CN107958955A - 用于改善电流过冲的叠层HfO2基阻变存储器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善电流过冲现象的叠层HfO2基阻变存储器及其制作方法。该器件自下而上包括：衬底(1)、底电极(2)和顶电极(5)，其中底电极(2)与顶电极(5)之间依次设有厚度为30～40nm，氧氩比为15～20％的HfOx供氧层(3)和厚度为10～20nm，氧氩比为40％～45％的HfOy阻变层(4)，HfOx供氧层(3)中存在大量的氧空位缺陷，充当氧空位“水泵”作用，HfOy阻变层(4)用于实现导电细丝的形成与断裂，完成高低阻态之间的转换。本发明通过优化阻变层HfOy介质薄膜的组分来改变薄膜质量，控制介质中的缺陷，提高了器件性能，从而改善了电流过冲效应，可用于大规模集成电路的制作。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种可改善电流过冲效应的叠层HfO2基阻变存储器及其制作方法，可用于大规模集成电路的制作。
背景技术
HfO2在CMOS高k技术上的广泛应用使之成为了阻变存储器RRAM研究方面非常重要的材料。高介电常数材料High-k在相同物理厚度的情况下可以有效降低等效氧化层厚度EOT,取得较大的电容耦合而增加电场能力,从而达到缩小器件尺寸、提高器件性能的目的。
一些研究小组认为基于HfO2材料的阻变存储器RRAM的电阻转变机制为氧离子或氧空位迁移致导电细丝形成/断裂。在细丝初始形成时，需要控制最大电流来防止形成不可逆热力学介质击穿。实验时，在细丝形成过程中一般采用在半导体参数分析仪中设置限制电流来控制器件最大电流，但是有时随后的复位过程中电流过大，远远超过形成时所设置的限制电流，此现象称为电流过冲效应。电流过冲效应对电阻转换过程有很大影响，尤其是对复位过程中电流的影响甚大。
Stefano Ambrogio等人的研究表明：寄生电容的充放电是导致电流过冲的主要原因。测试过程中，由于需要对器件进行保护，因此在测试设备中来设定限制电流。而由于测试设备与器件之间存在寄生电容，导致设备的响应时间通常大于器件形成过程所需要的时间，从而导致器件的实际电流远远大于所设定的电流，如图3所示，从图3中可以看出，电流过冲效应不仅会使器件的一致性变差，甚至会使器件无法完成Reset过程，从而无法完成阻变过程。
目前，在实际应用中，人们通过减小寄生电容，利用一个二级管与晶体管结构来改善电流过冲现象。H.J.Wan等人已经研究了阻变存储器RRAM在1R结构和1T1R结构下电流过冲的物理机制。研究表明：对于1R结构，通过测试设备直接限流，在设备与RRAM间的寄生电容C将会导致电流过冲现象。对于1T1R结构，通过外接晶体管限流使电容C不能进行充放电，由于器件与晶体管通过通孔连接，使得晶体管与RRAM间产生的寄生电容C0可以忽略不计，因此可以有效抑制电流过冲现象。但对于1T1R结构阻变存储器来改善电流过冲现象，电路由于外接了一个晶体管，增加了电路的复杂性。
另外一种抑制电流过冲的方法是减小转换电压，即通过使用不同介质层厚度、不同叠层结构的阻变存储器RRAM来控制转换电压，使转换电压减小，从而使复位电流减小，达到抑制电流过冲的目的。D.C.Gilmer等人通过研究使用高-低k介质叠层结构的阻变存储器来改善电流过冲，但实验结果表明其不能减小转换电压，还会使得转换电压更高，过冲电流更大。
发明内容
本文发明的目的在于针对上述现有技术的不足，在已有工艺的基础上，提出一种用于改善电流过冲的叠层HfO2基阻变存储器及其制作方法，通过优化介质薄膜的组分来改变薄膜质量，控制介质中的缺陷，提高器件性能，从而改善电流过冲效应。
本发明的技术方案是这样实现的：
1.一种用于改善电流过冲的叠层HfO2基阻变存储器，自下而上包括：衬底、底电极和顶电极，其特征在于:
底电极与顶电极之间依次设有HfOx供氧层和HfOy阻变层，用于实现导电细丝的形成与断裂，完成高低阻态之间的转换；
