专利名称：氧化锌基同质结构的透明rram元器件及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化锌基同质结构的透明RRAM (电阻式随机存储器)元器件及制作方法，更确切地说，氧化锌基同质结构是指顶电极和底电极及中间的功能薄膜均为透明的三明治结构的RRAM元器件及制作方法，属于透明电子器件领域。
背景技术：
近年来，RRAM由于其具有结构简单以及与现代半导体CMOS工艺匹配性优异等特点，逐渐成为了新一代非挥发性存储器的研究热点。在RRAM材料的研究过程中，人们逐渐发现了多种材料体系具有作为RRAM的应用潜力。主要包括稀土锰氧化物材料、过渡金属钙钛矿型结构材料、二元过渡金属氧化物材料、有机高分子半导体材料以及一些硫化物材料等。目前，二元过渡金属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，掺杂的氧化锌薄膜由于其优良的光学性质和电学性质，以及原材料的廉价和无毒被认为是传统透明导电薄膜(In惨杂Sn02 (ITO))的最佳替代品。目前作为透明导电薄膜的氧化锌基薄膜主要以掺杂IIIA元素B、 Al、In和Ga为主，其中惨铝氧化锌(AZO)薄膜研究较多。
二元氧化物材料一般具有较大的光学带隙(>3 eV)，因而在可见光范围内具有较好的透过率。因此，如果选用透明电极及衬底，将可能实现全透明的RRAM存储单元，并可能集成于未来可视电子器件中。这种全透明RRAM器件并不是取代硅基集成的电子器件，而是为未来可视电子器件提供了一种新的概念，在透明电子器件领域将有可能得到广泛应用。
本发明拟采用在石英玻璃衬底上依次制备"电极层/阻变氧化物层/电极层"三明治结构以构成RRAM存储单元。电极层具有良好导电性，(电阻率在10—5~10.4欧姆 厘米)，制备的阻变层薄膜具有良好的电阻转变性能，且整个器件保持良好的可见光透过性。在透明RRAM存储单元研究方面，至今为止，氧化锌基同质结构的RRAM存储单元在国内外各类文献中鲜有报道。
发明内容
基于上述对RRAM研究现状的概述，本发明的目的在于提供一种氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件及制作方法。
本发明的氧化锌基透明RRAM元器件的结构，包括石英玻璃衬底(1)，其特征在于在衬底(1)上依次沉积底电极层为ZnO基掺杂的透明导电薄膜(2)，中间阻变氧化物层为ZnO或ZnO基掺杂阻变薄膜(3)，顶电极层为ZnO基掺杂的透明导电薄膜(4)。其中，顶电极层或底电极层为ZnO基掺杂的透明导电薄膜(例如Al掺杂ZnO (AZO)， Ga掺杂ZnO (GZO) ,Ag掺杂ZnO等)；阻变层为ZnO或掺杂的ZnO基阻变薄膜(Mg掺杂ZnO薄膜(MZO)， Mn掺杂ZnO薄膜，Co掺杂ZnO薄膜等)。
本发明是利用氧化锌基薄膜材料，通过对ZnO进行掺杂，获得导电性能良好的电极材料或电阻转变特性优异的阻变层材料。通过对ZnO基薄膜组分的调控，对薄膜材料的导电性及电阻转变性能进行控制，从而达到稳定存储的目的。
所述的电极层材料的电阻率为10—5~10_4欧姆 厘米，所述的阻变层材料的电阻转变倍率变化范围为4倍~103倍。顶电极层和底电极层的厚度为80 120nm，中间阻变层的厚度为120 150nm。
本发明所述的ZnO基同质结构的RRAM的具体制作步骤是
a) 选用石英玻璃衬底，经丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；
b) 采用电阻率在10—5 10—4欧姆*厘米的Al掺杂的ZnO、 Ga掺杂的ZnO或Ag掺杂的ZnO陶瓷靶在本底真空为(1~9) X l(r4Pa，沉积温度为18 25"C条件下沉积底电极；
c) 采用电阻转变倍率为4倍 10M咅的ZnO或ZnO基掺杂陶瓷耙，在l 5Pa
氧分压下沉积阻变层；
d) 采用孔洞直径为0.05 0.2mm的掩膜板，在(1~9) X10"Pa本底真空和18 25。C温度下沉积顶电极制作成三明治结构。
由于本发明采用的氧化锌基薄膜材料及石英衬底均为透明材料，在可见光(对应波长400 800nm)范围内都具有大于或等于60%的较高的透过率。构成RRAM元器件的存储单元后，仍能保持良好的透明性。本发明是利用氧化锌基薄膜材料构成电极层/阻变氧化物层/电极层同质结构，生长过程中，晶格失配度小，匹配性好。
