一種基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，其是在高導Si襯底上制有SiO2隧穿層，并在所述SiO2隧穿層上制有TiN電極膜層。并且，本發(fā)明還公開了該阻變存儲器的制備方法，其包括如下步驟：A、將高導Si襯底進行清洗處理并吹干，備用；B、將備用的高導Si襯底放入熱氧化生長爐中并通入氧氣，于600±5℃條件下退火分鐘，形成SiO2隧穿層；C、在形成的SiO2隧穿層上濺射TiN電極膜層。本發(fā)明的存儲器的高、低阻態(tài)阻值分布集中，且高電阻值和低電阻值之間相差較大。而且，該阻變存儲器具有明顯的開關效應，再有，該阻變存儲器在高阻態(tài)和低阻態(tài)下的抗疲勞特性均比較優(yōu)異，具有良好的應用前景。
【專利說明】
一種基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器及其制備方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及阻變存儲器及其制備方法，具體地說是一種基于二氧化硅隧道結的阻 變存儲器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 阻變存儲器(Resistive switching Radom Access Memory，RRAM)是一種基于阻 值變化來記錄存儲信息的非易失性存儲器。近年來隨著科技的進步，F(xiàn)lash器件由于工作壽 命、讀寫速度的不足，儲存無法繼續(xù)縮小等瓶頸嚴重的限制了未來的發(fā)展，而作為下一代存 儲器的候選之一，阻變存儲器由于其超快的開關速度、出色的抗疲勞性、極好微縮性以及其 能夠兼容傳統(tǒng)的CMOS的特性，引發(fā)了國內外的廣泛研究。阻變存儲器是典型的金屬-介質 層-金屬三明治結構的器件，其利用中間介質層不同的電壓激勵來實現(xiàn)高、低阻態(tài)的可逆轉 換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的目的。
[0003] 目前，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了各種各樣的中間介質層材料，包括鈣鈦礦氧化物、二元 過渡金屬氧化物和電解質等;并對這些材料的阻值記憶功能及其可能的機制進行了研究。 然而目前所有的阻變存儲器的介質層都是通過復雜的結構制作而成，大大增加了制備所需 的工藝步驟和難度，傳統(tǒng)的制備方法制備周期長，成本高，不利于其未來大規(guī)模的生產(chǎn)。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的之一是提供一種基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，以解決現(xiàn)有阻 變存儲器結構復雜、制作工藝復雜、成本高等問題。
[0005] 本發(fā)明的目的之二是提供了一種基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器的制備方法， 以解決現(xiàn)有方法工藝步驟繁雜、制備周期長的問題。
[0006] 本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的： 一種基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，其是在高導Si襯底上制有Si02隧穿層，并在 所述Si02隧穿層上制有TiN電極膜層。
[0007] 所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，所述Si02隧穿層是通過熱氧化生長工 藝制成。
[0008] 所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，所述熱氧化生長工藝的溫度條件是 600±5。。。
[0009] 所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，所述Si02隧穿層厚度為3nm~5nm。
[0010] 另外，所述TiN電極膜層的厚度為50nm~200nm。
[0011] 本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的： 一種基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器的制備方法，其包括如下步驟： A、 將高導Si襯底進行清洗處理并吹干，備用； B、 將備用的高導Si襯底放入熱氧化生長爐中并通入氧氣，于600±5°C條件下退火2-3 分鐘，形成Si02隧穿層； C、在形成的Si02隧穿層上濺射TiN電極膜層。
[0012] 所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器的制備方法，所述退火條件為600°C。
[0013] 所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器的制備方法，步驟B中熱氧化生長爐中 的氧氣條件為30~40sccm〇
