一种非晶Nb基硫族化合物半导体与自修复导电桥阻变存储器制造技术

本发明专利技术公开了一种非晶Nb基硫族化合物半导体和自修复导电桥阻变存储器(CBRAM)。非晶Nb基硫族化合物半导体为Nb(S

【技术实现步骤摘要】
一种非晶Nb基硫族化合物半导体与自修复导电桥阻变存储器


[0001]本专利技术涉及非晶硫族化合物半导体，尤其涉及非晶半导体阻变存储器领域。

技术介绍

[0002]来到21世纪，电子产业正在飞速的发展，并逐渐成为当今世界上规模庞大的产业。各种电子产品随着更新换代，从往日的大哥大到如今的智能手机，正在朝更小、更快、更高效的方向发展，实际上，这是增加了晶体管的集成数目和存储器件的储存密度。
[0003]美国科学家戈登
·
摩尔在1965年提出了著名的摩尔定律，预言集成电路上的晶体管和存储器件的数目将每年增加一倍，直到现在，半导体集成电路技术一直符合摩尔定律所预测的速度发展。传统存储技术基于互补金属氧化物半导体(COMS)工艺，该工艺存在其尺寸以及存储容量的物理极限。发展至今，半导体储存技术取得巨大发展的同时，市场上主流存储器Flash由于有储存机理的限制，尺寸已经接近理论极限，难以继续保持摩尔定律的速度。研发下一代大容量，小尺寸，高读写速度的非易失性存储器件成为研究热点。阻变存储器(ReRAM)便是其中一种，成为科学家们研究的热点，并在未来具有广阔前景。ReRAM可分为氧化物阻变存储器(OxRAM)和导电桥阻变存储器(CBRAM)。
[0004]在之前的报道中，ReRAM一般需要数伏特的工作电压才能使器件在不同的电阻状态之间切换。但是高电压会使器件消耗大量电能并产生热量，影响器件的稳定性。随着CMOS工艺制程的缩小，低压操作ReRAM是必需的。因此，低工作电压和低功耗是高级ReRAM的关键点。此外，器件阻变行为的可变性是限制阻变存储器实际应用的主要和关键因素，众所周知，可重复性和稳定性对于电子设备至关重要。但CBRAM的关键参数，包括设置电压(Vset)、复位电压(Vreset)、高阻态(HRS)和低阻态(LRS)的电阻值，在工作过程中不可避免地会发生波动，CBRAM设备中始终存在周期到周期(c2c)和设备到设备(d2d)的变化。一般来说，阳离子在开关层的迁移是随机的，难以准确控制，因此随机特性在CBRAM中普遍存在。CBRAM的高均匀性是实际应用的必要前提。
[0005]本专利技术提出了非晶Nb基硫族化合物半导体作为阻变层的CBRAM器件。由于非晶Nb基硫族化合物半导体对阳离子迁移随机性的抑制，CBRAM具有超高的一致性，具有出色的c2c和d2d的一致性。更重要的是，非晶Nb基硫族化合物导电桥阻变存储器件具有自修复能力，多次循环后失效的器件，可以通过更大的复位电压，将性能恢复到初始状态。

