CN113113538A - 一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法 - Google Patents
一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法，该器件包括：底电极；转变层，位于底电极表面；顶电极，位于转变层远离底电极一侧表面；其中，转变层的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，转变层中铝掺杂的摩尔百分比为1.5～5％。本发明的抗串扰阻变器件，转变层的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，通过高浓度铝掺杂提升抗串扰阻变器件的稳定性，铝原子可以起到固定五氧化二铌区域导电丝的作用，极大增加抗串扰阻变器件的耐受性；相比传统的1S1R器件，可减少集成中的光刻及刻蚀步骤，降低工艺复杂度，节约成本；相比纯氧化铌阻变器件，本申请的的抗串扰阻变器件，耐受性有极大提升，并且抗串扰阻变器件的阈值电压和电阻稳定性均有提升。
Description
技术领域
本发明涉及信息存储技术领域，尤其涉及一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法。
背景技术
在摩尔定律的引导下，随着电子产品的不断发展，市场对非易失性存储器的需要越来越高。在器件尺寸不断微缩过程中，传统的非易失性存储器面临工艺极限的技术瓶颈，亟需研发新型存储器件。其中，阻变(RRAM)存储器因其具有擦写速度快、耐受性好、功耗低、高密度及与CMOS工艺兼容等优异特性而备受关注。RRAM为实现更高的存储密度来降低成本，从而获取更多的市场份额，因此阵列集成时会使用具有最小特征面积(4F2)的十字交叉结构，但是选中单元的相临单元会产生串扰电流，导致信息误读。
目前能有效解决串扰问题的方法主要有以下几种：第一种是设计具有自整流特性的阻变存储器，在高阻态时电流接近，而低组态时正向与负向电流相差几个数量级，从而实现整流效果。第二种是设计全新的存储器件和读取方式，如互补型存储器。第三种是将RRAM单元集成额外的整流元件(如晶体管、二极管、选通管)，考虑到与CMOS工艺的兼容性，采用额外的整流元件即为首要选择。而晶体管集成时的最小特征面积为8F2，特征尺寸面积较大，工艺流程复杂；二极管只适用于单极性RRAM器件，无法与双极性阻变存储器兼容；因此一般选用既能满足最小特征面积，又可以与双极RRAM器件集成的选通管作为整流元件；在选通管与RRAM器件串联集成过程中，必然会引入更多的光刻和刻蚀步骤，增加生产成本。而且考虑到选通管与RRAM器件的兼容性，RRAM器件的SET电压一般要大于选通管的阈值转变电压，且两种器件的低阻态电流不能相差太大。最重要的是集成选通管的1S1R器件的耐受性较差、器件不稳定，影响进一步的高密度集成。对于自整流阻变存储器，器件性能受到整流特性限制，无法实现双极性转变。对于互补型阻变存储器，读取方式具有破坏性，影响器件使用寿命。
基于上述为解决阻变(RRAM)存储器的串扰问题存在各种不同的缺陷，有必要对此进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。
第一方面，本发明提供了一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，包括：
底电极；
转变层，位于所述底电极一侧表面；
顶电极，位于所述转变层远离所述底电极一侧表面；
其中，所述转变层的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，所述转变层中铝掺杂的摩尔百分比为1.5～5％。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，底电极的材料为Pd、Ti、Pt、W或TiN中的一种；所述顶电极的材料为Pt、Ti、Pd，W中的一种。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，所述转变层的厚度为10～250nm，所述顶电极的厚度为30～150nm。
第二方面，本发明还提供了一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，包括以下步骤：
提供底电极；
在所述底电极表面制备转变层；
在所述转变层远离所述底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，所述转变层的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，所述转变层中铝掺杂的摩尔百分比为1.5～5％。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，所述转变层的制备方法具体为：以氧化铌、氧化铝为靶材，利用磁控溅射法共沉积制备得到转变层，其中，氧化铌靶材的溅射功率为25～50W，氧化铝靶材的溅射功率为5～30W，溅射时间为10～120min。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，所述顶电极的材料为Pt，所述顶电极的制备方法为：以Pt为靶材，利用磁控溅射法在所述转变层表面沉积得到pt即得顶电极。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，所述磁控溅射法控制的工艺条件为：溅射功率为20～70W、溅射时间为20～100min。