[0014] 本發(fā)明通過大量的研究發(fā)現(xiàn)一種簡單的方法能夠實現(xiàn)器件的阻變特性，即本發(fā)明 所提供的阻變存儲器，基于高導Si襯底直接進行氧化生長制備二氧化硅隧穿層，最終制備 出TiN/Si0 2/Si(高導Si)隧道結，通過隧道結實現(xiàn)了阻變存儲器，簡化了制備工藝，降低了 制備難度，節(jié)約了成本。
[0015] 本發(fā)明通過控制氧化生長溫度和氧化生長時間，可以得到厚度適合的Si02隧穿 層，合適的隧穿層的氧空位對器件影響很大。本發(fā)明的存儲器的高、低阻態(tài)阻值分布集中， 且高電阻值和低電阻值之間相差較大。而且，該阻變存儲器具有明顯的開關效應，再有，該 阻變存儲器在高阻態(tài)和低阻態(tài)下的抗疲勞特性均比較優(yōu)異，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明所提供的阻變存儲器結構示意圖。
[0017] 圖2是用于制備Si02隧穿層的熱氧化生長設備結構示意圖。
[0018] 圖3是制備TiN電極時所采用磁控濺射系統(tǒng)的結構示意圖。
[0019] 圖1~3中：1、襯底，2、隧穿層，3、電極膜層，4、石英管，5、電阻加熱器，6、石英舟，7、 高導S i，8、進氣口，9、出氣口，10、腔體，11、預抽閥，12、閘板閥，13、樣品臺，14、射頻源發(fā)射 器，15、樣品旋轉臺，16、進氣閥。
[0020] 圖4是本發(fā)明中實施例2所制備的阻變存儲器的電壓-電流特性圖。
[0021 ]圖5是本發(fā)明中實施例2所制備的阻變存儲器的HRS和LRS保持特性圖。
[0022]圖6是本發(fā)明中實施例2所制備的阻變存儲器的HRS和LRS抗疲勞特性圖。
[0023] 圖7是本發(fā)明中實施例2所制備的阻變存儲器的抗疲勞性示意圖。
[0024] 圖8是本發(fā)明中對比例1所制備器件的電壓-電流特性圖。
[0025] 圖9是對比例2~7所制備的阻變存儲器的電壓-電流特性圖。
【具體實施方式】
[0026] 實施例1 如圖1所示，本發(fā)明所提供的基于二氧化硅隧道結（即TiN/Si02/Si(高導Si)隧道結）的 阻變存儲器，其結構包括最底層的襯底1、襯底1上的隧穿層2以及隧穿層2上的電極膜層3。 [0027] 襯底1為電阻率小于0.005 Ω/cm的高導硅襯底;隧穿層2為在高導硅襯底的基礎上 通過熱氧化生長得到的Si02隧穿層，厚度一般在lnm~10nm范圍；電極膜層3為在Si0 2隧穿層 上通過磁控濺射沉積得到的TiN電極膜層，TiN電極膜層的厚度一般在50nm~200nm，其為直 徑0.1-0.5mm圓形電極膜層。
[0028] 實施例2 實施例1中的基于TiN/Si02/Si(高導Si)隧道結的阻變存儲器的制備過程如下： 1、襯底材料的選擇和處理 選擇電阻率小于0.005 Ω /cm的高導Si作為襯底，將襯底放在丙酮溶液中超聲波清洗10 分鐘，然后放入酒精溶液中用超聲波清洗10分鐘，再取出放入去離子水中超聲波清洗5分 鐘，之后放入HF酸溶液中清洗90s，取出后再次放入去離子水中超聲波清洗2分鐘，最后用氮 氣(N2)吹干，備用。
[0029] 2、熱氧化生長Si02隧穿層 如圖2所示，打開熱氧化生長爐的電阻加熱器5,加熱至石英管4內溫度至600°C，然后從 進氣口8通入35SCCm氧氣，將載有高導Si 7的石英舟6緩緩推入石英管4中心位置，推入時間 為25~35s，然后生長2.5min分鐘，再將石英舟緩緩拉出來，拉出時間為2~2.5min，然后關閉 氧氣，關閉加熱，生長過程結束。此時高導Si 7的表面上就熱氧化生長出Si02隧穿層(其厚 度經(jīng)檢測為4nm)，得Si〇2/Si結構。上述氧化生長過程中流動的氧氣由出氣口 9排出。
[0030] 3、磁控濺射生長TiN電極膜層 如圖3所示，在磁控濺射系統(tǒng)的腔體10中，將步驟2所制Si02/Si結構（以下簡稱樣品）用 掩膜板覆蓋好后固定放在樣品臺13上，打開樣品旋轉臺15,打開預抽閥11，抽真空至5Pa以 下后，打開閘板閥12抽真空至1.5Xl(T 4Pa，啟動射頻源發(fā)射器14,設定功率15w，調節(jié)進氣閥 16通入25SCCm氬氣，使腔體10中出現(xiàn)輝光，起輝后腔體10中壓強穩(wěn)定在0.8Pa;先預濺射10 分鐘，根據(jù)之前測試的沉積速率濺射75分鐘，在Si0 2隧穿層上形成厚度為68nm的圓形TiN電 極膜層。
[0031] 本步驟中，掩膜板為均勻密布著直徑0.2毫米的圓形孔洞的金屬板，這些孔洞即為 下一步所制TiN電極沉積區(qū)域，其尺寸為本發(fā)明所制元件的有效工作區(qū)域的尺度。
