CN113644193A - 阻变存储器件的制备方法、装置、电子设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阻变存储器件的制备方法、装置、电子设备和存储介质，其中方法包括：在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到阻变存储器件的衬底；在衬底上采用直流溅射方式，制备得到阻变存储器件的底电极；在底电极上采用PECVD工艺淀积预设厚度的二氧化硅，得到阻变存储器件的阻变介质层，并通过调节PECVD工艺的射频功率调控阻变介质层中缺陷的含量；在阻变介质层上采用直流溅射方式，制备得到阻变存储器件的活性电极；在活性电极上采用直流溅射方式，制备得到阻变存储器件的顶电极。本发明能够通过调节PECVD工艺的射频功率调控阻变介质层中缺陷的含量，制备出满足特定驱动电流或特定功耗的阻变存储器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种阻变存储器件的制备方法、装置、电子设备和存储介质。
背景技术
信息处理任务的快速增长对基于冯诺伊曼体系结构的计算范式提出了挑战，其面临的问题是由于处理器和存储单元之间频繁的数据交换而导致的冯诺依曼瓶颈，以及处理器和内存的读写速度差异导致的内存墙问题。这些问题会导致计算过程中功耗增加，计算机的操作速度下降。近年来以数据为中心的计算可作为解决上述问题的方案，而金属氧化物半导体场效应晶体管面临物理缩放极限，因此这种新的计算范式需要新型器件来搭建。
导电通道型阻变存储器具有互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)技术兼容性，面积小，操作速度快等优点，并且具有易失特性和非易失特性现象共存的特点。具有非易失特性的阻变存储器可作为非易失性存储器存储数据，具有易失特性的阻变存储器可作为选择器件解决交叉阵列中的泄漏电流问题，以及由于撤掉电压后器件自发电导衰减，可以模拟生物学上的神经元。阻变存储器的易失与非易失特性的转变跟操作电流有关，当操作电流较小的时候，形成的导电通道较细，撤掉电压之后导电通道容易断开，器件表现为易失特性；而当使用较大的操作电流的时候，形成的导电通道较粗，撤掉电压之后导电通道不容易断开，器件表现为非易失特性。
然而，不同的阻变存储器器件在易失特性与非易失特性之间的转变的操作电流不同，如何制备出满足特定驱动电流或特定功耗的阻变存储器是目前业界亟待解决的重要课题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种阻变存储器件的制备方法、装置、电子设备和存储介质。
本发明提供一种阻变存储器件的制备方法，包括：
在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的衬底；
在所述衬底上采用直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的底电极；
在所述底电极上采用等离子增强的化学气相淀积PECVD工艺淀积预设厚度的二氧化硅，得到所述阻变存储器件的阻变介质层，并通过调节所述PECVD工艺的射频功率调控所述阻变介质层中缺陷的含量；
在所述阻变介质层上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的活性电极；
在所述活性电极上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的顶电极。
根据本发明提供的一种阻变存储器件的制备方法，所述PECVD工艺的条件为：调节射频功率小于或等于40W，以调控所述阻变介质层中缺陷的含量，制备出氧和硅的含量比小于或等于SiO1.88的阻变介质层。
根据本发明提供的一种阻变存储器件的制备方法，所述阻变存储器件由易失特性向非易失特性转变的电流为小于或等于170uA。
根据本发明提供的一种阻变存储器件的制备方法，所述PECVD工艺的条件为：调节射频功率大于或等于60W，以调控所述阻变介质层中缺陷的含量，制备出氧和硅的含量比大于或等于SiO2的阻变介质层。
根据本发明提供的一种阻变存储器件的制备方法，所述阻变存储器件由易失特性向非易失特性转变的电流为大于或等于500uA。
根据本发明提供的一种阻变存储器件的制备方法，所述底电极的材料为导电金属或金属合金；所述顶电极的材料为导电金属或金属合金。
根据本发明提供的一种阻变存储器件的制备方法，所述顶电极，用于保护所述阻变存储器件，及作为所述阻变存储器件的探针接触层。
本发明还提供一种阻变存储器件的制备装置，包括：
衬底制备单元，用于在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的衬底；
底电极制备单元，用于在所述衬底上采用直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的底电极；
阻变介质层制备单元，用于在所述底电极上采用等离子增强的化学气相淀积PECVD工艺，制备得到所述阻变存储器件的阻变介质层；
活性电极制备单元，用于在所述阻变介质层上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的活性电极；
