一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件及其制造方法。本发明专利技术的1S1R器件从下至上依次包括底电极层、氧化锆阻变层、氧化铌转换层和顶电极层；所述底电极层的厚度为100～300nm，所述阻变层的厚度为15～30nm，所述转换层的厚度为30～80nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm，所述阻变层、转换层和顶电极层均是采用磁控溅射的方法形成。本发明专利技术采用氧化锆作为阻变层，氧化铌选通管作为转换层，制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件具有较大的非线性值，能够有效减小漏电流、可实现十字交叉阵列的高密度集成，因此非常具有发展潜力和应用价值。

A 1S1R device based on niobium pass transistor and zirconia barrier layer and its manufacturing method

The invention relates to an 1S1R device based on a niobium pass transistor and a zirconia barrier layer and a manufacturing method thereof. The 1S1R device of the invention consists of the bottom electrode layer, the zirconium oxide resistive layer, the niobium oxide conversion layer and the top electrode layer. The thickness of the bottom electrode layer is 100 to 300nm, the thickness of the resistive layer is 15 to 30nm, the thickness of the conversion layer is 30 to 80nm, the thickness of the top electrode layer is 50 to 300nm, and the resistive layer is described. The conversion layer and the top electrode layer are formed by magnetron sputtering. The invention uses zirconia as the resistive layer and the niobium oxide selective tube as the conversion layer. The 1S1R device based on the niobium oxide selective tube and the zirconium oxide resistive layer has a larger nonlinear value. It can effectively reduce the leakage current and realize the high density integration of the cross array. Therefore, it has great potential and application value. .

【技术实现步骤摘要】
一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件及其制造方法。
技术介绍
阻变存储器作为下一代非易失性存储器的巨大优势之一就是其优异的小型化潜力。其简单的三层结构可以采用理论上最高集成度(4F2)的十字交叉结构。但是十字交叉结构存在严重的串扰电流问题，会导致器件发生信息误读。串扰电流问题还会增加功耗并限制交叉开关阵列的大小，从而将会严重影响存储器的性能。目前，为解决潜行路径问题，有几种解决思路，第一种方法就是抑制电流反向流过器件，而至允许电流从一个方向流经器件。这种方法通常通过集成额外的整流器件，如晶体管、二极管或者利用具有整流效应的材料来实现；第二种方法是设计全新的存储单元结构和信息读取方式，例如采取互补型阻变存储器结构；第三种方法通常通过将器件在低阻态时的电流曲线变成非线性的，非线性的电流电压曲线使得所有存储单元在小电压读取时都表现出高阻态，再配合以特定的读取方式就可以抑制串扰电流。由于与CMOS工艺的兼容性，构成晶体管-电阻器(1T1R)结构，利用晶体管作为整流器件来抑制串扰电流。器件操作时，对应晶体管打开，其它闭合，这样就避免串扰电流的问题。但是1T1R是一种有源结构，器件面积取决于晶体管的大小，不利于高密度集成。另一方面，晶体管结构复杂并且制备过程中所需要的加工温度非常高，不利于获得成本低并且性能稳定的阻变存储器。二极管-电阻器(1D1R)结构只适用于单极性阻变存储器，双极性阻变器件不能采用。CRS结构过于复杂，制备困难且成本较高，且破坏性读取方式。选通管-电阻器(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。选通管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。不同于二极管单向导通的特点，双向选通管具有对称的电流电压曲线。在双向选通管器件与阻变器件组成的1S1R结构中，在正向扫描时，当扫描电压大于选通管器件的正向开启电压时，选通器件打开，但是整个器件(1S1R)要到阻变单元的转变电压才会转变到低阻态。在电压降至正向保持电压之前选通管器件始终保持为开启状态。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对解决上述漏电流问题，提供一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件及其制造方法，本专利技术的1S1R器件，具有优异的抗串扰能力，为RRAM的大规模集成提供了技术支撑。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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，所述1S1R器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、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，所述阻变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100～300nm，所述阻变层的厚度为15～30nm，所述转换层的厚度为30～80nm，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、阻变层、转换层和顶电极层的形状为矩形、正方形或圆形，所述矩形或正方形的边长为100nm～100μm，所述圆形的直径为100nm～100μm。优选地，上述技术方案中所述底电极层的边长为400nm～4μm；所述阻变层、转换层和顶电极层的边长为100nm～4μm。进一步地，上述技术方案中所述底电极层、阻变层、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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件的制造方法，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阻变层、氧化铌薄膜转换层和金属铂顶电极层，制得所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件。进一步地，上述技术方案步骤(2)中所述的阻变层、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)制备阻变层：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，在底电极表面沉积氧化锆薄膜阻变层，沉积时间为300～600s，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，在氧化锆阻变层表面沉积氧化铌转换层，沉积时间为600～1600s，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铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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。所述底电极层的厚度为100～300nm，所述阻变层的厚度为15～30nm，所述转换层的厚度为30～80nm，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的厚度为100～300nm，所述阻变层的厚度为15～30nm，所述转换层的厚度为30～80nm，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)本专利技术采用传统的HighK材料氧化锆作为阻变层，采用新型的转换材料氧化铌选通管作为转换层，制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件具有较大的非线性值，能够有效减小漏电流，且该器件抗串扰能力优异，可以实现十字交叉阵列的高密度集成，具有很高的应用价值；(2)本专利技术采用氧化铌作为转换层材料，该材料成分简单、性能稳定，引入该材料使本专利技术制得的1S1R器件具有较大的非线性值、高的开态电流密度，稳定的电学性能；(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)本专利技术采用电学性质非常稳定的氧化锆存储薄膜作为阻变层，制得的1S1R器件也具有稳定的电学性能。(5)本专利技术以氧化铌为转换层的1S1R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所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件的结构示意图；图2为本专利技术对比例1制得的基于氧化铌选通管的I-V测试结果图；图3为本专利技术实施例1制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件的I-V测试结果图；图4为本专利技术对比例2制得的基于氧化铌选通管的I-V测试结果图；图5为本专利技术实施例2制得的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件的I-V测试结果图。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：所述1S1R器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、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，所述阻变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】
1.一种基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：所述1S1R器件从下至上依次包括底电极层、阻变层、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，所述阻变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所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：所述底电极层的厚度为100～300nm，所述阻变层的厚度为15～30nm，所述转换层的厚度为30～80nm，所述顶电极层的厚度为50～300nm。4.根据权利要求1或2所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：所述底电极层、阻变层、转换层和顶电极层的形状为矩形、正方形或圆形，所述矩形或正方形的边长为100nm～100μm，所述圆形的直径为100nm～100μm。5.根据权利要求4所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：所述底电极层的边长为400nm～4μm；所述阻变层、转换层和顶电极层的边长为100nm～4μm。6.根据权利要求4所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R器件，其特征在于：所述底电极层、阻变层、转换层和顶电极层的形状为正方形，边长为0.4μm～4μm。7.一种制备权利要求1或2所述的基于氧化铌选通管和氧化锆阻变层的1S1R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阻变层、氧化铌薄膜转换层和金属铂顶电极层，...

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