[发明专利]氮化钛/氧化锌电阻式随机存储器的存储单元及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及非挥发性存储器技术领域，尤其涉及一种具有优异双稳态电阻转变和记忆特性的电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法。

背景技术

非挥发性存储器具有在无电源供应时仍能保持数据信息的优点，在信息存储领域具有非常重要的地位，也是当前信息存储技术的研究热点之一。然而，当今的主流非挥发存储器-闪存(flash)存在操作电压高、速度慢、耐久力差等问题。电阻式随机存储器RRAM(Resistive Random Access Memory)已经表现出工作速度快，存储密度高，数据保持时间长，耐久力强等优点，是下一代半导体存储器强有力的候选者。RRAM的基本存储单元包括一个金属-绝缘体-金属(MIM)结构电阻器。借由电压或电流脉冲，可以使MIM结构的电阻在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除。RRAM工作的关键是某些材料的电阻转变和记忆效应，在电压或电流作用下这些材料的电阻可以发生可逆的、巨大的改变。

许多种过渡金属氧化物半导体薄膜，比如TiO₂，NiO和Cu_xO等已经表现出了电阻转变和记忆特性。这些材料具有简单的二元结构，易于和当前传统的半导体器件制备工艺集成，引起了人们广泛的研究兴趣。对于实际的电阻式存储器件应用来说，避免电形成中的高压过程，减小编程(Set-V)和擦除(reset-V)电压，提升存储单元的擦写速度，延长存储单元的数据保持时间以及增强可靠性等是非常必要的。目前，RRAM的基本存储单元如何具有优异双稳态电阻转变和记忆特性是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优异双稳态电阻转变和记忆特性的电阻式随机存储器件的存储单元及其制备方法。本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种氮化钛/氧化锌电阻式随机存储器的存储单元，包括：衬底和金属-绝缘体-金属(MIM)结构电阻器，其中，MIM结构电阻器的顶电极为氮化钛，绝缘体为氧化锌薄膜。

氧化锌薄膜可以掺杂如下元素，铪(Hf)，钴(Co)，镍(Ni)等过渡金属或者是铝(Al)等主族金属。底电极为铂/钛(Pt/Ti)，金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)。

一种电阻式随机存储器的存储单元制备方法，其步骤包括：

1)选择二氧化硅或硅为衬底材料，利用溅射法在衬底上制备底电极；

2)在上述底电极上制备氧化锌薄膜；

3)利用溅射法在氧化锌薄膜上制备氮化钛薄膜，并利用光刻、刻蚀的方法将所述氮化钛薄膜制备出电极图形，作为顶电极；

4)利用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法在上一步已获得的结构基础上制备出隔离的器件结构。

步骤1中，利用热氧化和化学气相沉积(CVD)的方法将二氧化硅隔离介质层生长在单晶硅上，作为衬底。

步骤1中，在衬底上利用溅射法制备金属薄膜，金属薄膜为铂/钛合金，金/钛合金、钛、钨、钽或者氮化钛。

步骤2中，氧化锌薄膜的制备方法采用反应溅射，具体条件为：(对于反应溅射)气氛氩/氧气氛，氩/氧气氛的比例为5∶1，溅射功率500W。氧化锌的膜厚范围：20-50nm。在溅射过程中，可以使用不同材料的主靶(锌)，副靶(铪，铝，镍等)，共溅射，实现掺杂的目的。制备的薄膜为掺杂的氧化锌。也可以采用原子层淀积(ALD)，溶胶-凝胶法(Sol-gel)，金属-有机物化学气相淀击(MOCVD)，或者溅射金属锌后热氧化的方法。

步骤2之后，对于氧化锌薄膜进行退火处理，具体条件为：温度范围为400-500度，气氛为空气气氛或者真空下，真空度为≤10^-3Pa或者氮/氧气氛，氮/氧气氛的比例为4∶1。此步骤结束后生长的薄膜为(非)化学配比的氧化锌薄膜ZnO_x，x的范围是1-2。

步骤3中，在氧化锌薄膜上利用反应溅射的方法制备氮化钛薄膜，具体条件为：氩气与氮气的分压比为18∶2，真空度为5×10^-7Torr，溅射功率500W。氮化钛厚度为50-200nm。

步骤3中，利用反应离子刻蚀的方法完成电极定义，具体条件为：六氟化硫与氦气流量比为30sccm：20sccm，工作压力为8×10^-2Torr，刻蚀功率100W

步骤4中，利用湿法腐蚀氧化锌的方法制备隔离器件结构，具体条件为：先水浴后，用5％的缓冲氢氟酸，室温。也可以直接用RIE，ICP等干法刻蚀的方法。