[发明专利]一种非易失性阻变存储器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体存储器技术领域，具体涉及一种非易失性阻变存储器件及其制备方法。

背景技术

目前，闪存芯片存储技术以高存储密度、低功耗、擦写次数快等优势占据了非挥发性存储芯片的垄断地位，但随着半导体工艺的不断发展，闪存芯片存储技术遇到了技术瓶颈。阻变存储器(RRAM)以其材料和结构简单、单元面积小、制备成本低、与传统CMOS工艺兼容、可缩微能力强，同时又有读写速度快、操作功耗低等优点，越来越受到业界的重视，成为下一代非挥发性存储器的有力竞争者。当然，RRAM离大规模实用化还存在一定的差距，针对产品应用，在器件性能调控、参数均匀性和可靠性等方面，还需要更深入的研究。

发明内容

本发明针对现有存储器难以大规模应用的不足，提供了一种非易失性阻变存储器件及其制备方法，其特征在于：

该阻变存储器件，包括底电极层铌掺杂钛酸锶NSTO、顶电极层Ta金属以及位于所述底电极和顶电极之间的阻变存储功能层，阻变存储功能层由在底电极上外延生长超薄CeO₂薄膜和一层二元金属氧化物HfO_x薄膜构成。所述底电极层铌掺杂钛酸锶NSTO同时为器件衬底。

上述阻变存储器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)NSTO基片清洗，并遮挡部分区域作为底电极；

(2)利用脉冲激光沉积技术在NSTO上外延生长一层超薄CeO₂薄膜，厚度为3～5nm，沉积工艺为：沉积前，腔室的真空度为1×10^-8Pa；沉积过程中激光脉冲频率1Hz，靶基间距为80mm，沉积过程中的真空度为3×10^-8Pa，衬底温度为800℃，激光烧蚀能量为1J·cm^-2；

(3)利用磁控溅射技术在CeO₂薄膜上沉积HfO_x薄膜，厚度为10nm～50nm，沉积工艺为：沉积前，腔室真空度为1×10^-5Pa；沉积过程中，腔室气压保持在2Pa，氧分压控制在5％，沉积温度25℃，沉积功率60W；

(4)使用掩膜版在HfO_x薄膜上形成顶电极图形；

(5)利用磁控溅射技术在HfO_x薄膜上沉积Ta金属电极层，厚度为10～500nm，沉积工艺为：沉积前，腔室真空度在2×10^-4Pa；沉积过程中，腔室气压保持在1Pa，沉积温度25℃，沉积功率60W。

(6)去除掩膜版，得到阻变存储器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO。

本发明的优点在于：

本发明的阻变存储器件存储功能层选用目前CMOS的主流材料HfO_x与一层超博外延单晶CeO₂薄膜共同作为阻变储存功能层材料，使得器件通过外延单晶CeO₂薄膜获得了高的电阻态，降低了器件功耗。同时，由于CeO₂薄膜层的调控，使得HfO_x薄膜基的阻变存储器件提高了转变一致性，获得了较高的工作稳定性。与现有阻变存储器件比较，该阻变存储器具有显著的技术优势，能适用于超大规模集成电路中的存储部件。

附图说明

图1为比较例阻变存储器件Ta/HfO_x/NSTO的结构示意图；

图2为非易失性阻变存储器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的结构示意图；

图3为比较例阻变存储器件Ta/HfO_x/NSTO器件的透射电子显微结构图；

图4为非易失性阻变存储器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的透射电子显微结构图；

图5为比较例阻变存储器件Ta/HfO_x/NSTO器件的阻变特性曲线；

图6为比较例阻变存储器件Ta/HfO_x/NSTO器件的电压-循环次数曲线；

图7为非易失性阻变存储器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的阻变特性曲线；

图8为非易失性阻变存储器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO电压-循环次数曲线；