本发明的透明存储元器件的工作过程是在外加电场的作用下，材料的电阻在低阻态("0")和高阻态("1")之间可逆转变，基于这种效应来实现
RRAM器件的记忆过程。为了方便表征，通常采用不同电压下的电流值变化
来间接表征电阻值的变化。
本发明提供的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件，其最大的优点是基于低成本的氧化锌基薄膜材料，通过掺杂控制获得一种性能稳定且具有良好透明性的氧化锌同质结构RRAM存储单元结构，有利于RRAM元器件存储单元向低成本、高性能透明器件方向发展。
图1为氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件结构示意2为氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件实物3为氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件透过谱4为氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件特征曲线图
具体实施例方式
下面通过具体实施例的阐述，进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。
选用Al掺杂的ZnO薄膜(AZO)为电极层，分子通式式为AlxZni.xO，(0.02<x<0.04),电阻率约2X 10'4~9X l(T4欧姆 厘米；选用Mg掺杂的ZnO薄膜(MZO)为阻变层，分子式为MgyZni_yO， (0.1<y<0.4)，电阻转变倍率变化范围为4倍~103倍。由所述的电极层和阻变层构筑成的一种氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件，其特征在于在衬底(1)上依次沉积底电极层AZO (2)，中间阻变层MZO (3)，顶电极AZO (4)。采用脉冲激光沉积法(PLD)制作，具体工艺步骤如下
1) 衬底选用石英玻璃(1),经丙酮、乙醇和去离子水标准超声清洗；
2) 采用掺杂Al摩尔百分比为3。/。的ZnO陶瓷靶，在本底真空为3xl(^Pa，沉积温度为室温(约18~25°C)条件下沉积厚度为100 nm的AZO底电极层(2);
3) 采用掺杂Mg(30M)的ZnO陶瓷靶，在2Pa氧分压下沉积厚度为 120-150 nm的MZO阻变层(3);
4) 采用孔洞直径0.1mm的掩模板，掺杂A1 (3%)的ZnO陶瓷靶，在本 底真空为3xl(T4 Pa和18 25°C条件下沉积厚度为100 nm的AZO顶 电极(4)。
制备获得的氧化锌基透明RRAM元器件，其结构为石英玻璃衬底上的 AZO/MZO/AZO同质三明治结构，示意图参见附图l。
肉眼观察该元器件具有良好的透明性，参见附图2。由附图3光学透过 谱图所示，该元器件在可见光(对应波长400 800nm)范围内具有较高的透 过率(最大83%，最小63%)。
该元器件特征/-^曲线如附图4所示，其电阻转变过程可描述为薄膜
原始处于高阻态，施加正向电压到一定数值，薄膜转变成低阻态，然后施加
负向电压到一定值，薄膜恢复至高阻态，如此为一个循环，图中为50个循环 的7-F曲线，可见其重复性、稳定性良好。高阻态约为3400~3500 Q，低阻 态约为700 800Q，高/低阻态转变倍率约为4 5倍。施加电压过程中，顶电 极为正方向，底电极为负方向，参见附图l。
需特别强调指出的是本实施例选取的AZO和MZO分别作为电极层材料 和阻变层材料最具有代表性，实际上电极层材料除AZO之外还可选取Ga掺 杂的或Ag掺杂的ZnO，阻变层材料可选取Mn掺杂的ZnO或Co掺杂的ZnO， 甚至ZnO透明薄膜，只是控制不同的掺杂比例但均为透明薄膜。
通过本实施例的描述，本领域的技术人员可以方便制作出由不同电极层 材料和阻变层材料构筑成的ZnO基同质透明的RRAM元器件。
权利要求
1、氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件，包括石英玻璃衬底，其特征在于在衬底上依次沉积底电极层、中间阻变氧化物层和顶电极层，构成三明治结构，且底电极层、中间阻变层和顶电极层是由氧化锌基同质结构的透明薄膜组成。