所述HfOx供氧层，厚度为30～40nm，氧氩比为15～20％；
所述HfOy阻变层，厚度为10～20nm，氧氩比变化范围为40％～45％。
作为优选：衬底采用SiO2或Si片。
作为优选：底电极采用厚度为115～120nm的金属Pt。
作为优选：顶电极采用厚度为115～120nm的金属Pt。
2.一种用于改善电流过冲的叠层HfO2基阻变存储器制作方法，包括：
1)在SiO2衬底基片上，利用PVD设备，淀积一层厚度为115～120nm的金属Pt作为底电极；
2)采用PVD设备，通过反应溅射的方法，在底电极上淀积一层厚度为30～40nm，氧氩比为15～20％的HfOx供氧层；
3)采用PVD设备，通过反应溅射的方法，在HfOx供氧层上淀积厚度为10～20nm，氧氩比分别为40％～45％的HfOy阻变层；
4)采用PVD设备，利用物理掩膜板，在HfOy阻变层上淀积一层厚度为115～120nm的金属Pt作为顶电极。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明由于采用叠层高-k介质作为阻变存储器的介质层，其中下层HfOx供氧层在氧匮乏的环境下生长，因此该层并不能完全被氧化，存在大量的氧空位缺陷，充当氧空位“水泵”作用；上层HfOy阻变层相对于供氧层来说，氧通量要高很多，因此HfOY阻变层中氧空位的数目要远远小于供氧层，从而导致导电细丝的形成与断裂主要发生在阻变层。通过优化上层阻变层HfOy介质薄膜的组分来改变薄膜质量，控制介质中的缺陷，提高器件性能，从而改善了电流过冲效应。
2.相对于1T1R阻变存储器，本发明由于没有外加一个晶体管，结构更加简单，工艺步骤更加简化，有利于提高电路集成度。
3.相对于采用高-低k介质作为阻变功能层的阻变存储器无法改善电流过冲现象，本发明采用双高-k介质层结构的阻变存储器有效改善了电流过冲现象。
附图说明
图1是本发明Pt/HfOx/HfOy/Pt阻变存储器RRAM器件的结构示意图；
图2是本发明阻变存储器的工艺流程图；
图3是电流过冲对阻变存储器RRAM的Reset影响示意图；
图4是本发明阻变存储器RRAM器件的I-V特性曲线示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的叠层HfO2基阻变存储器RRAM器件，包括衬底1、底电极2、HfOx供氧层3、HfOy阻变层4和顶电极5，其中：底电极2采用厚度为115～125nm的金属Pt，其淀积在衬底1上；HfOx供氧层3的厚度为30～40nm，氧氩比为15～20％，淀积在底电极2上，以针对供氧层中存在大量的氧空位缺陷，充当氧空位“水泵”作用；HfOy阻变层4的厚度为10～20nm，氧氩比为40％～45％，淀积在HfOx供氧层3上，以针对导电细丝的形成与断裂主要发生在HfOy阻变层的问题，用于实现高低阻态之间的转换；顶电极5采用厚度为115～125nm的金属Pt，淀积在HfOy阻变层4上。
参照图2，本发明制作叠层HfO2基阻变存储器的方法，给出如下三种实例。
实施例1，制作HfOx供氧层氧氩比为15％和HfOy阻变层氧氩比为40％的叠层HfO2基阻变存储器。
步骤一，清洗SiO2衬底。
先用丙酮超声清洗衬底硅片3min，超声强度3.0；
再用乙醇超声清洗衬底硅片2min，超声强度3.0；
接着用超纯水冲洗衬底硅片2min，然后取出硅片，用氮气吹干；
最后用显微镜检查所有衬底硅片表面，确保表面洁净。
步骤二，淀积底电极。
采用PVD直流溅射工艺，在清洗后的SiO2硅片上淀积一层厚度为115nm的金属Pt底电极：
PVD直流溅射工艺条件如下：
真空度：5e-6Torr，
溅射功率：100W，
氩气压强：4mTorr，
预溅射时间：180s，
溅射时间：720s。
步骤三，淀积HfOx供养层。
采用PVD反应溅射工艺，在底电极上淀积厚度为30nm、氧氩比为15％的HfOx供养层：
PVD反应溅射工艺条件如下：
真空度：5e-6Torr，
溅射功率：100W，
