CN103151459B - 一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

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一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法，由氧化硅片衬底、Ti粘附层、下电极、阻变层和上电极依次叠加构成，其中阻变层为氮氧化铪薄膜和金属铪薄膜的叠层结构；其制备方法是分别通过磁控溅射、离子束溅射或电子束蒸发方法依次制备各层薄膜。本发明的优点是：该阻变存储器采用氮氧化铪和金属铪薄膜的叠层结构作为阻变层，set过程时氮氧化铪中的氮抑制了过渡的氧空位的产生，提高了低阻态的电阻，降低了器件的reset电流，降低了器件的功耗。

Description

一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法。
技术背景
阻变存储器（RRAM）由简单的三明治结构（MIM）金属-阻变层-金属构成，由于其具有较快的开关速度、较大的集成密度、较长的保持时间、多值存储的潜能，近几年来得到了广大的研究人员的深入的探索。因此阻变存储器很可能取代传统的浮栅结构的flash存储器，成为新一代非挥发性存储器。
阻变存储器件通过高阻来代表“0“，用低阻来代表”1“，通过高低阻值来存储数据。在高阻态向低阻态转变的时候称为set过程，通常会有一个限流来保护器件防止硬击穿，从低阻态向高阻态转变的时候称为reset过程。reset过程中电阻转变需要的最大电流称为reset电流。其中reset电流决定着器件的功耗。
阻变存储器还处于探索研发阶段，还存在很多问题需要解决，其中阻变器件的功耗问题是研究阻变存储器中的关键问题之一。
Wentai Lian等人的文献中，Improved Resistive Switching UniformityinCu/HfO2/Pt Devices by Using Current Sweeping Mode，采用了单层的HfO2阻变层，上下电极为Cu、Pt，该器件的reset电流为10mA左右。在Xiaoli He等人的文献中，Superior TID Hardness in TiN/HfO2/TiN ReRAMs After Proton Radiation，采用了TiN/HfO2/TiN的结构，阻变层为HfO2单层结构，reset电流为1mA左右。本课题组的公开专利（CN102130295A），一种氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法，采用了单层的氧化钒为阻变层，专利中的reset电流约为40mA。
根据上述的文献，采用单层的金属氧化物作为阻变层，存在reset电流较大，功耗较大的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的技术问题，提供一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法，通过使用氮氧化铪和金属铪薄膜的叠层结构作为阻变层，可有效提高低阻态的电阻、降低器件的reset电流，从而降低器件的功耗。
本发明的技术方案
一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法，由氧化硅片衬底、Ti粘附层、下电极、阻变层和上电极依次叠加构成，其中阻变层为氮氧化铪薄膜和金属铪薄膜的叠层结构。
所述上、下电极材料为导电金属、金属合金和导电金属化合物，其中导电金属为Ta、Cu、Ag、W、Ni、Al或Pt；金属合金为Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al或Al/Zr；导电金属化合物为TiN或ITO。
一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器的制备方法，步骤如下：
1）以氧化硅片为衬底，所述氧化硅片是硅通过氧化后，表面存在SiO2氧化层的硅片；
2）在氧化硅片上通过离子束溅射制备一层5nm厚的Ti粘附层；
3）在Ti粘附层上通过磁控溅射、离子束溅射或者电子束蒸发制备下电极；
4）在下电极上采用反应磁控溅射制备氮氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：以金属铪或氧化铪为溅射靶材，本底真空小于5×10-4Pa、衬底温度为室温-500℃、工作压强0.1-4Pa、溅射功率为50-250W，反应气体为N2、O2、Ar；
5）在氮氧化铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发的工艺沉积金属铪薄膜；
6）在金属铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发的工艺沉积上电极；
7）将制备好的器件在真空腔室中进行热退火处理，退火工艺：退火真空小于5×10-4Pa，退火温度200-1000℃，退火时间10min-2h，待温度降到室温取出样品。
所述氮氧化铪薄膜和铪金属薄膜的制备不限定先后次序。
所述上电极上通过PECVD的工艺沉积一层SiO2作为保护层。
本发明的技术分析：
本发明提供了一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法，阻变层采用了氮氧化铪和金属铪薄膜作为阻变层。该器件在发生set过程时，由于氮氧化铪中部分的氧与氮形成了共价键，这部分氧被氮给束缚住了，因此set过程时，形成了较少的氧空位，从而得到了一个较高的低阻态电阻，set过程时发生迁移的氧氧化了金属铪薄膜，形成一个界面氧化层；该器件在发生reset过程时，界面氧化层中的氧在电场下发生迁移，与氧空位发生复合，器件又回到高阻态，形成了一个可逆阻变的过程。set过程时氮氧化铪中的氮抑制了过渡的氧空位的产生，提高了低阻态的电阻，并且有一个可逆的reset过程，该器件结构有较低的reset电流，有较低的功耗。
本发明的优点和有益效果：
本发明采用氮氧化铪和金属铪薄膜的叠层结构作为阻变层，set过程时氮氧化铪中的氮抑制了过渡的氧空位的产生，提高了低阻态的电阻，降低了器件的reset电流，降低了器件的功耗。
附图说明
图1为该基于氮氧化铪低功耗阻变存储器结构示意图。
图中：1.氧化硅片衬底  2.Ti粘附层  3.下电极  4.氮氧化铪5.铪金属薄膜  6.上电极
图2为该基于氮氧化铪低功耗阻变存储器的电流电压特性曲线。
图3为该基于氮氧化铪低功耗阻变存储器的擦写循环次数。
具体实施方式
实施例1：
一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器，其结构如图1所示，由氧化硅片衬底1、5nm厚的Ti粘附层2、100nm厚的Pt作为下电极3、50nm厚的氮氧化铪4、10nm厚的金属铪薄膜5和100nm厚的Pt作为上电极6构成。
该阻变存储器的制备方法，步骤如下：
1）以氧化硅片为衬底，所述氧化硅片是硅通过氧化后，表面存在SiO2氧化层的硅片；
2）在氧化硅片上通过离子束溅射制备5nm厚的Ti粘附层；
3）通过电子束蒸发工艺沉积100nm厚的Pt作为下电极；
4）在下电极上采用反应磁控溅射制备50nm厚的氮氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：直径Φ60mm金属铪靶溅射靶材，溅射模式为射频（RF）磁控溅射，本底真空小于5×10-4Pa、衬底温度为室温、工作压强0.2Pa、溅射功率为100W，反应气体N2、O2、Ar流量分比为为20、2.5、30Sccm；
5）在氮氧化铪薄膜上采用射频磁控溅射工艺沉积10nm金属铪薄膜,溅射工艺：直径Φ60mm金属铪靶溅射靶材，溅射模式为射频（RF）磁控溅射，本底真空小于5×10-4Pa、衬底温度为室温、工作压强0.5Pa、溅射功率为100W，反应气体Ar流量20Sccm；
6）在金属铪薄膜上采用电子束蒸发工艺沉积100nm厚的Pt作为上电极；
7）将制备好的器件在真空腔室中进行热退火处理，退火工艺，退火真空为5×10-4Pa，退火温度600℃，退火时间30分钟；
8）在上电极上通过PECVD的工艺生长一层SiO2保护层。
电学特性通过半导体参数分析仪测试，如图2，该器件的电学特性为典型的双极性特性，限流为5μA时reset电流为3μA，得到了比较低的功耗，图3为该器件的擦写的循环次数，器件在直流扫描模式下有1000次的循环次数，并且阻值窗口没有衰减。
实施例2：
一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法，其结构如图1所示，由氧化硅片衬底1、5nm厚的Ti粘附层2、由100nm厚的TiN作为下电极3、50nm厚的氮氧化铪4、10nm厚的金属铪薄膜5和100nm厚的TiN作为上电极6构成。
该阻变存储器的制备方法，步骤如下：
1）以氧化硅片为衬底，所述氧化硅片是硅通过氧化后，表面存在SiO2氧化层的硅片；
2）在氧化硅片上利用离子束溅射的方法制备一层10nm厚的Ti粘附层；
3）采用直流反应磁控溅射的方法在Ti粘附层上沉积100nm厚TiN下电极，溅射工艺：靶截距为6.5cm，本底真空为5×10-4Pa，工作压强0.5Pa，溅射功率为100W，反应气体为N2、Ar，氮分压为7%；
4）在下电极上采用射频（RF）磁控溅射制备50nm厚的氮氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：直径Φ60mm氧化铪靶溅射靶材，本底真空为5×10-4Pa、衬底温度为室温、工作压强0.5Pa、溅射功率为100W，反应气体N2、Ar流量分比为为20、30Sccm；
5）在氮氧化铪薄膜上采用射频磁控溅射工艺沉积10nm金属铪薄膜,溅射工艺：直径Φ60mm金属铪靶溅射靶材，溅射模式为射频（RF）磁控溅射，本底真空小于5×10-4Pa、衬底温度为室温、工作压强0.5Pa、溅射功率为100W，反应气体Ar流量20Sccm；
6）采用与下电极相同的溅射工艺在金属铪薄膜上沉积100nm厚TiN作为上电极；
7）将制备好的器件在真空腔室中进行热退火处理，退火工艺：退火真空为5×10-4Pa，退火温度500℃，退火时间30分钟；
8）在上电极上生长一层SiO2保护层。
电学特性通过半导体参数分析仪测试，该器件表现为典型的双极型特性，reset电流为20μA。