本发明的一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，转变层的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，通过高浓度铝掺杂提升抗串扰阻变器件的稳定性，铝原子可以起到固定五氧化二铌区域导电丝的作用，极大增加抗串扰阻变器件的耐受性；
(2)本发明的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，相比传统的1S1R器件，可减少集成中的光刻及刻蚀步骤，降低工艺复杂度，节约生产成本；相比纯氧化铌抗串扰阻变器件，本申请的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，耐受性有极大提升(直流循环从25次提升至700次)，并且抗串扰阻变器件的阈值电压和电阻稳定性均有提升；
(3)本申请的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，转变层的厚度为10～250nm，若转变层太薄(<10nm)，会导致顶电极层中金属原子直接注入进去，并且进行电学性能测试时易被击穿，无法实现阻态转变；若转变层过厚(>250nm)则会导致抗串扰阻变器件电阻大，forming电压过大，抗串扰阻变器件无法实现阻态转变。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中1S1R器件的结构示意图；
图2为本发明的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的结构示意图；
图3为本发明实施例1中制备得到的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的扫描电子显微镜图；
图4为本发明实施例1中制备得到的于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件中转换层的X射线光电子能谱图；
图5为本发明实施例1和对比例1中制备得到的器件的在forming过程中，器件电流和施加电压的关系图；
图6为对比例1中得到的器件的直流I-V循环测试图；
图7为本发明实施例1中得到的器件的直流I-V循环测试图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为现有技术中提供的一种集成选通管的1S1R器件，包括依次层叠设置的衬底11、底电极12、阻变层13、中间电极14、转变层15和顶电极16；具体的，衬底11为硅衬底，底电极12的材料为Ti、Pt、Pd、W中的一种，阻变层13的材料为HfO2、Ta2O5、Nb2O5中的一种，中间电极14的材料为Ti、Pt、Pd、W中的一种，转变层15的材料为NbO2、VO2中的一种，顶电极16的材料为Ti、Pt、Pd、W中的一种。其中，中间电极14、转变层15和顶电极16构成选通管，底电极12、阻变层13、中间电极14构成阻变存储器，即现有技术中1S1R器件集成了选通管和阻变(RRAM)存储器。
如图2所示，本发明提供了一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，包括：
底电极1；
转变层2，位于底电极1一侧表面；
顶电极3，位于转变层2远离底电极3一侧表面；
其中，转变层2的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，转变层2中铝掺杂的摩尔百分比为1.5～5％。
需要说明的是，本申请实施例中的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，由下到上依次包括底电极1、转变层2和顶电极3，其中，转变层2的材料为铝掺杂氧化铌薄膜(NbOx:Al)，具体的，本申请中氧化铌存在Nb2O5和NbO2两种氧化物形式，转变层2中铝掺杂的摩尔百分比为1.5～5％，可以理解的是，铝掺杂的摩尔百分比的计算方法：为转变层2中铝的摩尔量除以铝、氧、铌的摩尔量之和；在对本申请的抗串扰阻变器件施加Forming电压后，氧化铌薄膜内部可分为富氧的Nb2O5区域和少氧的NbO2区域，Nb2O5区域表现出非易失性的电阻转变特性，NbO2区域表现为易失的阈值转换特性，所以由氧化铌薄膜制备而成的器件具有实现抗串扰阻变性能的潜力；本申请实施例中转变层2的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，通过高浓度铝掺杂提升抗串扰阻变器件的稳定性，铝原子可以起到固定五氧化二铌区域导电丝的作用，极大增加抗串扰阻变器件的耐受性；传统1S1R抗串扰阻变器件结构简单，具有最小特征尺寸面积，但工艺复杂、成本高、稳定性和耐受性较差；本申请中的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，相比传统的1S1R抗串扰阻变器件，如图1～2比较可知，本申请的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，明显结构更简单，如此可以减少集成中的光刻及刻蚀步骤，降低工艺复杂度，节约生产成本；相比纯氧化铌阻变器件，本申请的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，耐受性有极大提升(直流循环从25次提升至700次)，并且抗串扰阻变器件的阈值电压和电阻稳定性均有提升。
