一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件及其制造方法。本发明专利技术的选通器件从下至上依次包括底电极层、氧化锆隧穿层、氧化铌转换层和顶电极层；所述底电极层的厚度为50～300nm，所述隧穿层的厚度为1～5nm，所述转换层的厚度为30～100nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm，所述隧穿层、转换层和顶电极层均是采用磁控溅射的方法形成。本发明专利技术在氧化铌转换层和底电极层之间增加了一层超薄的氧化锆隧穿层，氧化锆隧穿层有效减小了器件的操作电流和操作电压，可显著降低器件的使用功耗，增加高阻态电阻值，提升非线性度，因此，本发明专利技术制得的选通器件非线性值高，非常具有发展潜力和应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件及其制造方法
本专利技术涉及信息存储技术，更具体地说，本专利技术涉及一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件及其制造方法。
技术介绍
传统多晶硅闪存技术在持续微缩到20nm以下技术节点后面临一系列技术限制和理论极限，已难以满足超高密度的存储要求，因此开发新型存储技术已成为下一代高密度存储器件的迫切需求。阻变存储器(RRAM)具有单元尺寸小，器件结构简单，操作速度快，功耗低，微缩性好，易于集成等优点，已成为下一代非挥发存储技术的有力竞争者，具有广阔的应用前景。但是，RRAM在集成过程中存在明显的串扰问题，从而造成存储信息误读，引起信息的缺少。基于此，选择器件成为RRAM集成的必然选择。选择器包括硅基选通管，氧化物势垒选通管，阈值开关选通管，混合离子-电子导体选通管和场助非线性选通管等。其中选通管(seletor)可以看作是一种非线性电阻，其在低电压和高电压下的阻值差距非常大，常常有几个数量级的差别，可广泛应用于包括相变存储在内的3D存储集成架构，组成1S1R结构。1S1R结构是指串联一个阻变存储器和一个双向选通管器件来共同构成一个存储单元，在抑制串扰电流的同时还能够保持与单个阻变器件相同的器件尺寸，可以实现十字交叉阵列的高密度集成。然而，选通管的选择能力直接决定了存储器的集成密度。目前，选通管的非线性比较低，不能满足超大规模存储的集成需求，因此提高选通器件的非线性比成为研究的首要目标。
技术实现思路
针对
技术介绍
中所指出的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件及其制造方法，本专利技术的选通器件在氧化铌和底电极之间增加一层超薄的氧化锆隧穿层，提高了选通器件的非线性。为了实现本专利技术的上述第一个目的，专利技术人经过大量的试验研究，开发出了一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述选通器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中：所述底电极层为FTO、ITO、ZTO或TiN材料中的任一种，所述隧穿层为氧化锆薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料，所述的氧化铌为NbOx。进一步地，上述技术方案中所述的氧化铌为五氧化二铌。进一步地，上述技术方案中所述底电极层的厚度为50～300nm，所述隧穿层的厚度为1～5nm，所述转换层的厚度为30～100nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm。进一步地，上述技术方案中所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状为矩形或正方形，边长为100nm～100μm。进一步地，上述技术方案中所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状为正方形，边长为0.4μm～4μm。本专利技术的另一目的在于提供上述所述基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件的制备方法，所述方法包含如下步骤：(1)对带有底电极的载膜基材表面进行预处理；(2)利用磁控溅射技术在底电极表面依次沉积氧化锆薄膜隧穿层、氧化铌薄膜转换层和金属铂顶电极层，制得本专利技术所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件。进一步地，上述技术方案步骤(2)中所述的隧穿层、转换层和顶电极层的具体制备工艺如下：(a)在磁控溅射设备上分别安装陶瓷氧化锆靶、陶瓷五氧化二铌靶和金属铂靶，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内；(b)制备遂穿层：开启磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为100～140W条件下，在底电极层表面沉积氧化锆隧穿层，沉积时间为20～80s，沉积完毕后，关闭磁控溅射电源；(c)制备转换层：开启磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为100～140W条件下，在步骤(b)所述氧化锆隧穿层表面沉积氧化铌转换层，沉积时间为600～2000s，沉积完毕后，关闭磁控溅射电源；(d)制备顶电极层：开启磁控溅射电源，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在功率为80～120W的条件下，在步骤(c)所述氧化铌转换层表面沉积金属铂顶电极层，沉积时间为200～1200s，沉积完毕后，关闭磁控溅射电源，冷却至室温，即制得本专利技术所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件。进一步地，上述技术方案步骤(b)、步骤(c)中采用的磁控溅射为射频磁控溅射，步骤(d)中采用的磁控溅射为直流磁控溅射。进一步地，上述技术方案中所述底电极层的厚度为50～300nm，所述隧穿层的厚度为1～5nm，所述转换层的厚度为30～100nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm。进一步地，上述技术方案中所述底电极层为FTO、ITO、ZTO或TiN材料中的任一种。