专利名称：一种基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微电子半导体技术领域，具体涉及一种基于掺杂氧化钒薄膜阻变存储 器件单元及其制作方法。
背景技术：
电阻式非挥发性存储器(RRAM)是以薄膜材料的电阻可在高阻态和低阻态之间实 现可逆转换为基本工作原理的，并且其结构简单、操作电压低、读写速度快、尺寸小，因此被 誉为下一代非易失性存储器的最有力竞争者之一。阻变材料体系中研究最多的为多元化 合物及二元过渡金属氧化物，二元氧化物体系的阻变存储器以其结构简单、易于制备、成本 低、且与COMS工艺兼容备受关注。在不同外加电压的作用下，电阻转变型存储器的电阻值 在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间可实现可逆转换，以此来实现信息存储的功能。目前 人们已经研究了 Cux0，NiO, ZrO2等氧化物在RRAM中的应用。(CN101281952A)通过使用掺 入+3价金属元素离子的HfO、ZrO或CeO薄膜作阻变层，人为地控制缺陷产生的浓度，可有 效地提高阻变存储的稳定性和可控性。在众多的二元过渡金属氧化物中，氧化钒由于其独 特的特性在光热等领域也受到广泛的研究。氧化钒体系在热开关和光开关方面具有超快特 性，主要依据氧化钒薄膜热致相变或光致相变引起的电学特性及光学特性的超快变化。近 期光学特性主要集中在热光开关应用领域的研究，如(CN2762175Y)所制备的氧化钒薄膜 的微型光开关，通过电流加热氧化钒薄膜，其光开关的开关时间为毫秒量级。(CN1598040A) 控制氧化钒薄膜的相变温度，可做成适用于不同温度的开关，保证温度控制操作时的高质 量、高速度、高响应率。基于氧化钒的超快开关特性及可控的相变温度点，考虑RRAM的发展 和应用，采用氧化钒体系作为新型的阻变材料，并采用掺杂的方法进一步降低其操作电压， 达到降低功耗的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术分析，提供一种基于掺杂氧化钒薄膜阻变存储器 及其制作方法，通过掺杂金属薄膜，使得氧化钒阻变材料在施加电压的情况下薄膜中以金 属离子运动组合的方式形成导电通道，大幅提升电阻转变的稳定性，并且消除了 ！Arming 过程。。本发明的技术方案一种基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器，包括底电极、顶电极和电阻转变层，电阻 转变层为掺杂氧化钒薄膜，掺杂氧化钒薄膜位于底电极和顶电极之间，掺杂氧化钒薄膜包 括第一层氧化钒薄膜、掺杂金属薄膜和第二层氧化钒薄膜，掺杂金属薄膜设置于第一层氧 化钒薄膜和第二层氧化钒薄膜之间形成三明治结构。所述底电极的材料为金属、金属材料或导电金属化合物，金属材料为Cu、Au、Ag或 Pt ；金属合金材料为Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr或Cu/Al ；导电金属化合物为TiN、TaN, ITO或者 ΙΖ0。
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所述顶电极的材料为Cu、Ag或Al。所述掺杂金属薄膜为Cu、Ag、Al，厚度为1纳米-10纳米。一种所述基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器的制备方法，步骤如下1)采用离子束溅射法在衬底基片SW2上制备粘附层Ti膜；2)采用离子束法、磁控溅射法或真空蒸镀法在粘附层Ti膜上制备底电极；3)在底电极上制备掺杂氧化钒薄膜，制备顺序依次为第一层氧化钒薄膜、掺杂金 属薄膜、第二层氧化钒薄膜；4)采用离子束溅射法制备顶电极。所述第一层氧化钒薄膜和第二层氧化钒薄膜的制备方法为直流溅射法或射频溅 射法；掺杂金属薄膜的制备方法为离子束法、磁控溅射法或真空蒸镀法；制备氧化钒薄膜 的工艺条件为本底真空度< 10_4Pa、衬底温度为室温-200°C、工作气压为0. 5_2Pa、溅射气 体为O2和Ar，其中氧分压为5% -30%、溅射功率50-250W。本发明的技术分析本发明结合氧化钒薄膜在光热开关及光信息存储等领域的广 泛应用，利用其半导体到金属的转变特性，将氧化钒作为一种新型的阻变存储材料，研究其 电致阻变存储特性。