一种等离子体处理制备金属氧化物薄膜阻变存储器的方法技术

本发明专利技术提供一种等离子体处理制备金属氧化物薄膜阻变存储器的方法，属于电子薄膜与元器件技术领域。存储器件结构包括：基片、下电极、掺氟金属氧化物以及上电极。该器件利用一种较为新颖的等离子体处理方法，方便可控的制备出缺陷分布均匀的金属氧化物阻变功能层。该层在电场作用下能够方便快速的实现导电通道的形成和断开切换，即器件的低阻状态和高阻状态。同时，具有超低的工作电压。上电极通过掩膜的方法制备，可以极大地缩小器件尺寸，提高集成密度。经过测试发现，用此方法制备出的器件，性能优异。综上所述，在本发明专利技术中，我们实现了一种简单、可控、高效切低成本的制备高性能、小尺寸的阻变型存储器的方法。且性能一致性较好，为将来的大面积阻变阵列生产提供了一个可行方法，有极大地应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子薄膜与元器件
，具体为基于硅基基片的导电细丝型阻变存储器。
技术介绍
阻变式随机存储器(RRAM)是一种基于电阻变化来控制数据的存储和读取的非易失性存储器件(NVM)。这类存储器因具有低功耗、高存储密度、高读写速率、结构简单和易小型化等特点，被认为是未来存储器发展的重要研究方向之一。该类存储器件的阻变层一般以二元和三元氧化物薄膜为主。包括氧化钛、氧化镍、氧化锆、氧化铝、氧化性、铌酸锂、铁酸铋等等。氧化钛作为其中一种传统的N型二元氧化物，具有结构可控、易于制备和器件兼容性强等特点，被广泛应用在阻变存储器当中。传统的二氧化钛薄膜制备方法包括溶胶-凝胶法，化学气相沉积法和脉冲激光沉积法等。这些制备工艺相对较为复杂，且不可避免的较高的制备温度使它不易与硅基半导体集成工艺相兼容。另外，这些方法不易控制二氧化钛薄膜的组分及缺陷分布，使其阻变性能的调控和均匀性控制受到了制约。大量研究表明，二氧化钛薄膜的缺陷(以氧空位为主)浓度及分布对其阻变性能有很大的影响。氧空位在电场作用下会发生再分布，同时缺陷的存在，会加快金属离子在二氧化钛层中的迁移率，使得导电通道能更快的形成。而导电通道一般具有较高的电导率，使薄膜变为低电阻状态。所以在二氧化钛薄膜制备过程中，控制其缺陷浓度和分布极其重要。等离子体处理作为一种传统的半导体工艺，能够轻易地实现缺陷的引入。利用等离子体气体的高活性，实现对金属钛薄膜的氧化。同时，在反应墙体内施加一定的偏置电压，使等离子气体获得一定的加速度，可实现对钛薄膜表面的轰击作用。轰击作用可以实现对原有的晶体结构的破坏，产生缺陷。调整偏置电压强度，可调整等离子气体加速度；同时，改变设备的线圈功率，可以调整等离子气体的浓度。这样，可以有效控制缺陷的浓度和分布，实现缺陷的可控生长。然而，目前使用较多的氧等离子体处理，并不容易使钛完全氧化为+4价，影响器件性能的稳定。同时，缺陷引入效率不高，需要较高电压和较长反应时间。本实验中，氟基气体作为氟源被引入。因为氟具有更高的活性，钛很容易被完全氧化。而氟离子更容易打断原有的钛氧键形成缺陷，大大提高了缺陷引入效率，降低了反应电压和反应时间，减小了制备成本。该方法制备出来的氧化钛薄膜，具有十分均匀的缺陷结构，阻变性能稳定，适合大面积薄膜的制备和多样品的批量生产。另外，整个过程在常温下进行，与半导体集成工艺兼容性较好。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前阻变存储器制备存在的一些问题，提出了一种通过等离子体处理制备阻变存储器的方法。