技术实现思路

[0006]CBRAM的性能取决于阻变层材料。一般采用的阻变层材料为金属VI族化合物，包括金属氧化物和金属硫属化合物，基于更高硫属元素的金属化合物，通常显示出更低的工作电压、更多的快速传输通道、更具有本征层状结构，因而可以更好地控制阳离子迁移，从而提升器件性能。
[0007]本专利技术提供了一种非晶Nb基硫族化合物半导体，所述的非晶Nb基硫族化合物半导体为Nb(S
x
Se
y
Te
z
)2，其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1，且x+y+z＝1，具有本征层状的非晶态
结构，各元素均匀分布，电阻率在102～105Ωcm。
[0008]所述的一种非晶Nb基硫族化合物半导体，最优为非晶态的Nb(S
0.2
Se
0.5
Te
0.3
)2半导体。
[0009]本专利技术还提供了一种基于上述非晶Nb基硫族化合物半导体作为阻变层的一种自修复导电桥阻变存储器，该器件具有金属/半导体/金属三层结构，且为垂直电极的两端器件，器件自下而上依次为：底部电极为M1/Ti双层金属电极，其中M1为电化学惰性金属Au或Pt；中间阻变层为非晶态Nb(S
x
Se
y
Te
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)2半导体薄膜；顶部电极为Au/M2，其中M2为电化学活泼金属Ag或Cu。
[0010]进一步地，所述的自修复导电桥阻变存储器，其中阻变层非晶Nb(S
x
Se
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Te
z
)2半导体薄膜厚度为90～110nm。
[0011]进一步地，所述的自修复导电桥阻变存储器，具有无成型和无顺应电流的电阻开关特性，低工作电压(<0.5V)、高重复擦写性能(>105)和数据保留性能(>10年)。
[0012]进一步地，所述的自修复导电桥阻变存储器，具有自修复能力，多次循环后失效的器件，可以通过更大的复位电压，将性能恢复到初始状态。
[0013]另外，本专利技术还提供了上面所述的一种自修复导电桥阻变存储器的制备方法，其典型的制备工艺如下：以硅片、蓝宝石、石英等固态基板为衬底；采用电子束蒸发方法，先生长一层10～15nm的金属Ti，再生长一层80～90nm的电化学惰性金属M1作为底电极，其中Ti金属层用于增强底电极金属M1与衬底的附着力；采用磁控溅射方法，以纯度99.99％的Nb(S
x
Se
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)2陶瓷片为靶材，生长非晶Nb基硫族化合物半导体薄膜，厚度90～110nm，为阻变层，生长温度为300～400℃，气氛为纯氩气，工作压强为2～3Pa，溅射功率为18～20W；采用电子束蒸发方法，生长电化学活泼金属M2为顶电极，M2金属层厚度110～120nm，单个顶电极是直径为280～320μm的圆形，蒸镀过程中使用掩模版定义顶电极的大小、位置和数量，最后沉积40～50nm的Au薄膜以保护Cu不被氧化。
[0014]一种非晶Nb基硫族化合物半导体与自修复导电桥阻变存储器，最本质的属性为具有自修复特性的阻变层材料，并不限于具体的非晶半导体材料的种类，上述所列举的仅是具有良好材料和器件性能的部分材料，其它具有自修复特性的非晶半导体阻变层材料也理应认为为本专利技术专利的保护范围。
[0015]本专利技术所述的非晶Nb基硫族化合物半导体薄膜、自修复导电桥阻变存储器等，可用多种方法制备，本专利技术中所列举的仅是其中的几种制备方法，除此之外，还可采用化学气相沉积、溶胶
‑
凝胶、激光脉冲沉积、分子束外延等各种气相、液相和固相方法制备等。
[0016]本专利技术的有益成果在于：
[0017]1)本专利技术提供的自修复导电桥阻变存储器，顶电极采用电化学活性的金属Cu或Ag，利用Cu或Ag在阻变层中导电丝的形成和消失，达到高效且稳定的阻变存储特性。
[0018]2)本专利技术提供的非晶Nb基硫族化合物半导体薄膜，薄膜均匀，表面平整光滑，元素分布均匀，无元素聚焦现象，薄膜的非晶态稳定性高，在500℃条件下退火后依然为非晶态。
[0019]3)本专利技术所提供的非晶Nb基硫族化合物半导体薄膜，具有本征层状的非晶态结构，、可以为Cu或Ag离子提供快速离子通道，使得CBRAM器件具有超低的操作电压，set电压与reset电压均小于0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非晶Nb基硫族化合物半导体，其特征在于，所述的非晶Nb基硫族化合物半导体为Nb(S
x
Se
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Te
z
)2，其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1，且x+y+z＝1，具有本征层状的非晶态结构，各元素均匀分布，电阻率在102～105Ωcm。2.根据权利要求1所述的一种非晶Nb基硫族化合物半导体，其特征在于，所述的非晶Nb基硫族化合物半导体为非晶态Nb(S
0.2
Se
0.5
Te
0.3
)2半导体。3.一种自修复导电桥阻变存储器，其特征在于：所述自修复导电桥阻变存储器以权利要求1或2所述的非晶Nb基硫族化合物半导体为阻变层；所述自修复导电桥阻变存储器具有金属/半导体/金属的MSM三层结构，且为垂直电极的两端器件，自下而上依次为：下层金属即底部电极、中间半导体即所述阻变层、上层金属即顶部电极；其中底部电极为M1/Ti双层金属电极层，其中M1为电化学惰性金属Au或Pt，Ti用于增强M1与衬底的附着力；所述顶部电极为Au/M2双层金属电极层，其中M2为电化学活泼金属Ag或Cu，M2在阻变层中形成导电丝，顶部的Au对M2起保护作用。4.根据权利要求3所述的一种自修复导电桥阻变存储器，其特征在于：所述阻变层为非晶Nb(S
x
Se
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)2半导体薄膜，薄膜厚度为10～100nm。5.根据权利要求3所述的一种自修复导电桥阻变存储器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕建国，陆波静，侯阳，张庆华，焦磊，
申请(专利权)人：东海实验室，
类型：发明
国别省市：