[发明专利]一种可擦写式双层薄膜结构阻变存储单元及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非易失性存储器件技术领域，具体涉及一种具有双层薄膜结构的阻变式存储单元及其制备方法。

背景技术

电阻式随机存储器 (Resistive Random Access Memory，RRAM)的机理是外电场触发可逆电阻转变效应，即在外加电压的作用下，器件的电阻在低阻态(“0”)和高阻态(“1”)之间可逆转变，并且所得到的电阻在外电场去除后可以保持下来。基于这一效应，科学界提出了一种新型非易失性存储器概念——电阻式随机存储器。RRAM技术的最终目标是将现有单一电子产品中含有多种记忆设备改变成为单一记忆单元。在未来的若干年时间中它将会更广泛地应用于具有各种各样新型智能化功能的电路芯片，乃至使电子与计算机科学技术等领域发生革命性的变化。

目前的随机存储器件(RAM)主要分为三类：静态随机存储器件(SRAM)、动态随机存储器件(DRAM)和闪存(Flash Memory)。各自都有优缺点：静态随机存储器件的缺点是一个存储单元需要的晶体管数量多，价格昂贵，存储密度低；动态随机存储器件在通电的情况下需要不断刷新才能保存数据，断电后数据就会丢失；闪存是唯一能够在不通电的情况下进行数据保存的存储器，但是速度却比较慢。RRAM是一种全新的存储器件，其主要优势表现在：一是制备简单。存储单元为金属—氧化物—金属三明治结构，可通过溅射、气相沉积等常规的薄膜工艺制备；二是擦写速度快。擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般小于100纳秒，远高于Flash存储器；三是存储密度高。研究表明电阻发生变化的区域很小，约几个纳米，因此存储单元可以很小，另外，在RRAM中还存在多水平电阻转变现象，利用这些电阻状态可存储不同信息，在不改变存储单元体积的条件下可实现更多信息的存储；四是半导体工艺兼容性好，RRAM可利用现有的半导体工艺技术生产，从而大大缩减开发成本。

近年来已有以氧化铌、氧化镍、氧化锆、和氧化铝等金属氧化物半导体作为存储层制备薄膜阻变存储器的研究报道。但到目前为止，金属氧化物阻变式存储器的一些关键性能参数的重复性和稳定性问题，例如写入/擦除电压不一致，高低阻态阻值的分散和高低阻态不稳定等，被认为是阻碍RRAM进一步发展的障碍因素。另外绝大多数金属原材料属于昂贵金属，或者制备过程需要昂贵复杂的设备。为了克服擦写电压的不一致问题，相关研究正在不断地开展中，其中，有文献报道采用掺杂，或采用双层结构，以及电极修饰层等方法改善器件操作电压一致性。

二氧化锡(SnO₂)是一种很有研究价值的氧化物薄膜存储材料，具有无毒、无害、成本低、宽能隙和可见光透射率高等特点。而相关研究认为钼电极在写入操作时作为氧吸收（存储）层，有助于氧空位导电通道的形成，从而降低写入电压，改善写入电压一致性。同时，氧化不充分的氧化钼薄膜具有一定电导性，可以起到限流保护作用。如果在阻变存储单元中使用这两种氧化物薄膜组成的双层结构，相比于单层氧化物薄膜存储单元，读写操作的稳定性和重复性会有很大的提升。由于二氧化锡，三氧化钼带隙宽，可见光透射率较高，因此采用透明导电氧化物代替金属电极的透明阻变存储器更是在透明电子器件领域具有巨大的应用前景。

本发明考虑到二氧化锡及氧化钼具有以上特性，通过直流磁控溅射法成功制备了具有良好性能的二氧化锡/氧化钼双层薄膜存储单元。磁控溅射法具有可控性好、沉积速率高、可大面积均匀制薄的特点，适于在工业生产中应用。

本方法具有制备工艺简易和可大面积生产的特点，在阻变存储器和透明电子器件等领域具有潜在的应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种阻变性能好、读写操作重复性和稳定性好的二氧化锡/氧化钼（SnO₂/MoO_x）双层薄膜结构的阻变存储单元及其制备方法与应用。

本发明提出的双层薄膜结构的阻变存储单元，以二氧化锡（SnO₂）薄膜作为阻变层，氧化钼（MoO_x）薄膜作为氧存储层，具体结构组成依次为：玻璃基板，金属钛薄膜，作为底电极的金属铂薄膜，二氧化锡阻变薄膜，氧化钼薄膜，作为顶电极的金属钼薄膜，即为Mo/MoO_x/ SnO₂/Pt/Ti/玻璃基板结构，1.5<x<2.5。见图1所示。

本发明提出的上述双层薄膜结构的阻变存储单元的制备方法，是以玻璃为基板，采用磁控溅射技术依次沉积各层薄膜，具体步骤如下：