专利名称：一种基于TiOx结构的忆阻器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件及其制作方法，尤其涉及一种基于TiOx结构的忆阻器及其制备方法，属于微电子技术以及存储器器件领域。
背景技术：
忆阻器(记忆电阻)是继电阻、电容和电感进入主流电子领域后的第四种无源电路元件。就像电阻与电压和电流相关、电容与电荷和电压相关、以及电感与磁通量和电流相关那样，忆阻器是一个与磁通量和电荷相关的无源电路元件。早在1971年，加州大学伯克利分校的电子工程教授蔡少堂就从电路理论上揭示了忆阻器的存在，但没有制造出产品。直到2008年，美国惠普公司的研究人员R. S. Williams制作出了与蔡少堂教授所描述行为相同的忆阻器电路元件，并且申请了美国专利US2008/0090337A1。惠普实验室的忆阻器是一 种基于双层结构的半导体器件，采用两个金属电极间夹双层二氧化钛层的结构制造而成。其中，一个二氧化钛层利用氧空位掺杂成为半导体，相邻层则是无掺杂的自然状态，作为绝缘层。通过在器件两端施加一个电压，氧空位就会从掺杂层漂移到无掺杂层，使器件处于一个低阻态。同样，通过施加一个相反的电压，氧空位可以返回到掺杂层，从而将器件转变为高阻态。这种现有的忆阻器实际上就是一个具有存储能力的非线性电阻器，其中高、低阻态分别可以定义为“I”和“O”。构成该忆阻器的二氧化钛层是采用原子层淀积(ALD)的方法形成，并且需要形成两种不同组分的二氧化钛层，因此提高了这种器件的制作成本。
发明内容
本发明针现有对忆阻器的二氧化钛层是采用原子层淀积的方法形成，并且需要形成两种不同组分的二氧化钛层，因此提高了这种器件的制作成本的不足，提供一种基于TiOx结构的忆阻器及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下一种基于TiOx的忆阻器包括上电极和下电极，所述上电极和下电极之间设有TiOx存储介质层，其中，O. 5 < X < 3。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进一步，所述上电极为单层金属电极、双层金属复合电极或者导电金属化合物电极。进一步，所述下电极为单层金属电极、双层金属复合电极或者导电金属化合物电极。进一步,所述单层金属电极材料为W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti或者Ta ;所述双层金属复合电极材料为Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr或者Cu/Al ;所述导电金属化合物材料为TiN、TaN、ITO 或者 IZO0进一步,所述上电极和下电极的厚度分别为IOnm至500nm。进一步,所述TiOx存储介质层的厚度为5nm至500nm。进一步，所述忆阻器的结构为水平结构、垂直结构、通孔结构或者交叉结构。
本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下一种基于TiOx的忆阻器的制备方法包括以下步骤
步骤一在衬底上形成下电极；
步骤二 在所述下电极上溅射形成Ti薄膜层；
步骤三对所述Ti薄膜层进行氧化处理，形成TiOx存储介质层； 步骤四在所述TiOx存储介质层上形成上电极。进一步，所述氧化处理为热氧化、等离子氧化或者离子注入氧化。进一步，所述氧化的温度为100°C至1000°C，所述氧化时间为I分钟至120分钟。本发明的有益效果是本发明提供的基于TiOx结构的忆阻器结构简单，同时，构成这种结构忆阻器的TiOx存储介质是通过氧化的方法形成，该方法与传统CMOS工艺兼容性好，因此具有制备成本低的优点。
图I为本发明实施例一忆阻器的结构示意 图2为本发明实施例二忆阻器的结构示意 图3为本发明实施例三忆阻器的结构示意 图4为本发明实施例四忆阻器的结构示意 图5为本发明实施例一忆阻器的制备方法流程 图6为图5所示制备方法各步骤对应的结构示意 图7为本发明实施例忆阻器的基本电流-电压特性曲线示意 图8为本发明实施例忆阻器在连续正电压以及连续负电压扫描下的电流-电压特性曲线示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在此提供的附图及其描述仅用于例示本发明的实施例。在各附图中的形状和尺寸仅用于示意性例示，并不严格反映实际形状和尺寸比例。此外，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，在本发明实施例图示中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，而不是用于限制本发明的范围。图I为本发明实施例一忆阻器的结构示意图。如图I所示，在本实施例中，忆阻器为水平结构，包括衬底100 ;设置于衬底100上的下电极101 ;设置于下电极101上的TiOx存储介质层102，其由Ti薄膜通过氧化的方法形成；以及设置于TiOx存储介质层102上的上电极103。所述衬底100 —般由二氧化硅、掺杂二氧化硅或者其他材料制成。所述下电极101和所述上电极103材料包括W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta等单层金属电极，Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr、Cu/Al等双层金属复合电极,也包括TiN、TaN、ITO、IZO等导电金属化合物或者其它的导电电极材料。所述下电极101和所述上电极103的厚度各为IOnm至500nm。可以理解,所述下电极101和上电极103的厚度可以相同，也可以不同，只要在IOnm至500nm之间即可。所述上下电极可以采用电子束蒸发、溅射等物理汽相沉积或者化学汽相沉积的方法形成。所述TiOx存储介质层102的厚度为5nm至500nm。图2为本发明实施例二忆阻器的结构示意图。如图2所示，在本实施例中，忆阻器为通孔结构，和图I不同之处在于还包括形成于下电极101之上的介质层104以及形成于介质层104中的通孔105。介质层104的材料可以为Si02、Si3N4等。通孔105形成于介质层104中，用于定义图形尺寸，通孔105可以通过常规的光刻、刻蚀等工艺方法形成。图3为本发明实施例三忆阻器的结构示意图。