它具有工艺简单、结构可控、性能稳定等特点。本专利技术所采用的技术方案为：一种等离子体处理制备金属氧化物薄膜阻变存储器的方法，该变阻器为分层结构，从下往上依次为基片、下电极，金属氧化物薄膜、上电极；其特征在于金属氧化物薄膜为掺氟金属氧化物薄膜，且该金属氧化物薄膜阻变存储器的制作方法为：步骤1：选择基片类型，在基片上采用磁控溅射的方法制备一层厚度在10纳米到500纳米之间的第一金属薄膜，该第一金属薄膜层为下电极；步骤2：再采用磁控溅射的方法在下电极上制备一层厚度在50纳米到500纳米之间的第二金属薄膜，步骤2：利用高能量氦等离子体处理，去掉第二金属薄膜表面的自然氧化层；步骤3：利用氧等离子体处理在第二金属薄膜表面产生10到500纳米的金属氧化层；步骤4：利用四氟化碳等离子体处理引入杂质离子氟，形成掺氟金属氧化物薄膜；步骤5：采用金属掩膜和光刻的方法制作上电极。进一步的，掺氟金属氧化物薄膜为掺氟氧化钛、掺氟氧化铝或掺氟氧化锗。进一步的，所述基片材料为硅或二氧化硅，所述下电极金属材料为铂、金或镍，所述上电极为银或铜。进一步的，所述步骤3的具体处理方法为：采用等离子体刻蚀法去除金属表面的自然氧化层；所用气体为氦气，气体流量为标准大气压下20-60立方厘米每分钟；反应温度为16℃到80℃，腔体压强为10Pa到100Pa；所需的电感耦合功率为500瓦到2500瓦，所需刻蚀功率为150瓦到300瓦。进一步的，所述4的具体处理方法为：反应气体为氧气，气体流量为标准大气压下20-60立方厘米每分钟；反应温度为16℃到80℃，腔体压强为10Pa到100Pa；所需的电感耦合功率为200瓦到1500瓦；所需刻蚀功率为20瓦到180瓦。进一步的，所述步骤5的具体处理方法为：反应气体为氟气，气体流量为标准大气压下20-60立方厘米每分钟；反应温度为16℃到80℃，腔体压强为10Pa到100Pa；所需的电感耦合功率为200瓦到1500瓦；所需刻蚀功率为20瓦到180瓦。经过上述处理后杂质离子氟，一部分会吸附在金属氧化物晶格内，形成自由移动的氟离子；另一部分会打断原有的金属氧化物的化学键，并替换掉金属氧化物中的部分氧，得到具有自由移动的氧离子和氧空位；所述自由移动的氧离子为与金属离子键断裂后的氧离子。所述氧空位为晶格中的氧脱离形成的一种缺陷。本专利技术的工作机理为：在上下电极两端施加不同电压。当金属氧化层内部电场由上电极指向下电极时，上电极金属部分氧化成金属离子，并在电场作用下向下电极扩散。所述扩散过程，由于掺氟金属氧化物中原本具有较多缺陷，使金属离子具有更快的移动速度。同时，部分扩散金属离子会与掺氟金属氧化物中的氟离子进行化合，形成金属氟化物。当金属离子扩散到下电极表面后，与下电极进入的自由电子结合，还原成金属原子。这些金属原子在掺氟金属氧化物中不断堆积，最终形成一条连接上下电极之间的通道。这条通道具有金属特性，从而大大降低了器件的电阻，即阻变存储器的开启(SET)过程。而当电场反向时，形成导电通道的金属原子会被氧化并向上电极扩散，使原本形成的连通上下电极的金属导电通道断开，从而大大增加器件的电阻，即阻变存储器的关闭(RESET)过程。本专利技术的技术效果为：(1)该存储器具有0.13伏左右的SET电压，启动电压较低。其I-V曲线特性如图2所示。高低阻态能够保持超过2小时的连续测试，具有良好的保持特性，如图3所示。同时，高电阻状态和低电阻状态的电阻比值较高，能够保持在30000左右。(2)该存储器制备方法简单，整个制备过程在常温下进行，与CMOS电路的制备工艺兼容。