在一些实施例中，还包括衬底4，底电极1位于衬底4表面，衬底4可为硅衬底。
在一些实施例中，底电极1的材料为Pd、Ti、Pt、W或TiN中的一种；顶电极3的材料为Pt、Ti、Pd，W中的一种。具体的，实际中顶电极3可阵列设置在转变层2表面。
在一些实施例中，转变层的厚度为10～250nm，顶电极的厚度为30～150nm；本申请实施例中，通过磁控溅射法制备转变层，通过改变沉积时间改变转变层的厚度，若转变层太薄(<10nm)，会导致顶电极层中金属原子直接注入进去，并且进行电学性能测试时易被击穿，无法实现阻态转变；若转变层过厚(>250nm)则会导致抗串扰阻变器件电阻大，forming电压过大，抗串扰阻变器件无法实现阻态转变。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供底电极；
S2、在底电极表面制备转变层；
S3、在转变层远离底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，转变层的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，转变层中铝掺杂的摩尔百分比为1.5～5％。
在一些实施例中，转变层的制备方法具体为：以氧化铌、氧化铝为靶材，利用磁控溅射法共沉积制备得到转变层；磁控溅射时，控制磁控溅射设备的真空室内的压力为2×10-1～6×10-1Pa、温度为290～330K，同时控制氧化铌靶材的溅射功率为25～50W、氧化铝靶材的溅射功率为5～30W，溅射时间为10～120min，共沉积完毕后即制备得到厚度为10～250nm的铝掺杂氧化铌薄膜转变层；显然实际中除了利用磁控溅射方法制备转换层，还可以采用其他如化学气相沉积、物理气相沉积的方法。
在一些实施例中，顶电极的材料为Pt，顶电极的制备方法为：以Pt为靶材，利用磁控溅射法在转变层表面沉积得到Pt即得顶电极；显然实际中除了利用磁控溅射方法制备顶电极，还可以采用其他如化学气相沉积、物理气相沉积的方法。
在一些实施例中，采用磁控溅射法制备Pt顶电极具体为：控制磁控溅射设备的真空室内的压力为2×10-1～6×10-1Pa、温度为290～330K，同时控制Pt靶材的溅射功率为20～70W，溅射时间为20～100min，沉积完毕后即制备得到厚度为30～150nm的Pt顶电极。
本申请中基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件实现了传统的1S1R器件的功能，具体的，铝掺杂氧化铌转变层实现了传统的1S1R器件的功能，为了便于描述本申请的抗串扰阻变器件的原理，将本申请中的铝掺杂氧化铌转变层内部分成选通单元和RRAM(阻变)单元(分别对应传统1S1R器件的选通管和阻变(RRAM)存储器)；实际上，转变层中选通单元和RRAM单元并无严格的物理区分，只是便于理解将转变层划分为两种单元，进一步的，铝掺杂氧化铌转变层中Nb2O5区域表现为类似RRAM(阻变)单元的性能，NbO2区域表现为类似选通单元的性能。在本申请中制备得到的抗串扰阻变器件的顶电极上施加较大的正向forming电压初步形成导电通道，阻变器件变为低阻态；再加较小负向电压使通道断裂，重新回到高阻态；然后施加较小的正向电压，当施加电压大于SET电压时，选通单元和RRAM单元均从高阻态变为低阻态；当移除施加电压后，选通单元由于易失特性关闭，而RRAM单元具有非易失特性仍保持低阻态；再施加较小负向电压，当施加电压大于RESET电压时，选通单元重新打开，RRAM单元从低阻态变为高阻态；移除施加电压后，RRAM单元和选通单元均回到高阻态；由于纯氧化铌器件的1S1R性能十分不稳定，耐受性较差，无法实际运用；因此通过较高浓度铝掺杂提升器件稳定性，铝原子可以起到固定五氧化二铌区域导电丝的作用，极大增加抗串扰阻变器件耐受性。
以下进一步以具体实施例说明本申请的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法。
实施例1
本申请实施例提供了一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一带有Pt底电极的硅衬底；
S2、在磁控溅射设备中安装氧化铌靶材、氧化铝靶材，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内，控制真空室内的***压力为4.1×10-1Pa、温度为300K，氧化铌靶材溅射功率为45W，氧化铝靶材溅射功率为5W，同时溅射时间为40min，即在Pt底电极上沉积得到转换层铝掺杂氧化铌薄膜，沉积完毕后，铝掺杂氧化铌薄膜的厚度约为80nm；
S3、在磁控溅射设备中安装钛靶材，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内，控制真空室内的***压力为4.1×10-1Pa、温度为300K，在溅射功率为40W下在转换层表面溅射沉积钛，即得钛顶电极，其中溅射时间为30min，沉积完成后钛顶电极的厚度约为50nm。
对比例1
本对比例提供了一种氧化铌抗串扰阻变器件，其结构同实施例1，不同在于，转换层的材料为氧化铌，本对比例提供的氧化铌抗串扰阻变器件的制备方法同实施例1，不同在于，S2中不使用氧化铝靶材。
性能测试
图2中显示了本申请制备得到的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的结构，测试时，在顶电极上施加偏压，同时底电极接地进行测试。
