CN103236497A - 一种基于钛酸铋的阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钛酸铋材料的阻变存储器及其制备方法。阻变存储介质层为Bi₄Ti₃O₁₂及其掺杂物，掺杂元素包括Nb、Ta、La、Sr、V、Nd、Ce、Sm、Ca和Pr，阻变介质层为薄膜形态。器件结构为衬底/下电极/阻变介质层/上电极，上、下电极材料为导电氧化物或金属，上、下电极的厚度为80nm到500nm，阻变介质层厚度为10nm到1000nm。整个存储器的制备使用磁控溅射方法。本发明的有益效果在于采用钛酸铋作为存储介质的阻变存储器具有较大的高低电阻比，有利于数字信息0和1的区分，降低了数据的写入和读取的误判。

Description

一种基于钛酸铋的阻变存储器及其制备方法

技术领域

本发明属于存储器领域，具体是一种钛酸铋阻变存储器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着手机、数码相机、个人电脑和平板电脑等便携式电子产品的普及，非易失性存储器的重要性日益凸显。由消费类产品驱动的存储器市场需要更高密度、高速度、低功耗、具有不挥发性且价格便宜的存储器产品。浮栅式存储器(Flash)是非易失性存储器市场上的主流器件。但是随着技术节点的不断推进，Flash存储器面临着严峻的技术挑战。为了适应未来技术对非易失性存储器的要求，多种新型存储器，例如铁电存储器(FRAM)、磁性存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)以及阻变存储器(RRAM)应运而生。其中RRAM由于具有操作速度快、功耗低、结构简单、集成密度高、可缩小性好以及与CMOS技术兼容等优点引起广泛关注。

RRAM 利用材料电阻率的可逆转换实现二进制信息的存储。由于能够实现电阻可逆转换的材料非常多,  因此容易选择出制备工艺简单且能够与 CMOS工艺兼容的材料。在RRAM研发中，高性能电致阻变材料的开发和单元器件结构的设计最为引人关注。近十来，在多种材料体系中均发现了电致阻变效应，例如Pr_0.7Ca_0.3MnO₃等稀土锰氧化物材料，SrZrTiO₃等过渡金属钙钛矿型结构材料，NiO、TiO₂、CuO、ZnO、Fe₂O₃和ZrO₂等二元过渡金属氧化物材料，有机高分子半导体材料以及硫化物材料。

为达到RRAM实用化的目标，提高RRAM器件的高阻态和低阻态的电阻比值，低的设置电压和复位电压，抗疲劳，存储时间长，性能稳定，以及制备工艺与半导体工艺兼容和低成本的电致阻变材料显得非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于钛酸铋的阻变存储器及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种基于钛酸铋的阻变存储器件，包括从下至上叠接的衬底、下电极、阻变介质层和上电极四层材料，与现有技术不同的是：阻变介质层为钛酸铋及其掺杂物。

所述钛酸铋的掺杂元素包括Nb、Ta、La、Sr、V、Nd、Ce、Sm、Ca和Pr，掺杂元素的含量低于10at%。

所述钛酸铋及其掺杂物阻变介质层为薄膜形态，厚度为10nm到1000nm。

所述下电极和上电极材料为导电氧化物、金属或者导电硅片，导电氧化物可以是ITO、AZO、GZO、IZO、IGZO，金属可以是Au、Ag、Pt、Cu、Al、Ni、Ti，氧化物或金属电极的厚度为80nm到500nm。

所述阻变介质层，上、下氧化物或金属电极材料制备工艺为磁控溅射，制备氧化物电极或钛酸铋及其掺杂物阻变介质层时，使用氧化物陶瓷靶材。制备金属上、下电极时，使用金属靶材，纯氩气气氛溅射。当使用导电硅片作为衬底时，可选择性制备下电极，即可用导电硅片衬底兼做下电极。

