CN109888093A - 一种双极型阈值选通器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极型阈值选通器及其制备方法，属于存储器集成领域。该双极型阈值选通器包括：经氧化制备的SiO2衬底，衬底上方的粘附层，下电极，绝缘介质层，储氧层，上电极。其中储氧层为通过退火氧化形成的氧化层，其分别为导电细丝的形成和断裂供给及储存氧空位；且能够充当阻挡层，防止上电极在溅射过程中对阻变层形成的离子注入现象。绝缘介质层材料为二元氧化物，其与储氧层的氧原子化学计量比不同。本发明器件具有双向选通的作用，能够有效抑制三维结构及交叉阵列阻变存储器中的泄露电流，是一种具有极大应用前景的的选通器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种双极型阈值选通器及其制备方法，该双极型阈值选通器常用于抑制三维或者交叉阵列结构阻变存储器中泄露电流，属于存储器集成领域。
背景技术
随着人类科学技术的不断发展，迎来了21世纪电子信息的时代，大数据时代也应运而生，伴随着电子产品消费市场的驱动，存储器的需求量日益增大，同时对存储器的集成密度也提出了更高的要求。传统的常用存储器：NAND和Flash，NAND的运行速度快，然而其为挥发性存储器；Flash虽然是非挥发性存储器，但是其运行速度不够快，且随着集成电路特征尺寸的不断减小，其集成也遇到了瓶颈。因此，市场急需高速、高密度，可融合计算与存储的新型存储器。
阻变存储器(RRAM)因其具有高密度、非挥发，低功耗等优势，无可置疑地成为了最具潜力的下一代新型存储器。为满足更高的集成密度，3D-RRAM交叉点阵列被提出，该结构能够极大的提高存储器集成密度，但同时也面临着严重的漏电流问题，目前，较为有效的解决该问题的方法之一即给阻变单元增加选通器，选通器的加入能够有效的抑制泄漏电流，对提高集成器件的稳定性具有十分重要的意义。
发明内容
为解决3D交叉点阵列中出现的严重泄露电流问题，本文提出了一种双极型阈值选通器及其制备方法，该阈值选通器能够有效的抑制泄露电流，且其制备工艺简单。
为达到上述抑制泄露电流的目的，本文提出了一种双极型阈值选通器，包括:通过氧化形成的氧化层及粘附层形成的衬底，通过溅射形成的均匀的下电极，绝缘介质层，储氧层，以及柱状上电极。
上述方案中，衬底包含通过氧化形成的氧化层，其制备通过氧化扩散形成，厚度为：100-300nm；在氧化层上制备了一层粘附层，粘附层材料为金属材料：Ti,Pt等中的一种，其厚度为：4-7nm。
上述方案中，导电下电极采用金属材料Ti、Ag、Al，Ni、Ta、W、Pt、Ru或金属化合物材料：FTO、AZO、ITO、TiN、TaN、AlN中的一种，所述的导电下电极方块电阻在5-30欧姆每方块，制备方法为离子束沉积、直流磁控溅射、射频磁控溅射、电子束蒸发中的方法，其厚度为：100-300nm。
上述方案中，绝缘介质层采用的材料为下述绝缘材料：TaOx、TiO2、HfO2、Al2O3、NiO、ZnO中的一种，其厚度为：8-25nm。
上述方案中，制备储氧层采用的金属材料为：Al、Ti、Ta、Hf中的一种，其厚度为：4-7nm。
上述方案中，导电上电极采用的材料为金属材料：Ti、Ag、Al、Ni、Ta、W、Pt、Ru及金属化合物材料：ITO、FTO、AZO、TiN、TaN、AlN中的一种，其厚度为：100-300nm。制备方法采用:磁控溅射法，电子束蒸发，离子束沉积，化学气相沉积中的方法。
附图说明
图1为：根据本阈值选通器结构绘制的结构图
图2为：该双极型阈值选通器的阈值转变特性曲线图
具体实施方式
为抑制3D交叉阵列中的泄露电流，提高高密度集成阻变存储器的可靠性，本文提出了一种新型双极性阈值选通器，进一步的，为说明其技术方案以及该种阈值选通器的优点，下面将结合附图对双极性阈值选通器及其制备方法进行详细的说明。
图1是本发明实施例所提供的阈值选通器的结构示意图。本发明实施例提供的阈值选通器件包括硅衬底100，硅衬底100上经过氧化形成的氧化层101，在氧化层上沉积的粘附层102，该三部分形成本发明器件的衬底部分；在衬底部分的上方沉积了下电极103、绝缘介质层104、储氧层105、上电极106。
图2是本发明实施例提供的阈值选通器的阈值转变特性曲线图。在将存储器元件设置为LRS之后，正向施加Vth1,器件显示出稳定的阈值切换特性，负向施加Vth2,器件显示出负向稳定的阈值切换特性，器件整体显示出稳定的非易失性对称阈值切换特性。
在本发明双极性阈值选通器中，粘附层102、下电极103和上电极106材料为单质金属或导电氧化物或导电氮化物。金属单质包括：Ti,Pt,Al,Ni,Ag,W,Ta；导电氮化物包括：TiN、TaN或AlN；导电氧化物包括：ITO,AZO,FTO；绝缘介质层104材料为二元氧化物，包括：TiOx,TaOx,Al2O3,HfO2；储氧层105材料为与绝缘介质层104金属元素相同材料但具备不同化学计量比；氧化层101厚度范围为200nm-300nm,粘附层102厚度范围为4-6nm,下电极及下电极厚度范围为：100-300nm，绝缘介质层104厚度范围为：8-25nm，储氧层105厚度范围为：3-5nm。
