專利名稱：一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
阻變存儲(chǔ)器(RRAM)由簡(jiǎn)單的三明治結(jié)構(gòu)(MM)金屬-阻變層-金屬構(gòu)成，由于其具有較快的開(kāi)關(guān)速度、較大的集成密度、較長(zhǎng)的保持時(shí)間、多值存儲(chǔ)的潛能，近幾年來(lái)得到了廣大的研究人員的深入的探索。因此阻變存儲(chǔ)器很可能取代傳統(tǒng)的浮柵結(jié)構(gòu)的flash存儲(chǔ)器，成為新一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。阻變存儲(chǔ)器件通過(guò)高阻來(lái)代表“O “，用低阻來(lái)代表” I “，通過(guò)高低阻值來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)候稱為set過(guò)程，通常會(huì)有一個(gè)限流來(lái)保護(hù)器件防止硬擊穿，從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)候稱為reset過(guò)程。reset過(guò)程中電阻轉(zhuǎn)變需要的最大電流稱為reset電流。其中reset電流決定著器件的功耗。阻變存儲(chǔ)器還處于探索研發(fā)階段，還存在很多問(wèn)題需要解決，其中阻變器件的功耗問(wèn)題是研究阻變存儲(chǔ)器中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。Wentai Lian 等人的文獻(xiàn)中，Improved Resistive Switching Uniformityin Cu/Hf02/Pt Devices by Using Current Sweeping Mode,米用了單層的HfO2 阻變層，上下電極為Cu、Pt,該器件的reset電流為IOmA左右。在Xiaoli He等人的文獻(xiàn)中，Superior TIDHardness in TiN/Hf02/TiN ReRAMs After Proton Radiation，采用了 TiN/Hf02/TiN 的結(jié)構(gòu)，阻變層為HfO2單層結(jié)構(gòu)，reset電流為ImA左右。本課題組的公開(kāi)專利(CN102130295A)，一種氧化釩薄膜的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，采用了單層的氧化釩為阻變層，專利中的reset電流約為40mA。根據(jù)上述的文獻(xiàn)，采用單層的金屬氧化物作為阻變層，存在reset電流較大，功耗較大的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在的技術(shù)問(wèn)題，提供一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，通過(guò)使用氮氧化鉿和金屬鉿薄膜的疊層結(jié)構(gòu)作為阻變層，可有效提高低阻態(tài)的電阻、降低器件的reset電流，從而降低器件的功耗。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，由氧化硅片襯底、Ti粘附層、下電極、阻變層和上電極依次疊加構(gòu)成，其中阻變層為氮氧化鉿薄膜和金屬鉿薄膜的疊層結(jié)構(gòu)。所述上、下電極材料為導(dǎo)電金屬、金屬合金和導(dǎo)電金屬化合物，其中導(dǎo)電金屬為Ta、Cu、Ag、W、N1、Al 或 Pt ;金屬合金為 Pt/T1、Ti/Ta、Cu/T1、Cu/Au、Cu/Al 或 Al/Zr ;導(dǎo)電金屬化合物為TiN或ΙΤ0。
一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器的制備方法，步驟如下:I)以氧化硅片為襯底，所述氧化硅片是硅通過(guò)氧化后，表面存在SiO2氧化層的硅片;2)在氧化硅片上通過(guò)離子束濺射制備一層5nm厚的Ti粘附層；3)在Ti粘附層上通過(guò)磁控濺射、離子束濺射或者電子束蒸發(fā)制備下電極；4)在下電極上采用反應(yīng)磁控濺射制備氮氧化鉿薄膜，濺射工藝條件為:以金屬鉿或氧化鉿為濺射靶材，本底真空小于5X 10_4Pa、襯底溫度為室溫-500°C、工作壓強(qiáng)