2、 按权利要求1所述的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件，其特征在于所述的顶电极层或底电极层的材料为Al掺杂的ZnO、 Ga掺杂的ZnO或Ag掺杂的ZnO;电极层材料的电阻率为10—5~10—4欧姆 厘米。
3、 按权利要求2所述的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件，其特征在于所述的顶电极层或底电极层的材料为Al掺杂的ZnO，组成通式为AlxZn,陽xO，式中0.02<x<0.04。
4、 按权利要求1所述的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件，其特征在于阻变氧化物层材料为Mg掺杂的ZnO、 Mn掺杂的ZnO或Co掺杂的ZnO，阻变氧化物层材料的电阻转变倍率范围为4倍 103倍。
5、 按权利要求4所述的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件，其特征在于所述的阻变层材料为Mg惨杂的ZnO，组成通式为MgxZni.yO，式中0.1<y<0.04。
6、 按权利要求1~3中任一项所述的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件，其特征在于底电极层的厚度为80 120nm，顶电极层的厚度为80 120nm。
7、 按权利要求1、4或5所述的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件，其特征在于阻变氧化物层的厚度为120 150nm。
8、 制作如权利要求1所述的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件的方法，其特征在于采用脉冲激光沉积法制作，具体步骤是a) 选用石英玻璃衬底，经丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；b) 采用电阻率在10'5~10—4欧姆*厘米的Al掺杂的ZnO、 Ga掺杂的ZnO或Ag掺杂的ZnO陶瓷靶在本底真空为(1 9) X l(T4Pa，沉积温度为18 25。C条件下沉积底电极；c) 采用电阻转变倍率为4倍 10M音的ZnO或ZnO基掺杂陶瓷耙，在l 5Pa氧分压下沉积阻变层；d)采用孔洞直径为0.05 0.2mm的掩膜板，在(1 9) X10—4pa本底真空和18~25 °C温度下沉积顶电极制作成三明治结构。
9、 按权利要求8所述的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件的制作方法，其特征在于以Al掺杂的ZnO薄膜为电极层，以Mg掺杂的ZnO薄膜为阻挡层的元器件在400 800nm可见光范围内最大透光率为83%，最小为63%。
10、 按权利要求9所述的氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件的制作方法，其特征在于所制作的RRAM元器件经高阻态到低电阻态50个循环的I-V曲线显示好的重复性和稳定性，高/低阻态转变倍率为4 5倍。
全文摘要
本发明涉及一种氧化锌基同质结构的透明电阻式随机存储器(RRAM)元器件及制作方法。所述的存储元器件是在石英玻璃衬底上由依次制备的“电极层/阻变氧化物层/电极层”三明治结构构成。其中，电极层材料为ZnO基掺杂的透明导电薄膜，阻变氧化物层材料为ZnO或ZnO基掺杂阻变薄膜。在保持材料透明性的前提下，通过对ZnO基薄膜组分的调控，对薄膜材料的导电性及电阻转变性能进行控制，从而达到稳定存储的目的。本发明的存储单元结构的最大优点是基于低成本的氧化锌基同质结构薄膜材料，通过掺杂控制获得一种性能稳定且具有良好透明性的同质RRAM存储单元结构，有利于RRAM存储器件向低成本、高性能透明器件方向发展。
文档编号H01L45/00GK101533890SQ20091004882
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者于伟东, 刘新军, 张亦文, 逊 曹, 李效民, 蕊 杨, 长 杨 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所