CN108376737A - 一种制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，包括以下步骤：1)选用低阻的P型硅作为基片，对基片进行清洗和干燥处理；2)通过直流反应磁控溅射法在步骤1)所得基片上沉积TaOx阻变层；3)在步骤2)所得TaOx阻变层上通过磁控溅射法沉积Ag电极，得到存储器基体；4)对步骤3)所得到的存储器基体进行退火处理提高TaOx阻变层的含氧量及改善其结晶程度，得到高开关比TaOx阻变随机存储器。本发明通过直流反应磁控溅射结合氧气退火的方式获得TaOx阻变层，在施加偏压测试时，能够使阻变随机存储器的漏电电流显著减小，开关比显著提升，不易发生永久性击穿，循环周次增加。
Description
技术领域
本发明属于半导体阻变随机存储器领域，具体涉及一种制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，旨在提高TaOx材料的阻变性能，减小漏电电流，显著提升开关比。
背景技术
随着半导体技术节点的不断推进，传统的非易失性存储器已达到尺寸极限。阻变随机存储器由于其具有结构简单、擦写速度快、能耗低以及微缩化前景可观等优点，成为近十多年来学术界和工业界广泛关注的一类存储器。作为半导体阻变随机存储器，最基本的要求有四个：其一、尽可能小的读/写电压，一般控制在3V以内；其二、3.ROFF/RON一般要求至少达到10以上，以简化外围放大电路；其三、RRAM的器件寿命期望可以达到1012周期甚至更长久；其四、数据保持时间一般要求达到10年甚至更久。
TaOx作为阻变介质层具有良好的综合性能，但TaOx属于过渡金属氧化物，在沉积过程中极易生成非化学计量比的氧化物，导致器件的电阻衰退，漏电流增大，开关比下降，进一步可能导致阻变过程中的永久性击穿。因此，如何减小阻变存储器的漏电电流，增大其开关比，成为制约过渡金属氧化物阻变存储器进一步研究的一大难题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，通过直流反应磁控溅射结合氧气退火的方式获得TaOx阻变层，能够使阻变随机存储器的漏电电流显著减小，开关比显著提升，不易发生永久性击穿，循环周次增加。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为包括以下步骤：
1)选用低阻的P型硅作为基片，对基片进行清洗和干燥处理；
2)通过直流反应磁控溅射法在步骤1)所得基片上沉积TaOx阻变层；
3)在步骤2)所得TaOx阻变层上通过磁控溅射法沉积Ag电极，得到存储器基体；
4)对步骤3)所得到的存储器基体进行退火处理提高TaOx阻变层的含氧量及改善其结晶程度，得到高开关比TaOx阻变随机存储器。
所述的步骤1)中P型硅的电阻率为0.004Ω·cm～0.005Ω·cm，P型硅表面设有2nm的自然氧化层。清洗处理为依次在乙醇、丙酮溶液中超声振荡15min，干燥处理在N2氛围下进行。
直流反应磁控溅射法中的溅射腔体温度为25℃，本底真空优于5×10-4Pa，采用纯度均为99.999％的氩气和氧气制成混合气体，氧气所占比例为25％～75％，将纯度为99.99％的金属Ta靶与混合气体反应溅射，溅射气压为0.3Pa～0.5Pa；Ta靶溅射功率为150W～200W。
步骤2)中所述TaOx阻变层的沉积时间为800秒～2500秒，沉积厚度为20nm～50nm。
步骤3)所述Ag电极的沉积功率为80W，沉积偏压为80V。所述的Ag电极为圆柱状上电极，直径为300mm，厚度为200nm；模板为Al2O3或AlN材质。
所述的步骤4)对步骤3)所得到的存储器基体在O2氛围下进行退火处理，退火温度为400℃～800℃，升温速率为20℃/min，保温时间为30min，随炉冷却。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
制得的TaOx阻变随机存储器包括TaOx/Ag复合膜层，TaOx阻变层上通过磁控溅射法沉积Ag电极得到存储器基体，再对存储器基体进行退火处理，通过退火处理控制TaOx阻变层的含氧量及结晶程度，从而改变了薄膜电阻和载流子通道，使得TaOx薄膜的开关比提高。本发明形成的TaOx阻变三明治结构具有良好的绝缘性，利用Keithley4200Semiconductor Characterization System在直流扫描模式下测试TaOx阻变随机存储器漏电流和开关比，证明在施加偏压测试时，漏电电流小，开关比提升，这对其阻变性能的提高有显著效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
(1)选用P型硅作为衬底，依次进行清洗、干燥处理。
P型硅的电阻率约为0.004Ω·cm-0.005Ω·cm，其上有一层厚度为2±0.5nm的氧化层，清洗处理依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声振荡15min，干燥处理在N2气氛下进行。
