具有稳定阈值电阻转变特性的材料以及动态随机存储器件的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种具有稳定阈值电阻转变特性的材料，其为具有非晶硅或纳米晶硅颗粒嵌入的氧化硅薄膜，膜的厚度为30?80nm。一种动态随机存储器件，包括顶电极、阻变介质层、衬底和背电极，该阻变介质层为上述具有非晶硅或纳米晶硅颗粒嵌入的氧化硅薄膜。所述顶电极可以采用Cu为材料。本发明选用了COMS工艺兼容的技术来制备动态随机存储器件，制备过程主要采用了物理法沉积薄膜设备和退火设备。通过控制靶材二氧化硅和硅片的表面积比、生长时间、生长气压、电源功率、退火温度和时间等参数，达到人为控制纳米颗粒嵌入的氧化硅薄膜状态的目的，从而得到具有较低的转变电压和转变电流的器件。
【专利说明】
具有稳定阈值电阻转变特性的材料以及动态随机存储器件
技术领域
[0001] 本发明涉及一种具有稳定阈值电阻转变特性的材料及低功耗动态随机存储器件 的制备方法，且更具体而言，涉及一种低功耗、基于非晶硅或纳米晶硅颗粒嵌入的氧化硅薄 膜的动态随机存储器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 电阻转变行为可分为记忆电阻转变行为(Memory Switching)和阈值电阻转变行 为(Threshold Switching)。两者的区别于，当撤销外加电场的时候，记忆电阻转变行为能 够将代表"〇"和"Γ的高阻态和低阻态保持下来，而阈值电阻转变行为则不具有此能力。具 体而言，当外加电场施加在具有阈值电阻转变行为的器件上时，电压从0向正偏压扫描时， 当电压大于V SET，器件将发生从高阻态向低阻态的转变;电压从正偏压向0扫描时，当电压小 于VRESET时，器件将发生从低阻态向高阻态转变。因此，记忆电阻转变行为可应用于阻变存储 器，作为下一代非挥发性存储器的候选者;而阈值电阻转变行为可应用于动态随机存储器。
[0003] 在这个人们对存储器的容量、速度、功耗等性能不断提出要求的时候，不管是非挥 发性存储器还是挥发性存储器，包括动态随机存储器(DRAM)，基于电容内存电荷多寡的原 理的存储器，由于特征尺寸的不断减小，电容内将无法保存数量为几个的电荷，因此传统存 储器正面临着巨大的挑战。基于阈值电阻转变行为的存储器具有结构简单、存储密度高、读 写速度快、功耗低、集成度高等特点，与阻变存储器具有类似的优点，使得其具有成为挥发 性存储器的潜力。
[0004] 目前，阈值电阻转变行为只有为数不多的几篇报道[Phys. Rev. Lett. 102， 026801(2009); Appl. Phys. Lett. 85, 5655(2004); Appl. Phys. A 111, 1065 (2013); Adv.Funct.Mater. 24，5679(2014)]，阈值电阻转变材料集中在过渡族金属氧化 物，例如NiO，Ta205等，在与传统C0MS工艺在兼容性上需要进行一定的调整。
[0005] 检索可知，基于磁控溅射法和退火工艺形成非晶硅或纳米晶硅嵌入的氧化硅薄膜 的阈值电阻转变行为至今未有报道。采用与传统C0MS工艺完全兼容的物理气相沉积法和退 火工艺来制备存储器件，表现出了优异的阈值电阻转变特性和极低的功耗，转变电压在 0.04-0.17V之间，电流小于10- 6Α，具有较高的应用价值和可行性。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种基于非晶硅或纳米晶硅颗粒嵌入的氧化硅薄膜的电阻转变材 料及低功耗动态随机存储器件的制备方法。
[0007] 本发明的技术方案如下： 一种具有稳定阈值电阻转变特性的材料，其特征在于，其为具有非晶硅或纳米晶硅颗 粒嵌入的氧化娃薄膜，膜的厚度为30-80nm。
[0008] -种动态随机存储器件，包括顶电极、阻变介质层、衬底和背电极，其特征在于该 阻变介质层为上述具有非晶硅或纳米晶硅颗粒嵌入的氧化硅薄膜。
[0009] 所述顶电极可以采用Cu为材料。
[0010] 本发明所述的碳氧化硅薄膜，一般可采用磁控溅射法来制备，从而在氧化硅薄膜 中嵌入非晶硅或纳米晶硅颗粒。
