CN104795492B - 一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器 - Google Patents

Abstract

一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器，由上电极Ni、阻变层氧化铪/氧化钛叠层和下电极TiN构成，氧化铪的成分为HfO_x，其中1<x<2，氧化铪介质层的厚度为5‑100nm；氧化钛的成分为TiO₂，氧化钛介质层厚度为3‑15nm。本发明的优点是：该阻变存储器采用氧化铪/氧化钛叠层结构，有较高的一致性和重复性以及较低的操作电压和操作电流，SET操作电压2V‑3V，RESET操作电压为‑3V，SET操作电流100nA，RESET操作电流20nA，有利于高密度集成以及工业应用。

Description

一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器。

技术背景

阻变存储器由于具有较快的擦写速度、较长的保持时间、有多值存储的潜力以及优越的可缩小性，最近几年来受到了研究人员的广泛关注。随着阻变机理不断提出、新型结构改进设计、新型材料逐渐应用，研究人员正在追求更快的读写速度、更高的集成密度、更长的保持时间，使阻变存储器能在各项参数上超过FLASH存储器，进而取代FLASH存储器。

阻变存储器的结构为简单的金属-绝缘层-金属(MIM)结构，即上下电极以及中间的阻变层的三明治结构，大多数阻变层为单层结构。近几年来，研究人员逐渐认识到双层结构的优势，开始提出了一些叠层阻变结构，并且器件的性能得到了一定改善。2008年台湾的电子与光电研究所所发表的文献中(Low Power and High Speed Bipolar Switchingwith A Thin Reactive Ti Buffer Layer in Robust HfO₂Based RRAM)，H.Y.Lee等人采用HfO_x/Ti叠层结构，获得了较低的操作电流(25μA)和较高疲劳特性(10⁶次循环)的特性。2013年台湾交通大学发表的文献中(Bipolar Ni/TiO₂/HfO₂/Ni RRAM With MultilevelStates and Self-Rectifying Characteristics)，Chung-Wei Hsu等人采用Ni/TiO₂/HfO₂/Ni叠层结构，获得了稳定的双极阻变特性。该结构上下电极均采用Ni电极，Ni/TiO₂和HfO₂/Ni均形成肖特基接触，是一种对称结构。采用不同的RESET(复位)操作电压，其对应的RESET操作电流分别为1μA、100nA、10nA，SET(置位)操作电流在1mA左右。SET电压在-6V到-8V之间，RESET电压在4V到6V。以上两篇文献中虽然获得了较低的操作电流，但仍存在着一些问题：当操作电流较小时操作电压较大，或者操作电压小时操作电流较大，即较小的SET电压、SET电流，RESET电压、RESET电流不能同时具备。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供了一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器，结构为Ni/HfO₂/TiO₂/TiN，是非对称的电极材料，Ni/HfO₂界面形成较高的肖特基势垒，TiO₂/TiN界面形成较低的肖特基势垒，有利于SET过程的电子注入，利于SET过程的发生，因此该结构有更低的操作电 压(SET操作电压2V-3V，RESET操作电压为-3V)和操作电流(SET操作电流100nA，RESET操作电流20nA)，以及较好的疲劳特性，而且有很好的一致性和重复性。这些优良的特性有利于高密度的集成和以后的工业应用。

本发明的技术方案：

一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器，由上电极Ni、阻变层氧化铪/氧化钛叠层和下电极TiN构成，氧化铪的成分为HfO_x，其中1<x<2，氧化铪介质层的厚度为5-100nm；氧化钛的成分为TiO₂，氧化钛介质层厚度为3-15nm。

一种所述基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器的制备方法，步骤如下：

1)以Si片为衬底，利用热氧化的方法制备SiO₂绝缘层；

2)在SiO₂绝缘层上利用磁控溅射的方法制备TiN下电极，溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4Pa、工作压强为0.1-2Pa、氮分压为5-20％、直流溅射功率为50-150W；

3)在TiN下电极上采用离子束溅射或电子束蒸发的方法制备一层Ti；

4)在氧气氛围下快速热处理(RTP)，使Ti热氧化为TiO₂，工艺条件为：氧气流量1-2L/min、温度200-500℃、热氧化时间60-300s；

5)在TiO₂上采用射频溅射法沉积氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：本底真空小于10^{- 4}Pa、工作压强0.1-2Pa、氧分压为5-30％、溅射功率为50-250W；