脉冲频率：100Hz，
脉冲宽度：2μs，
气压：4mTorr，
氧氩比：15％，
溅射时间：600s。
步骤四，淀积HfOy阻变层。
采用PVD反应溅射工艺，在HfOx供养层上淀积厚度为10nm、氧氩比为40％的HfOy阻变层：
PVD反应溅射工艺条件如下：
真空度：5e-6Torr，
溅射功率：100W，
脉冲频率：100Hz，
脉冲宽度：2μs，
气压：4mTorr，
氧氩比：40％，
溅射时间：200s。
步骤五，淀积顶电极，完成整个器件的制作。
采用PVD直流溅射工艺和不锈钢金属掩膜，在HfOy阻变层上淀积厚度为115nm的金属Pt顶电极：
PVD直流溅射工艺条件：
真空度：5e-6Torr，
溅射功率：100W，
氩气压强：4mTorr，
溅射时间：720s。
实施例2，制作HfOx供氧层氧氩比为18％和HfOy阻变层氧氩比为43％的叠层HfO2基阻变存储器。
步骤一，清洗SiO2衬底。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤一相同。
步骤二，淀积底电极。
采用PVD直流溅射在真空度为5e-6Torr，溅射功率为100W，氩气压强为4mTorr，预溅射时间为180s，溅射时间为750s的工艺条件下，在清洗后的SiO2硅片上淀积一层厚度为120nm的金属Pt底电极。
步骤三，淀积HfOx供养层。
采用PVD反应溅射在真空度为5e-6Torr，溅射功率为100W，脉冲频率为100Hz，脉冲宽度为2μs，气压为4mTorr，氧氩比为18％，溅射时间为700s的工艺条件下，在底电极上淀积厚度为35nm、氧氩比为18％的HfOx供养层。
步骤四，淀积HfOy阻变层。
采用PVD反应溅射在真空度为5e-6Torr，溅射功率为100W，脉冲频率为100Hz，脉冲宽度为2μs，气压为4mTorr，氧氩比为43％，溅射时间为300s的工艺条件下，在HfOx供养层上淀积厚度为15nm、氧氩比为43％的HfOy阻变层。
步骤五，淀积顶电极，完成整个器件的制作。
采用PVD直流溅射在真空度为5e-6Torr，溅射功率为100W，氩气压强为4mTorr，溅射时间为750s的工艺条件下，在HfOy阻变层上淀积厚度为120nm的金属Pt顶电极。
实施例3，制作HfOx供氧层氧氩比为20％和HfOy阻变层氧氩比为45％的叠层HfO2基阻变存储器。
步骤一，清洗Si片衬底。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤一相同。
步骤二，淀积底电极。
采用PVD直流溅射在真空度为5e-6Torr，溅射功率为100W，氩气压强为4mTorr，预溅射时间为180s，溅射时间为780s的工艺条件下，在清洗后的Si硅片上淀积一层厚度为125nm的金属Pt底电极。
步骤三，淀积HfOx供养层。
采用PVD反应溅射在真空度为5e-6Torr，溅射功率为100W，脉冲频率为100Hz，脉冲宽度为2μs，气压为4mTorr，氧氩比为18％，溅射时间为800s的工艺条件下，在底电极上淀积厚度为40nm、氧氩比为20％的HfOx供养层。
步骤四，淀积HfOy阻变层。
采用PVD反应溅射在真空度为5e-6Torr，溅射功率为100W，脉冲频率为100Hz，脉冲宽度为2μs，气压为4mTorr，氧氩比为43％，溅射时间为400s的工艺条件下，在HfOx供养层上淀积厚度为20nm、氧氩比为45％的HfOy阻变层。
步骤五，淀积顶电极，完成整个器件的制作。
采用PVD直流溅射在真空度为5e-6Torr，溅射功率为100W，氩气压强为4mTorr，溅射时间为780s的工艺条件下，在HfOy阻变层上淀积厚度为125nm的金属Pt顶电极。
本发明的效果可通过以下测试结果进一步说明：
对本发明的实施例1进行I-V特性测试，结果如图4所示，从图4可以看出电流过冲现象明显改善，器件可以顺利地完成第一次Reset过程，器件的I-V特性良好，展现出良好的阻变特性。
Claims (8)