图3为本申请实施例1中制备得到的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的扫描电子显微镜图，其中，顶电极为金属钛层，厚度约为70nm；中间层为铝掺杂氧化铌(图中NbOx:Al)，厚度约为80nm；底电极为金属铂层，厚度约为210nm；其余部分为Ti粘附层和SiO2衬底。
图4为本申请实施例1中制备得到的于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件中转换层的X射线光电子能谱图(XPS)；图4中每幅图的横坐标为结合能，纵坐标为响应强度；图中a、b、c均为基线，根据基线与曲线围成区域的面积可以计算不同元素的相对含量，例如根据图中b基线与Nd3d之间围成的区域面积占图中3幅图中基线与曲线围成区域的面积之和的比值，可以计算出转换层中Nb元素质量含量。经计算图4中，转换层中Al元素摩尔百分比为2.08％，Nb元素摩尔百分比为68.16％，O元素摩尔百分比为29.76％，表明Al成功掺杂进入氧化铌。
使用安捷伦B1500A半导体参数分析仪测试本申请实施例1中制备得到的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件和对比例1中制备得到的氧化铌抗串扰阻变器件的性能。测试时均在钛顶电极上施加电压，铂底电极接地。
在安捷伦B1500A测试软件设定0V～10V的扫描电压，即电压从0V扫描到10V时电流取101个点，测试实施例1和对比例1中制备得到的器件的在forming过程中，器件电流和施加电压的关系，结果如图5所示，图5中Pure代表对比例1制备得到的器件，Al doped代表实施例1制备得到的器件。
从图5中可以看出，施加0～10V正向forming电压，对比例1中得到的器件在4.2V时完成forming过程，达到所设限制电流5mA；而实施例1中得到的器件在8.4V时完成forming过程，达到所设限制电流1mA。
在安捷伦B1500A测试软件设定-1.5V～1.5V的扫描电压，测试对比例1中得到的器件的直流I-V循环测试图，扫描电压的一个循环分为4个部分，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，每个部分扫描步数为101，即电压从0V扫描到5V时电流取101个点，结果如图6所示。从图6中可知，对比例1中的器件在经过20个直流I-V循环后RRAM和选通管阻态无法保持，耐受性差。
在安捷伦B1500A测试软件设定-1.5V～1.5V的扫描电压，测试实施例1中得到的器件的直流I-V循环测试图，扫描电压的一个循环分为4个部分，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，每个部分扫描步数为101，即电压从0V扫描到5V时电流取101个点，结果如图7所示。从图7中可知，实施例1中的器件在经过700个直流I-V循环后，转变电压基本无偏移，器件阻态无明显变化，器件性能无退化。因此，本申请中制备得到的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件具有十分优异的稳定性和耐受性，并且较传统1S1R器件而言，减少了工艺步骤，降低成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，其特征在于，包括：
底电极；
转变层，位于所述底电极一侧表面；
顶电极，位于所述转变层远离所述底电极一侧表面；
其中，所述转变层的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，所述转变层中铝掺杂的摩尔百分比为1.5～5％。
2.如权利要求1所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，其特征在于，所述底电极的材料为Pd、Ti、Pt、W或TiN中的一种；所述顶电极的材料为Pt、Ti、Pd，W中的一种。
3.如权利要求1所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件，其特征在于，所述转变层的厚度为10～250nm，所述顶电极的厚度为30～150nm。
4.一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供底电极；
在所述底电极表面制备转变层；
在所述转变层远离所述底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，所述转变层的材料为铝掺杂氧化铌薄膜，所述转变层中铝掺杂的摩尔百分比为1.5～5％。
5.如权利要求4所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，其特征在于，所述转变层的制备方法具体为：以氧化铌、氧化铝为靶材，利用磁控溅射法共沉积制备得到转变层，其中，氧化铌靶材的溅射功率为25～50W，氧化铝靶材的溅射功率为5～30W，溅射时间为10～120min。
6.如权利要求4所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，其特征在于，所述顶电极的材料为Pt，所述顶电极的制备方法为：以Pt为靶材，利用磁控溅射法在所述转变层表面沉积得到pt即得顶电极。
7.如权利要求6所述的基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射法控制的工艺条件为：溅射功率为20～70W、溅射时间为20～100min。
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