CN108539014B - 一种基于铌的氧化物的选通器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于铌的氧化物的选通器件，从下至上依次包括底电极、转换层和顶电极，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述顶电极为铂。本发明以铌的氧化物为转换层，以TiN或导电玻璃为底电极、金属铂为顶电极，构成了电学稳定性优异的基于铌的氧化物的选通器件。实验结果表明，本发明所提供的选通器件循环测试100圈，所得曲线的偏移程度很小，说明其具有优异的电学稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电子材料与元器件技术领域，尤其涉及一种基于铌的氧化物的选通器件及其制备方法。
背景技术
随着云时代的来临，大数据(Big data)也吸引了越来越多的关注，相应的大数据需要海量的存储空间。高密度交叉点阵存储器作为下一代非挥发性存储器件的有力竞争者，具有广阔的市场前景。然而，这种结构的主要缺点之一是通过相邻存储器单元的漏电流会引起潜行路径的问题。这些漏电流可能导致无意义的存储器寻址和读取错误。潜行路径问题还会增加功耗并限制交叉开关阵列的大小，从而将会严重影响存储器的性能。
选通器件具有较高的非线性值和开态电流密度，减少漏电流，可以克服潜行路径问题，从而满足高密度存储的需求。选通器件的电阻转变机理与组成器件的材料性能密切相关。不同类型的介质材料将导致电阻转变极性、非线性值等性能的差异，组成选通器件的介质材料范围非常广泛，不同材料的制备方法也不尽相同，每种方法都有其使用范围。总的来说分为硅基选通管、氧化物势垒选通管、阈值开关选通管、混合离子-电子导体选通管和场助非线性选通管等。
其中阈值开关选通管可以在高电压操作下与电阻开关存储器件兼容的电流密度下工作，且其结构简单，通过施加电场能够使其发生高低电阻的易失性转变而实现数据选择性存储。但现有技术中的阈值开关选通管的稳定性较差，不能满足市场需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于铌的氧化物的选通器件及其制备方法。本发明所提供的选通器件具有优异的电学稳定性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于铌的氧化物的选通器件，从下至上依次包括底电极、转换层和顶电极，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述顶电极为铂。
优选的，所述导电玻璃为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或ZTO导电玻璃。
优选的，所述底电极的厚度为50～300nm，所述底电极极的面积为0.16～16μm2。
优选的，所述转换层的厚度为30～100nm，所述转换层的面积为0.16～16μm2。
优选的，所述顶电极的厚度为50～300nm，所述顶电极的面积为0.16～16μm2。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的基于铌的氧化物的选通器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)以氩气为工作气体，以五氧化二铌靶为溅射靶，在底电极表面进行第一溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件半成品；
(2)以氩气为工作气体，以铂靶为溅射靶，在所述基于铌的氧化物的选通器件半成品的铌的氧化物表面进行第二溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件。
优选的，所述第一溅射的***压力为3～5Torr，所述第一溅射的温度为285～315K。
优选的，所述第一溅射的功率为100～140W，所述第一溅射的时间为600～2000s。
优选的，所述第二溅射的***压力为3～5Torr，所述第二溅射的温度为285～315K。
优选的，所述第二溅射的功率为80～120W，所述第二溅射的时间为200～1200s。
本发明提供了一种基于铌的氧化物的选通器件，从下至上依次包括底电极、转换层和顶电极，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述顶电极为铂。本发明以铌的氧化物为转换层，以TiN或导电玻璃为底电极、金属铂为顶电极，构成了电学稳定性优异的基于铌的氧化物的选通器件。实验结果表明，本发明所提供的选通器件循环测试100圈，所得曲线的偏移程度很小，说明其具有优异的电学稳定性。
附图说明
图1基于铌的氧化物的选通器件单元结构示意图；
图2实施例1所得基于铌的氧化物的选通器件的选通性能I-V测试图；
图3实施例2所得基于铌的氧化物的选通器件的选通性能I-V测试图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于铌的氧化物的选通器件，从下至上依次包括底电极、转换层和顶电极，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述顶电极为铂。
如图1所示为本发明所提供的基于铌的氧化物的选通器件的单元结构示意图，从下至上依次为底电极、转换层和顶电极。