设计基于氧化钒薄膜的阻变存储器三明治结构，并采用掺杂的方法，采 用电接触较好金属作为顶电极，金属活性较强的金属作为掺杂层，可在电阻转变存储层内 通过金属原子的氧化还原来形成导电细丝。实验及测试结果证明，在未掺杂的情况下，当器 件第一次由高阻态向低阻态转变时，需要一个大的初始化O^rming)电压约15V，掺杂后第 一次操作电压为0.6V，接近未掺杂时器件的器件由高阻态变为低阻态(Set)电压，从而消 除阻变存储器第一次由高阻态向低阻态转变时所需要的!Arming过程。本发明掺杂氧化钒 阻变存储器的制作方法简单、成本低并且与传统CMOS工艺兼容性好。本发明的优点是通过本发明能够制备出性能良好的以五氧化二钒为基础的氧 化钒混合相多晶薄膜。通过掺杂金属薄膜，使得氧化钒阻变材料在施加电压的情况下薄 膜中以金属离子运动组合的方式形成导电通道，大幅提升电阻转变的稳定性，并且消除了 Forming过禾呈。
图1为掺杂氧化钒存储器件单元的I-V开关特性曲线。
(五)具体实施例以下结合附图1对发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。实施例1 该结构中包括衬底Si/Si02，Ti粘附层，底电极为Pt，掺杂氧化钒薄膜层，顶电极为 Cu。具体制备工艺如下1)准备衬底基片SiO2，所准备的衬底基片需要表面清洁；2)采用离子束溅射法制备粘附层Ti膜，所述Ti膜的厚度为5纳米；3)采用离子束溅射法制备底电极Pt膜，薄膜厚度10纳米；4)掺杂氧化钒薄膜阻变层的制备，阻变层包括第一层金属物薄膜、金属薄膜和第二层金属氧化物薄膜，所述金属薄膜设置于所述第一层金属氧化物薄膜和第二层金属氧化物薄膜之间第一层氧化钒薄膜的制备工艺本底真空度9X10_5Pa，衬底温度室温，工作气 压1. OPa，溅射中氧分压为20% (气体为O2和Ar)，溅射功率200W ；薄膜厚度50纳米；掺杂金属薄膜的制备，采用离子束沉积，薄膜厚度为2纳米；第二层氧化钒薄膜的制备采用与第一层薄膜制备相同的工艺条件，薄膜厚度为50 纳米。第一层钒氧化物薄膜和第二层钒氧化物薄膜的厚度可以相同，也可以不相同。5)采用磁控溅射法制备顶电极膜Cu，薄膜厚度为10纳米，在顶电极加保护层。图3为本发明实施例中的测试结果，图3 (a)是未掺杂时氧化钒阻变存储单元的测 试结果。第一次激活器件需要一个较高的操作电压(15V左右)。图3(b)是掺杂Cu后氧化钒阻变存储单元的测试结果，第一次不需要一个高的操作电 压来激活器件，消除了 Forming过程。实施例2:底电极为Au，厚度为5纳米，顶电极为Al，厚度为5纳米。第一层氧化钒薄膜的厚 度为25纳米，溅射中氧分压为10%，掺杂金属薄膜的厚度为1纳米，第二层氧化钒薄膜的厚 度为25纳米，溅射中氧分压为10%，其余同实施例1。实验测试结果表明I-V开关特性曲 线中均不需要forming电压，实现free forming。实施例3 底电极为Pt/Au，厚度为10纳米，顶电极为Al，厚度为5纳米，第一层氧化钒薄膜 的厚度为100纳米，工作气压1. 5Pa，掺杂金属为Ag，薄膜的厚度为3纳米，第二层氧化钒 薄膜的厚度为100纳米，工作气压1. 5Pa，其余同实施例1。实验测试结果表明I-V开关特 性曲线中均不需要forming电压，实现freeforming。实施例4 底电极为Cu/Au，厚度为10纳米，顶电极为Al，厚度为5纳米，第一层氧化钒薄膜 的厚度为200纳米，溅射功率100W，掺杂金属为Ag，薄膜的厚度为10纳米，第二层氧化钒 薄膜的厚度为200纳米，溅射功率100W，其余同实施例1。实验测试结果表明I-V开关特 性曲线中均不需要forming电压，实现freeforming。实施例5 底电极为TaN，厚度为10纳米，顶电极为Al，厚度为5纳米，第一层氧化钒薄膜的 厚度为75纳米，掺杂金属为Cu，采用离子束溅射制备，薄膜的厚度为1纳米，第二层氧化钒 薄膜的厚度为75纳米，其余同实施例1。实验测试结果表明I-V开关特性曲线中均不需要 forming 电压，实现 free forming。实施例6 底电极为ΙΤ0，厚度为5纳米，顶电极为Ag，厚度为10纳米，，第一层氧化钒薄膜的 厚度为125纳米，掺杂金属为W，薄膜的厚度为5纳米，第二层氧化钒薄膜的厚度为125纳 米，其余同实施例1。