[0032] 本發(fā)明所制備的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器的結構可表示為TiN/Si02/ Si，對該阻變元件的阻變特性進行檢測，檢測及檢測結果如下： 實驗一：電壓-電流特性測試 在該阻變元件上施加一個掃描電壓，如圖4所示，圖4中箭頭1至6所示方向為掃描電壓 方向，在實施例2所制備的阻變元件的TiN電極上施加一個正電壓（圖4中箭頭1、2所示），當 電壓達到一定的閾值電壓時，阻變元件由高阻態(tài)(High Resistance State簡稱HRS)瞬間 轉變成低阻態(tài)(Low Resistance State簡稱LRS)，隨著掃描電壓的減小直至到負值（圖4中 箭頭3、4所示)阻變元件一直保持低電阻狀態(tài)，直至TiN電極上施加的電壓達到一定的閾值 電壓（圖中箭頭5,6所示），阻變元件由低阻態(tài)瞬間轉變?yōu)楦咦钁B(tài)。從圖4中可以看出：箭頭1 所對應曲線表明阻變元件呈現(xiàn)出高阻態(tài)（電阻在1〇 6歐姆量級）；箭頭1到箭頭2所對應曲線 是阻變元件TiN電極外加正電壓達到一定的閾值電壓以后器件從高阻態(tài)轉變?yōu)榈妥钁B(tài) (Set)，箭頭3和箭頭4所對應曲線表明阻變元件保持在低阻態(tài)狀態(tài);箭頭5到箭頭6所對應曲 線表明阻變元件外加電壓達到一定閾值電壓以后由低阻態(tài)瞬間轉變?yōu)楦咦钁B(tài)(Reset);箭 頭6和箭頭1所對應曲線表明阻變元件保持在高阻態(tài)狀態(tài)。
[0033] 圖4所示結果表明本發(fā)明的阻變元件能夠實現(xiàn)兩種非易失性的高低阻態(tài)。
[0034] 實驗二:HRS和LRS保持特性測試 對實施例2所制備的阻變器件進行高阻態(tài)(HRS)和低阻態(tài)(LRS)的保持特性的測試，結 果如圖5所示。通過過結果課看出高低阻態(tài)分布較為穩(wěn)定，且高阻態(tài)與低阻態(tài)的差值很大達 到了 1〇2個數(shù)量級。
[0035]實驗三:抗疲勞特性測試 對實施例2所制備的阻變器件進行抗疲勞特性測試，結果如圖6和圖7所示，從圖6中我 們可以看出基于TiN/Si02/Si(高導Si)隧道結的阻變存儲器元件的高阻態(tài)狀態(tài)和低阻態(tài)狀 態(tài)下的抗疲特性都較好。從圖7可以看出，對器件進行100次抗疲勞測試結果都很理想，高阻 態(tài)在1〇6附近，低阻態(tài)在1〇 4附近。
[0036] 實施例3 按照實施例2所公開的工藝步驟及工藝條件，制備3nm厚的Si02隧穿層的阻變器件，并 對所制備的器件的阻變特性進行檢測。
[0037] 實施例4 按照實施例2所公開的工藝步驟及工藝條件，制備5nm厚的Si02隧穿層的阻變器件，并 對所制備的器件的阻變特性進行檢測。
[0038] 實施例3及實施例4所制備的阻變器件具有與實施例2所制備的阻變器件近似的阻 變特性，包括電壓-電流特性、保持特性及康疲勞特性等。
[0039] 對比例1 按照實施例2所公開的步驟的工藝參數(shù)，制備相同厚度（即襯底、隧穿層和電極膜層厚 度相同）的Au/Si02/Si結構的器件，對該器件的電壓-電流特性進行檢測，結果如圖8所示。
[0040] 由圖8可以看出，在其它條件均保持不變是，采用Au材料作為上電極膜層替換TiN 電極膜層時，所制備的器件不具有阻變特性。
[0041 ] 對比例2~7 按如下表1中的條件，在不同熱氧化溫度條件下生長相同厚度的Si02隧穿層，其它工藝 步驟及條件保持與實施例2中相同，對所制備得到的器件的電壓-電流特性進行檢測，結果 如圖9所示。
[0042]表1:熱氧化溫度條件
由圖9可以看出，在低于600°C或高于600°C的熱氧化條件下生長Si02隧穿層而得的器 件，都不具有阻變特性，同時對比對比例1的數(shù)據(jù)可以得知，只有在本發(fā)明的600°C的條件下 且所制備的結構為TiN/Si0 2/Si(高導Si)隧道結的器件具有阻變特性，且該器件具有良好 的抗疲勞特性以及不錯的高低阻態(tài)保持特性。
【主權項】
1. 一種基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，其特征是，其是在高導Si襯底上制有Si02隧 穿層，并在所述Si0 2隧穿層上制有TiN電極膜層。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，其特征是，所述Si02隧穿 層是通過熱氧化生長工藝制成。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，其特征是，所述熱氧化生 長工藝的溫度條件是600 ±5°C。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器，其特征是，所述Si02隧穿 層厚度為3nm~5nm〇5. -種基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器的制備方法，其特征是，包括如下步驟： A、 將高導Si襯底進行清洗處理并吹干，備用； B、 將備用的高導Si襯底放入熱氧化生長爐中并通入氧氣，于600±5°C條件下退火2-3 分鐘，形成Si02隧穿層； C、 在形成的Si02隧穿層上濺射TiN電極膜層。6. 根據(jù)權利要求5所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器的制備方法，其特征是，所 述退火條件為600 °C。7. 根據(jù)權利要求5所述的基于二氧化硅隧道結的阻變存儲器的制備方法，其特征是，步 驟B中熱氧化生長爐中的氧氣條件為30~40sccm。
【文檔編號】H01L45/00GK106025066SQ201610388193
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】閆小兵, 周振宇, 趙建輝, 張園園
【申請人】河北大學