CN109273597B - 一种基于SrO阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阻变存储器及其制备方法，属于信息存储器件技术领域。该阻变存储器金属‑绝缘体‑金属(MIM)三明治结构，该MIM结构的顶电极与底电极分别为金属电极，金属电极之间的阻变介质为非晶氧化锶薄膜。本发明采用氧化锶薄膜作为阻变材料，可制备出低功耗、高存储窗口和稳定性较好的阻变存储器，从而具有多值存储和高密度存储的潜力。

Description

一种基于SrO阻变存储器及其制备方法

技术领域

本发明属于信息存储器件的技术领域，具体涉及新型非挥发性信息存储器件重要组成部分的开发研究工作，更具体的是一种基于SrO阻变存储器及其制备方法。

背景技术

存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存各种数据和程序的记忆设备，通常采用两种稳定的状态的存储单元来实现存储功能。以大量的存储单元组成的阵列为核心，加上必要的地址译码、读写控制电路，即成为存储集成电路；再附加上必要的I/O接口和一些辅助的电路，即成为存储芯片。目前市场上的非挥发存储器主要以闪存(Flash)为主，但是闪存本身仍面临着很多缺陷和难题，比如擦写速度太慢、擦写电压过高等。闪存最大的瓶颈在于尺寸缩小的极限，这将直接导致闪存的存储密度接近其物理极限。阻变存储器(RRAM)是利用某些薄膜材料在外加电场的作用下表现出两个或两个以上的不同电阻状态来实现对数据的存储。阻变存储器具有结构简单，存储密度高，方便实现3D堆栈，可缩小性能好，低功耗，可重复性擦写速度快，且能与传统的CMOS兼容等优点。因此，以阻变存储器为代表的新一代存储技术已成为学术界和工业界备受关注的研究热点。

阻变存储器的基本结构包括两层导电良好的电极材料和中间一层半导体或绝缘性的存储介质材料。其中，介质层材料是阻变存储器发生阻变效应的载体，对阻变存储器的性能有着最直接、最关键的影响。目前被报道的阻变存储器的介质层材料有很多，其中无机类介质材料有以下几类：二元氧化物、三元和多元氧化物、硫族固态电解质、氮化物以及其他无机材料。二元氧化物的存储介质材料在所有介质材料中表现出最好的存储性能。世界各地可课题组都在寻求新的介质层材料、新结构来提高RRAM的存储性能。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有更稳定性能、更低功耗、更高存储窗口比等优点的新型SrO基阻变存储器，提供了一种锡铜合金/氧化锶薄膜/铂结构以及其制备方法。

技术方案

一种基于SrO阻变存储器，其特征在于采用MIM结构，MIM结构的顶电极和底电极分别为金属电极，中间介质层为非晶氧化锶薄膜；其中，顶电极为Sn-Cu合金，厚度在200-500nm；底电极为Pt，Pt的厚度在100-200nm；所述的氧化锶非晶薄膜厚度为20-60nm。

在中间介质层与顶电极之间设有保护层，保护层为金属Pt，厚度在10-50nm。

所述的Sn-Cu合金包含99.7％的Sn，0.3％的Cu。

一种基于SrO阻变存储器的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在依次经过去离子水、酒精、丙酮预处理过的Pt衬底上沉积SrO薄膜，厚度在20nm-60nm之间；沉积采用JGP560C型超高真空多功能磁控溅射设备，沉积真空度小于1×10^-4Pa，沉积速率在2nm/min和10nm/min之间；

步骤2：在真空度小于1×10^-4Pa的情况下，在制备的SrO薄膜上沉积一层Pt层作为保护层，厚度在10nm-50nm之间；

步骤3：利用真空蒸镀设备蒸镀锡铜合金电极，厚度在200nm和500nm之间，制备电极的过程中，通过孔洞直径为0.3mm的掩膜版获得所需电极的图形。

有益效果

与现有的技术相比较，本发明的益处在于：本发明采用氧化锶作为阻变存储器的阻变材料，可制备出具有良好阻变性能的存储器。本发明中的SrO基阻变存储器擦写电压小、稳定性较好、存储窗口极大，提高了存储密度，为非易失性低功耗存储器的多值存储提供了可能。

附图说明

图1为本发明实施例阻变存储器的工艺流程图；(a)在Pt衬底上沉积SrO薄膜；(b)在SrO薄膜上沉积一层Pt层；(c)蒸镀锡铜合金电极；

1-Pt衬底、2-SrO薄膜、3-Pt层、4-锡铜合金电极；

图2为本发明SrO基阻变存储器的阻变特性测试的结果：其中，a-器件在正向偏压的激励下由高阻态到低阻态跳变过程；b-低阻态的保持过程；c-器件在负向偏压激励下由低阻态向高阻态的跳变过程；d-高阻态的保持过程；

