一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功 耗阻变存储器。 技术背景
[0002] 阻变存储器由于具有较快的擦写速度、较长的保持时间、有多值存储的潜力以及 优越的可缩小性，最近几年来受到了研宄人员的广泛关注。随着阻变机理不断提出、新型结 构改进设计、新型材料逐渐应用，研宄人员正在追求更快的读写速度、更高的集成密度、更 长的保持时间，使阻变存储器能在各项参数上超过FLASH存储器，进而取代FLASH存储器。
[0003] 阻变存储器的结构为简单的金属-绝缘层-金属（MM)结构，即上下电极以及中 间的阻变层的三明治结构，大多数阻变层为单层结构。近几年来，研宄人员逐渐认识到双层 结构的优势，开始提出了一些叠层阻变结构，并且器件的性能得到了一定改善。2008年台 湾的电子与光电研宄所所发表的文献中（Low Power and High Speed Bipolar Switching with A Thin Reactive Ti Buffer Layer in Robust HfO2Based RRAM)，H.Y. Lee 等人米 用HfOx/Ti叠层结构，获得了较低的操作电流（25 μ A)和较高疲劳特性（IO6次循环）的特 性。2013年台湾交通大学发表的文献中（Bipolar Ni/Ti02/Hf02/Ni RRAM With Multilevel States and Self-Rectifying Characteristics)，Chung_Wei Hsu等人米用 Ni/Ti02/Hf02/ Ni叠层结构，获得了稳定的双极阻变特性。该结构上下电极均采用Ni电极，附/1102和 Hf02/Ni均形成肖特基接触，是一种对称结构。采用不同的RESET (复位）操作电压，其对应 的RESET操作电流分别为1 μ A、100nA、10nA，SET (置位）操作电流在ImA左右。SET电压 在-6V到-8V之间，RESET电压在4V到6V。以上两篇文献中虽然获得了较低的操作电流， 但仍存在着一些问题：当操作电流较小时操作电压较大，或者操作电压小时操作电流较大， 即较小的SET电压、SET电流，RESET电压、RESET电流不能同时具备。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对上述存在问题，提供了一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的 低功耗阻变存储器，结构为Ni/Hf0 2/Ti02/TiN，是非对称的电极材料，Ni/Hf02界面形成较 高的肖特基势皇，Ti0 2/TiN界面形成较低的肖特基势皇，有利于SET过程的电子注入，利 于SET过程的发生，因此该结构有更低的操作电压（SET操作电压2V-3V，RESET操作电压 为-3V)和操作电流（SET操作电流100nA，RESET操作电流20nA)，以及较好的疲劳特性，而 且有很好的一致性和重复性。这些优良的特性有利于高密度的集成和以后的工业应用。
[0005] 本发明的技术方案：
[0006] 一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器，由上电极Ni、阻变层氧 化铪/氧化钛叠层和下电极TiN构成，氧化铪的成分为HfOx，其中l〈x〈2,氧化铪介质层的 厚度为5-100nm ;氧化钛的成分为TiO2，氧化钛介质层厚度为3-15nm。
[0007] -种所述基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器的制备方法，步骤如 下：
[0008] 1)以Si片为衬底，利用热氧化的方法制备SiO2*缘层；
[0009] 2)在SiO2绝缘层上利用磁控溅射的方法制备TiN下电极，溅射工艺条件为：本底 真空小于l(T 4Pa、工作压强为0. l-2Pa、氮分压为5-20%、直流溅射功率为50-150W ;
[0010] 3)在TiN下电极上采用离子束溅射或电子束蒸发的方法制备一层Ti ;
[0011] 4)在氧气氛围下快速热处理（RTP)，使Ti热氧化为TiO2，工艺条件为：氧气流量 l-2L/min、温度 200-500°C、热氧化时间 60-300s ;
[0012] 5)在TiO2上采用射频溅射法沉积氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：本底真空小于 101^、工作压强0.1-2? &、氧分压为5-30%、溅射功率为50-2501;
[0013] 6)在氧化铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发工艺制备镍上电极。
[0014] 本发明的技术分析：
[0015] 该阻变存储器结构为Ni/Hf02/Ti02/TiN，存在两个肖特基势皇界面，Ni/Hf0 2界面 实现了电阻的转换，TiO/TiN界面是较低的肖特基势皇界面。相比于传统的单层结构，性能 更优，有更好的一致性和超低的操作电流；相较于插入Ti的叠层结构有更低的操作电流、 更好的一致性。相对于两端均使用Ni电极的结构，由于其TiNztiO 2界面有更低的肖特基 势皇，有利于SET过程的电子注入，因此有更低的SET操作电压以及RESET操作电压，有效 地降低了功耗。
