一种阻变存储器及其制备方法.pdf

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1、10申请公布号CN101937969A43申请公布日20110105CN101937969ACN101937969A21申请号200910086774X22申请日20090630H01L45/00200601G11C11/5620060171申请人中国科学院物理研究所地址100190北京市海淀区中关村南三街8号72发明人尚大山史磊孙继荣沈保根赵同云74专利代理机构北京泛华伟业知识产权代理有限公司11280代理人王勇54发明名称一种阻变存储器及其制备方法57摘要本发明提供了一种电致阻变存储器及其制作方法。该存储器包括绝缘衬底，在该绝缘衬底上的底电极，在该底电极上的ZN1XMGXO薄膜，其中X的范。

2、围为0005X09，和在该ZN1XMGXO薄膜上的顶电极。该绝缘衬底可以为透明材料。该底电极和顶电极可以为透明导电材料。根据本发明的阻变存储器具有高透明性、在宽温度范围内的高和低电阻状态的高稳定性和非易失性存储等优点。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图3页CN101937970A1/1页21一种阻变存储器，其包括绝缘衬底，在该绝缘衬底上的底电极，在该底电极上的ZN1XMGXO薄膜，其中X的范围为0005X09，和在该ZN1XMGXO薄膜上的顶电极。2根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于所述ZN1XMGXO薄膜的厚度为201000NM。

3、。3根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于其中X02。4根据权利要求3所述的阻变存储器，其特征在于所述绝缘衬底是透明的，和由石英玻璃、SRTIO3单晶、LAALO3单晶、AL2O3单晶材料之一形成。5根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于所述绝缘衬底是非透明的，并且由单晶硅或者多晶硅形成。6根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于所述底电极和顶电极为透明导电材料。7根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于所述底电极和顶电极为非透明导电金属，并且由AG、AU、CU、AL、W之一形成。8一种制造根据权利要求17之一的阻变存储器的方法，包括提供绝缘衬底；在该绝缘衬底上制备底电极；在该底电。

4、极上制备ZN1XMGXO薄膜，其中X的范围为0005X09；和在该ZN1XMGXO薄膜上制备顶电极。9根据权利要求8所述的方法，其特征在于利用溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积或者溶胶凝胶方法之一制备底电极和ZN1XMGXO薄膜，利用溅射、脉冲激光沉积或电子束蒸发、热蒸发之一制备顶电极。10根据权利要求9所述的方法，其特征在于当使用脉冲激光沉积方法制备ZN1XMGXO薄膜时，在10PA的纯氧气气氛中进行沉积，衬底温度保持在400。权利要求书CN101937969ACN101937970A1/5页3一种阻变存储器及其制备方法技术领域0001本发明涉及存储器领域。具体地，本发明涉及一种具有电致电阻效。

5、应的存储器及其制备方法。技术背景0002随着光通信、光学显示、半导体照明、光学存储、光电转换及光电探测等领域的快速发展，对电子器件的透明性提出了迫切的需求。非易失性存储器是目前电子器件中必不可少的组成部分，然而，目前非易失性存储器的透明性还是有待解决的技术问题。0003近年来，国内外的研究人员在一系列氧化物材料中，发现了一种特殊的物理现象，称为巨电致电阻效应，简称为CERCOLOSSALELECTRORESISTANCE，即当有电流或电压作用在由电极和氧化物构成的电子器件上时，该器件的电阻值会发生改变，并且所得到的电阻状态在外电场去除后可以保持下来。利用CER效应可以进行信息存储，例如高阻态可。

6、以用来存储信息“0”，低阻态可以用来存储信息“1”，反之亦然。由此，人们引入了一种新型的非易失性存储器阻变随机存储器RRAM。相对于其它非易失性存储器，RRAM具有结构简单、存储容量大、能量消耗低等优点。在随后的研究中，在很多材料中都相继地发现了电阻转变现象，如钙钛矿结构氧化物中的CR掺杂SRTIO3、PR1XCAXMNO3系列，过渡族氧化物中的TIO2、NIO、ZRO2、ZNO、FEOX、CUOX等。0004但是，由这些材料形成的阻变存储器存在一些缺点和不足，主要在于这样的阻变存储器的透明性较差，并且电阻状态随温度变化而变化。0005因此，需要一种全透明的、电阻状态在温度变化时保持稳定状态的。

