CN109888092B - 一种基于氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质阻变存储器及其制备方法，由上电极Ru、阻变层氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽和下电极TiN构成，上下氧化钽层成分均为TaOx，其中2<x<2.5,氧化钽介质层厚度为10‑50nm，且上下氧化钽层厚度相同；黒砷磷介质层成分为b‑AsP，厚度为0.85‑10nm。本发明优点：1)该结构将新型二维材料黒砷磷引入阻变层，丰富了阻变存储中的介质层材料体系，拓展了二维黒砷磷的应用领域；2)该阻变器件为单纯的垂直叠层结构，工艺简单、成本低廉并且易于集成。

Description

一种基于氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质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，具体涉及氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质阻变存储器。

技术背景

当下半导体存储器中的非易失存储器主要是Flash，但随着特征尺寸的缩小，将面临物理极限上的诸多限制。阻变存储器(RRAM)是可以解决传统多晶硅浮栅技术瓶颈的代表性候选技术之一,RRAM通过材料电阻的可逆转变实现存储,与传统闪存相比具有明显优势,包括器件结构简单、单元尺寸小、可微缩性好、操作速度快、功耗低、与CMOS工艺兼容、易于三维集成等,成为重要的下一代存储技术之一,并被认为是最适合三维集成的新型存储器之一,在不同的应用领域展现了可大规模商业化的前景。

电阻转变指材料的电阻在电压电场作用下存在两个或两个以上的电阻态,并且这种电阻的改变不随时间而变化。通常把器件从高阻态转变到低阻态的这一过程称为set过程,反之,把器件从低阻态转变到高阻态的过程称为reset过程。

近年来，虽然阻变存储器的研发工作取得了不凡的成果，但还有许多问题需要解决，其中介质层材料对阻变存储器的性能影响是最直接的。

二维黒磷是一种传统的二维材料，德国慕尼黑技术大学(TUM)、雷根斯堡大学、美国南加州大学(USC)和耶鲁大学的研究人员通过把单个磷原子替换成砷原子，进而制得了一种新型二维材料黒砷磷。当材料中砷的浓度达到83％时，它具有仅0.15电子伏特的极小带隙。通过简单地调整砷浓度，研究人员可以精确控制带隙的大小。这种材料非常适合用作传感器。而且极有可能应用到柔性电子设备当中。

2011年Feng Miao等在Room temperature high-detectivity mid-infraredphotodetectors based onblack arsenic phosphorus，研究了新型窄带隙二维材料“黑砷磷”(b-AsP)，制备了场效应光晶体管，在室温下观察到8.05微米中波红外的响应，成功进入红外的第二个大气窗口。并将不同掺杂的n型MoS₂与b-As_0.83P_0.17(p型)堆叠在一起形成范德华异质结，有效降低了暗电流和噪声。室温探测率比被广泛使用的PbSe红外探测器的峰值探测率高了近1个量级，实现了对现有中波红外室温光电探测商用技术性能的超越，为推动窄带隙二维材料在下一代光电探测技术中的应用提供了物理基础。

根据上述技术背景，新型二维材料黒砷磷在在阻变存储器方面的应用还没有出现，本发明制备了一种氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质阻变存储器，拓宽了黒砷磷的应用领域，丰富了阻变介质材料的种类，填补了这方面空白。

发明内容

本发明的目的是针对目前新型二维材料黒砷磷在阻变存储器方面的空白，提出了一种氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质阻变存储器结构，通过将新型二维材料黒砷磷引入阻变存储器的阻变层，将新型二维材料黒砷磷应用于阻变存储器。

本发明方案：

一种基于氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质阻变存储器件，由氧化硅衬底、TiN下电极、阻变层氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽叠层及上电极Ru组成。各层厚度为：TiN下电极50-200nm、二维黒砷磷层0.85-10nm，上下氧化钽层均为10-50nm，且厚度一致。

一种基于氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质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绝缘层上利用直流磁控溅射的方法制备TiN下电极，溅射工艺条件为：以金属钛靶为靶材，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下电极上采用射频磁控溅射的方法制备第一层TaOx薄膜，溅射工艺条件为：使用Ta₂O₅陶瓷靶材，本底真空小于10^-4Pa、工作压强为0.3-1Pa、溅射功率为40-100W、氧分压为3-15％；

4)采用机械剥离法制备b-AsP，之后再转移到TaOx薄膜上去；

5)在b-AsP薄膜上使用射频磁控溅射的方法制备第二层TaOx薄膜，溅射工艺条件为：使用Ta₂O₅陶瓷靶材,本底真空小于10^-4Pa、工作压强为0.3-1Pa、溅射功率为40-100W、氧分压为3-15％；