实施例1
本实施例为具有ITO/HfOx/HfO2/TiN/Ti/SiO2/Si结构的阈值选通器。其中，绝缘介质层采用100W溅射沉积，储氧层105采用80W溅射沉积，储氧层O:Hf原子比为1.7。器件具体制备过程如下：(1)采用氧化扩散的方式在晶圆上生成氧化层101，氧化层101厚度为295nm；(2)采用离子束沉积方式在氧化层101上生成Ti粘附层102，其厚度为5nm；(3)在粘附层102上方使用直流磁控溅射的方式沉积100nm厚的TiN下电极103；(4)采用射频磁控溅射的方法沉积HfO2绝缘介质层104,沉积厚度为10nm,本底真空低于5x10-4Pa,工作压强为1Pa,；(5)采用直流磁控溅射的方法沉积金属Hf,工作气体为氩气；(6)通过退火氧化形成HfOx储氧层105,退火温度为200℃，Hf/O原子比在1-1.8；(7)使用纯度>99.99％的ITO陶瓷靶，200nm直径的掩膜板沉积200nm厚的ITO上电极106。
实施例2
本实施例为具有ITO/HfOx/HfOy/TiN/Ti/SiO2/Si结构的阈值选通器。其中，绝缘介质层采用80W溅射沉积，储氧层105采用80W溅射沉积，其中x取值为1.5，y取值为1.9。器件具体制备过程如下：(1)采用氧化扩散的方式在晶圆上生成氧化层101，氧化层101厚度为295nm；(2)采用离子束沉积方式在氧化层上生成Ti粘附层102，其厚度为5nm；(3)在粘附层102上方使用直流磁控溅射的方式，使用金属Ti靶，沉积100nm厚的TiN下电极103；(4)采用直流磁控溅射的方法沉积金属层Hf，工作压强为1Pa；(5)退火生成储氧层105，退火温度为230℃，在氧气气氛中进行退火，退火时间20min；(6)采用磁控溅射的方法沉积HfOx绝缘介质层104,沉积厚度为10nm,本底真空低于5x10-4Pa,工作压强为0.9Pa；(7)使用靶材纯度>99.99％的ITO陶瓷靶，200nm直径的掩膜板沉积200nm厚的ITO上电极106。
本实施例与实施例1的区别是：绝缘介质层与储氧层采用了位置互换的结构，该两种结构的阈值选通器均达到的相同效果。
以上所述仅为本发明的具体实施例,本发明亦可通过其它不同的具体实例进行实施。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双极型阈值选通器，其特征是：其结构由：Si衬底,SiO2氧化层，Ti粘附层，下电极，绝缘介质层，储氧层，上电极依次叠加构成；其中储氧层与绝缘介质层位置可互换。
2.根据权利要求书1所述的双极型阈值选通器，其特征是：上、下电极材料为导电金属、或导电金属氮化物、或导电金属氧化物；其中导电金属为：Ti、Ag、Al、Ni、Ta、W、Pt中的一种；导电金属氮化物为：TiN、TaN、AlN中的一种；导电金属氧化物为：FTO、ITO、AZO中的一种。
3.根据权利要求书1所述的双极型阈值选通器的制备方法，步骤如下：
(1)取清洗干净的Si晶圆，使用氧化扩散炉制备厚度为100-300nm的氧化层，并将其裁制为合适大小的衬底；
(2)清洗衬底，使用离子束溅射在具有氧化层的衬底上制备厚度为4-6nm的Ti粘附层；
(3)使用反应磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发方式沉积下电极；
(4)在下电极上方使用射频磁控溅射方式制备氧化铪绝缘介质层，其制备的工艺条件为：本底真空低于5x10-4Pa；工作压强为0.5-1.5Pa；实验所需气体为：Ar，O2，氧分压为6-20％；溅射功率为40-150W；靶基距为5-8cm；
(5)在绝缘介质层上方使用反应磁控溅射的方式制备金属铪层，并采用退火的方式，氧化生成一层厚度在3-5nm的欠氧型氧化铪作为储氧层，退火温度为100-250℃；
(6)使用与沉积下电极相同的方式，采用通孔直径为200-350um的掩膜版制备上电极。
4.根据权利要求书3所述的双极型阈值选通器的制备方法，其特征是:绝缘介质层厚度为8nm-25nm,储氧层厚度为3nm-5nm,且储氧层与绝缘介质层位置可互换。
5.根据权利要求书3所述的双极型阈值选通器的制备方法,其特征是：氧化层厚度为200nm-300nm,粘附层厚度为4nm-6nm。
6.根据权利要求书3所述的双极型阈值选通器的制备方法，其特征是：退火过程腔室真空条件为5x10-4Pa,退火时间为5min-1h,退火温度为100-250℃。
7.根据权利要求书3所述双极型阈值选通器制备方法，其特征为：器件上电极为ITO或FTO，上电极形状为圆形，厚度在100nm-300nm之间。
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