一种基于钛酸铋的阻变存储器的制备方法，包括如下步骤：

（1）在衬底上磁控溅射导电氧化物或金属靶材制备下电极，如果使用导电硅片为衬底时，可同时兼作下电极，无需制备下电极；

（2）在下电极上磁控溅射钛酸铋基靶材制备阻变介质层；

（3）在阻变介质层上用磁控溅射导电氧化物或金属靶材制备上电极。

通过上述发明，具有以下优良效果：采用钛酸铋作为存储介质的阻变存储器具有较大的高低电阻比，有利于数字信息0和1的区分，降低了数据的写入和读取的误判。

附图说明

图1为阻变存储器的结构示意图；

图2为实施例1的Ag/Bi₄Ti₃O₁₂/p⁺-Si阻变存储器的双极性阻变特性；

图3为实施例2的Al/Bi₄Ti₃O₁₂/p⁺-Si阻变存储器的双极性阻变特性；

图4为实施例3的Ag/Bi₄Ti₃O₁₂/Pt/Glass阻变存储器的双极性阻变特性。

具体实施方式

实施例1：

采用图1阻变存储器结构制备钛酸铋阻变存储器，该存储器自下而上地包括衬底1、下电极2、Bi₄Ti₃O₁₂薄膜3和上电极4。使用p⁺-Si为衬底，因其具有良好的导电性，同时将其作为下电极。将钛酸铋靶材和p⁺-Si衬底装入磁控溅射的溅射室，将溅射腔体抽真空到7.2×10^-4Pa，然后通入氩气和氧气，溅射气压为1.0Pa，氧气含量为17%，衬底温度为350℃，射频溅射功率为150W，衬底旋转速率5rmp，溅射时间180min。最后，将薄膜在空气中进行热处理，温度为600℃，时间为60min，阻变介质层的厚度约为450nm。在上电极的制备中，使用Ag金属靶材，本底真空度为7.0×10^-4Pa，纯氩气溅射，其溅射气压为1.0Pa，衬底温度为室温，直流功率100W，上电极使用直径为0.4mm的不锈钢圆孔掩膜版，金属电极的膜厚约为100nm。

图2为实施例1制备的钛酸铋阻变存储器的IV特性曲线。从图2可知，钛酸铋阻变存储器具有典型的双极性阻变行为。器件的初始态为高阻态（HRS），在外加偏压从0V到8V的扫描的过程中，器件从高阻态跳变到低阻态（LRS）；电压从8V到0V的扫描过程中，器件一直保持为低阻态；电压从0V到-8V的扫描过程中，器件从低阻态跳变回高阻态。从图2的数据进行电阻计算，电压为4V时的高阻值为3.48×10⁷，低阻值为1.82×10³，高低电阻比（HRS/LRS）为1.91×10⁴，具有非常高的电阻比值，为存储器放大电路写入和读取数据留有较大的识别空间，可避免数据的误操作。

实施例2：

衬底、下电极、阻变介质层的制备与实施例1一样。上电极使用了Al金属，其制备工艺过程与实施例1一样。

图3为实施例2制备的钛酸铋阻变存储器的IV特性曲线。从图3可知，钛酸铋阻变存储器具有典型的双极性阻变行为。从图3的数据进行电阻计算，电压为4V时的高阻值为6.19×10⁷，低阻值为1.50×10³，高低电阻比（HRS/LRS）为4.10×10⁴，具有非常高的电阻比值，为存储器放大电路写入和读取数据留有较大的识别空间，可避免数据的误操作。

实施例3：

使用玻璃为衬底，在下电极的制备中，使用Pt金属靶材，背底真空度为7.0×10^-4Pa，纯氩气溅射，其溅射气压为1.0Pa，衬底温度为室温，直流功率100W，金属Pt下电极的膜厚约为100nm。将钛酸铋靶材和镀了Pt的玻璃衬底装入磁控溅射的溅射室，将溅射腔体抽真空到7.2×10^-4Pa，然后通入氩气和氧气，溅射气压为1.0Pa，氧气含量为17%，衬底温度为350℃，射频溅射功率为150W，衬底旋转速率5rmp，溅射时间180min。最后，将薄膜在空气中进行热处理，温度为600℃，时间为60min，薄膜厚度约为450nm。在上电极的制备中，使用Ag金属靶材，本底真空度为7.0×10^-4Pa，纯氩气溅射，其溅射气压为1.0Pa，衬底温度为室温，直流功率100W，上电极使用直径为0.4mm的不锈钢圆孔掩膜版，金属电极的膜厚约为100nm。

图4为实施例3制备的钛酸铋阻变存储器的IV特性曲线。从图4可知，钛酸铋阻变存储器具有典型的双极性阻变行为。从图4的数据进行电阻计算，电压为4V时的高阻值为1.66×10⁵，低阻值为25.5，高度电阻比（HRS/LRS）为6.50×10⁴，具有非常高的电阻比值，为存储器放大电路写入和读取数据留有较大的识别空间，可避免数据的误操作。

通过以上详细实施例描述了本发明所提供的基于钛酸铋的阻变存储器及其制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做适当的变换或修改，不限于实施例中所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于钛酸铋的阻变存储器件，包括从下至上叠接的衬底、下电极、阻变介质层和上电极四层材料，其特征是：阻变介质层为钛酸铋及其掺杂物，掺杂元素包括Nb、Ta、La、Sr、V、Nd、Ce、Sm、Ca和Pr，掺杂含量低于10at%。

2.权利要求1所述的阻变存储器，其特征是：钛酸铋及其掺杂物阻变介质层为薄膜形态，厚度为10nm到1000nm。

3.权利要求1所述的阻变存储器，其特征是：下电极和上电极材料为导电氧化物或金属材料，其厚度为80nm到500nm；用导电硅片作为衬底时，可兼做下电极使用。

4.一种基于钛酸铋的阻变存储器件的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

（1）在衬底上磁控溅射导电氧化物或金属靶材制备下电极，如果使用导电硅片为衬底时，可同时兼作下电极，无需制备下电极；

（2）在下电极上磁控溅射钛酸铋基靶材制备阻变介质层；

（3）在阻变介质层上磁控溅射导电氧化物或金属靶材制备上电极。

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