[0011] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 本发明选用了 C0MS工艺兼容的技术来制备动态随机存储器件，制备过程主要采用了物 理法沉积薄膜设备和退火设备。通过控制靶材二氧化硅和硅片的表面积比、生长时间、生长 气压、电源功率、退火温度和时间等参数，达到人为控制纳米颗粒嵌入的氧化硅薄膜状态的 目的，从而得到具有较低的转变电压和转变电流的器件。本发明以厚度为39nm、80(TC下退 火1小时的富硅的氧化硅薄膜为例，写入电压约为0.17V，擦除电压约为0.04V，在无限制电 流的情况下，高阻态的电流在1 0-8Α量级，低阻态的电流在1 0-7Α量级。与传统的DRAM单元的 工作电压为1〇吟量级，工作电流在mA量级相比，上述器件的工作电压约为传统DRAM单元的 ΠΓ1，电流约为传统DRAM的10-4。显然，基于上述实施例薄膜的动态随机存储器件功率仅为 传统DRAM单元的十万分之一，这证明非晶硅或纳米晶硅颗粒嵌入的氧化硅薄膜在低功耗动 态随机存储器具有较大的应用前景。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明实施例动态随机存储器件的截面结构示意图。
[0013] 图2为本发明实施例厚度为39nm，800°C退火1小时处理的阻变介质层的阻变特性 图。
[0014] 图3为本发明实施例厚度为39nm，800°C退火1小时处理的阻变介质层在室温下的 抗疲劳特性图。
[0015] 图4为本发明实施例厚度为39nm，800°C退火1小时的阻变介质层在室温下的保持 特性图。
[0016] 其中附图标记为:1_顶电极;2-阻变介质层;3-硅衬底;4-背电极。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步描述。
[0018]实施例一:器件制备 本发明动态随机存储器器件的截面结构示意图如图1所示，下面结合截面结构示意图 阐述本实例动态随机存储器器件的制备过程。
[0019] 1.首先对P型重掺杂的硅片（电阻率小于OJO'i} :m)利用1C工艺中的RCA标准清洗 法进行清洗。
[0020] 2.利用射频磁控溅射在300 °C下沉积厚度约为39nm的富硅的氧化硅薄膜。参数:工 作气压=〇. 5Pa，功率=1001
[0021] 3.利用管式炉在氩气氛保护下800°C退火1小时。
[0022] 4.利用金属掩模板或光刻工艺定义顶电极的形状和尺寸。
[0023] 5.利用热蒸发镀膜法或者其他PVD制备适当厚度的Cu顶电极和A1背电极。
[0024]本实施例制得的动态随机存储器器件Cu/Si rich Si0x/p+-Si的电学特性测试结 果如图2所示，图2中横坐标代表电压，单位伏特，纵坐标代表电流，单位安培，图中曲线A-高 阻态向低阻态转变过程;B-低阻态向高阻态转变过程;C-高阻态向低阻态转变过程;D-低阻 态向高阻态转变过程。
[0025] 实施例二:器件检测 本实施例测试实施例一制得的动态随机存储器器件的电学特性，测试结果如图2、图3 和图4所示，图3中，横坐标代表扫描次数，纵坐标代表电阻，单位欧姆，E代表高阻态曲线，F 代表低阻态曲线；图4中，横坐标代表保留时间，单位秒，纵坐标代表电阻，单位欧姆，E代表 高阻态曲线，F代表低阻态曲线。
[0026] 由图2可知，随着直流扫描电压的循环，器件Ag/Si rich Si0x/p+-Si的阻值会发生 高阻态和低阻态的转变，体现了数据0和1的存储。当外加电压为0时，器件只有一种状 态一一高阻态，即在无外加电压的情况下，器件无法保存数据。
[0027]由图3和图4可知，在室温下，读取电压为0.1V，器件Ag/Si rich Si0x/p+-Si能够经 受住100次循环而高低阻态不发生明显退化，体现良好的抗疲劳特性。同时在10000秒的时 间里，器件的高低阻态基本保持不变，显示了器件良好的保持特性。
[0028] 实施例三:器件制备 本实施例采用和实施例一相同的方法制备动态随机存储器件，制备的器件具有和实施 例一相同的结构，区别在于，本实施例的阻变介质层，厚度为39nm，分别在400、600°C下退火 1个小时。对制备的器件进行实施例二所述的电学特性测试发现，所有器件均能很好地满足 需求。
[0029] 以上通过实施例描述了本发明所提供的非晶硅或纳米晶硅嵌入的氧化硅薄膜及 其制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做 一定的变换、修改和改进;不限于实施例中所公开的内容，例如在1000 °c下退火处理。
【主权项】
1. 一种具有稳定阈值电阻转变特性的材料，其特征在于，其为具有非晶硅或纳米晶硅 颗粒嵌入的氧化硅薄膜，膜的厚度为30-80nm。2. -种动态随机存储器件，包括顶电极、阻变介质层、衬底和背电极，其特征在于该阻 变介质层为上述具有非晶硅或纳米晶硅颗粒嵌入的氧化硅薄膜。3. 按照权利要求2所述的一种动态随机存储器件，其特征在于:所述顶电极可以采用Cu 为材料。
【文档编号】C01B33/02GK105932154SQ201610325231
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】黄仕华, 陈达
【申请人】浙江师范大学