7、电致阻变存储器。发明内容0006针对上述的缺点，本发明提供了一种阻变存储器及其制造方法。0007本发明提供了一种阻变存储器，其包括绝缘衬底、在该绝缘衬底上的底电极，在该底电极上的ZN1XMGXO薄膜，其中X的范围为0005X09，和在该ZN1XMGXO薄膜上的顶电极。0008所述绝缘衬底采用透明绝缘材料，例如石英玻璃、SRTIO3单晶、LAALO3单晶、AL2O3单晶材料等；也可以为非透明材料，例如SI。0009所述底电极和顶电极可以分别为透明导电薄膜，例如可以是氧化铟锡ITO、氟掺杂氧化锡FTO、氧化锌铝AZO等；也可以分别为非透明导电材料，例如AG、AU、CU、AL、W等金属材料。0010。

8、所述ZN1XMGXO薄膜为单相晶体结构，且ZN1XMGXO薄膜的厚度为201000NM。0011本发明还提供了一种制备上述阻变存储器的方法，所述方法包括以下步骤00121提供绝缘衬底；00132在该绝缘衬底上提供底电极；说明书CN101937969ACN101937970A2/5页400143在底电极上提供ZN1XMGXO薄膜，其中X的范围为0005X09；。00154在该ZN1XMGXO薄膜上提供顶电极。0016对底电极和ZN1XMGXO薄膜的制备步骤可以利用溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积和溶胶凝胶等方法来实施，对于顶电极的制备步骤可以利用溅射、脉冲激光沉积或电子束蒸发、热蒸发等来实施。0。

9、017所述绝缘衬底采用透明绝缘材料，例如可以选自于石英玻璃、SRTIO3单晶、LAALO3单晶、AL2O3单晶材料；也可以为非透明材料，例如SI。0018利用溅射、脉冲激光沉积制备时，衬底温度为大约100到400，在10PA的纯氧气气氛中进行。0019所述底电极和顶电极可以采用ITO、FTO、AZO等透明导电氧化物薄膜；当然也可以采用非透明导电材料，例如AG、AU、CU、AL、W等金属材料；所述ZN1XMGXO薄膜的晶体结构为单相结构，且ZN1XMGXO薄膜的厚度为201000NM。0020根据本发明得到的阻变存储器，其在室温至110的期间都具有极好的电阻稳定性，非常适合于用作为非易失性存储器。

10、；在可见光范围内可以具有高达85左右的透光率，可以应用到对透光率要求非常高的领域。附图说明0021图1为根据本发明的一个实施例的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器的结构示意图。0022图2为根据本发明的一个实施例的ZN1XMGXO薄膜的XRD衍射图形。0023图3为示出根据本发明的一个实施例的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器的透光率的曲线图，其中X轴为波长、Y轴为透光率。0024图4为根据本发明的一个实施例的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器的IV曲线，其中X轴为电压、Y轴为电流。0025图5为示出根据本发明的一个实施例的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器在脉冲电压作用下的电阻值变化。

11、的示意图，其中X轴为时间、Y轴为电阻值。0026图6示出根据本发明的一个实施例的阻变存储器的高和低两个电阻状态在室温和110度时随时间变化的曲线图，其中X轴为时间、Y轴为电阻值。具体实施方式0027以下参照具体实施例来说明本发明。本领域的技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明的目的，而不是限制本发明的范围。0028在现有技术中已经知道ZNO是一种宽禁带的半导体材料，其禁带宽度大约为31EV，并具有在可见光范围内透明的性质，但是其透光率通常低于80。0029发明人发现，在对ZNO掺杂金属元素MG之后，可使ZNO的禁带宽度进一步增加，例如可以达到36EV，透光率进一步提高，在可见光范围内其透。