顶电极制备单元，用于在所述活性电极上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的顶电极。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述阻变存储器件的制备方法的步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述阻变存储器件的制备方法的步骤。
本发明提供的阻变存储器件的制备方法、装置、电子设备和存储介质，通过在底电极上采用PECVD工艺制备出预设厚度的二氧化硅作为阻变介质层，并通过调节PECVD工艺的射频功率调控阻变介质层中缺陷的含量，根据经典成核理论实现调控阻变存储器件的易失特性和非易失特性之间的转变电流，从而制备出满足特定驱动电流或特定功耗的阻变存储器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的阻变存储器件的制备方法的流程示意图；
图2是本发明提供的阻变存储器件的结构截面图；
图3是本发明提供的阻变存储器件易失特性和非易失特性的电流电压特性曲线图之一；
图4是本发明提供的阻变存储器件易失特性和非易失特性的电流电压特性曲线图之二；
图5是本发明提供的阻变存储器件易失特性和非易失特性的电流电压特性曲线图之三；
图6是本发明提供的阻变存储器件易失特性和非易失特性的电流电压特性曲线图之四；
图7是本发明提供的阻变存储器件的制备装置的结构示意图；
图8是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图6描述本发明的阻变存储器件的制备方法。
图1是本发明提供的阻变存储器件的制备方法的流程示意图，图2是本发明提供的阻变存储器件的结构截面图，依序制备衬底210，底电极220，阻变介质层230，活性电极240，顶电极250。如图1所示，本发明提供的阻变存储器件的制备方法，包括：
步骤110，在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到阻变存储器件的衬底。
步骤120，在衬底上采用直流溅射方式，制备得到阻变存储器件的底电极。
具体地，所述底电极的材料为导电金属或金属合金；其中，导电金属可以为金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)、钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)等常见导电金属材料中的一种；金属合金可以为氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)及其他导电合金材料中的一种。
可选的，所述底电极的材料厚度为40-100nm。
步骤130，在底电极上采用PECVD工艺淀积预设厚度的二氧化硅，得到阻变存储器件的阻变介质层，并通过调节PECVD工艺的射频功率调控阻变介质层中缺陷的含量。
具体地，所述阻变介质层材料为二氧化硅；所述阻变介质层的预设厚度为5-20nm。可选的，阻变介质层中缺陷的含量，是指阻变介质层中硅(Si)悬挂键的含量。
步骤140，在阻变介质层上采用直流溅射方式，制备得到阻变存储器件的活性电极。
具体地，所述活性电极的材料为银(Ag)或者铜(Cu)。活性电极的材料厚度为3-10nm。
步骤150，在活性电极上采用直流溅射方式，制备得到阻变存储器件的顶电极。
具体地，顶电极的材料为导电金属或金属合金；其中，导电金属可以为Au、Pt、Pd、Ru、Ir、W等常见导电金属材料中的一种；金属合金可以为TiN、TaN及其他导电合金材料中的一种。顶电极用于保护阻变存储器件，及作为阻变存储器件的探针接触层。
可选的，所述顶电极的材料厚度为40-100nm。
本发明提供的阻变存储器件的制备方法，通过在底电极上采用PECVD工艺制备出预设厚度的二氧化硅作为阻变介质层，并通过调节PECVD工艺的射频功率调控阻变介质层中缺陷的含量，根据经典成核理论，实现调控阻变存储器件的易失特性和非易失特性之间的转变电流，从而制备出满足特定驱动电流或特定功耗的阻变存储器。
基于上述实施例，上述步骤130中PECVD工艺的条件可以为：调节射频功率小于或等于40W，以调控所述阻变介质层中缺陷的含量，制备出氧和硅的含量比小于或等于SiO1.88的阻变介质层；在此基础上制备的阻变器件，易失特性向非易失特性转变的电流为小于或等于170uA；较小的转变电流使得本发明提供的阻变存储器件能够应用于非易失存储器。
图3是本发明提供的阻变存储器件易失特性和非易失特性的电流电压特性曲线图之一。如图3所示，在限流150uA的条件下，当电压从0扫描到0.8V，器件处于低阻态，当电压从0.8V回扫到0的过程中，电流突然降到几十pA的级别，器件回到高阻态，因此低阻态没有保持住，器件表现为易失特性。
图4是本发明提供的阻变存储器件易失特性和非易失特性的电流电压特性曲线图之二。如图4所示，在限流为200uA的条件下，当电压从0扫描到0.4V并且从0.4V回扫到0，器件依旧保持低阻态，施加负向电压从0到-1.6V将导电通道断开，器件从低阻态转变为高阻态。
