CN113130744B - 一种基于铝掺杂氧化铌的选通器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于铝掺杂氧化铌的选通器件及其制备方法，该选通器件包括底电极；转变层，位于底电极一侧表面；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m，0.1％≤m＜1.5％。本发明的基于铝掺杂氧化铌的选通器件，转变层为铝掺杂氧化铌薄膜，通过铝掺杂提升了氧化铌高阻态的势垒，增加高阻态电阻，相比传统的转换层为氧化铌的选通管具有更高的选通比。

Description

一种基于铝掺杂氧化铌的选通器件及其制备方法

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选通器件及其制备方法。

背景技术

近年来，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，光刻、刻蚀等工艺逐渐逼近其物理极限，传统的非易失性存储器在操作电压、可靠性、功耗等方面也面临着技术瓶颈。

新型的阻变(RRAM)存储器作为一种新兴的非易失性存储器件，因其具有擦写速度快、耐受性好、3D存储潜力及与CMOS工艺兼容等优异特性引起广泛关注。为实现更高的存储密度，在RRAM器件阵列集成时一般采用最小特征面积(4F²)的十字交叉结构，但是阵列中存在严重的串扰问题，会产生存储信息误读的现象。除去采用特殊材料或结构制备的自整流RRAM和互补型存储器，目前能有效解决串扰问题的方法主要是将RRAM单元集成额外的整流元件(如晶体管、二极管、选通管)。而晶体管集成时的最小特征面积为8F²，工艺流程复杂；二极管只适用于单极性RRAM器件；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。

目前已经报道过的选通管有：双向阈值转换选通管(OTS)(ovonic thresholdswitch selector)、混合电子离子传导选通管(MIEC)(mixed ionic electronicconduction selector)、可编程金属化选通管(programming metallization selector)和绝缘体金属转换选通管(IMT)(insulator metal transition selector)等。

OTS选通管的机理解释主要是热诱导电子转变、碰撞电离和重组等，其优势在于导通状态下具有较高的开态电流密度。但是其材料***十分复杂，并且其非线性度较低。

MIEC转化一般都是在能同时传导电子电荷和离子的材料中发生的。这种选通管通常都是以铜为基底的，通过铜离子移动来形成导电通道，以实现高的非线性比。MIEC具有非常低的漏电流，但是由于铜离子的不断累积导致器件逐渐失效，因此耐受性和保持特性受到很大影响。

可编程金属化选通器件一般采用活性金属(Ag、Cu)做电极，基本工作原理是：在施加足够的阈值电压时，形成金属导电细丝；而在施加偏压移除后，导电丝断裂，器件展现出易失的双向阈值转变特性。但是其耐受性太差，并且其需要低漏电流的RRAM才能集成。

IMT选通管是通过在高阻的绝缘态和低阻的金属态之间转变以实现存储的，通常是在NbO₂和VO₂类金属氧化物中观察到的。这种转变过程受电压或温度驱动的，因此漏电流较大，但稳定性和耐受性较好，但该选通管选通比较低。

鉴于目前的选通管存在的缺陷，提供一种耐受性好、选通比高的选通管成为本领域技术人员亟需解决的问题。

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选通器件及其制备方法，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选通器件，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m，0.1％≤m＜1.5％。

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选通器件，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。

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选通器件，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选通器件的制备方法，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m，0.1％≤m＜1.5％。

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选通器件的制备方法，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n，50W＜n≤75W，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选通器件的制备方法，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。

进一步的优选的，所述的基于铝掺杂氧化铌的选通器件的制备方法，磁控溅射时控制磁控溅射设备的真空室压力为2×10^-1～6×10^-1Pa、温度为290～330K、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选通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选通器件，转变层为铝掺杂氧化铌薄膜，通过铝掺杂提升了氧化铌高阻态的势垒，增加高阻态电阻，相比传统的转换层为氧化铌的选通管具有更高的选通比，同时电压一致性也有提升；

(2)本发明的基于铝掺杂氧化铌的选通器件，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)则会导致选通器件电阻大，forming电压过大，选通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为本发明的基于铝掺杂氧化铌的选通器件的结构示意图；

图2为本发明实施例1中制备得到的基于铝掺杂氧化铌的选通器件的扫描电子显微镜图；

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选通器件的X射线光电子能谱图；

图4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5为本发明实施例1以及对比例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，本发明提供了一种基于铝掺杂氧化铌的选通器件，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1一侧表面；

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m，0.1％≤m＜1.5％。

需要说明的是，本申请实施例中的基于铝掺杂氧化铌的选通器件，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(NbO_x: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m，0.1％≤m＜1.5％，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。本申请的选通器件，转变层2为铝掺杂氧化铌薄膜，通过铝掺杂提升了氧化铌高阻态的势垒，增加高阻态电阻，相比传统的转换层为氧化铌的选通管具有更高的选通比。