(2)将清洗好的基片放入真空腔体并抽真空至本底真空为4.0×10-4Pa，采用直流反应溅射磁控技术，以Ta(纯度99.99％)为溅射靶材，以Ar(纯度99.999％)和O2(纯度99.999％)为工作气体(O2的含量50％)制备TaOx阻变层。
(3)溅射过程Ta靶的功率为150W，衬底温度为25℃，工作气压为0.5Pa，溅射过程中施加-70V的负偏压，溅射时间为40min。
(4)将溅射好的样品取出置于气氛退火炉中，通入O2作为退火气体，退火温度为400℃，升温速率为20℃/min，保温时间为30min，随炉冷却。
(5)将退火完成的样品用遮挡板遮盖固定后再次送入真空腔体并抽真空至本底真空为4.0×10-4Pa，以Ag(纯度99.99％)为溅射靶材，以Ar(纯度99.999％)为工作气体制备上电极。溅射过程Ag靶的功率为80W，衬底温度为25℃，工作气压为0.3Pa，溅射过程中施加-80V的负偏压，溅射时间为10min。
本实施例得到的TaOx阻变随机存储器，其阻变层厚度约为40nm，结晶程度为非晶状态。
实施例2
(1)选用P型硅作为衬底，依次进行清洗、干燥处理。
P型硅的电阻率约为0.004Ω·cm-0.005Ω·cm，其上有一层厚度为2±0.5nm的氧化层，清洗处理依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声振荡15min，干燥处理在N2气氛下进行。
(2)将清洗好的基片放入真空腔体并抽真空至本底真空为4.0×10-4Pa，采用直流反应溅射磁控技术，以Ta(纯度99.99％)为溅射靶材，以Ar(纯度99.999％)和O2(纯度99.999％)为工作气体(O2含量为50％)制备TaOx阻变层。
(3)溅射过程Ta靶的功率为150W，衬底温度为25℃，工作气压为0.5Pa，溅射过程中施加-70V的负偏压，溅射时间为40min。
(4)将溅射好的样品取出置于气氛退火炉中，通入O2作为退火气体，退火温度为700℃，升温速率为20℃/min，保温时间为30min，随炉冷却。
(5)将退火完成的样品用遮挡板遮盖固定后再次送入真空腔体并抽真空至本底真空为4.0×10-4Pa，以Ag(纯度99.99％)为溅射靶材，以Ar(纯度99.999％)为工作气体制备上电极。溅射过程Ag靶的功率为80W，衬底温度为25℃，工作气压为0.3Pa，溅射过程中施加-80V的负偏压，溅射时间为10min。
本实施例得到的TaOx阻变随机存储器，其阻变层厚度约为40nm，结晶程度为非晶状态。
实施例3
(1)选用P型硅作为衬底，依次进行清洗、干燥处理。
P型硅的电阻率约为0.004Ω·cm-0.005Ω·cm，其上有一层厚度为2±0.5nm的氧化层，清洗处理依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声振荡15min，干燥处理在N2气氛下进行。
(2)将清洗好的基片放入真空腔体并抽真空至本底真空为4.0×10-4Pa，采用直流反应溅射磁控技术，以Ta(纯度99.99％)为溅射靶材，以Ar(纯度99.999％)和O2(纯度99.999％)为工作气体(O2含量为50％)制备TaOx阻变层。
(3)溅射过程Ta靶的功率为150W，衬底温度为25℃，工作气压为0.5Pa，溅射过程中施加-70V的负偏压，溅射时间为40min。
(4)将溅射好的样品取出至于气氛退火炉中，通入O2作为退火气体，退火温度为750℃，升温速率为20℃/min，保温时间为30min，随炉冷却。
(5)将退火完成的样品用遮挡板遮盖固定后再次送入真空腔体并抽真空至本底真空为4.0×10-4Pa，以Ag(纯度99.99％)为溅射靶材，以Ar(纯度99.999％)为工作气体制备上电极。溅射过程Ag靶的功率为80W，衬底温度为25℃，工作气压为0.3Pa，溅射过程中施加-80V的负偏压，溅射时间为10min。
本实施例得到的TaOx阻变随机存储器，其阻变层厚度约为40nm，结晶程度为多晶状态，其晶粒尺寸为18nm-22nm。
实施例4
(1)选用P型硅作为衬底，依次进行清洗、干燥处理。
P型硅的电阻率约为0.004Ω·cm-0.005Ω·cm，其上有一层厚度为2±0.5nm的氧化层，清洗处理依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声振荡15min，干燥处理是在N2气氛下进行。
(2)将清洗好的基片放入真空腔体并抽真空至本底真空为4.0×10-4Pa，采用直流反应溅射磁控技术，以Ta(纯度99.99％)为溅射靶材，以Ar(纯度99.999％)和O2(纯度99.999％)为工作气体(O2含量为50％)制备TaOx阻变层。
(3)溅射过程Ta靶的功率为150W，衬底温度为25℃，工作气压为0.5Pa，溅射过程中施加-70V的负偏压，溅射时间为40min。
(4)将溅射好的样品取出置于气氛退火炉中，通入O2作为退火气体，退火温度为800℃，升温速率为20℃/min，保温时间为30min，随炉冷却。