与现有技术相比，本专利技术的优点和有益效果为：(1)本专利技术中采用氧化锆是一种传统的HighK材料，本专利技术在氧化铌转换层和底电极层之间增加了一层超薄的氧化锆隧穿层，氧化锆隧穿层有效减小了器件的操作电流和操作电压，可显著降低器件的使用功耗，增加高阻态电阻值，提升非线性度，因此本专利技术制得的氧化铌选通器件具有较大的非线性值，同时，由于转变电压更低，器件使用功耗低；(2)本专利技术采用氧化铌作为转换层材料，该材料不仅具有成分简单、性能稳定的特点，且引入该材料使本专利技术具有较大的非线性值、高的开态电流密度，稳定的电学性能，因此，本专利技术制得的选通器件非常具有发展潜力和应用价值；(3)本专利技术采用磁控溅射制备氧化铌薄膜，工艺简单、安全可靠与cmos工艺兼容；(4)本专利技术以氧化铌为转换层的选通器件单元具有良好的循环耐受性。附图说明图1为本专利技术实施例1所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件的单元结构示意图；图2为本专利技术实施例1和对比例1中基于0.64μm2的正方形氧化铌选通器件的I-V测试结果对比图；图3为本专利技术实施例2和对比例2中基于1μm2的正方形氧化铌选通器件的forming测试结果对比图；图4为本专利技术实施例2和对比例2中基于1μm2的正方形氧化铌选通器件的I-V测试结果对比图。具体实施方式下面通过具体的实施例和附图对本专利技术的技术方案做进一步详细地说明。以下实施例仅是本专利技术较佳的实施例，并非是对本专利技术做其他形式的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的
技术实现思路
加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本专利技术方案内容，依据本专利技术的技术实质对以下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本专利技术的保护范围内。实施例1本实施例的一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，所述器件从下至上依次包括底电极层1、隧穿层2、转换层3和顶电极层4，其中，所述底电极层为TiN材料，所述隧穿层为氧化锆(ZrO2)薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料；所述底电极层的厚度为200nm，所述隧穿层的厚度为3nm，所述转换层的厚度为45nm，所述顶电极层的厚度为200nm；所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状均为正方形，正方形边长为0.8μm，所述选通器件的单元结构示意图如图1所示。本实施例上述所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，是按如下方法制备而成，所述方法具体包含如下步骤：(1)对带有TiN底电极的面积为0.64μm2的正方形载膜基材进行表面预处理；(2)在磁控溅射设备上分别安装陶瓷氧化锆靶、陶瓷五氧化二铌靶和金属铂靶，以氩气为惰性工作气体通入磁控溅射设备的真空室内；(3)制备遂穿层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述选通器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中：所述底电极层为FTO、ITO、ZTO或TiN材料中的任一种，所述隧穿层为氧化锆薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料，所述的氧化铌为NbOx。

【技术特征摘要】
1.一种基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述选通器件从下至上依次包括底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层，其中：所述底电极层为FTO、ITO、ZTO或TiN材料中的任一种，所述隧穿层为氧化锆薄膜材料，所述转换层为氧化铌薄膜材料，所述顶电极层为Pt薄膜材料，所述的氧化铌为NbOx。2.根据权利要求1所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述的氧化铌为五氧化二铌。3.根据权利要求1或2所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述底电极层的厚度为50～300nm，所述隧穿层的厚度为1～5nm，所述转换层的厚度为30～100nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm。4.根据权利要求1或2所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状为矩形或正方形，边长为100nm～100μm。5.根据权利要求4所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件，其特征在于：所述底电极层、隧穿层、转换层和顶电极层的形状为正方形，边长为0.4μm～4μm。6.一种制备权利要求1所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件的方法，其特征在于：所述方法包含如下步骤：(1)对带有底电极的载膜基材表面进行预处理；(2)利用磁控溅射技术在底电极表面依次沉积氧化锆薄膜隧穿层、氧化铌薄膜转换层和金属铂顶电极层，制得本发明所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件。7.根据权利要求6所述的基于氧化锆隧穿层的氧化铌选通器件的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的隧穿层、转换层和顶电极层的具体制备工艺如下：(a)在磁控溅射设备上分...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国坤，陈傲，王浩，何玉立，陈钦，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42