1.一种用于改善电流过冲的叠层HfO2基阻变存储器，自下而上包括：衬底(1)、底电极(2)和顶电极(5)，其特征在于:
底电极(2)与顶电极(5)之间依次设有HfOx供氧层(3)和HfOy阻变层(4)，HfOx供氧层(3)中存在大量的氧空位缺陷，充当氧空位“水泵”作用，HfOy阻变层(4)用于实现导电细丝的形成与断裂，完成高低阻态之间的转换；
所述HfOx供氧层(3)，厚度为30～40nm，氧氩比为15～20％；
所述HfOy阻变层(4)，厚度为10～20nm，氧氩比为40％～45％。
2.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于：衬底(1)采用SiO2或Si片。
3.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于：底电极(2)采用厚度为115～125nm的金属Pt。
4.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于：顶电极(5)采用厚度为115～125nm的金属Pt。
5.一种用于改善电流过冲的叠层HfO2基阻变存储器制作方法，包括：
1)在SiO2衬底基片上，利用PVD设备，淀积一层厚度为115～125nm的金属Pt作为底电极；
2)采用PVD设备，通过反应溅射的方法，在底电极上淀积一层厚度为30～40nm，氧氩比为15～20％的HfOx供氧层；
3)采用PVD设备，通过反应溅射的方法，在HfOx供氧层上淀积厚度为10～20nm，氧氩比为40％～45％的HfOy阻变层；
4)采用PVD设备，利用物理掩膜板，在HfOy阻变层上淀积一层厚度为115～125nm的金属Pt作为顶电极。
6.根据权利要求5所述的叠层HfO2基阻变存储器制作方法，其中步骤(1)淀积底电极和步骤(4)中淀积顶电极的工艺参数为：
真空度：5e-6Torr，
溅射功率：100W，
氩气压强：4mTorr，
预溅射时间：180s，
溅射时间：720s。
7.根据权利要求5所述的叠层HfO2基阻变存储器制作方法，其中步骤(2)中淀积HfOx供氧层的工艺参数为：
真空度：5e-6Torr，
溅射功率：100W，
氩气压强：4mTorr，
脉冲频率：100Hz，
脉冲宽度：2μs，
氧氩比：15％，
溅射时间：600s。
8.根据权利要求5所述的叠层HfO2基阻变存储器制作方法，其中步骤(3)中淀积HfOy阻变层的工艺参数为：
真空度：5e-6Torr，
溅射功率：100W，
氩气压强：4mTorr，
脉冲频率：100Hz，
脉冲宽度：2μs，
氧氩比：40％，
溅射时间：200s。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109904313A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-06-18 | 天津理工大学 | 一种high-k介质材料新型同质阻变存储器及其制备方法 |
| CN110911559A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-03-24 | 华中科技大学 | 一种模拟型HfOx/HfOy同质结忆阻器及其调控方法 |
| CN113346016A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-09-03 | 华中科技大学 | 一种忆阻器及其制备方法 |
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2017
- 2017-10-13 CN CN201710953797.0A patent/CN107958955A/zh active Pending
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