12、光率在8085之间，甚至会更高。这样基于ZN1XMGXO薄膜制作的电致阻变存储器具有非常高的透明性和非易失性存储等优点。0030图1为根据本发明的一个实施例的的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器的结构说明书CN101937969ACN101937970A3/5页5示意图。在图中，1为顶电极、2为ZN1XMGXO薄膜、3为底电极、4为衬底。如图所示，底电极和顶电极顺序地位于衬底上方，ZN1XMGXO薄膜夹在底电极和顶电极之间，其中X的范围为0005X09。在本实施例中，所述衬底优选地采用透明绝缘材料，例如石英玻璃、SRTIO3单晶、LAALO3单晶、AL2O3单晶材料等。所述底电极和顶电极优选。

13、地分别采用透明导电薄膜，例如是氧化铟锡ITO、氟掺杂氧化锡FTO、氧化锌铝AZO等。所述ZN1XMGXO薄膜优选为单相晶体结构，且厚度约为201000NM，优选为300NM。0031尽管上面介绍了衬底、顶电极和底电极都优选采用透明材料，但是本领域的技术人员都知道，为了实现图1所示的阻变存储器结构，也可以采用非透明材料制作衬底、顶电极和底电极，例如所述衬底可以采用单晶硅SI、多晶硅SI等，所述顶电极和底电极可以采用非透明金属材料，例如AG、AU、CU、AL、W等等。0032当衬底、顶电极和底电极皆为透明材料时，由于ZN1XMGXO薄膜的透光率在可见光范围内可以达到85或者更高，所以可以制作出全透。

14、明的非易失性存储器。这样的全透明存储器可以应用到对透光率要求非常高的领域。0033如上所述，本发明提供了一种基于ZN1XMGXO薄膜的电致阻变存储器。下面将介绍制备基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器的方法。00341提供绝缘衬底，例如可以优选地使用石英玻璃、SRTIO3单晶、LAALO3单晶、AL2O3单晶材料等透明绝缘材料作为衬底；当然，使用非透明绝缘材料作为衬底也是可行的，例如可以使用单晶硅SI、多晶硅SI等。00352在以石英玻璃为例子的衬底上形成底电极。例如可以采用磁控溅射方法来沉积形成底电极薄膜，薄膜厚度例如优选为300NM。优选地使用ITO、FTO、AZO等透明导电氧化物薄膜作为。

15、底电极；当然，也可以使用非透明金属材料。00363在底电极薄膜上形成ZN1XMGXO薄膜，其中X的范围为0005X09。可以采用下面的方法来形成ZN1XMGXO薄膜。首先在脉冲激光薄膜沉积系统的腔室内将ZN1XMGXO靶材固定在靶台上，并将石英玻璃衬底固定在衬底台上；接着将该腔室抽真空到0001PA以下，并向该腔室内充入氧气，使氧气气压保持在大约10PA；然后对衬底加热，使其温度保持在大约400；最后启动KRF准分子激光器，其工作频率可以为3HZ，将激光束聚焦到ZN1XMGXO靶材上，开始沉积ZN1XMGXO薄膜，其厚度约为201000NM，优选为大约300NM。00374在ZN1XMGXO薄。

16、膜上形成顶电极。例如可以采用脉冲激光沉积法来沉积形成顶电极薄膜，其厚度例如可以是501000NM，优选地使用ITO、FTO、AZO等透明导电氧化物薄膜作为底电极；当然，也可以使用非透明金属材料。0038出于充分地透射光线的考虑，可以采用光刻技术将顶电极薄膜形成为一系列的矩形形状，每个矩形块的大小例如可以是100M100M，如图1所示。0039上面提到的具体数据值都是实例性的，本领域的技术人员根据具体设计要求也可以采用其它数据值，因此不应该将上述数据值理解为对本发明的限制。0040本发明没有详细说明制作顶电极和底电极的具体工艺条件和过程，这是因为可以采用本领域公知的工艺技术来制作顶电极和底电极。。