图3为本发明SrO基阻变存储器的循环特性的测试结果。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的氧化锶基阻变存储器为金属-绝缘体-金属(MIM)结构，该MIM结构顶电极和底电极分别为金属电极，该结构的中间介质层为非晶氧化锶薄膜。其中，顶电极为Sn-Cu合金(Sn/99.7％,Cu/0.3％)，厚度在200nm和500nm之间。底电极为市售铂/钛/二氧化硅/硅(Pt/Ti/SiO₂/Si)复合衬底，Pt的厚度在100nm和200nm之间。

一种SrO基阻变存储器的制备方法，其步骤包括：

步骤1：在复合衬底的Pt上生长一层SrO绝缘层；

步骤2：溅射一层Pt层作为保护层；

步骤3：获得具有一定图形的顶电极；

所述步骤1具体为：采用磁控溅射方法沉积SrO薄膜，为真空沉积，沉积真空度小于1×10^-4Pa，沉积速度为2nm/min-10nm/min。所述步骤1之后的步骤2是利用磁控溅射在SrO薄膜上溅射一层Pt层，其目的是为防止氧化锶薄膜吸收空气中的水分和二氧化碳变成氢氧化锶(Sr(OH)₂)和碳酸锶(SrCO₃)。步骤3具体为在步骤2所获得的初成品上覆盖具有直径为0.3mm孔洞的掩膜版，采用真空蒸镀的方法获得具有一定图形的电极。

本发明制备的SrO基阻变存储器的工艺如图1所示，

1)在依次经过去离子水、酒精、丙酮预处理过的Pt衬底1(作底电极)上沉积SrO薄膜2，厚度在20nm-60nm之间，如图1(a)所示。沉积采用JGP560C型超高真空多功能磁控溅射设备，工艺选用设备的标准参数，薄膜的厚度约为20-60nm，沉积速率在2nm/min和10nm/min之间；

2)在真空度小于1×10^-4Pa的情况下，在制备的SrO薄膜2上沉积一层Pt层3做为保护层，厚度在10nm-50nm之间，如图1(b)所示；

3)利用真空蒸镀设备蒸镀锡铜合金电极4，厚度在200nm和500nm之间。制备电极的过程中，通过孔洞直径为0.3mm的掩膜版获得所需电极的图形，如图1(c)所示；

本发明使用SrO做为阻变层的材料，其优势在于，获得了超高存储窗口、低阈值电压的阻变存储器。实现了单层存储器的多值存储的可能性，有望实现高密度存储。

本实施例制备的阻变存储器的阻变性能测试如图2和图3所示。

由图2可知，随着顶电极的外加偏压的改变(底电极始终接地)，位于顶电极和底电极之间的阻变层可发生高电平和低电平之间的逆转，即存储逻辑状态“0”和“1”的转换。此外，该器件的阈值电压比较小，有利于功耗的降低。

由图3可知，在外加0.02V的小电压的读取情况下，该器件的高低阻态的电阻值在100次循环测试过程中波动不大，说明该存储器的电阻分布的均一性良好且具有良好的耐受性。同时，该阻变存储器件表现出超高的存储窗口(可达10⁹)。

Claims (3)

1.一种基于SrO阻变存储器，其特征在于采用MIM结构，MIM结构的顶电极和底电极分别为金属电极，中间介质层为非晶氧化锶薄膜；其中，顶电极为Sn-Cu合金，厚度在200-500nm；底电极为Pt，Pt的厚度在100-200nm；所述的非晶氧化锶薄膜厚度为20-60nm；

其中,在中间介质层与顶电极之间设有保护层，保护层为金属Pt，厚度在10-50nm。

2.根据权利要求1所述的一种基于SrO阻变存储器，其特征在于所述的Sn-Cu合金包含99.7％的Sn，0.3％的Cu。

3.一种权利要求1-2任意一项所述的基于SrO阻变存储器的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在依次经过去离子水、酒精、丙酮预处理过的Pt衬底(1)上沉积SrO薄膜(2)，厚度在20nm-60nm之间；沉积采用JGP560C型超高真空多功能磁控溅射设备，沉积真空度小于1×10-4Pa，沉积速率在2nm/min和10nm/min之间；

步骤2：在真空度小于1×10-4Pa的情况下，在制备的SrO薄膜(2)上沉积一层Pt层(3)作为保护层，厚度在10nm-50nm之间；

步骤3：利用真空蒸镀设备蒸镀锡铜合金电极(4)，厚度在200nm和500nm之间，制备电极的过程中，通过孔洞直径为0.3mm的掩膜版获得所需电极的图形。

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