[发明专利]一种低功耗氮化硅隧穿结阻变存储器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种低功耗氮化硅隧穿结阻变存储器，属于非挥发性存储器技术领域。该存储器的特征在于：氮化硅隧穿结阻变层由富氮的氮化硅阻变层作为中间层，上下两层为相同化学配比的富硅氮化硅薄膜，阻变层上表面的条形电极和下表面的条形电极互相垂直；本发明与当前的微电子工艺技术相兼容，通过含氢富氮氮化硅薄膜的化学配比调控，从而调节构成隧穿结阻变存储器的隧穿层势垒高度，控制穿过隧穿层的电流，进而达到调控工作电流，实现超低功率，使氮化硅隧穿结阻变存储器可切实应用于未来的硅基纳米存储器件中。

技术领域

本发明涉及一种兼具低工作电压和电流的氮化硅隧穿结阻变存储器的制备方法，属于非挥发性存储器技术领域。

背景技术

新一代闪存器件的迅猛发展为信息社会提供了重要的硬件基础，随着存储密度的不断提高和器件尺寸的不断缩小，传统的半导体存储器DRAM和Flash都已经接近其物理极限，进一步的缩小将面临很多技术难题。而阻变存储技术作为一种基于物理状态改变的全新存储技术，不会遇到电荷泄漏等问题。其次，其存储单元结构简单，特征尺寸小，因此具有非常好的可缩小性和高集成度，成为目前最有希望替代传统存储器的候选者之一。虽然阻变存储技术有着众多优势，但可以实用化的阻变存储器产品却迟迟没有面市。目前限制阻变存储器进一步发展的一个主要问题是：阻变存储器的阻变通道在电场作用下通常是随机分布的，因此阻变在擦除和写入时，当器件缩小到10纳米以下时，金属连线的电阻将增加到几个千欧，此时如果器件的电阻不够高，则操作电压将会有很大一部分落在金属连线上，从而使得器件的操作失效。因此无论是从节约能量、减小发热的角度考虑，还是从器件缩小后操作的有效性考虑，研究如何获得超低功耗的阻变器件都具有着极其重要的意义。

近年来国际上研究小组在氮化硅阻变存储器方面取得较快的研究进展，针对如何有效的降低氮化硅阻变存储器的功耗进行了深入研究^(1-2)，但是氮化硅基阻变存储器的工作电流范围在1微安和毫安量级，如何进一步降低氮硅阻变存储器的功耗成为了当前阻变存储器领域中的研究热点。

1.Sung.jun Kim，and Byung-Gook Park，Journal of Alloys and Compounds651(2015)340；

2.Sung.jun Kim，Sunghun Jung，Min-Hwi Kim，Tae-Hyeon Kim，Suhyun Bang，Seongjae Cho and Byung-Gook Park，Nanotechnology 28(2017)125207；

发明内容

本发明的目的在于：提出一种超低功耗氮化硅隧穿结阻变存储器，同时还给出其制备方法，从而满足微电子科学技术发展对降低非挥发性存储器件功耗的需求。同时给出其制备方法，该方法与当前的微电子工艺相兼容，从而可以切实应用于未来的硅基纳米电子学器件。

为了达到以上目的，本发明的技术方案特征在于：包括附着在氧化单晶硅衬底上的下电极，氮化硅隧穿结阻变层，以及分别附着在阻变层上表面的上电极；氮化硅隧穿结阻变层的中间一层为富氮的氮化硅层；上下两层为化学配比相同的富硅氮化硅薄膜，通过调节硅烷和氨气的流量来调控富氮氮化硅薄膜隧穿层化学配比，从而实现隧穿势垒的调节，实现对工作电流的大小的控制。

本发明的氮化硅隧穿结阻变层中，中间层为富氮的氮化硅层，其化学配比可通过硅烷和氨气的流量比进行调控，中间富氮的氮化硅的势垒较高；上下两层富硅氮化硅在生长的过程中通过硅烷和氨气分解获得，由于硅含量较高在电场作用下形成硅悬挂键，为电荷输运提供陷阱中心，而中间的富氮氮化硅由于其势垒较高，可以阻挡两边的电荷输运层中的电流，从而实现工作电流的控制。正是通过在电荷输运层中加入富氮的氮化硅隧穿层，形成一个隧穿结，从而可以降低器件的操作电流，从而实现超低功耗。