在本发明中，所述导电玻璃优选为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或ZTO导电玻璃。
在本发明中，所述底电极的厚度优选为50～300nm，更优选为120～220nm，最优选为150～200nm；所述底电极的面积优选为0.16～16μm2。
在本发明中，所述转换层的厚度优选为30～100nm，更优选为50～80nm；所述转换层的面积优选为0.16～16μm2。
在本发明中，所述铌的氧化物优选通过磁控溅射得到。
在本发明中，所述顶电极的厚度优选为50～300nm，更优选为120～220nm，最优选为150～200nm；，所述顶电极的面积优选为0.16～16μm2。
本发明对所述基于铌的氧化物的选通器件的形状没有特殊限定，本领域技术人员可以根据需要选择合适的形状。在本发明实施例中，所述基于铌的氧化物的选通器件的形状优选为正方形。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的基于铌的氧化物的选通器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)以氩气为工作气体，以五氧化二铌靶为溅射靶，在底电极表面进行第一溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件半成品；
(2)以氩气为工作气体，以铂靶为溅射靶，在所述基于铌的氧化物的选通器件半成品的铌的氧化物表面进行第二溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件。
本发明优选在磁控溅射设备上安装铂靶和五氧化二铌靶，然后将磁控溅射设备的真空室抽真空后，通入氩气至第一溅射所需压力，得到氩气的工作氛围。在本发明中，当使用一种靶材时，设备会自动保护另一个靶材，以确保每次溅射一种靶材。
在本发明中，所述铂靶的纯度优选≥99.99％。
在本发明中，所述五氧化二铌靶的纯度优选≥99.99％。
本发明对所述铂靶和五氧化二铌靶的来源没有特殊限定，采用市售靶材即可。
得到氩气的工作氛围后，本发明在氩气的工作氛围内，以五氧化二铌靶为溅射靶，在底电极表面进行第一溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件半成品。
本发明优选对底电极的表面进行清洁处理，再作为基底进行第一溅射。
本发明对所述底电极的来源没有特殊限定，可直接采用市售底电极。在本发明实施例中，所述底电极为市售负载有底电极材料的载膜基材。
本发明对所述清洁处理的方式没有特殊限定，能够将底电极表面的灰尘去除即可。在本发明实施例中，所述清洁处理的方式优选为通过高压空气冲洗。
在本发明中，所述第一溅射优选为射频磁控溅射。
在本发明中，所述第一溅射的***压力优选为3～5Torr，更优选为4Torr；所述第一溅射的温度优选为285～315K，更优选为300K。
在本发明中，所述第一溅射的功率优选为100～140W，更优选为110～130W；所述第一溅射的时间优选为600～2000s，更优选为1000～1500s。
第一溅射完成后，本发明以氩气为工作气体，以铂靶为溅射靶，在所述基于铌的氧化物的选通器件半成品的铌的氧化物表面进行第二溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件。
本发明对所述第二溅射的方式没有特殊限定，可以为直流磁控溅射，也可以为射频磁控溅射，在本发明实施例中优选为直流磁控溅射。
在本发明中，所述第二溅射的***压力优选为3～5Torr，更优选为4Torr；所述第二溅射的温度优选为285～315K，更优选为300K。
在本发明中，所述第二溅射的功率优选为80～120W，更优选为90～110W；所述第二溅射的时间优选为200～1200s，更优选为400～1000s，最优选为600～800s。
下面结合实施例对本发明提供的基于铌的氧化物的选通器件及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)将带有面积为1μm2的TiN底电极的载模基材的表面通过高压空气冲洗，备用；所述TiN底电极为正方形，厚度为200nm；
(2)在磁控溅射设备中安装铂靶和五氧化二铌靶，将步骤(1)处理得到的带有TiN底电极的载模基材置于磁控溅射设备中，将真空室抽真空后，通入氩气至***压力为4Torr；
(3)开启射频测控溅射电源，在温度为300K的条件，以120W的功率，向TiN底电极表面溅射五氧化二铌800s，然后关闭射频磁控溅射，得到半成品；
(4)开启直流磁控溅射电源，在温度为300K的条件，以100W的功率，向半成品的表面溅射铂900s，然后关闭直流频磁控溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件。
经测量，本实施例所得基于铌的氧化物的选通器件的转换层厚度为45nm，顶电极厚度为200nm。
在安捷伦B1500A半导体参数分析仪测试平台上对本实施例所得基于铌的氧化物的选通器件的选通性能进行测试，测试方法具体如下：