0.l_4Pa、濺射功率為50-250W，反應(yīng)氣體為N2、02、Ar ；5)在氮氧化鉿薄膜上采用離子束濺射、磁控濺射或電子束蒸發(fā)的工藝沉積金屬鉿薄膜；6)在金屬鉿薄膜上采用離子束濺射、磁控濺射或電子束蒸發(fā)的工藝沉積上電極；7)將制備好的器件在真空腔室中進(jìn)行熱退火處理，退火工藝:退火真空小于5X l(T4Pa，退火溫度200-1000°C，退火時(shí)間10min_2h，待溫度降到室溫取出樣品。所述氮氧化鉿薄膜和鉿金屬薄膜的制備不限定先后次序。所述上電極上通過(guò)PECVD的工藝沉積一層SiO2作為保護(hù)層。本發(fā)明的技術(shù)分析:本發(fā)明提供了一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，阻變層采用了氮氧化鉿和金屬鉿薄膜作為阻變層。該器件在發(fā)生set過(guò)程時(shí)，由于氮氧化鉿中部分的氧與氮形成了共價(jià)鍵，這部分氧被氮給束縛住了，因此set過(guò)程時(shí)，形成了較少的氧空位，從而得到了一個(gè)較高的低阻態(tài)電阻，set過(guò)程時(shí)發(fā)生遷移的氧氧化了金屬鉿薄膜，形成一個(gè)界面氧化層；該器件在發(fā)生reset過(guò)程時(shí)，界面氧化層中的氧在電場(chǎng)下發(fā)生遷移，與氧空位發(fā)生復(fù)合，器件又回到高阻態(tài)，形成了一個(gè)可逆阻變的過(guò)程。set過(guò)程時(shí)氮氧化鉿中的氮抑制了過(guò)渡的氧空位的產(chǎn)生，提高了低阻態(tài)的電阻，并且有一個(gè)可逆的reset過(guò)程，該器件結(jié)構(gòu)有較低的reset電流，有較低的功耗。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:本發(fā)明采用氮氧化鉿和金屬鉿薄膜的疊層結(jié)構(gòu)作為阻變層，set過(guò)程時(shí)氮氧化鉿中的氮抑制了過(guò)渡的氧空位的產(chǎn)生，提高了低阻態(tài)的電阻，降低了器件的reset電流，降低了器件的功耗。


圖1為該基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1.氧化硅片襯底2.Ti粘附層3.下電極4.氮氧化鉿5.鉿金屬薄膜
6.上電極圖2為該基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器的電流電壓特性曲線。圖3為該基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器的擦寫循環(huán)次數(shù)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由氧化硅片襯底l、5nm厚的Ti粘附層2、IOOnm厚的Pt作為下電極3、50nm厚的氮氧化鉿4、IOnm厚的金屬鉿薄膜5和IOOnm厚的Pt作為上電極6構(gòu)成。該阻變存儲(chǔ)器的制備方法，步驟如下:I)以氧化硅片為襯底，所述氧化硅片是硅通過(guò)氧化后，表面存在SiO2氧化層的硅片;2)在氧化硅片上通過(guò)離子束濺射制備5nm厚的Ti粘附層；3)通過(guò)電子束蒸發(fā)工藝沉積IOOnm厚的Pt作為下電極；4)在下電極上采用反應(yīng)磁控濺射制備50nm厚的氮氧化鉿薄膜，濺射工藝條件為:直徑Φ60πιπι金屬鉿靶濺射靶 材，濺射模式為射頻(RF)磁控濺射，本底真空小于5Χ 10_4Pa、襯底溫度為室溫、工作壓強(qiáng)0.2Pa、濺射功率為100W，反應(yīng)氣體N2、02、Ar流量分比為為20、
2.5、30Sccm ；5)在氮氧化鉿薄膜上采用射頻磁控濺射工藝沉積IOnm金屬鉿薄膜，濺射工藝:直徑Φ60πιπι金屬鉿靶濺射靶材，濺射模式為射頻(RF)磁控濺射，本底真空小于5Χ 10_4Pa、襯底溫度為室溫、工作壓強(qiáng)0.5Pa、濺射功率為100W，反應(yīng)氣體Ar流量20Sccm ；6)在金屬鉿薄膜上采用電子束蒸發(fā)工藝沉積IOOnm厚的Pt作為上電極；7)將制備好的器件在真空腔室中進(jìn)行熱退火處理，退火工藝，退火真空為5 X l(T4Pa，退火溫度600°C，退火時(shí)間30分鐘；8)在上電極上通過(guò)PECVD的工藝生長(zhǎng)一層SiO2保護(hù)層。電學(xué)特性通過(guò)半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試，如圖2，該器件的電學(xué)特性為典型的雙極性特性，限流為5 μ A時(shí)reset電流為3 μ Α，得到了比較低的功耗，圖3為該器件的擦寫的循環(huán)次數(shù)，器件在直流掃描模式下有1000次的循環(huán)次數(shù)，并且阻值窗口沒(méi)有衰減。實(shí)施例2:一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由氧化硅片襯底l、5nm厚的Ti粘附層2、由IOOnm厚的TiN作為下電極3、50nm厚的氮氧化鉿4、IOnm厚的金屬鉿薄膜5和IOOnm厚的TiN作為上電極6構(gòu)成。該阻變存儲(chǔ)器的制備方法，步驟如下:I)以氧化硅片為襯底，所述氧化硅片是硅通過(guò)氧化后，表面存在SiO2氧化層的硅片;2)在氧化硅片上利用離子束濺射的方法制備一層IOnm厚的Ti粘附層；3)采用直流反應(yīng)磁控濺射的方法在Ti粘附層上沉積IOOnm厚TiN下電極，濺射工藝:靶截距為6.5cm，本底真空為5X10_4Pa，工作壓強(qiáng)0.5Pa，濺射功率為100W，反應(yīng)氣體為N2、Ar，氮分壓為7% ；4)在下電極上采用射頻(RF)磁控派射制備50nm厚的氮氧化鉿薄膜, 賤射工藝條件為:直徑Φ60πιπι氧化鉿靶濺射靶材，本底真空為5X10_4Pa、襯底溫度為室溫、工作壓強(qiáng)
