一种阻变薄膜存储器及其制备方法技术

本发明专利技术属于电子薄膜与元器件技术领域，具体为一种阻变薄膜存储器及其制备方法。本发明专利技术通过控制离子注入的区域进而在与光刻掩膜一致的图形范围内引入缺陷，将在阻变行为中起关键作用的导电细丝的生长控制在预定范围内，从而大大提高阻变单元阻变性能的可控性和不同阻变单元之间性能的一致性。而且离子注入区域的形状、大小、数量和位置均可调控，以便在未注入区域实现其它功能。本发明专利技术可以很好地调控阻变单元的性能，提升阻变单元阻变的性能，同时提高同一薄膜上不同阻变单元的一致性，可以制备出性能优越可控、制作工艺简单、一致性好的具有广泛应用性的导电细丝型阻变存储器。

【技术实现步骤摘要】
一种阻变薄膜存储器及其制备方法
本专利技术属于电子薄膜与元器件
，具体为一种阻变薄膜存储器及其制备方法。
技术介绍
阻变随机存储器(ResistiveRandomAccessMemory,RRAM)因其具有高存储密度、低功耗、高读写速率、结构简单和易小型化等特点成为了很有潜力的非易失存储器。阻变随机存储器是基于材料的阻变特性利用阻变单元的电阻变化来实现数据的存储。阻变存储器的阻变层一般以过渡金属氧化物薄膜为主，包括氧化钛、氧化铪、氧化钽、氧化锆、铁酸铋、铌酸锂、钛酸锶等等，此外还包括硫化物薄膜和氮化物薄膜。之前的研究表明，氧空位等缺陷在氧化物薄膜材料的阻变性能中扮演着重要的角色。传统的方法都是通过在薄膜沉积过程(如脉冲激光沉积、磁控溅射等)中调整氧分压或者原位的后续退火过程来控制氧化物薄膜中的氧空位含量。但是上述方法都不能很好地控制缺陷(以氧空位为主)分布的区域，这就会使导电通道的形成具有很大的随机性，从而使阻变单元的阻变特性具有一定的随机性，这就会对不同阻变单元的性能的一致性产生很大的影响。除了之前提到的氧空位以外，其它活性金属离子如银离子等也会在电场的作用下在原本绝缘性较好的氧化物薄膜中形成导电细丝，从而出现阻变的现象，目前这种离子的引入主要依靠的是上电极材料采用活性的金属，在电场作用下活性金属发生先氧化后还原的过程，堆积形成导电通道，上述方法都不能很好地预先控制粒子分布的区域，这就会使导电通道的形成具有很大的随机性。离子注入是一种常用的半导体的工艺，能够对薄膜的表面以及一定深度范围内的区域实现改性，能够在薄膜局部引入缺陷(如氧空位等)或者活性的金属离子。离子注入的参数主要包括离子注入的束流、离子加速的电压、离子注入的时间等，通过调控这些参数，可以较为精确的控制离子注入所影响的区域的深度，产生引入缺陷或者粒子的数量等。目前，在阻变存储的研究中，离子注入是在整片薄膜上进行的，主要用于调控氧化物薄膜与金属电极之间的势垒。
技术实现思路
针对上述存在的问题或不足，本专利技术提供了一种阻变薄膜存储器及其制备方法。为了人为地引入氧空位并将其限制在局部范围内，从而将氧空位组成的导电通道的形成限制在一定的区域以内，减少其形成过程的随机性，提高不同阻变单元的性能的一致性，并且通过调控离子注入的参数以及阻变单元中离子注入的区域来调控阻变行为，进而以进一步优化和改善材料的阻变行为，此外，还可以只在薄膜上的特定区域完成阻变存储的功能，而并不影响薄膜上剩余的区域实现其它的功能，有利于提高器件的集成性。本专利技术阻变薄膜存储器，从下至上依次包括基片、下电极、氧化物薄膜和上电极。所述氧化物薄膜中位于上电极的正下方有离子注入，离子注入的水平投影不超出上电极范围，离子注入的深度h有0＜h≤H，H为氧化物薄膜的总厚度。所述单个上电极正下方的离子注入数量至少一个。上述阻变薄膜存储器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在带有下电极的基片的下电极一面制备厚度50-500纳米的氧化物薄膜。步骤2、采用光刻方法，在氧化物薄膜上覆盖一层光刻胶，使注入区域大小对应图形的掩膜版在光刻机中进行曝光；在完成显影过程之后，需要注入区域没有光刻胶覆盖，其余的区域有光刻胶覆盖。步骤3、利用离子源(可用惰性气体离子或金属离子)对步骤2所制得基片的光刻胶一面进行离子注入，光刻胶未覆盖的区域受到离子的轰击，由于光刻胶的保护，所以只有光刻胶未覆盖的区域受到了离子的轰击。离子注入的深度h有0＜h≤H，H为氧化物薄膜的总厚度。步骤4、采用溅射的方法，在步骤3所得基片的氧化物薄膜一侧制备金属上电极，在溅射后，去除光刻胶，这样上电极刚好沉积在被离子注入的局部区域上，而其余地方没有电极存在；所述上电极沉积区域完全覆盖离子注入区域。进一步的，所述光刻方法采用两次光刻套刻的方法，以调控单个上电极沉积区域内的离子注入区域的数量。进一步的，所述离子注入的深度h通过调控离子源离子注入的能量和束流实现。