[发明专利]一种阻变薄膜存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子薄膜与元器件技术领域，具体为一种阻变薄膜存储器及其制备方法。

背景技术

阻变随机存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)因其具有高存储密度、低功耗、高读写速率、结构简单和易小型化等特点成为了很有潜力的非易失存储器。阻变随机存储器是基于材料的阻变特性利用阻变单元的电阻变化来实现数据的存储。阻变存储器的阻变层一般以过渡金属氧化物薄膜为主，包括氧化钛、氧化铪、氧化钽、氧化锆、铁酸铋、铌酸锂、钛酸锶等等，此外还包括硫化物薄膜和氮化物薄膜。

之前的研究表明，氧空位等缺陷在氧化物薄膜材料的阻变性能中扮演着重要的角色。传统的方法都是通过在薄膜沉积过程(如脉冲激光沉积、磁控溅射等)中调整氧分压或者原位的后续退火过程来控制氧化物薄膜中的氧空位含量。但是上述方法都不能很好地控制缺陷(以氧空位为主)分布的区域，这就会使导电通道的形成具有很大的随机性，从而使阻变单元的阻变特性具有一定的随机性，这就会对不同阻变单元的性能的一致性产生很大的影响。除了之前提到的氧空位以外，其它活性金属离子如银离子等也会在电场的作用下在原本绝缘性较好的氧化物薄膜中形成导电细丝，从而出现阻变的现象，目前这种离子的引入主要依靠的是上电极材料采用活性的金属，在电场作用下活性金属发生先氧化后还原的过程，堆积形成导电通道，上述方法都不能很好地预先控制粒子分布的区域，这就会使导电通道的形成具有很大的随机性。

离子注入是一种常用的半导体的工艺，能够对薄膜的表面以及一定深度范围内的区域实现改性，能够在薄膜局部引入缺陷(如氧空位等)或者活性的金属离子。离子注入的参数主要包括离子注入的束流、离子加速的电压、离子注入的时间等，通过调控这些参数，可以较为精确的控制离子注入所影响的区域的深度，产生引入缺陷或者粒子的数量等。

目前，在阻变存储的研究中，离子注入是在整片薄膜上进行的，主要用于调控氧化物薄膜与金属电极之间的势垒。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，本发明提供了一种阻变薄膜存储器及其制备方法。为了人为地引入氧空位并将其限制在局部范围内，从而将氧空位组成的导电通道的形成限制在一定的区域以内，减少其形成过程的随机性，提高不同阻变单元的性能的一致性，并且通过调控离子注入的参数以及阻变单元中离子注入的区域来调控阻变行为，进而以进一步优化和改善材料的阻变行为，此外，还可以只在薄膜上的特定区域完成阻变存储的功能，而并不影响薄膜上剩余的区域实现其它的功能，有利于提高器件的集成性。

本发明阻变薄膜存储器，从下至上依次包括基片、下电极、氧化物薄膜和上电极。

所述氧化物薄膜中位于上电极的正下方有离子注入，离子注入的水平投影不超出上电极范围，离子注入的深度h有0＜h≤H，H为氧化物薄膜的总厚度。所述单个上电极正下方的离子注入数量至少一个。

上述阻变薄膜存储器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在带有下电极的基片的下电极一面制备厚度50-500纳米的氧化物薄膜。

步骤2、采用光刻方法，在氧化物薄膜上覆盖一层光刻胶，使注入区域大小对应图形的掩膜版在光刻机中进行曝光；在完成显影过程之后，需要注入区域没有光刻胶覆盖，其余的区域有光刻胶覆盖。

步骤3、利用离子源(可用惰性气体离子或金属离子)对步骤2所制得基片的光刻胶一面进行离子注入，光刻胶未覆盖的区域受到离子的轰击，由于光刻胶的保护，所以只有光刻胶未覆盖的区域受到了离子的轰击。离子注入的深度h有0＜h≤H，H为氧化物薄膜的总厚度。

步骤4、采用溅射的方法，在步骤3所得基片的氧化物薄膜一侧制备金属上电极，在溅射后，去除光刻胶，这样上电极刚好沉积在被离子注入的局部区域上，而其余地方没有电极存在；所述上电极沉积区域完全覆盖离子注入区域。

进一步的，所述光刻方法采用两次光刻套刻的方法，以调控单个上电极沉积区域内的离子注入区域的数量。

进一步的，所述离子注入的深度h通过调控离子源离子注入的能量和束流实现。

在本发明中，离子注入的目的是为了人为地引入氧空位并将其限制在局部范围内，从而将氧空位组成的导电通道的形成限制在预定的区域以内，减少其形成过程的随机性，进而提高不同阻变单元的性能的一致性。