举例来说，阻变存储器件的制备流程可以包括：在热氧化之后的硅片上射频磁控溅射20nm的Ti黏附层作为衬底；在衬底上采用直流溅射100nm的Pt层作为底电极；之后在底电极上采用PECVD工艺即CMOS工艺兼容的低温工艺，淀积20nm的二氧化硅作为阻变介质层，工艺条件为：射频功率为40W，腔室压强550mT，基板温度250℃；经过光刻制备出活性电极和顶电极图形，采用直流溅射的方式淀积5nm的Ag层作为活性电极层，采用直流溅射的方式淀积100nm的Pt层作为顶电极；经过剥离使得活性电极和顶电极图形化；刻蚀阻变介质层之后去除光刻胶，制备得到阻变器件。通过调节射频功率为40W，调控阻变介质层中缺陷的含量，制备出氧化硅的化学计量比为SiO1.88的介质层，以及在此基础上制备的阻变器件，易失特性向非易失特性转变的电流小于或等于170uA，较小的转变电流使得阻变存储器能够应用于非易失存储器。
基于上述实施例，上述步骤130中PECVD工艺的条件还可以为：调节射频功率大于或等于60W，以调控所述阻变介质层中缺陷的含量，制备出氧和硅的含量比大于或等于SiO2的阻变介质层；在此基础上制备的阻变器件，易失特性向非易失特性转变的电流为大于或等于500uA，较大转变电流使得本发明提供的阻变存储器件能够应用于选通管。
图5是本发明提供的阻变存储器件易失特性和非易失特性的电流电压特性曲线图之三。如图5所示，在限流500uA的条件下，当电压从0扫描到0.8V，器件处于低阻态，当电压从0.8V回扫到0的过程中，电流突然降到几十pA的级别，器件回到高阻态，因此低阻态没有保持住，器件表现为易失特性。
图6是本发明提供的阻变存储器件易失特性和非易失特性的电流电压特性曲线图之四。如图6所示，在限流为1mA的条件下，当电压从0扫描到0.4V并且从0.4V回扫到0，器件依旧保持低阻态，施加负向电压从0到-1.6V将导电通道断开，器件从低阻态转变为高阻态。
举例来说，阻变存储器件的制备流程可以包括：在热氧化之后的硅片上射频磁控溅射20nm的Ti黏附层作为衬底；在衬底上采用直流溅射100nm的Pt层作为底电极；之后在底电极上采用PECVD工艺即CMOS工艺兼容的低温工艺，淀积20nm的二氧化硅作为阻变介质层，工艺条件为：射频功率为60W，腔室压强550mT，基板温度250℃；经过光刻制备出活性电极和顶电极图形，采用直流溅射的方式淀积5nm的Ag层作为活性电极层，采用直流溅射的方式淀积100nm的Pt层作为顶电极；经过剥离使得活性电极和顶电极图形化；刻蚀阻变介质层之后去除光刻胶，制备得到阻变器件。通过调节射频功率为60W，调控阻变介质层中缺陷的含量，制备出氧化硅的化学计量比为SiO2的介质层，以及在此基础上制备的阻变器件，易失特性向非易失特性转变的电流大于或等于500uA，较大转变电流使得本发明提供的阻变存储器件能够应用于选通管。
下面对本发明提供的阻变存储器件的制备装置进行描述，下文描述的阻变存储器件的制备装置与上文描述的阻变存储器件的制备方法可相互对应参照。
基于上述任一实施例，图7为本发明提供的阻变存储器件的制备装置的结构示意图，如图7所示，该装置包括：
衬底制备单元710，用于在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的衬底；
底电极制备单元720，用于在所述衬底上采用直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的底电极；
阻变介质层制备单元730，用于在所述底电极上采用等离子增强的化学气相淀积PECVD工艺，制备得到所述阻变存储器件的阻变介质层；
活性电极制备单元740，用于在所述阻变介质层上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的活性电极；
顶电极制备单元750，用于在所述活性电极上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的顶电极。
本发明提供的阻变存储器件的制备装置，通过在底电极上采用PECVD工艺制备出预设厚度的二氧化硅作为阻变介质层，并通过调节PECVD工艺的射频功率调控阻变介质层中缺陷的含量，根据经典成核理论，实现调控阻变存储器件的易失特性和非易失特性之间的转变电流，从而制备出满足特定驱动电流或特定功耗的阻变存储器。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行阻变存储器件的制备方法，该方法包括：在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的衬底；在所述衬底上采用直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的底电极；在所述底电极上采用PECVD工艺淀积预设厚度的二氧化硅，得到所述阻变存储器件的阻变介质层，并通过调节所述PECVD工艺的射频功率调控所述阻变介质层中缺陷的含量；在所述阻变介质层上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的活性电极；在所述活性电极上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的顶电极。