首先利用两根探针分别接触顶电极和底电极，然后利用安捷伦B1500A测试软件设定-1.5V～+1.5V的扫描电压，扫描电压工作一个循环分为四部分，先从0V扫描到+1.5V，再从+1.5V扫描到0V，然后从0V扫描到-1.5V，最后从-1.5V扫描到0V，即完成一个循环，每一部分扫描步数为101，即电压从0V扫描到+1.5V时电流取101个点，限流为0.4mA，循环测试100圈，结果如图2所示。由图2可知循环测试100圈，所得曲线无明显偏移，说明本实施例所得器件具有优异的电学循环稳定性，耐受性好；并且本实施例所制备的器件具有较大的非线性值和较高的导通电流密度，非线性值可达58.65，导通电流密度为4*104A/cm2；同时本实施例所提供的制备方法与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术具有兼容性。
实施例2
(1)将带有面积为0.36μm2的TiN底电极的载模基材的表面通过高压空气冲洗，备用；所述TiN底电极为正方形，厚度为200nm；
(2)在磁控溅射设备中安装铂靶和五氧化二铌靶，将步骤(1)处理得到的带有TiN底电极的载模基材置于磁控溅射设备中，将真空室抽真空后，通入氩气至***压力为4Torr；
(3)开启射频测控溅射电源，在温度为300K的条件，以120W的功率，向TiN底电极表面溅射五氧化二铌800s，然后关闭射频磁控溅射，得到半成品；
(4)开启直流磁控溅射电源，在温度为300K的条件，以100W的功率，向半成品的表面溅射铂900s，然后关闭直流频磁控溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件。
经测量，本实施例所得基于铌的氧化物的选通器件的转换层厚度为45nm，顶电极厚度为200nm。
在安捷伦B1500A半导体参数分析仪测试平台上对本实施例所得基于铌的氧化物的选通器件的选通性能进行测试，测试方法具体如下：
首先利用两根探针分别接触顶电极和底电极，然后利用安捷伦B1500A测试软件设定-0.6V～+0.6V的扫描电压，扫描电压工作一个循环分为四部分，先从0V扫描到+0.6V，再从+0.6V扫描到0V，然后从0V扫描到-0.6V，最后从-0.6V扫描到0V，即完成一个循环，每一部分扫描步数为101，即电压从0V扫描到+0.6V时电流取101个点，限流为0.2mA，循环测试100圈，结果如图3所示。由图3可知循环测试100圈，所得曲线无明显偏移，说明本实施例所得器件具有优异的电学循环稳定性，耐受性好；并且本实施例所制备的器件具有较大的非线性值和较高的导通电流密度，非线性值可达32.41，导通电流密度为5.56*104A/cm2；同时本实施例所提供的制备方法与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术具有兼容性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于铌的氧化物的选通器件，从下至上依次由底电极、转换层和顶电极组成，所述底电极为TiN或导电玻璃，所述转换层为铌的氧化物，所述转换层的厚度为30～100nm，所述顶电极为铂，所述铌的氧化物通过磁控溅射得到，所述磁控溅射所用溅射靶为五氧化二铌靶，磁控溅射工艺中的***压力为3～5Torr，溅射温度为285～315K，溅射功率为100～140W，溅射时间为600～2000s。
2.根据权利要求1所述的基于铌的氧化物的选通器件，其特征在于，所述导电玻璃为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或ZTO导电玻璃。
3.根据权利要求1或2所述的基于铌的氧化物的选通器件，其特征在于，所述底电极的厚度为50～300nm，所述底电极的面积为0.16～16μm2。
4.根据权利要求1所述的基于铌的氧化物的选通器件，其特征在于，所述转换层的面积为0.16～16μm2。
5.根据权利要求1所述的基于铌的氧化物的选通器件，其特征在于，所述顶电极的厚度为50～300nm，所述顶电极的面积为0.16～16μm2。
6.一种权利要求1～5任一项所述的基于铌的氧化物的选通器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)以氩气为工作气体，以五氧化二铌靶为溅射靶，在底电极表面进行第一溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件半成品；所述第一溅射的***压力为3～5Torr，所述第一溅射的温度为285～315K，所述第一溅射的功率为100～140W，所述第一溅射的时间为600～2000s；
(2)以氩气为工作气体，以铂靶为溅射靶，在所述基于铌的氧化物的选通器件半成品的铌的氧化物表面进行第二溅射，得到基于铌的氧化物的选通器件；所述第二溅射的***压力为3～5Torr，所述第二溅射的温度为285～315K，所述第二溅射的功率为80～120W，所述第二溅射的时间为200～1200s。
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| Effect of thermal insulation on the electrical characteristics of NbOx threshold switches;Wang Ziwen, et al;《APPLIED PHYSICS LETTERS》;20180212;第112卷;摘要、第073102（1）页右栏第1段至073102（3）页，及图1-3 * |
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