如图3所示，在本实施例中，忆阻器为垂直结构，包括下电极101 ;设置于下电极101上的TiOx存储介质层102，其由Ti薄膜通过氧化的方法形成；以及设置于TiOx存储介质层102上的上电极103。图4为本发明实施例四忆阻器的结构示意图。如图4所示，在本实施例中，忆阻器为交叉结构，包括下电极101 ;设置于下电极101上的TiOx存储介质层102，其由Ti薄膜 通过氧化的方法形成；以及设置于TiOx存储介质层102上的上电极103。同时，本发明提供上述实施例一忆阻器的制作方法。图5所示为本发明实施例一忆阻器的制备方法流程图；该制作方法可以用于制作图I所示实施例的忆阻器。以下结合图6说明所示制作方法的具体过程。步骤BlOl，形成下电极。如图6(a)所示，首先在衬底100上沉积下电极101。在该实施例中，所述衬底100可以采用二氧化硅、掺杂二氧化硅或者其他材料。所述下电极材料包括W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta等单层金属电极，Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr、Cu/Al等双层金属复合电极,也包括TiN、TaN、IT0、IZ0等导电金属化合物或者其它的导电电极材料。所述下电极101的厚度为IOnm至500nm。所述下电极101可以采用电子束蒸发、溅射等物理汽相沉积或者化学汽相沉积的方法形成。步骤B102，在下电极上沉积Ti薄膜。如图6 (b)所示，下电极上沉积的Ti薄膜102a用于氧化生成TiOx存储介质层102。所述Ti薄膜层102a的厚度为5nm至500nm。所述Ti薄膜层102a可以采用电子束蒸发、溅射等方法形成。步骤B103，对Ti薄膜进行氧化处理形成TiOx存储介质层。如图6 (C)所示，通过氧化的方法生成TiOx存储介质层102，其中，O. 5 < X < 3。所述氧化的方法主要有热氧化和等离子氧化，其具体氧化的方法不受本发明限制。所述氧化温度为100°c至1000°C。所述氧化时间为I分钟至120分钟。步骤B104，形成上电极。如图6 Cd)所示，在TiOx存储介质层102上沉积上电极103。所述上电极材料包括 W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta 等单层金属电极，Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr、Cu/Al 等双层金属复合电极，也包括TiN、TaN、ITO、IZO等导电金属化合物或者其它的导电电极材料。所述上电极103的厚度为IOnm至500nm。所述上电极103可以采用电子束蒸发、溅射等物理汽相沉积或者化学汽相沉积的方法形成。图7为本发明实施例分别以W作为下电极，W针直接作为上电极的忆阻器的基本电流-电压特性曲线示意图；图8为本发明该实施例忆阻器在连续正电压以及连续负电压扫描下的电流-电压特性曲线示意图；如图7及8所示，该结构忆阻器具有与已有忆阻器相似的电学特性。由上可知，该发明提供的忆阻器具有与已有忆阻器相似的电学特性，并且该发明提供的基于TiOx结构的忆阻器结构简单，同时，构成这种结构忆阻器的TiOx存储介质是通过氧化的方法形成，因此具有制备成本低的特点。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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TiOJ^忆阻器，包括上电极和下电极，其特征在于，所述上电极和下电极之间设有TiOx存储介质层，其中，O. 5 < X < 3。
2.根据权利要求I所述的基于TiOx的忆阻器，其特征在于，所述上电极为单层金属电极、双层金属复合电极或者导电金属化合物电极。
3.根据权利要求I所述的基于TiOx的忆阻器，其特征在于，所述下电极为单层金属电极、双层金属复合电极或者导电金属化合物电极。
4.根据权利要求2或3所述的基于TiOx的忆阻器，其特征在于，所述单层金属电极材料为W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti或者Ta ;所述双层金属复合电极材料为Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr或者Cu/Al ;所述导电金属化合物材料为TiN、TaN, ITO或者ΙΖ0。
5.根据权利要求I所述的基于TiOx的忆阻器，其特征在于，所述上电极和下电极的厚度分别为IOnm至500nm。
6.根据权利要求I所述的基于TiOx的忆阻器，其特征在于，所述TiOx存储介质层的厚度为5nm至500nm。
7.根据权利要求I所述的基于TiOx的忆阻器，其特征在于，所述忆阻器的结构为水平结构、垂直结构、通孔结构或者交叉结构。
8.一种基于TiOx的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤 步骤一在衬底上形成下电极； 步骤二 在所述下电极上溅射形成Ti薄膜层； 步骤三对所述Ti薄膜层进行氧化处理，形成TiOx存储介质层； 步骤四在所述TiOx存储介质层上形成上电极。
9.根据权利要求8所述基于TiOx的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述氧化处理为热氧化、等离子氧化或者离子注入氧化。
10.根据权利要求9所述基于TiOx的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述氧化的温度为100°C至1000°C，所述氧化时间为I分钟至120分钟。
全文摘要
本发明涉及一种基于TiOx结构的忆阻器及其制备方法。所述基于TiOx的忆阻器包括上电极和下电极，所述上电极和下电极之间设有TiOx存储介质层。本发明解决了现有忆阻器制作成本高的问题，同时该忆阻器的制作工艺简单，与传统CMOS工艺兼容性好。
文档编号H01L27/24GK102738387SQ20111009083
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者刘明, 刘琦, 张森, 李颖弢, 王艳, 连文泰, 龙世兵 申请人:中国科学院微电子研究所