实验测试结果表明I-V开关特性曲线中均不需要forming电压，实现 free forming。实施例7:底电极为TiN，厚度为10纳米，顶电极为Cu，厚度为3纳米，第一层氧化钒薄膜的厚 度为10纳米，掺杂金属为Cu，薄膜的厚度为1纳米，采用离子束溅射制备，第二层氧化钒 薄膜的厚度为20纳米，其余同实施例1。实验测试结果表明I-V开关特性曲线中均不需要 forming 电压，实现 free forming。本发明的掺杂阻变氧化钒薄膜用于非易失性阻变存储器时，能够消除器件的 Forming电压，达到降低功耗的目的，且与传统的COMS工艺兼容。实验测试结果表明I-V开 关特性曲线中均不需要forming电压，实现free forming。以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器，其特征在于包括底电极、顶电极和电阻 转变层，电阻转变层为掺杂氧化钒薄膜，掺杂氧化钒薄膜位于底电极和顶电极之间，掺杂氧 化钒薄膜包括第一层氧化钒薄膜、掺杂金属薄膜和第二层氧化钒薄膜，掺杂金属薄膜设置 于第一层氧化钒薄膜和第二层氧化钒薄膜之间形成三明治结构。
2.根据权利要求1所述基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器，其特征在于所述底电极 的材料为金属、金属材料或导电金属化合物，金属材料为Cu、Au、Ag或Pt ；金属合金材料为 Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr 或 Cu/Al ；导电金属化合物为 TiN、TaN、ITO 或者 ΙΖ0。
3.根据权利要求1所述基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器，其特征在于所述顶电极 的材料为Cu、Ag或Al。
4.根据权利要求1所述基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器，其特征在于所述掺杂金 属薄膜为Cu、Ag、Al，厚度为1纳米-10纳米。
5.一种如权利要求1所述基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器的制备方法，其特征在于 步骤如下1)采用离子束溅射法在衬底基片SW2上制备粘附层Ti膜；2)采用离子束法、磁控溅射法或真空蒸镀法在粘附层Ti膜上制备底电极；3)在底电极上制备掺杂氧化钒薄膜，制备顺序依次为第一层氧化钒薄膜、掺杂金属薄 膜、第二层氧化钒薄膜；4)采用离子束溅射法制备顶电极。
6.根据权利要求5所述基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器的制备方法，其特征在于 所述第一层氧化钒薄膜和第二层氧化钒薄膜的制备方法为直流溅射法或射频溅射法；掺杂 金属薄膜的制备方法为离子束法、磁控溅射法或真空蒸镀法；制备氧化钒薄膜的工艺条件 为本底真空度< 10_4Pa、衬底温度为室温-200°C、工作气压为0. 5_2Pa、溅射气体为仏和 Ar，其中氧分压为5% -30%、溅射功率50-250W。
全文摘要
一种基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器，包括底电极、顶电极和电阻转变层，电阻转变层为掺杂氧化钒薄膜，掺杂氧化钒薄膜位于底电极和顶电极之间，掺杂氧化钒薄膜包括第一层氧化钒薄膜、掺杂金属薄膜和第二层氧化钒薄膜，掺杂金属薄膜设置于第一层氧化钒薄膜和第二层氧化钒薄膜之间形成三明治结构。本发明的优点是通过本发明能够制备出性能良好的以五氧化二钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜。通过掺杂金属薄膜，使得氧化钒阻变材料在施加电压的情况下薄膜中以金属离子运动组合的方式形成导电通道，大幅提升电阻转变的稳定性，并且消除了Forming过程。
文档编号H01L45/00GK102130296SQ201010593299
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者张楷亮, 王麒, 赵金石, 韦晓莹 申请人:天津理工大学