[发明专利]基于硅衬底上的全外延电阻转变多层薄膜、方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅集成全外延薄膜材料生长技术，特别是涉及一种可以实现可逆电阻转变的稀土掺杂锰氧化物材料及其制备方法。属于信息功能材料领域。

背景技术

从2000年美国休斯顿大学首次报道在某些氧化物薄膜中发现电脉冲触发可逆电阻(EPIR：Electrical pulse induced resistance-change)效应以来，基于这种效应的新型电阻式随机存储器(RRAM)的开发受到高度关注。与其他种类的RAM相比，这种存储器具有高存取速度、低功耗、非破坏性读出、抗辐射等优势，被预期为全面取代目前市场产品的新一代非挥发性存储器。为了满足高密度存储的需要，必须实现EPIR存储单元的纳米化。已有研究表明，EPIR效应是一种发生在纳米尺度异质结构(金属电极/氧化物薄膜)中的电阻开关现象，可以进行纳米级信息存储。但是，目前主要采用多晶稀土掺杂锰氧化物薄膜来实现EPIR效应。对于一般的多晶薄膜(晶粒为十几到几十纳米)，当存储单元尺寸缩小到微纳米尺度(几十纳米)，一个存储单元通常只包含几个晶粒，此时晶粒间、晶粒与晶界性质的差异将严重影响微纳米存储单元EPIR性能的一致性和稳定性。同时，在微纳米化过程中，薄膜的表面粗糙度、化学态等表面特性的影响也变得十分突出。目前使用的微电子材料主要是单晶材料(Si)或单晶外延薄膜材料(SiGe，GaN等)，完全避免了由于晶粒、晶界等对器件成品率带来的影响。因此对于硅基外延稀土掺杂锰氧化物的开发将是解决RRAM氧化物实用化问题的关键。

通常，复杂组分薄膜单晶外延生长具有极大难度，需要十分苛刻的工艺条件，如单晶氧化物衬底，很高的生长温度，精确成分控制等，难以与目前半导体工艺兼容。在以前的专利中，研究人员或以20个原胞层的掺杂锰酸镧，或以Ba基氧化物材料，或以CeO₂基，或通过碱土金属蒸汽处理制备氧化物过渡层，外延生长钙钛矿型氧化物薄膜材料，包括掺杂锰酸镧薄膜等。根据RRAM器件的金属-氧化物-金属结构特征，可以看出，这些方法都是在绝缘或半导体底层上制备钙钛矿型的氧化物，不适合用来制备RRAM器件用硅基全外延薄膜。

发明内容

为了克服上述已有技术中的缺点和不足，本发明提供一种基于硅衬底上的全外延电阻转变多层薄膜、制备方法及应用，也即本发明不仅在硅衬底上外延生长氧化物中间层，而且在中间层上外延生长具有良好导电特征的金属或氧化物薄膜作为底电极，从而制备外延的掺杂稀土锰氧化物电阻转变薄膜，薄膜组成通式为Lu_1-xMe_xMnO₃，式中Lu为La、Pr、Nd、Sm等稀土金属元素，Me为Ca、Sr、Ba等碱土金属元素，x＝0.1～0.7。且本发明提供一种硅基电脉冲诱发电阻可变材料的全外延生长技术和制备工艺方法，可以用来制作纳米级的RRAM器件存储单元，从而提高其存储容量。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供一种硅基电脉冲诱发电阻可变材料的全外延生长技术和制备工艺方法，该方法分为复合中间层制备、金属或导电氧化物底电极和掺杂稀土锰氧化物电阻转变薄膜制备三部分。

(一)复合中间层的制备

选择微电子工艺通用的单晶硅片作为基体材料，单晶硅片的取向为<001>。复合中间层包括两层，一层是采用脉冲激光沉积的方法制备的TiN层，其厚度5～10nm。TiN薄膜的沉积工艺参数范围是：靶为高纯度(大于99.99％)的氮化钛陶瓷块，沉积温度为550～800℃，升温速率为每分钟1～10℃，激光能量在3～7J/cm²，沉积速率为0.5～5nm/min，沉积压力低于10^-4Pa。