在本专利技术中，离子注入的目的是为了人为地引入氧空位并将其限制在局部范围内，从而将氧空位组成的导电通道的形成限制在预定的区域以内，减少其形成过程的随机性，进而提高不同阻变单元的性能的一致性。本专利技术通过控制离子注入的区域进而在与光刻掩膜一致的图形范围内引入缺陷，进而将在阻变行为中起关键作用的导电细丝的生长控制在预定范围内，从而大大提高阻变单元阻变性能的可控性和不同阻变单元之间性能的一致性。而且离子注入区域的形状、大小、数量和位置均可调控，以便在未注入区域实现其它功能，例如集成与互联的功能；此外，在一个阻变单元中包含有多个离子注入的区域可以实现多级的阻变存储。本专利技术还可以通过调控离子注入的能量和剂量，以调控阻变单元的性能。综上所述，本专利技术可以很好地调控阻变单元的性能，提升阻变单元阻变的性能，同时可以大大提高同一薄膜上不同阻变单元的一致性，可以制备出性能优越可控、制作工艺简单、一致性好的具有广泛应用性的导电细丝型阻变存储器。附图说明图1为实施例1剖面结构示意图；图2为实施例2剖面结构示意图；图3为实施例3剖面结构示意图。具体实施方式实施例1：步骤1、选用带铂电极的硅基片，在其铂电极一面制备厚度300nm的铌酸锂薄膜。步骤2、设定局部注入的区域为3个直径50μm的圆形区域的光刻掩膜版。步骤3、利用步骤2的光刻掩膜版完成光刻图形化的工艺，使薄膜需要注入的局部区域(直径50μm的圆形区域)上无光刻胶覆盖，而薄膜其余的区域上有光刻胶覆盖。步骤4、利用氩离子源发射出的离子对硅基片覆盖有光刻胶的一面进行离子注入，注入深度为50nm，此时，光刻胶起到一个保护掩膜的作用，只有没有光刻胶覆盖的局部区域的薄膜才有离子注入。步骤5、采用溅射的方法先制备一层30nm的钛，再制备一层50nm的铂作为上电极。之前图形化的光刻胶此时又起到图形化上电极的作用，在金属上电极沉积完成之后，去除光刻胶，最终只有受到离子注入作用的局部区域的正上方有上电极，且上电极的形状与离子注入作用的局部区域的形状完全相同。最终在薄膜上形成了3个具有铂/钛/铌酸锂/铂的类电容结构的阻变单元，如图1所示。实施例2：步骤1、选用带铂电极的硅基片，在其铂电极一面制备厚度300nm的铌酸锂薄膜。步骤2、设定局部注入的区域为3个直径50μm的圆形区域的光刻掩膜版。步骤3、利用步骤2的光刻掩膜版完成光刻图形化的工艺，使薄膜需要注入的局部区域(直径50μm的圆形区域)上无光刻胶覆盖，而薄膜其余的区域上有光刻胶覆盖。步骤4、利用氩离子源发射出的离子对硅基片覆盖有光刻胶的一面进行离子注入，注入深度为300nm，此时，光刻胶起到一个保护掩膜的作用，只有没有光刻胶覆盖的局部区域的薄膜才有离子注入。步骤5、采用溅射的方法先制备一层30nm的钛，再制备一层50nm的铂作为上电极。之前图形化的光刻胶此时又起到图形化上电极的作用，在金属上电极沉积完成之后，去除光刻胶，最终只有受到离子注入作用的局部区域的正上方有上电极，且上电极的形状与离子注入作用的局部区域的形状完全相同。最终在薄膜上形成了3个具有铂/钛/铌酸锂/铂的类电容结构的阻变单元，如图2所示。实施例3步骤1、选用带铂电极的硅基片，在其铂电极一面制备厚度300nm的铌酸锂薄膜。步骤2、设定局部注入的区域为6个直径10μm的圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阻变薄膜存储器，从下至上依次包括基片、下电极、氧化物薄膜和上电极，其特征在于：所述氧化物薄膜中位于上电极的正下方有离子注入，离子注入的水平投影不超出上电极范围，离子注入的深度h有0＜h≤H，H为氧化物薄膜的总厚度。

【技术特征摘要】
1.一种阻变薄膜存储器，从下至上依次包括基片、下电极、氧化物薄膜和上电极，其特征在于：所述氧化物薄膜中位于上电极的正下方有离子注入，离子注入的水平投影不超出上电极范围，离子注入的深度h有0＜h≤H，H为氧化物薄膜的总厚度。2.如权利要求1所述阻变薄膜存储器，其特征在于：所述单个上电极正下方的离子注入数量至少一个。3.如权利要求1所述阻变薄膜存储器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在带有下电极的基片的下电极一面制备厚度50-500纳米的氧化物薄膜；步骤2、采用光刻方法，在氧化物薄膜上覆盖一层光刻胶，使注入区域大小对应图形的掩膜版在光刻机中进行曝光；在完成显影过程之后，需要注入区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：帅垚，潘忻强，吴传贵，罗文博，孙翔宇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51