[0016] 本发明的优点：
[0017] 该阻变存储器采用氧化铪/氧化钛叠层结构，有较高的一致性和重复性以及较低 的操作电压和操作电流，SET操作电压2V-3V，RESET操作电压为-3V，SET操作电流ΙΟΟηΑ， RESET操作电流20nA，有利于高密度集成以及工业应用。
【附图说明】
[0018] 图1为该阻变存储器结构示意图。
[0019] 图中：1.下电极2.氧化钛介质层3.氧化铪介质层4.上电极
[0020] 图2为该阻变存储器电学特性曲线。
[0021] 图3为该阻变存储器的耐受性（endurance)曲线。
【具体实施方式】
[0022] 实施例：
[0023] 一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器，如图1所示，由上电极 4Ni4、氧化铪介质层3、氧化钛叠层2和下电极ITiN构成，氧化铪的成分为HfO x，其中X = 1. 9,氧化铪介质层3的厚度为IOnm ;氧化钛介质层2厚度为6nm，下电，1为TiN、厚度为 200nm，上电极4为Ni、厚度为200nm。
[0024] 该阻变存储器的制备方法，步骤如下：
[0025] 1)以Si片为衬底，使用氧化扩散炉，通过热氧化的方法在硅衬底上制备SiO2绝缘 层；
[0026] 2)在SiO2绝缘层上利用磁控溅射的方法制备一层200nm厚的TiN下电极，溅射 工艺条件为：本底真空为3X l(T4Pa、工作压强为0. 5Pa、氮分压为10%、直流溅射功率为 IOOff ；
[0027] 3)采用电子束蒸发的方法在TiN电极上沉积6nm厚的Ti ;
[0028] 4)热氧化Ti薄膜制备TiCV薄膜。在氧气氛围下，氧气流量2L/min，温度300°C 进行RTP 120秒，制成1102介质层；
[0029] 5)在1102介质层上采用射频溅射法沉积厚度为IOnm氧化铪薄膜，溅射工艺条件 为：祀材为(p6〇mm氧化铪陶瓷靶材，靶基距为6. 5cm，本底真空为3Xl(T4Pa、衬底温度为 27 °C、工作压强0. 5Pa、氧分压为20 %、溅射功率为100W ;
[0030] 6)在氧化铪薄膜上采用电子束蒸发法沉积厚度为200nm的镍上电极。
[0031] 图2为该阻变存储器电学特性曲线，图中表明：该器件的RESET操作电流约为 20nA，实现了低功耗。
[0032] 图3为该阻变存储器的耐受性曲线，图中表明：该器件在低功耗的操作条件下可 以有效翻转，有很好的耐受性。
【主权项】
1. 一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器，其特征在于：由上电极Ni、 阻变层氧化铪/氧化钛叠层和下电极TiN构成，氧化铪的成分为HfOx，其中l〈x〈2,氧化铪 介质层的厚度为5-100nm;氧化钛的成分为TiO2，氧化钛介质层厚度为3-15nm。
2. -种如权利要求1所述基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器的制备方 法，其特征在于步骤如下： 1) 以Si片为衬底，利用热氧化的方法制备SiO2*缘层； 2) 在SiO2绝缘层上利用磁控溅射的方法制备TiN下电极，溅射工艺条件为：本底真空 小于l(T4Pa、工作压强为0.l-2Pa、氮分压为5-20%、直流溅射功率为50-150W; 3) 在TiN下电极上采用离子束溅射或电子束蒸发的方法制备一层Ti; 4) 在氧气氛围下快速热处理（RTP)，使Ti热氧化为TiO2，工艺条件为：氧气流量1-2L/ min、温度200-500°C、热氧化时间60-300S; 5) 在TiO2上采用射频溅射法沉积氧化铪薄膜，溅射工艺条件为：本底真空小于l(T4Pa、 工作压强0.1-2?&、氧分压为5-30%、溅射功率为50-2501; 6) 在氧化铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发工艺制备镍上电极。
【专利摘要】一种基于氧化铪/氧化钛叠层结构的低功耗阻变存储器，由上电极Ni、阻变层氧化铪/氧化钛叠层和下电极TiN构成，氧化铪的成分为HfOx，其中1<x<2，氧化铪介质层的厚度为5-100nm；氧化钛的成分为TiO2，氧化钛介质层厚度为3-15nm。本发明的优点是：该阻变存储器采用氧化铪/氧化钛叠层结构，有较高的一致性和重复性以及较低的操作电压和操作电流，SET操作电压2V-3V，RESET操作电压为-3V，SET操作电流100nA，RESET操作电流20nA，有利于高密度集成以及工业应用。
【IPC分类】H01L45-00
【公开号】CN104795492
【申请号】CN201510183916
【发明人】张楷亮, 张宏智, 王芳, 鉴肖川, 赵金石, 程文可
【申请人】天津理工大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月17日