0.5Pa、濺射功率為100W，反應(yīng)氣體N2、Ar流量分比為為20、30Sccm ；5)在氮氧化鉿薄膜上采用射頻磁控濺射工藝沉積IOnm金屬鉿薄膜，濺射工藝:直徑Φ60πιπι金屬鉿靶濺射靶材，濺射模式為射頻(RF)磁控濺射，本底真空小于5Χ 10_4Pa、襯底溫度為室溫、工作壓強(qiáng)0.5Pa、濺射功率為100W，反應(yīng)氣體Ar流量20Sccm ；6)米用與下電極相同的派射工藝在金屬鉿薄膜上沉積IOOnm厚TiN作為上電極；
7)將制備好的器件在真空腔室中進(jìn)行熱退火處理，退火工藝:退火真空為5 X l(T4Pa，退火溫度500°C，退火時(shí)間30分鐘；8)在上電極上生長(zhǎng)一層SiO2保護(hù)層。電學(xué)特性通過(guò)半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試，該器件表現(xiàn)為典型的雙極型特性，reset電流為20 μ A0
權(quán)利要求
1.一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，其特征在于:由氧化硅片襯底、Ti粘附層、下電極、阻變層和上電極依次疊加構(gòu)成，其中阻變層為氮氧化鉿薄膜和金屬鉿薄膜的疊層結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，其特征在于:所述上、下電極材料為導(dǎo)電金屬、金屬合金和導(dǎo)電金屬化合物，其中導(dǎo)電金屬為Ta、Cu、Ag、W、N1、Al 或 Pt ;金屬合金為 Pt/T1、Ti/Ta、Cu/T1、Cu/Au、Cu/Al 或 Al/Zr ;導(dǎo)電金屬化合物為 TiN 或 ITO。
3.—種如權(quán)利要求1所述基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于步驟如下: 1)以氧化硅片為襯底，所述氧化硅片是硅通過(guò)氧化后，表面存在SiO2氧化層的硅片； 2)在氧化硅片上通過(guò)離子束濺射制備一層5nm厚的Ti粘附層； 3)在Ti粘附層上通過(guò)磁控濺射、離子束濺射或者電子束蒸發(fā)制備下電極； 4)在下電極上采用反應(yīng)磁控濺射制備氮氧化鉿薄膜，濺射工藝條件為:以金屬鉿或氧化鉿為濺射靶材，本底真空小于5X 10_4Pa、襯底溫度為室溫-500°C、工作壓強(qiáng)0.l_4Pa、濺射功率為50-250W，反應(yīng)氣體為N2、02、Ar ； 5)在氮氧化鉿薄膜上采用離子束濺射、磁控濺射或電子束蒸發(fā)的工藝沉積金屬鉿薄膜； 6)在金屬鉿薄膜上采用離子束濺射、磁控濺射或電子束蒸發(fā)的工藝沉積上電極； 7)將制備好的器件在真空腔室中進(jìn)行熱退火處理，退火工藝:退火真空小于5X l(T4Pa，退火溫度200-1000°C，退火時(shí)間10min_2h，待溫度降到室溫取出樣品。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于:所述氮氧化鉿薄膜和鉿金屬薄膜的制備不限定先后次序。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于:所述上電極上通過(guò)PECVD的工藝沉積一層SiO2作為保護(hù)層。
全文摘要
一種基于氮氧化鉿低功耗阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，由氧化硅片襯底、Ti粘附層、下電極、阻變層和上電極依次疊加構(gòu)成，其中阻變層為氮氧化鉿薄膜和金屬鉿薄膜的疊層結(jié)構(gòu)；其制備方法是分別通過(guò)磁控濺射、離子束濺射或電子束蒸發(fā)方法依次制備各層薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該阻變存儲(chǔ)器采用氮氧化鉿和金屬鉿薄膜的疊層結(jié)構(gòu)作為阻變層，set過(guò)程時(shí)氮氧化鉿中的氮抑制了過(guò)渡的氧空位的產(chǎn)生，提高了低阻態(tài)的電阻，降低了器件的reset電流，降低了器件的功耗。
文檔編號(hào)G11C13/00GK103151459SQ20131010448
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者張楷亮, 孫闊, 王芳, 陸濤, 孫文翔, 韋曉瑩, 王寶林, 馮玉林, 趙金石 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)