[发明专利]非晶铟锡氧化物薄膜及其在制备阻变存储元件中的应用

说明书

一、技术领域

本发明属微电子材料领域，具体涉及应用于制备高密度非易失性阻变存储器件的非晶铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)薄膜。

二、背景技术

构成计算机的两大基本系统为存储系统和处理系统。当前使用的存储系统包括易失性存储器和非易失性存储器。前者多用于计算机系统的内部存储器，在没有电源支持的时候，不能保存数据。而后者在没有电源支持的时候，能够完整保存原来的数据，所以广泛用于电子系统的数据保存，如计算机、数码设备、工控设备等。随着信息时代的到来和科学技术的飞速发展，非易失信息存储设备的需求不断扩大，当今的主流非易失存储器是建立在电荷存储的理论基础上，利用CMOS工艺制备而成，但是它们有很多明显的缺陷，比如：读写速度慢，寿命较短，读写电压高等.此外，随着存储设备要求尺寸的不断缩小，传统的信息存储机制开始受到越来越大的限制，存储性能受到极大的制约，而且，传统的制备工艺也受到巨大的挑战，这使得对传统存储器而言，既要保证性能，又要进一步缩小尺寸变得极其困难.

为了使信息存储更高效，一些利用新材料新工艺，同时具有新的开关机理的非易失存储器被相继提出.比如：通过磁场调控方式的磁电阻存储器与通过热过程调控晶相的相变存储器。从存储原理看，都是通过外场来改变存储材料的电阻状态从而实现布尔代数(Boolean)中“1”和“0”码的编制。近年来关于采用电场诱导方式改变材料阻态的研究，为存储器开发提供了一个新的发展方向，相应的存储器被称为电阻随机存储器(RRAM)。由于RRAM是通过电脉冲信号调制来实现信息的读写、擦除以及存储，同时具有高存储密度，快速写入/擦除能力以及低工作电压，且与现行半导体工艺兼容，因此被视为是一类可行性高，最具竞争力和应用前景的存储器件。近期韩国高等科学技术学院研究人员又提出了透明电阻随机存储器(TRRAM)新型器件，为RRAM研究指明了新的方向。

三、发明内容

1.发明目的

本发明的目的在于提供一种新型阻变存储材料非晶铟锡氧化物薄膜及其在制备非易失性阻变存储元件中的应用。

2.技术方案

一种非晶铟锡氧化物薄膜，其特征在于该薄膜在室温下为非晶态，在外加电场情况下具有双极型阻变特性，薄膜厚度为20-500纳米。

非晶铟锡氧化物薄膜在制备非易失性阻变存储元件中的应用。

利用(反应)直流磁控溅射方法制备的非晶氧化物薄膜ITO在非易失性阻变存储元件中应用：

1)如图2所示，在Pt/Ti/SiO₂/Si(分别为13、12、11、16)结构衬底上部沉积非晶氧化物薄膜ITO14，其厚度为20纳米至500纳米；

2)上述Pt/Ti/SiO₂/Si结构中Pt为下电极膜13，厚度在100纳米至1微米之间；

3)在非晶ITO薄膜14的上部沉积厚度为200纳米至800纳米的上电极膜15，其材料为铂(Pt)或铜(Cu)；

4)存储元件的基本构型为三明治结构，即将一层非晶氧化物ITO薄膜14夹在下电极膜13和上电极膜15之间构筑成一个微型三明治结构，这就是一个存储单元，像一个微型电容器，其有效工作区域的尺度可在30纳米至10微米之间

该氧化物薄膜所制备的非易失性阻变存储元件的工作原理：

我们采用了一种新型材料非晶铟锡氧化物薄膜。如图2所示，将此膜14夹在下电极膜13和上电极15之间构成一个微型三明治结构，这就是一个存储单元。存储单元要具有存储特性必须经过一个形成过程(formingstep，通常为施加一个大电压)。初始时器件处于高阻态，随着加在器件上的电压增大，电流缓慢增加，当电压达到一定值后电流迅速增大，薄膜从高阻态转变为低阻态。接着逐渐降低电压并变为负值，薄膜仍保持低阻态。负电压达到一定阈值之后，薄膜从低阻态转变为高阻态。这里的高、低电阻状态就构成了布尔代数中的“0”和“1”两个状态，同时这种正向开启反向关断的特性称为双极性。利用这种原理和结构我们制成了新型的非易失存储元件。它的基本构型为三明治结构，像一个微型电容器。它具有体积小、结构简单、非易失性、工作电压低、低能耗、无运动部件、非破坏性读出等优点。使用该氧化物薄膜制备的非易失性阻变存储元件的性能测试：

对制得的存储元件进行性能测试的仪器为Keithley 2400源测单元。主要测试器件对一个周期变化电压的响应。

3.有益效果

1)使用X射线衍射分析，其结构为非晶态。