(5)将退火完成的样品用遮挡板遮盖固定后再次送入真空腔体并抽真空至本底真空为4.0×10-4Pa，以Ag(纯度99.99％)为溅射靶材，以Ar(纯度99.999％)为工作气体制备上电极。溅射过程Ag靶的功率为80W，衬底温度为25℃，工作气压为0.3Pa，溅射过程中施加-80V的负偏压，溅射时间为10min。
本实施例得到的TaOx阻变随机存储器，其阻变层厚度约为40nm，结晶程度为多晶状态，其晶粒尺寸为19nm-25nm。
表1分别是选取实施例1、2、3、4制备的TaOx阻变存储器件，利用Keithley4200Semiconductor Characterization System在直流扫描模式下测试其漏电流和开关比的数据表。
对比可见，实施例1-4的开关比数据均高于对比样品，且漏电流均小于对比样品，表明本发明制备的TaOx阻变随机存储器对于阻变性能的提高有显著效果。
表1不同退火温度下器件性能对比
| 样品 | 膜厚(nm) | 退火温度(℃) | 漏电流(A) | 开关比 |
| 实施例1 | 40 | 400 | 10-8 | 103 |
| 实施例2 | 40 | 700 | 10-11 | 107 |
| 实施例3 | 40 | 750 | 10-10 | 106 |
| 实施例4 | 40 | 800 | 10-11 | 102 |
| 对比样品 | 40 | 未退火 | 10-5 | 102 |
综上所述，本发明制备TaOx阻变随机存储器的方法构思清楚、原理易懂，仅通过磁控溅射就能够制备出具有高开关比的TaOx阻变存储器，操作简单。本发明提出的O2气氛退火方案能够控制TaOx阻变层的结晶状态及氧含量，从而减小漏电流，增大开关比。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选用低阻的P型硅作为基片，对基片进行清洗和干燥处理；
2)通过直流反应磁控溅射法在步骤1)所得基片上沉积TaOx阻变层；
3)在步骤2)所得TaOx阻变层上通过磁控溅射法沉积Ag电极，得到存储器基体；
4)对步骤3)所得到的存储器基体进行退火处理提高TaOx阻变层的含氧量及改善其结晶程度，得到高开关比TaOx阻变随机存储器。
2.根据权利要求1所述制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，其特征在于：所述的步骤1)中P型硅的电阻率为0.004Ω·cm～0.005Ω·cm，P型硅表面设有2nm的自然氧化层。
3.根据权利要求1所述制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，其特征在于：步骤1)所述的清洗处理为依次在乙醇、丙酮溶液中超声振荡15min。
4.根据权利要求1所述制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，其特征在于：步骤1)所述的干燥处理在N2氛围下进行。
5.根据权利要求1所述制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，其特征在于：直流反应磁控溅射法中的溅射腔体温度为25℃，本底真空优于5×10-4Pa，采用纯度均为99.999％的氩气和氧气制成混合气体，混合气体中氧气所占的比例为25％～75％，将纯度为99.99％的金属Ta靶与混合气体反应溅射，溅射气压为0.3Pa～0.5Pa；Ta靶溅射功率为150W～200W。
6.根据权利要求1或5所述制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，其特征在于：步骤2)中所述TaOx阻变层的沉积时间为800秒～2500秒，沉积厚度为20nm～50nm。
7.根据权利要求1所述制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，其特征在于：步骤3)所述Ag电极的沉积功率为80W，沉积偏压为80V。
8.根据权利要求1或7所述制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，其特征在于：所述的Ag电极为圆柱状上电极，直径为300mm，厚度为200nm；模板为Al2O3或AlN材质。
9.根据权利要求1所述制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，其特征在于：所述的步骤4)对步骤3)所得到的存储器基体在O2氛围下进行退火处理，退火温度为400℃～800℃，升温速率为20℃/min，保温时间为30min，随炉冷却。
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2018
- 2018-01-24 CN CN201810069096.5A patent/CN108376737A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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