[发明专利]一种制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法

说明书

本发明公开了一种制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，包括以下步骤：1)选用低阻的P型硅作为基片，对基片进行清洗和干燥处理；2)通过直流反应磁控溅射法在步骤1)所得基片上沉积TaOx阻变层；3)在步骤2)所得TaOx阻变层上通过磁控溅射法沉积Ag电极，得到存储器基体；4)对步骤3)所得到的存储器基体进行退火处理提高TaOx阻变层的含氧量及改善其结晶程度，得到高开关比TaOx阻变随机存储器。本发明通过直流反应磁控溅射结合氧气退火的方式获得TaOx阻变层，在施加偏压测试时，能够使阻变随机存储器的漏电电流显著减小，开关比显著提升，不易发生永久性击穿，循环周次增加。

技术领域

本发明属于半导体阻变随机存储器领域，具体涉及一种制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，旨在提高TaOx材料的阻变性能，减小漏电电流，显著提升开关比。

背景技术

随着半导体技术节点的不断推进，传统的非易失性存储器已达到尺寸极限。阻变随机存储器由于其具有结构简单、擦写速度快、能耗低以及微缩化前景可观等优点，成为近十多年来学术界和工业界广泛关注的一类存储器。作为半导体阻变随机存储器，最基本的要求有四个：其一、尽可能小的读/写电压，一般控制在3V以内；其二、3.ROFF/RON一般要求至少达到10以上，以简化外围放大电路；其三、RRAM的器件寿命期望可以达到1012周期甚至更长久；其四、数据保持时间一般要求达到10年甚至更久。

TaOx作为阻变介质层具有良好的综合性能，但TaOx属于过渡金属氧化物，在沉积过程中极易生成非化学计量比的氧化物，导致器件的电阻衰退，漏电流增大，开关比下降，进一步可能导致阻变过程中的永久性击穿。因此，如何减小阻变存储器的漏电电流，增大其开关比，成为制约过渡金属氧化物阻变存储器进一步研究的一大难题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种制备高开关比TaOx阻变随机存储器的方法，通过直流反应磁控溅射结合氧气退火的方式获得TaOx阻变层，能够使阻变随机存储器的漏电电流显著减小，开关比显著提升，不易发生永久性击穿，循环周次增加。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为包括以下步骤：

1)选用低阻的P型硅作为基片，对基片进行清洗和干燥处理；

2)通过直流反应磁控溅射法在步骤1)所得基片上沉积TaOx阻变层；

3)在步骤2)所得TaOx阻变层上通过磁控溅射法沉积Ag电极，得到存储器基体；

4)对步骤3)所得到的存储器基体进行退火处理提高TaOx阻变层的含氧量及改善其结晶程度，得到高开关比TaOx阻变随机存储器。

所述的步骤1)中P型硅的电阻率为0.004Ω·cm～0.005Ω·cm，P型硅表面设有2nm的自然氧化层。清洗处理为依次在乙醇、丙酮溶液中超声振荡15min，干燥处理在N₂氛围下进行。

直流反应磁控溅射法中的溅射腔体温度为25℃，本底真空优于5×10^-4Pa，采用纯度均为99.999％的氩气和氧气制成混合气体，氧气所占比例为25％～75％，将纯度为99.99％的金属Ta靶与混合气体反应溅射，溅射气压为0.3Pa～0.5Pa；Ta靶溅射功率为150W～200W。

步骤2)中所述TaOx阻变层的沉积时间为800秒～2500秒，沉积厚度为20nm～50nm。

步骤3)所述Ag电极的沉积功率为80W，沉积偏压为80V。所述的Ag电极为圆柱状上电极，直径为300mm，厚度为200nm；模板为Al₂O₃或AlN材质。

所述的步骤4)对步骤3)所得到的存储器基体在O₂氛围下进行退火处理，退火温度为400℃～800℃，升温速率为20℃/min，保温时间为30min，随炉冷却。