[发明专利]一种多晶二氧化锡阻变薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于非易失性存储器件技术领域，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。

背景技术

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—氧化物—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。

本发明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、可大面积均匀制薄的特点，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。

发明内容

本发明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。

本发明提出的多晶二氧化锡（SnO_2-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 ℃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 多晶二氧化锡薄膜，厚度为 50 ~ 250 nm。

制备的多晶二氧化锡薄膜的化学计量比为SnO_2-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。