Claims (2)

1.一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器的制备方法，所述阻变存储器由氧化硅片衬底、Ti粘附层、下电极、阻变层和上电极依次叠加构成，其中阻变层为氮氧化铪薄膜和金属铪薄膜的叠层结构，所述上、下电极材料为导电金属、金属合金和导电金属化合物，其中导电金属为Ta、Cu、Ag、W、Ni、Al或Pt，金属合金为Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al或Al/Zr，导电金属化合物为TiN或ITO，其特征在于制备步骤如下：
1）以氧化硅片为衬底，所述氧化硅片是硅通过氧化后，表面存在SiO2氧化层的硅片；  
2）在氧化硅片上通过离子束溅射制备一层5nm厚的Ti粘附层；
3）在Ti粘附层上通过磁控溅射、离子束溅射或者电子束蒸发制备下电极；
4）在下电极上采用反应磁控溅射制备氮氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：以金属铪或氧化铪为溅射靶材，本底真空小于5×10-4 Pa、衬底温度为室温-500℃、工作压强0.1-4Pa、溅射功率为50-250W，反应气体为N2、O2、Ar；
5）在氮氧化铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发的工艺沉积金属铪薄膜；
6）在金属铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发的工艺沉积上电极；
7）将制备好的器件在真空腔室中进行热退火处理，退火工艺：退火真空小于5×10-4 Pa，退火温度200-1000℃，退火时间10min-2h，待温度降到室温取出样品；
所述氮氧化铪薄膜和铪金属薄膜的制备不限定先后次序。
2.根据权利要求1所述基于氮氧化铪低功耗阻变存储器的制备方法，其特征在于：所述上电极上通过PECVD的工艺沉积一层SiO2作为保护层。
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