、ZrxO, CuxO 及 ZnO 等等，其中，NiO 和TiO2是受到关注最多的材料。氧化铋(Bi2O3)是一种重要的氧化物半导体材料，显现出很多吸引人的特性，越来越多的被人们所关注。近年来，氧化铋薄膜材料在应用方面吸引了人们极大地兴趣，分别已被应用在电子功能材料、电解质材料、光电材料、医用复合材料、高温超导材料、催化剂等方面。然而，关于氧化铋在电阻存储器的应用方面的研究却未见报道。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于氧化铋薄膜的电阻式随机读取存储器及其制备方法。本发明解决技术问题所采取的技术方案为
一种基于氧化铋薄膜的电阻式随机读取存储器，该存储器由重掺硅衬底、氧化铋薄膜、金属薄膜电极构成，氧化秘薄膜位于重掺娃衬底、金属薄膜电极之间，重掺娃衬底作为电阻式随机读取存储器的下电极，金属薄膜电极作为电阻式随机读取存储器的上电极。所述的重掺硅衬底的电阻率小于O. I Ω · cm。所述的氧化铋薄膜的厚度范围为30 200nm。所述的金属薄膜电极为在温度100°C下呈固体的金属材料。金属材料优选金、钼、铜、招、钛或镍。制备上述电阻式随机存储器的方法，包括以下步骤步骤I.采用半导体标准清洗工艺清洗重掺硅衬底；
步骤2.采用磁控溅射法在重掺硅衬底上沉积氧化铋薄膜；
步骤3.在氧化铋薄膜上采用电子束蒸发法制备金属薄膜电极。在步骤2中，利用磁控溅射法制备氧化铋薄膜，具体条件为氩气与氧气流量比例为20 7，衬底温度为25°C 300°C，溅射功率为30W，溅射时间5 30min，溅射时用高纯金属铋靶。本发明的有益效果本发明通过采用新型的氧化铋薄膜作为电阻式随机读取存储器中的阻变层，可以获得良好的电阻转变特性。这种新型的电阻式随机读取存储器在直流电压连续扫描激励下表现出高、低阻态之间的转变和记忆特性，器件性能稳定，并能很好地与硅集成电路工艺相兼容。这些特性表明本发明在非挥发性存储器件领域具有潜在的应用价值。
图I是本发明存储器结构示意 图2是实施例I所制备的存储器的I-V特性 图3是实施例2所制备的存储器的I-V特性图。
具体实施例方式本实施例通过以下技术方案来实现的一种电阻式随机读取存储器的存储单元，包括金属薄膜电极/氧化铋薄膜/重掺硅衬底结构的电阻存储器。该存储器由重掺硅衬底I、氧化铋薄膜2、金属薄膜上电极3构成。其中，作为存储单元上电极的金属，可以为金、钼、铜、招、钛、或镍。氧化秘薄膜作为存储单元的工作层，起电阻转变作用。重掺娃作为存储单元的下电极及衬底。本发明采用磁控溅射法制备氧化铋薄膜。所采用的重掺硅衬底的电阻率为10_2 IO-3Q .cm。将重掺硅衬底通过半导体标准清洗工艺清洗干净，放入磁控溅射仪，当腔体本底真空抽至8X10_5Pa时，通入一定比例的氩气和氧气使腔体达到0. 5Pa的工作压强，通过改变氩气和氧气的流量来控制混合气氛中氩气和氧气的比例，氩气与氧气流量比例为20 7。采用高纯金属铋靶在不同沉积温度下制备氧化铋薄膜，衬底温度为25°C 300°C。在溅射过程中，溅射功率为30W，通过改变溅射时间来获得不同厚度的氧化铋薄膜，溅射时间范围为5 30min,薄膜厚度为30 200nm。直径为IOOmm的圆形金属电极在电子束蒸发镀膜仪中通过不锈钢掩模板沉积在氧化铋薄膜上。这样所获得的器件制备工艺简单、性能可靠。所述氧化铋薄膜可以本领域常规用于物理沉积法制备氧化铋薄膜得到，本发明所述沉积工艺参数如下
氩气和氧气比20 7
派射时间5 30min 薄膜厚度30 200nm
衬底温度25°C 300°C
更为优选的，所述工艺参数如下IS气和氧气比20 10 派射时间10 25min
薄膜厚度70 180nm
衬底温度100°C 300°C
更为优选的，所述工艺参数如下
氩气和氧气比18 15
派射时间10 15min
薄膜厚度70 IOOnm
衬底温度200°C 250°C
下面根据具体实施例详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。实施例I
