[发明专利]一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法。

技术背景

阻变存储器（RRAM）由简单的三明治结构（MIM）金属-阻变层-金属构成，由于其具有较快的开关速度、较大的集成密度、较长的保持时间、多值存储的潜能，近几年来得到了广大的研究人员的深入的探索。因此阻变存储器很可能取代传统的浮栅结构的flash存储器，成为新一代非挥发性存储器。

阻变存储器件通过高阻来代表“0“，用低阻来代表”1“，通过高低阻值来存储数据。在高阻态向低阻态转变的时候称为set过程，通常会有一个限流来保护器件防止硬击穿，从低阻态向高阻态转变的时候称为reset过程。reset过程中电阻转变需要的最大电流称为reset电流。其中reset电流决定着器件的功耗。

阻变存储器还处于探索研发阶段，还存在很多问题需要解决，其中阻变器件的功耗问题是研究阻变存储器中的关键问题之一。

Wentai Lian等人的文献中，Improved Resistive Switching Uniformityin Cu/HfO₂/Pt Devices by Using Current Sweeping Mode，采用了单层的HfO₂阻变层，上下电极为Cu、Pt，该器件的reset电流为10mA左右。在Xiaoli He等人的文献中，Superior TID Hardness in TiN/HfO2/TiN ReRAMs After Proton Radiation，采用了TiN/HfO₂/TiN的结构，阻变层为HfO₂单层结构，reset电流为1mA左右。本课题组的公开专利（CN102130295A），一种氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法，采用了单层的氧化钒为阻变层，专利中的reset电流约为40mA。

根据上述的文献，采用单层的金属氧化物作为阻变层，存在reset电流较大，功耗较大的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的技术问题，提供一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法，通过使用氮氧化铪和金属铪薄膜的叠层结构作为阻变层，可有效提高低阻态的电阻、降低器件的reset电流，从而降低器件的功耗。

本发明的技术方案

一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器及其制备方法，由氧化硅片衬底、Ti粘附层、下电极、阻变层和上电极依次叠加构成，其中阻变层为氮氧化铪薄膜和金属铪薄膜的叠层结构。

所述上、下电极材料为导电金属、金属合金和导电金属化合物，其中导电金属为Ta、Cu、Ag、W、Ni、Al或Pt；金属合金为Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al或Al/Zr；导电金属化合物为TiN或ITO。

一种基于氮氧化铪低功耗阻变存储器的制备方法，步骤如下：

1）以氧化硅片为衬底，所述氧化硅片是硅通过氧化后，表面存在SiO₂氧化层的硅片；

2）在氧化硅片上通过离子束溅射制备一层5nm厚的Ti粘附层；

3）在Ti粘附层上通过磁控溅射、离子束溅射或者电子束蒸发制备下电极；

4）在下电极上采用反应磁控溅射制备氮氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：以金属铪或氧化铪为溅射靶材，本底真空小于5×10^-4Pa、衬底温度为室温-500℃、工作压强0.1-4Pa、溅射功率为50-250W，反应气体为N₂、O₂、Ar；

5）在氮氧化铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发的工艺沉积金属铪薄膜；

6）在金属铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发的工艺沉积上电极；

7）将制备好的器件在真空腔室中进行热退火处理，退火工艺：退火真空小于5×10^-4Pa，退火温度200-1000℃，退火时间10min-2h，待温度降到室温取出样品。

所述氮氧化铪薄膜和铪金属薄膜的制备不限定先后次序。

所述上电极上通过PECVD的工艺沉积一层SiO₂作为保护层。

本发明的技术分析：