[发明专利]氧化锌基同质结构的透明RRAM元器件及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化锌基同质结构的透明RRAM(电阻式随机存储器) 元器件及制作方法，更确切地说，氧化锌基同质结构是指顶电极和底电极及 中间的功能薄膜均为透明的三明治结构的RRAM元器件及制作方法，属于透 明电子器件领域。

背景技术

近年来，RRAM由于其具有结构简单以及与现代半导体CMOS工艺匹配 性优异等特点，逐渐成为了新一代非挥发性存储器的研究热点。在RRAM材 料的研究过程中，人们逐渐发现了多种材料体系具有作为RRAM的应用潜 力。主要包括：稀土锰氧化物材料、过渡金属钙钛矿型结构材料、二元过渡 金属氧化物材料、有机高分子半导体材料以及一些硫化物材料等。目前，二 元过渡金属氧化物的研究主要有NiO、TiO₂、Cu_xO、Cu-MoO_x、ZnO、Mg-ZnO、 Co-ZnO、Mn-ZnO、Fe₂O₃、ZrO₂等。

另外，掺杂的氧化锌薄膜由于其优良的光学性质和电学性质，以及原材料 的廉价和无毒被认为是传统透明导电薄膜(In掺杂SnO₂(ITO))的最佳替 代品。目前作为透明导电薄膜的氧化锌基薄膜主要以掺杂IIIA元素B、Al、 In和Ga为主，其中掺铝氧化锌(AZO)薄膜研究较多。

二元氧化物材料一般具有较大的光学带隙(＞3eV)，因而在可见光范围内 具有较好的透过率。因此，如果选用透明电极及衬底，将可能实现全透明的 RRAM存储单元，并可能集成于未来可视电子器件中。这种全透明RRAM 器件并不是取代硅基集成的电子器件，而是为未来可视电子器件提供了一种 新的概念，在透明电子器件领域将有可能得到广泛应用。

本发明拟采用在石英玻璃衬底上依次制备“电极层/阻变氧化物层/电极 层”三明治结构以构成RRAM存储单元。电极层具有良好导电性，(电阻率 在10^-5～10^-4欧姆·厘米)，制备的阻变层薄膜具有良好的电阻转变性能，且 整个器件保持良好的可见光透过性。在透明RRAM存储单元研究方面，至今 为止，氧化锌基同质结构的RRAM存储单元在国内外各类文献中鲜有报道。

发明内容

基于上述对RRAM研究现状的概述，本发明的目的在于提供一种氧化锌 基同质结构的透明RRAM元器件及制作方法。

本发明的氧化锌基透明RRAM元器件的结构，包括石英玻璃衬底(1)， 其特征在于：在衬底(1)上依次沉积底电极层为ZnO基掺杂的透明导电薄 膜(2)，中间阻变氧化物层为ZnO或ZnO基掺杂阻变薄膜(3)，顶电极层 为ZnO基掺杂的透明导电薄膜(4)。其中，顶电极层或底电极层为ZnO基 掺杂的透明导电薄膜(例如：Al掺杂ZnO(AZO)，Ga掺杂ZnO(GZO)，Ag 掺杂ZnO等)；阻变层为ZnO或掺杂的ZnO基阻变薄膜(Mg掺杂ZnO薄膜 (MZO)，Mn掺杂ZnO薄膜，Co掺杂ZnO薄膜等)。

本发明是利用氧化锌基薄膜材料，通过对ZnO进行掺杂，获得导电性能 良好的电极材料或电阻转变特性优异的阻变层材料。通过对ZnO基薄膜组分 的调控，对薄膜材料的导电性及电阻转变性能进行控制，从而达到稳定存储 的目的。

所述的电极层材料的电阻率为10^-5～10^-4欧姆·厘米，所述的阻变层材料 的电阻转变倍率变化范围为4倍～10³倍。顶电极层和底电极层的厚度为 80～120nm，中间阻变层的厚度为120～150nm。

本发明所述的ZnO基同质结构的RRAM的具体制作步骤是：

a)选用石英玻璃衬底，经丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；

b)采用电阻率在10^-5～10^-4欧姆·厘米的Al掺杂的ZnO、Ga掺杂的ZnO 或Ag掺杂的ZnO陶瓷靶在本底真空为(1～9)×10^-4Pa，沉积温度为18～25 ℃条件下沉积底电极；

c)采用电阻转变倍率为4倍～10³倍的ZnO或ZnO基掺杂陶瓷靶，在1～5Pa 氧分压下沉积阻变层；