6)在氧化铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发工艺制备镍上电极。

本发明的技术分析：

该阻变存储器结构为Ni/HfO₂/TiO₂/TiN，存在两个肖特基势垒界面，Ni/HfO₂界面实现了电阻的转换，TiO₂/TiN界面是较低的肖特基势垒界面。相比于传统的单层结构，性能更优，有更好的一致性和超低的操作电流；相较于插入Ti的叠层结构有更低的操作电流、更好的一致性。相对于两端均使用Ni电极的结构，由于其TiN/TiO₂界面有更低的肖特基势垒，有利于SET过程的电子注入，因此有更低的SET操作电压以及RESET操作电压，有效地降低了功耗。

本发明的优点：

该阻变存储器采用氧化铪/氧化钛叠层结构，有较高的一致性和重复性以及较低的操作电压和操作电流，SET操作电压2V-3V，RESET操作电压为-3V，SET操作电流100nA，RESET操作电流20nA，有利于高密度集成以及工业应用。

附图说明

图1为该阻变存储器结构示意图。

图中：1.下电极 2.氧化钛介质层 3.氧化铪介质层 4.上电极

图2 为该阻变存储器电学特性曲线。

图3 为该阻变存储器的耐受性(endurance)曲线。

具体实施方式

实施例：

一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器，如图1所示，由上电极4Ni4、氧化铪介质层3、氧化钛叠层2和下电极1TiN构成，氧化铪的成分为HfO_x，其中x＝1.9，氧化铪介质层3的厚度为10nm；氧化钛介质层2厚度为6nm，下电,1为TiN、厚度为200nm，上电极4为Ni、厚度为200nm。

该阻变存储器的制备方法，步骤如下：

1)以Si片为衬底，使用氧化扩散炉，通过热氧化的方法在硅衬底上制备SiO₂绝缘层；

2)在SiO₂绝缘层上利用磁控溅射的方法制备一层200nm厚的TiN下电极，溅射工艺条件为：本底真空为3×10^-4Pa、工作压强为0.5Pa、氮分压为10％、直流溅射功率为100W；

3)采用电子束蒸发的方法在TiN电极上沉积6nm厚的Ti；

4)热氧化Ti薄膜制备TiO₂薄膜。在氧气氛围下，氧气流量2L/min,温度300℃进行RTP 120秒，制成TiO₂介质层；

5)在TiO₂介质层上采用射频溅射法沉积厚度为10nm氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：靶材为氧化铪陶瓷靶材，靶基距为6.5cm，本底真空为3×10^-4Pa、衬底温度为27℃、工作压强0.5Pa、氧分压为20％、溅射功率为100W；

6)在氧化铪薄膜上采用电子束蒸发法沉积厚度为200nm的镍上电极。

图2为该阻变存储器电学特性曲线，图中表明：该器件的RESET操作电流约为20nA，实现了低功耗。

图3为该阻变存储器的耐受性曲线，图中表明：该器件在低功耗的操作条件下可以有效翻转，有很好的耐受性。

Claims (2)

1.一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器，其特征在于：采用Ni/氧化铪/氧化钛/TiN结构顺序，由上电极Ni、阻变层氧化铪/氧化钛叠层和下电极TiN构成，氧化铪的成分为HfO_x，其中1<x<2，氧化铪介质层的厚度为5-100nm；氧化钛的成分为TiO₂，氧化钛介质层厚度为3-15nm。

2.一种如权利要求1所述基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)以Si片为衬底，利用热氧化的方法制备SiO₂绝缘层；

2)在SiO₂绝缘层上利用磁控溅射的方法制备TiN下电极，溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4Pa、工作压强为0.1-2Pa、氮分压为5-20％、直流溅射功率为50-150W；

3)在TiN下电极上采用离子束溅射或电子束蒸发的方法制备一层Ti；

4)在氧气氛围下快速热处理(RTP)，使Ti热氧化为TiO₂，工艺条件为：氧气流量1-2L/min、温度200-500℃、热氧化时间60-300s；

5)在TiO₂上采用射频溅射法沉积氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4Pa、工作压强0.1-2Pa、氧分压为5-30％、溅射功率为50-250W；

6)在氧化铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发工艺制备镍上电极。