[发明专利]一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及微电子半导体技术领域，具体涉及一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法。

(二)背景技术

电阻式非挥发性存储器(resistive random access memory，缩写RRAM)是以薄膜材料的电阻可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基本工作原理的，并且其结构简单、操作电压低、读写速度快、尺寸小，因此被誉为下一代非易失性存储器的最有力竞争者之一。阻变材料体系中研究最多的为多元化合物及二元过渡金属氧化物，由于二元氧化物体系的阻变存储器以其结构简单、易于制备、成本低、且与COMS工艺兼容备受关注。目前人们已经研究了Cu_XO，NiO，ZrO₂等氧化物在RRAM中的应用。(CN101051670A)研究了Cu_XO的存储特性，通过不同的制备方案，消除了Forming现象，在降低功耗方面有一定的贡献。在众多的二元过渡金属氧化物中，氧化钒由于其独特的特性在光热等领域也受到广泛的研究。氧化钒体系在热开关和光开关方面具有超快特性，主要依据氧化钒薄膜热致相变或光致相变引起的电学特性及光学特性的超快变化。近期光学特性主要集中在热光开关应用领域的研究，如(CN2762175Y)所制备的氧化钒薄膜的微型光开关，通过电流加热氧化钒薄膜，其光开关的开关时间为毫秒量级。(CN1598040A)控制氧化钒薄膜的相变温度，可做成适用于不同温度的开关，保证温度控制操作时的高质量、高速度、高响应率。基于氧化钒的超快开关特性及可控的相变温度点，考虑RRAM的发展和应用，氧化钒体系有望成为低功耗阻变存储器新型的阻变材料之一。

(三)发明内容：

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法。

本发明的技术方案：

一种基于氧化钒薄膜的阻变存储器，其器件单元由底电极、阻变存储层和顶电极构成，器件单元为三明治结构，阻变存储层位于底电极和顶电极之间，阻变存储层采用氧化钒薄膜，氧化钒成分为VO_X，其中0.5＜X＜2.5，氧化钒薄膜的厚度为(20-500)纳米。

所述底电极为Pt、W、Ti、TiN、Cu或导电金刚石。

所述顶电极为Cu、Ag或Al。

一种所述基于氧化钒薄膜的阻变存储器器件单元的制备方法，步骤如下：

1)首先采用常规方法在衬底基片上制备底电极；

2)在制备好的底电极上制备氧化钒薄膜；

3)将制备的氧化钒薄膜在惰性气氛或真空气氛下退火；

4)最后在氧化钒薄膜上采用常规方法制备顶电极并在顶电极上加一层常规的保护膜。

所述氧化钒薄膜的制备方法为直流溅射或射频溅射，工艺条件为：本底真空度＜10^-4Pa、衬底温度为室温-200℃、工作气压为0.5-2Pa、溅射时在O₂和Ar混合气体中氧分压为5％-30％、溅射功率为50-250W。

所述氧化钒薄膜在惰性气氛或真空气氛下退火的工艺条件：退火温度为200-600℃、退火时间为1-120分钟。

本发明的技术分析：本发明结合氧化钒薄膜在光热开关及光信息存储等领域的广泛应用，利用其半导体到金属的转变特性，将氧化钒作为一种新型的阻变存储材料，研究其电致阻变存储特性。设计基于氧化钒薄膜的阻变存储器三明治结构，通过不同的制备方法，得到了性能良好的薄膜。通过实验及测试结果验证，所制备的基于氧化钒薄膜的存储器具有很好的电致电阻转变特性，其初始化(Forming)电压为0.97V，器件由低阻态变为高阻态(Reset)电压为0.39V，器件由高阻态变为低阻态(Set)电压为0.72V，Forming电压接近于Set电压，这样可以消除器件第一次有高阻态转向低阻态时所需要消耗的功率。

本发明的优点是：通过本发明能够制备出性能良好的以五氧化二钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜，且通过退火处理，可以降低基于氧化钒的阻变存储器的Forming电压，得到低的Set、Reset电压，从而可以降低器件的功耗。

(四)附图说明：

图1为该阻变存储器施加扫描电压的forming过程。

图2为该阻变存储器forming之后器件高低电阻可逆转变的过程。

(五)具体实施例：

实施例1：

本实施例中衬底为Si/SiO₂、Ti粘附层，底电极为Cu、VO_X薄膜层、顶电极为Cu，具体制备步骤如下：