同时，等离子体反应条件高度可控，使制备出的器件具有良好的一致性。综上所述，本专利技术制备的基于硅基基片的导电细丝型阻变存储器，具有性能优越、制作简单、一致性好、集成密度高的特点，具有广泛的应用前景。附图说明图1为样品结构示意图；图2为样品的I-V曲线图；图3为样品的保持特性图；图4为样品截面的透射电镜照片。具体实施方式本专利技术的具体实施步骤：步骤1：在硅基衬底上制备金属薄膜电极。所述衬底为商业购买的P掺杂110晶面的硅基片。步骤2：沉积下电极金属薄膜。实验选用铂作为下电极金属，采用磁控溅射的方法直接制备在硅基片上。样品放入溅射腔体后抽真空至气压为6×10-4Pa。随后通入氩气，并在腔体和靶材之间施加直流电压。所述靶材是用金属铂制成的圆盘形金属块。当电压达到420伏特时，产生一定浓度的氩等离子。在该条件下，铂的溅射速率为约12纳米每分钟，溅射时间为8分钟，故得到的金属铂厚度大约为200纳米。步骤3：等离子体处理制备金属氧化物薄膜。首先利用磁控溅射在金属铂上制备一层待处理氧化的金属钛薄膜。钛的溅射速率为18纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子体处理制备金属氧化物薄膜阻变存储器的方法，该变阻器为分层结构，从下往上依次为基片、下电极，金属氧化物薄膜、上电极；其特征在于金属氧化物薄膜为掺氟金属氧化物薄膜，且该金属氧化物薄膜阻变存储器的制作方法为：步骤1：选择基片类型，在基片上采用磁控溅射的方法制备一层厚度在10纳米到500纳米之间的第一金属薄膜，该第一金属薄膜层为下电极；步骤2：再采用磁控溅射的方法在下电极上制备一层厚度在50纳米到500纳米之间的第二金属薄膜，步骤2：利用高能量氦等离子体处理，去掉第二金属薄膜表面的自然氧化层；步骤3：利用氧等离子体处理在第二金属薄膜表面产生10到500纳米的金属氧化层；步骤4：利用四氟化碳等离子体处理引入杂质离子氟，形成掺氟金属氧化物薄膜；步骤5：采用金属掩膜和光刻的方法制作上电极。

【技术特征摘要】
1.一种等离子体处理制备金属氧化物薄膜阻变存储器的方法，该变阻器为分层结构，从下往上依次为基片、下电极，金属氧化物薄膜、上电极；其特征在于金属氧化物薄膜为掺氟金属氧化物薄膜，且该金属氧化物薄膜阻变存储器的制作方法为：步骤1：选择基片类型，在基片上采用磁控溅射的方法制备一层厚度在10纳米到500纳米之间的第一金属薄膜，该第一金属薄膜层为下电极；步骤2：再采用磁控溅射的方法在下电极上制备一层厚度在50纳米到500纳米之间的第二金属薄膜，步骤2：利用高能量氦等离子体处理，去掉第二金属薄膜表面的自然氧化层；步骤3：利用氧等离子体处理在第二金属薄膜表面产生10到500纳米的金属氧化层；步骤4：利用四氟化碳等离子体处理引入杂质离子氟，形成掺氟金属氧化物薄膜；步骤5：采用金属掩膜和光刻的方法制作上电极。2.如权利要求1所述的一种等离子体处理制备金属氧化物薄膜阻变存储器的方法，其特征在于所述步骤4中掺氟金属氧化物薄膜为掺氟氧化钛、掺氟氧化铝或掺氟氧化锗。3.如权利要求1所述的一种等离子体处理制备金属氧化物薄膜阻变存储器的方法，其特征在于所述基片材料为硅或二氧化硅，所述下电极金属材料为铂、金或...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴传贵，孙翔宇，帅垚，潘忻强，白晓园，张万里，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51