利用磁控溅射法在洁净的重掺硅衬底上沉积氧化铋薄膜，当腔体本底真空抽为8 X IO^5Pa时，通入氩气和氧气使腔体达到O. 5Pa的工作压强，其中氩气流量45sCCm，氧气流量为3 sccm，氩气与氧气的比例为15。在溅射过程中，溅射功率为30W，溅射时间为15min，薄膜的厚度为lOOnm，衬底温度为250°C。再利用电子束蒸发通过掩模法在氧化铋薄膜上制备金属薄膜电极，电极为直径100 μ m的圆形金电极。存储单元的结构如图I所示。该存储单元的电流-电压特性测试结果如图2。当扫描电压为4. 9V时，器件处于置位状态，存储单元从高阻态转变为低阻态，并在没有加电压的条件下，能够保持低阻态；当扫描电压为3. 5V时，器件处于复位状态，存储单元从低阻态转变为高阻态，并在没有加电压的条件下，能够保持高阻态。实施例2
利用磁控溅射法在洁净的重掺硅衬底上沉积氧化铋薄膜，当腔体本底真空抽为8 X IO^5Pa时，通入氩气和氧气使腔体达到O. 5Pa的工作压强，其中氩气流量54sCCm，氧气流量为3 sccm，氩气与氧气的比例为18。在溅射过程中，溅射功率为30W，溅射时间为IOmin,薄膜的厚度为70nm，衬底温度为250°C。再利用电子束蒸发通过掩模法在氧化铋薄膜上制备金属薄膜电极，电极为直径100 μ m的圆形铜电极。存储单元的结构如图I所示。该存储单元的电流-电压特性测试结果如图3。当扫描电压为2. 8V时，器件处于置位状态，存储单元从高阻态转变为低阻态，并在没有加电压的条件下，能够保持低阻态；当扫描电压为I. 6V时，器件处于复位状态，存储单元从低阻态转变为高阻态，并在没有加电压的条件下，能够保持高阻态。上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
权利要求
1.一种基于氧化铋薄膜的电阻式随机读取存储器，其特征在于该存储器由重掺硅衬底、氧化铋薄膜、金属薄膜电极构成，氧化铋薄膜位于重掺硅衬底、金属薄膜电极之间，重掺硅衬底作为电阻式随机读取存储器的下电极，金属薄膜电极作为电阻式随机读取存储器的上电极。
2.如权利要求I所述的电阻式随机读取存储器，其特征在于重掺硅衬底的电阻率小于 0. I Q cm。
3.如权利要求I所述的电阻式随机读取存储器，其特征在于氧化铋薄膜的厚度范围为 30 200nm。
4.如权利要求I所述的电阻式随机读取存储器，其特征在于金属薄膜电极为在温度100°C下呈固体的金属材料。
5.如权利要求4所述的电阻式随机读取存储器，其特征在于所述的金属材料选用金、钼、铜、招、钛或镍。
6.制备如权利要求I所述电阻式随机读取存储器的方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤I.采用半导体标准清洗工艺清洗重掺硅衬底； 步骤2.采用磁控溅射法在重掺硅衬底上沉积氧化铋薄膜； 步骤3.在氧化铋薄膜上采用电子束蒸发法制备金属薄膜电极。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于步骤2中，利用磁控溅射法制备氧化铋薄膜，具体条件为氩气与氧气流量比例范围为20 7，衬底温度为25°C 300°C，溅射功率为30W，溅射时间5 30min，溅射时用金属铋靶。
全文摘要
本发明公开了一种基于氧化铋薄膜的电阻式随机读取存储器及制备方法。现有的电阻式存储器的读写寿命以及稳定性较差。本发明存储器由重掺硅衬底、氧化铋薄膜、金属薄膜电极构成，氧化铋薄膜位于重掺硅衬底、金属薄膜电极之间，重掺硅衬底作为电阻式随机读取存储器的下电极，金属薄膜电极作为电阻式随机读取存储器的上电极。本发明方法是采用半导体标准清洗工艺清洗重掺硅衬底；然后采用磁控溅射法在重掺硅衬底上沉积氧化铋薄膜；最后在氧化铋薄膜上采用电子束蒸发法制备金属薄膜电极。本发明可简化存储器的制作工艺，并能很好地与硅集成电路工艺相兼容。
文档编号G11C13/00GK102623636SQ20121009699
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者季振国, 席俊华, 李红霞 申请人:杭州电子科技大学