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的阻变存储器件的制备方法，该方法包括：在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的衬底；在所述衬底上采用直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的底电极；在所述底电极上采用PECVD工艺淀积预设厚度的二氧化硅，得到所述阻变存储器件的阻变介质层，并通过调节所述PECVD工艺的射频功率调控所述阻变介质层中缺陷的含量；在所述阻变介质层上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的活性电极；在所述活性电极上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的顶电极。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的阻变存储器件的制备方法，该方法包括：在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的衬底；在所述衬底上采用直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的底电极；在所述底电极上采用PECVD工艺淀积预设厚度的二氧化硅，得到所述阻变存储器件的阻变介质层，并通过调节所述PECVD工艺的射频功率调控所述阻变介质层中缺陷的含量；在所述阻变介质层上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的活性电极；在所述活性电极上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的顶电极。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种阻变存储器件的制备方法，其特征在于，包括：
在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的衬底；
在所述衬底上采用直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的底电极；
在所述底电极上采用等离子增强的化学气相淀积PECVD工艺淀积预设厚度的二氧化硅，得到所述阻变存储器件的阻变介质层，并通过调节所述PECVD工艺的射频功率调控所述阻变介质层中缺陷的含量；
在所述阻变介质层上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的活性电极；
在所述活性电极上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的顶电极。
2.根据权利要求1所述的阻变存储器件的制备方法，其特征在于，所述PECVD工艺的条件为：调节射频功率小于或等于40W，以调控所述阻变介质层中缺陷的含量，制备出氧和硅的含量比小于或等于SiO1.88的阻变介质层。
3.根据权利要求2所述的阻变存储器件的制备方法，其特征在于，所述阻变存储器件由易失特性向非易失特性转变的电流为小于或等于170uA。
4.根据权利要求1所述的阻变存储器件的制备方法，其特征在于，所述PECVD工艺的条件为：调节射频功率大于或等于60W，以调控所述阻变介质层中缺陷的含量，制备出氧和硅的含量比大于或等于SiO2的阻变介质层。
5.根据权利要求4所述的阻变存储器件的制备方法，其特征在于，所述阻变存储器件由易失特性向非易失特性转变的电流为大于或等于500uA。
6.根据权利要求1所述的阻变存储器件的制备方法，其特征在于，所述底电极的材料为导电金属或金属合金；所述顶电极的材料为导电金属或金属合金。
7.根据权利要求1所述的阻变存储器件的制备方法，其特征在于，所述顶电极，用于保护所述阻变存储器件，及作为所述阻变存储器件的探针接触层。
8.一种阻变存储器件的制备装置，其特征在于，包括：
衬底制备单元，用于在经过热氧化处理后的硅片上采用射频磁控溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的衬底；
底电极制备单元，用于在所述衬底上采用直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的底电极；
阻变介质层制备单元，用于在所述底电极上采用等离子增强的化学气相淀积PECVD工艺，制备得到所述阻变存储器件的阻变介质层；
活性电极制备单元，用于在所述阻变介质层上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的活性电极；
顶电极制备单元，用于在所述活性电极上采用所述直流溅射方式，制备得到所述阻变存储器件的顶电极。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述阻变存储器件的制备方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述阻变存储器件的制备方法的步骤。
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