进一步的，本申请的选通器件，铝掺杂氧化铌薄膜中Al浓度在0.1％～1.5％之间，相对而言Al浓度比较低，氧化铌薄膜内部NbO₂区域势垒提高，但无法对Nb₂O₅区域导电丝起到调控作用；若进一步提高Al掺杂含量，如Al掺杂超过1.5％，可以提升氧化铌薄膜内部Nb₂O₅区域导电丝的稳定性。

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。

在一些实施例中，还包括衬底，底电极位于衬底表面，衬底可为硅衬底。

在一些实施例中，转变层2的厚度为10～250nm，顶电极3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，通过改变沉积时间和溅射功率改变转变层的厚度，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)则会导致选通器件电阻大，forming电压过大，选通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选通器件的制备方法，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m，0.1％≤m＜1.5％。

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，其中，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、氧化铌靶材的溅射功率为n，50W＜n≤75W，氧化铝靶材的溅射功率为5～30W，溅射时间为10～120min。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，顶电极也可以通过磁控溅射法制备得到，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，顶电极的材料为Pt，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，其中，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、Pt靶材的溅射功率为20～70W，溅射时间为20～100min。

在本申请中制备得到的基于铝掺杂氧化铌的选通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，选通器件变为低阻态；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，当施加电压大于阈值电压时，选通器件从高电阻的绝缘态变为低电阻的金属态；当移除施加电压后，转变层内相变区域由于焦耳热的减小导致温度降低，因此选通器件从低电阻的金属态回到高电阻的绝缘态，由于传统的纯氧化铌选通器件的选通比较低，因此通过掺铝对其选通比进行优化，通过掺铝提升了氧化铌高阻态的势垒，增加高阻态电阻，所以提升了氧化铌选通管的选通比。

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选通器件的制备方法。

实施例1

本申请实施例提供了一种基于铝掺杂氧化铌的选通器件的制备方法，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55W，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90nm；

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选通器件，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选通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1为本申请其中一个实施例中的基于铝掺杂氧化铌的选通器件的结构示意图，在测试时，在顶电极上施加偏压，同时底电极接地进行测试。

图2为本申请实施例1中制备得到的基于铝掺杂氧化铌的选通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NbO_x:Al)，厚度约为90nm；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3为本申请实施例1中制备得到的基于铝掺杂氧化铌的选通器件中转换层的X射线光电子能谱图(XPS)；图3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3中，转换层中Al元素的摩尔百分比为1.03％，Nb元素的摩尔百分比为64.29％，O元素的的摩尔百分比为34.68％，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选通器件和对比例1中制备得到的氧化铌选通器件的性能。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4所示，图4中Ti/NbO_x/Pt代表对比例1制备得到的氧化铌选通器件，Ti/NbO_x:Al/Pt代表实施例1制备得到的基于铝掺杂氧化铌的选通器件。

从图4中可以看出，施加0～10V正向forming电压，对比例1中得到的氧化铌选通器件在4V时完成forming过程，达到所设限制电流1mA；而实施例1中得到的基于铝掺杂氧化铌的选通器件在9.3V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，分别测试实施例1和对比例1得到的选通器件的直流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5所示。

从图5中可知，对比例1中的氧化铌选通器件最小电流即高阻态电流可达100μA级别，最大电流即低阻态电流为1mA，选通器件选通比为36；而实施例1中的基于铝掺杂氧化铌的选通器件最小电流即高阻态电流接近10μA级别，最大电流即低阻态电流为1mA，器件选通比为88。由此可以明显看出，本申请的铝掺杂氧化铌的选通器件相比氧化铌选通器件具有更大的选通比，证实在氧化铌中掺铝可以优化其选通比，本申请中的铝掺杂氧化铌的选通器件展示了明显的双向阈值选通特性，且其性能十分优异。同时，图5中可以看出本申请的铝掺杂氧化铌的选通器件电压分布更集中，具有更好的电压一致性。

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 (5)

1.一种基于铝掺杂氧化铌的选通器件的制备方法，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1.03％；

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n，50W＜n≤75W，氧化铝靶材的溅射功率为5～30W，溅射时间为10～120min。

2.如权利要求1所述的基于铝掺杂氧化铌的选通器件的制备方法，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选通器件的制备方法，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.如权利要求2所述的基于铝掺杂氧化铌的选通器件的制备方法，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。

5.如权利要求4所述的基于铝掺杂氧化铌的选通器件的制备方法，其特征在于，磁控溅射时控制磁控溅射设备的真空室压力为2×10^-1～6×10^-1Pa、温度为290～330K、溅射功率为20～70W、溅射时间为20～100min。

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