6)在第二层TaOx薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发制备Ru电极。

本发明的技术分析：

该阻变存储器结构为TiN/TaOx/b-AsP/TaOx/Ru，存在两个肖特基势垒界面，TaOx/TiN界面是较低的肖特基势垒界面，有利于set过程的电子注入，相应的set及reset操作电压也随之降低。相比于传统的单层、双层结构，性能更优，有更好的一致性和更低的操作电流。

本发明的优点和效益：

1)该结构将新型二维材料黒砷磷引入阻变层，丰富了阻变存储中的介质层材料体系，拓展了二维黒砷磷的应用领域；

2)该阻变器件为单纯的垂直叠层结构，工艺简单、成本低廉并且易于集成。

附图说明

图1为该阻变存储器结构示意图。

图中：1.下电极TiN；2.第一氧化钽介质层；3.黒砷磷介质层；4.第二氧化钽介质层；5.上电极Ru。

图2为该阻变存储器的电学特性曲线。

具体实施方式

参见附图1，本发明三层异质阻变存储器由上电极Ru、阻变层氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽叠层和下电极TiN构成，其中阻变层氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽叠层即为图1中所示的.第一氧化钽介质层、黒砷磷介质层、第二氧化钽介质层；其中两层氧化钽层分别为同种方法、同种成分相同条件下制备的氧化钽薄膜,成分为TaOx，2<x<2.5，厚度为10-50nm，且厚度相同；黒砷磷介质层成分为b-AsP，厚度为0.85-10nm。其制备方法包括以下步骤：

1)以Si片为衬底，利用热氧化的方法制备SiO₂绝缘层；

2)在SiO₂绝缘层上利用直流磁控溅射的方法制备TiN下电极，溅射工艺条件为：以金属钛靶为靶材，本底真空为5×10^-4Pa、工作压强为0.5Pa、氮分压为10％、直流溅射功率为100W；

3)在TiN下电极上采用射频磁控溅射的方法制备第一层TaOx薄膜，溅射工艺条件为：使用Ta₂O₅陶瓷靶材,本底真空5×10^-4Pa、工作压强为0.4Pa、溅射功率为60W、氧分压为8％，靶基距为6.5cm；

4)采用机械剥离法制备b-AsP，之后再转移到第一层TaOx薄膜上去；

5)在b-AsP薄膜上使用射频磁控溅射的方法制备第二层TaOx薄膜，使用Ta₂O₅陶瓷靶材,本底真空5×10^-4Pa、工作压强为0.4Pa、溅射功率为60W、氧分压为8％，靶基距为6.5cm；

6)在第二层氧化钽薄膜上通过电子束蒸发沉积厚度为100nm Ru上电极，电子束蒸发工艺条件为：本底真空5×10^-4Pa，采用金属Ru作为蒸发源，加热方式为电子束加热。

电学特性通过半导体参数分析仪测试：

图2为该阻变存储器电学特性曲线，该器件表现出双极性特性，转换电压小于1V，且无需forming。

Claims (2)

1.一种基于氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质阻变存储器，其特征在于：由上电极Ru、阻变层氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽叠层和下电极TiN构成，其中两层氧化钽层分别为同种方法、同种成分相同条件下制备的氧化钽薄膜,成分为TaOx，2<x<2.5，厚度为10-50nm，且厚度相同；所述的二维黒砷磷引入阻变层，黒砷磷介质层成分为b-AsP，厚度为0.85-10nm。

2.一种权利要求1所述的基于氧化钽/二维黒砷磷/氧化钽的三层异质阻变存储器的制备方法，其特征如下：

1)以Si片为衬底，利用热氧化的方法制备SiO₂绝缘层；

2)在SiO₂绝缘层上利用直流磁控溅射的方法制备TiN下电极，溅射工艺条件为：以金属钛靶为靶材，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下电极上采用射频磁控溅射的方法制备第一层TaOx薄膜，溅射工艺条件为：使用Ta₂O₅陶瓷靶材,本底真空小于10^-4Pa、工作压强为0.3-1Pa、溅射功率为40-100W、氧分压为3-15％；

4)采用机械剥离法制备b-AsP，之后再转移到第一层TaOx薄膜上去；

5)在b-AsP薄膜上使用射频磁控溅射的方法制备第二层TaOx薄膜，溅射工艺条件为：使用Ta₂O₅陶瓷靶材,本底真空小于10^-4Pa、工作压强为0.3-1Pa、溅射功率为40-100W、氧分压为3-15％；

6)在第二层TaOx薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发制备Ru电极。

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