[发明专利]一种基于二氧化硅薄膜的低功耗阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种在室温下制备的、以低聚集密度的二氧化 硅薄膜为阻变层的低功耗阻变存储器及其制备方法。

背景技术

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，近年来得到了广泛 深入的研究。阻变存储器基本原理在于，阻变材料层的电阻在外加电压的激励下可在高阻态 (“OFF”状态)和低阻态(“ON”状态)之间实现可逆转换，从而实现数据存储功能。其中， 当施加在器件顶电极的电压从0V扫描到SET电压时，电阻会发生突变，从原来的高阻态转 变到低阻态。继续施加电压从负向扫描到RESET电压时，阻变存储器的阻值又会发生突变， 从低阻态回到高阻态，完成一个循环。SET电压、RESET电压和RESET电流决定着器件的 功耗。

阻变存储器的SET电压、RESET电压和RESET电流与所用阻变材料及材料制备工艺密 切相关，目前研究的阻变材料主要包括钙钛矿类氧化物、有机材料、硫族固态电解质材料、 过渡金属氧化物等。这些阻变材料虽然在特定制备工艺下都可具有较好的阻变特性，但是制 备工艺过程中常用的高温处理，增加了能耗，并给实际应用带来困难。而且其操作电压和操 作电流较高，从而使得器件的功耗也较高。

采用二氧化硅作为阻变材料，具有诸多优势。如二氧化硅介电常数较低，使得基于二氧 化硅的阻变存储器具有较高的读写速度；二氧化硅制备方法简单，可降低生产成本；二氧化 硅和传统CMOS工艺完全兼容，广泛用于各种集成电路的制备过程中。采用二氧化硅作为 阻变层的阻变存储器在国内外均有报道，虽然其阻变特性较好，但仍存在制备温度高、不利 于与其他工艺兼容以及功耗高的问题。ChristinaSchindler等人的文献，Bipolarandunipolar resistiveswitchinginCu-DopedSiO₂，为降低SET电压和RESET电流，通过在二氧化硅薄膜 中掺杂微量的Cu，以更利于导电细丝的形成和断开。该阻变存储器的SET电压约0.9V，RESET 电压约-0.15V，掺Cu的SiO₂薄膜需要在610℃制备。张丽杰等人的中国公开专利 (CN101562229A)，为降低阻变存储器的功耗，通过在二氧化硅中引入硅制备SiOx(0.5≤x ＜2)阻变薄膜，达到引入缺陷从而利于导电细丝在较低操作电压下形成、降低功耗的目的。 该阻变薄膜的制备温度约300℃，该器件的SET电压约1V。虽然这些制备的基于二氧化硅的 阻变存储器有较好的阻变特性，但是其阻变层制备温度高、阻变存储器操作电压高，仍存在 能耗高、制备工艺难以兼容以及功耗高的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种制备温度低、操作电压低的 基于二氧化硅薄膜为阻变层的低功耗阻变存储器及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于二氧化硅薄膜的低功耗阻变存储器，由衬底、Ti粘附层、底电极、阻变层和顶 电极依次叠加构成，所述阻变层为疏松结构的二氧化硅薄膜，

上述的阻变存储器，优选的，在20℃、1atm时，所述二氧化硅薄膜疏松结构的折射率为 1.28～1.36。聚集密度p(聚集密度是指薄膜中总空隙体积与薄膜总体积的比值)与薄膜折射 率n的关系为：

n＝pn_s+(1-p)n_v

其中n_s为薄膜固体部分的折射率，n_v是薄膜孔隙部分的折射率。由于孔隙的折射率通常 小于薄膜本体材料，所以聚集密度越大，薄膜就越致密，折射率也就较高；而聚集密度越小， 薄膜越疏松，折射率也就越低。因此，可通过薄膜折射率的大小来判断某种成分薄膜的微观 疏松程度。

上述的阻变存储器，优选的，所述二氧化硅薄膜的厚度为20nm～40nm。

上述的阻变存储器，优选的，所述衬底是硅通过氧化后表面生成SiO₂氧化层的硅片，其 中SiO₂氧化层的厚度为200nm～400nm；所述顶电极为点状金属Ag薄膜，厚度为50nm～ 200nm；所述底电极为Pt电极，厚度为100nm～300nm。