一种多晶二氧化锡阻变薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于非易失性电阻式存储器件技术领域，具体为一种多晶二氧化锡阻变薄膜及其制备方法与应用。本发明专利技术以玻璃为基板，用纯金属锡靶材，在一定温度条件下利用直流磁控溅射技术，制备多晶二氧化锡半导体阻变薄膜。采用直流磁控溅射法制备镍顶电极和铂钛底电极测试多晶二氧化锡阻变薄膜的阻变特性。多晶二氧化锡阻变薄膜的高低阻态之比大于100，直流扫描可擦写次数大于250次，高低阻态维持时间大于106秒。该多晶二氧化锡阻变薄膜可作为阻变存储器的阻变材料。本发明专利技术还涉及以多晶二氧化锡薄膜为阻变材料的阻变存储器。本发明专利技术在非易失性存储领域具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非易失性存储器件
，具体涉及一种多晶二氧化锡阻变薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
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样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是一种全新的存储概念，其主要优势表现在一是制备简单。存储单元为金属一氧化物一金属三明治结构，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。但绝大多数原材料属于昂贵金属，或者需要昂贵复杂的设备。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。如果在存储单元矩阵中使用这种氧化物薄膜RRAM，会在很大程度上降低生产成本。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。本专利技术考虑到二氧化锡具有以上特性，通过直流磁控溅射法成功制备了具有阻变特性的多晶二氧化锡薄膜存储层，并应用于氧化物阻变存储器。磁控溅射法具有可控性好、 沉积速率高、可大面积均勻制薄的特点，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
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种阻变性能好、高低阻态稳定的多晶二氧化锡阻变薄膜及其制备方法与应用。本专利技术提出的多晶二氧化锡(Sn02_x，0<X ( 0.3)阻变薄膜，是以玻璃为基板，采用锡金属靶或锡的氧化物靶材，通过磁控溅射技术沉积而成。具体制备条件如下(1)使用金属锡靶或锡的氧化物靶；(2)加热基板，控制基板温度为250 400°C之间；(3)将OJPAr气体通入反应室，控制O2反应气体的分压为7X10_2!^ 1.5X10"1Pa, 工作压强为3. 0 6. OX KT1 Pa ；(4)控制磁控溅射电流为50 200mA，溅射电压为300 450 V ；(5)溅射时间为10 30分钟，得到多晶二氧化锡薄膜，厚度为50 250nm。制备的多晶二氧化锡薄膜的化学计量比为Sn02_x，0<x ( 0.3。可根据需要，通过控制溅射时间、氧分压和溅射功率等来控制薄膜厚度。由上述方法制备得到的多晶二氧化锡阻变薄膜可用于制备阻变存储器。即该阻变存储器以上述多晶二氧化锡薄膜作为阻变层。具体结构组成依次为玻璃基板，金属钛 (Ti)薄膜，作为底电极的金属钼(Pt)薄膜，多晶二氧化锡阻变薄膜，作为顶电极的金属镍 (Ni)薄膜。即为Ni/ Sn02_x/Pt/Ti/玻璃基板结构的阻变存储器，见图1所示。该阻变存储器的具体制备步骤为以普通玻璃为基板，选用金属Ti靴，以Ar气作为工作气体，工作压强为3. 0 X IO-1 Pa。 在溅射电流100 200 mA，溅射电压为250 400 V，溅射时间5 10分钟的工作条件下， 在普通玻璃片上形成金属Ti附着层薄膜。然后采用金属Pt靶，在同样的工作压强下，以及溅射电流50 100 mA，溅射电压为400 500 V，溅射时间5 15分钟的工作条件下，在 Ti/玻璃基片上形成金属Pt底电极。然后制备多晶二氧化锡半导体薄膜，具体步骤是先加热基板，使其温度为250 400°C，将化和Ar气体通入反应室，控制A反应气体的分压为7Χ 10_2 Pa 1. 5 X IO"1 Pa， 工作压强为3. 0 6. OX 10—1 Pa ；在溅射电流50 200 mA、溅射电压300 450 V、溅射时间10 30分钟的条件下形成具有多晶结构的二氧化锡半导体薄膜。制得的透明氧化物半导体薄膜厚度为50 250 nm。最后通过掩膜板利用直流磁控溅射方法制备镍顶电极。本专利技术中，制备多晶二氧化锡半导体薄膜优选的条件如下 基板温度为320 350 V ；通过可变气导阀将A和Ar气体通入反应室，O2反应气体的分压为1. 0 1. 2 X KT1Pa, 反应室内的工作压强为5. OX KT1 Pa；溅射电流为80 100 mA，溅射电压为350 400 V，溅射时间为15 25分钟。本专利技术中，通过孔径为500μπι的掩膜的方法制备厚度为80 150 nm的镍顶电极，溅射电流为150 200 mA，溅射电压为300 400 V，溅射时间5 10分钟。附图说明图1多晶二氧化锡薄膜阻变存储器的结构图。图2多晶二氧化锡薄膜阻变存储器的电流电压特性曲线，写入限制电流为2 mA。图3多晶二氧化锡薄膜阻变存储器的循环擦写测试曲线。图4多晶二氧化锡薄膜阻变存储器的高低阻态维持时间测试曲线。具体实施例方式本专利技术的具体实施步骤如下选用金属Ti靶，薄膜沉积前先将反应室真空抽到低于2. 0X10_3 Pa，然后通过可变气导阀将Ar气通入反应室，并控制反应室内的工作压强为3.0ΧΚΓ1 Pa。将溅射电流和溅射电压分别调为200 mA和320 V，溅射时间5分钟，在普通玻璃片上形成金属钛薄膜。然后采用金属钼靶，在同样的工作压强下，将溅射电流和溅射电压分别调为80 mA和450 V，溅射时间为12分钟，在Ti/玻璃基片上形成金属Pt底电极。电极方块电阻小于3欧姆。选用金属锡靶，薄膜沉积前先将反应室真空抽到低于3. OX 10_3 Pa，基片加热至 350°C，然后通过可变气导阀将&和Ar气体依次通入反应室，并控制反应室内的氧分压为 1.0X IO"1 Pa，工作压强为5.0X 10—1 Pa。将溅射电流和溅射电压分别调制为100 mA和380 V，溅射时间20分钟，在底电极上形成多晶二氧化锡薄膜阻变层。二氧化锡薄膜厚度约为 120 nm。通过孔径为500微米左右的掩膜板，采用直流磁控方法制备厚度为80 nm的金属 Ni薄膜作为顶电极，溅射电流和溅射电压分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多晶二氧化锡阻变薄膜的制备方法，其特征在于以玻璃为基板，采用磁控溅射技术，具体步骤如下：（１）　使用金属锡靶或锡的氧化物靶；（２）　加热基板，控制基板温度为２５０　～　４００　℃之间；（３）　将Ｏ２和Ａｒ气体通入反应室，控制Ｏ２反应气体的分压为７×１０－２　Ｐａ　～　１．５×１０－１　Ｐａ，工作压强为３．０　～　６．０×１０－１　Ｐａ；（４）　控制磁控溅射电流为５０　～　２００　ｍＡ，溅射电压为３００　～　４５０　Ｖ；（５）　溅射时间为１０　～　３０分钟，得到　二氧化锡阻变薄膜，其分子式为ＳｎＯ２－ｘ，０（ｘ　≤　０．３，薄膜厚度为　５０　～　２５０　ｎｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张群，刘宝营，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31