17、0041当采用非透明金属材料制作顶电极和底电极时，可以使用AG、AU、CU、AL、W等金属材料。0042关于ZN1XMGXO靶材的获得，可以通过烧结ZNO和MGO粉末来形成ZN1XMGXO靶材。说明书CN101937969ACN101937970A4/5页6下面将描述形成ZN1XMGXO靶材的一种方法将适量摩尔比的ZNO与MGO粉末混合研磨，例如可以采用90MOL的ZNO和10MOL的MGO。将研磨好的ZNO和MGO混合物在空气环境下在1000进行烧结8个小时；接着将烧结后的粉末再次研磨，并在30MPA的静压力下将其压成圆片，其直径例如可以是30MM，厚度例如可以为4MM；然后再次在电炉中在空。

18、气气氛下在1000烧结该ZN1XMGXO圆片长达8个小时，由此制成ZN1XMGXO靶材。0043这里仅仅举例说明制备ZN1XMGXO靶材的一种方法，本领域的技术人员知道也可以采用其它方法来制备ZN1XMGXO靶材。0044图2为根据本发明的一个实施例的示例性的ZN1XMGXO透明薄膜的XRD衍射图，其中采用X02，即ZN08MG02O透明薄膜。观察该衍射图可以知道，该ZN08MG02O薄膜为单相结构。然而，发明人也发现了，采用双相结构的ZN1XMGXO薄膜也能实现本发明。0045图34示出了基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器的性能。0046图3为根据本发明的一个实施例的基于ZN1XMGXO薄。

19、膜的阻变存储器在可见光范围内的透光率的曲线图，优选采用ZN08MG02O透明薄膜。当采用透明材料制作衬底、底电极和顶电极时，由图可知，根据本发明的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器在可见光范围内有高达85左右的透光率，这完全可以满足对透光率要求非常高的应用领域。0047图4为根据本发明的一个实施例的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器的IV曲线，其中X轴为电压、Y轴为电流。以对顶电极施加正电压为例，图4示了在3V到25V的偏压范围内的IV曲线，优选采用ZN08MG02O透明薄膜，从图中可以明显地看到较大的IV滞后，这说明了阻变存储器的电阻值在直流偏压的作用下发生了显著改变。图5中IV滞后的方。

20、向表明正向偏压使电阻值减小，反向偏压使电阻值增大，这说明根据本发明的阻变存储器具有双极性电阻转变性能。该实例性的IV曲线是在以每秒01V的速度扫描200个循环之内绘制的，可以看出该IV曲线的变化很小，这说明该存储器的电阻转变性能稳定并且可重复。可以用脉冲电压的方式来擦写该存储器。0048图5为根据本发明的一个实施例的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器在脉冲电压作用下的电阻值的变化，优选采用ZN08MG02O透明薄膜，其中X轴为时间、Y轴为电阻值。如图所示，在交替的正负3V、长度为1S的脉冲电压作用下，该存储器的电阻值在100到10K之间交替变化。0049图6示出了本发明的一个实施例的阻变存储。

21、器的高和低两个电阻状态在室温和110时随时间变化的曲线图，优选采用ZN08MG02O透明薄膜，其中X轴为时间、Y轴为电阻值。可以看到，高电阻状态和低电阻状态在05000S的时间内非常稳定，没有任何衰减。这说明了根据本发明的阻变存储器在温度变化时仍然保持稳定的电阻状态，因此其具有稳定的非易失性存储功能。0050综上所述，根据本发明的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器在室温至110的期间都具有极好的电阻稳定性，因此非常适合于用作为非易失性存储器。当采用透明材料制作衬底、底电极和顶电极时，根据本发明的基于ZN1XMGXO薄膜的阻变存储器还具有全透明特性，例如在可见光范围内具有高达85左右的透光率，这使其可以应用到对透光率要求非常高的领域。0051已经参照具体实施例详细地描述了本发明，应该知道，上述具体实施例不应该被理解为限定本发明的范围。本领域技术人员都知道，在不脱离本发明的精神和范围内可以说明书CN101937969ACN101937970A5/5页7对本发明的具体细节做出各种变化和修改。说明书CN101937969ACN101937970A1/3页8图1图2说明书附图CN101937969ACN101937970A2/3页9图3图4说明书附图CN101937969ACN101937970A3/3页10图5图6说明书附图CN101937969A。