一种碳氧化硅薄膜及阻变存储器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于碳氧化硅薄膜的阻变材料及阻变存储器。一种碳氧化硅薄膜阻变材料，其分子式为SiCxOy，其中x=1.21~0.21，y=1.45~2.01，且x、y为负相关；膜厚度在50nm以下。一种阻变存储器，包括顶电极、阻变介质层、衬底和背电极，其特征在于所述阻变介质层为上述碳氧化硅薄膜。所述顶电极可以采用Ag和Al等材料。本发明选用了COMS工艺兼容的材料来制备阻变存储器，制备过程主要采用了物理法沉积薄膜设备，无高温工艺，减少了能源的消耗。通过控制气体比例，可以得到不同缺陷浓度的碳氧化硅薄膜。对于SiC0.21O2.01材料，其开关比达到了500，完全能够满足实际需求（大于10即可），同时基于碳氧化硅材料的阻变存储器具有自整流效应，这对于简化外电路的设计具有重要意义。
【专利说明】
-种碳氧化括薄膜及阻变存储器
技术领域
[0001] 本发明属于超大规模集成电路技术领域，具体设及一种具有稳定阻变特性的碳氧 化娃薄膜，及利用了该薄膜的阻变存储器。
【背景技术】
[0002] 随着人们对非挥发性存储器的存储容量、速度、功耗、可靠性等性能不断提出要 求，基于传统浮栅结构的FLASH存储器由于尺寸无法继续减小，正面临着巨大的挑战。典型 的阻变存储器具有简单的"立明治结构"一一在两层金属电极之间夹一层阻变层，随着外加 电压的变化，阻变存储器能够在高阻态和低阻态之间切换，进而实现数据0和1存储的目的。 由于阻变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，使得其 具有成为下一代非挥发性存储器的潜力而受到学术界和工业界的广泛关注。
[0003] 目前，应用于阻变存储器的阻变材料主要集中在过度族金属氧化物[如中国申请 CN201110344168.0 ]、巧铁矿材料等。然而运些材料虽然表现出了优异的阻变特性，但是在 与传统COMS工艺的兼容上需要进行一定的调整。娃基薄膜作为一种低成本材料，具有与 COMS工艺完全兼容的特点。目前，已开发出具有优异阻变特性的娃基薄膜有氧化娃[J. Appl. Phys. 112，123702 (2012)]、氮化娃[Semicond. Sci. Technol. 25，065002 (2010)]、氮氧化娃[如中国专利申请〔肥01010223393.4和〔肥01010158789.5]、非晶娃。审。 备高质量娃基薄膜的方法主要是CVD，WSiOx为例。利用Si也和化0或Si化和C〇2作为反气体， 通过化学键的断裂和再组合，在衬底上沉积SiOJi膜。然而Si化作为一种剧毒、易爆炸的气 体，虽然是CV的去制备娃基薄膜必不可少的原料，但是存在很大的安全隐患。
[0004] 检索可知，基于磁控瓣射法制备的碳氧化娃的阻变存储器至今未有报道。利用磁 控瓣射法沉积大面积高质量的薄膜在工业上也是一项较为成熟的技术。通过引入渗杂气 体，射频反应瓣射碳化娃祀材制备碳氧化娃薄膜具有较高的可行性和安全性。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种基于碳氧化娃薄膜的阻变材料及阻变存储器。
[0006] 本发明的技术方案如下： 一种碳氧化娃薄膜阻变材料，其特征在于:其分子式为SiCxOy，其中X=I. 21~0.21，y= 1.45~2. Ol，且x、y为负相关;膜厚度在50nmW下。
[0007] -种阻变存储器，包括顶电极、阻变介质层、衬底和背电极，其特征在于所述阻变 介质层为上述碳氧化娃薄膜。
[000引所述顶电极可W采用Ag和Al等材料。
[0009]本发明所述的碳氧化娃薄膜，一般可采用磁控瓣射法制备来制备。分子式中的X和 y可通过X射线光电子能谱测薄膜组分计算得到，假设所制备的碳氧化娃薄膜原子总数为1， 娃为a，碳为b，氧为C，运里的x=b/a，y=c/a，a+b+c=l。通过生长薄膜时氧流量的控制，可控制 碳、氧相对于娃的比例，即控制x、y的数值，X是随氧流量增加而递减的，y是随氧流量增加而 递增的，因此它们之间有负相关的关系。
[0010] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 本发明选用了 COMS工艺兼容的材料来制备阻变存储器，制备过程主要采用了物理法沉 积薄膜设备，无高溫工艺，减少了能源的消耗。通过控制气体比例，可W得到不同缺陷浓度 的碳氧化娃薄膜。由于瓣射法制备的薄膜存在较多的缺陷态(例如悬挂键、空位、填隙原子 等），适量氧原子的引入能够减少薄膜内缺陷浓度(氧原子可与未成键的娃原子和碳原子成 键），而在此基础上增加氧含量将又会提高薄膜的缺陷浓度(增加了氧空位浓度），运有助于 优化该材料的阻变特性，得到较大的开关比。对于SiCo.2i化.01材料，其开关比达到了500,完 全能够满足实际需求(大于10即可），同时基于碳氧化娃材料的阻变存储器具有自整流效 应，运对于简化外电路的设计具有重要意义。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明实施例阻变存储器的截面结构示意图。
[001^ 图2为本发明实施例阻变介质层的化学式为SiCi.2101.45的阻变存储器的阻变特性 图。
[0013] 图3为本发明实施例阻变介质层的化学式为SiCl.21化.45的阻变存储器在室溫下的 抗疲劳特性图。
[0014] 图4为本发明实施例阻变介质层的化学式为SiCl.21化.45的阻变存储器在室溫下的 保持特性图。
[0015] 其中附图标记为:1-顶电极;2-阻变介质层;3-娃衬底;4-背电极。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步描述。
[0017]实施例一:器件制备 本发明阻变存储器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 例阻变存储器的制备过程。
[001引 1.首先对厚度为500皿的P型重渗杂的娃片（电阻率小于?紐3)利用IC工艺中 的RCA标准清洗法进行清洗。
[0019] 2.利用射频磁控反应瓣射纯度为99.5%的4H-SiC祀材，在室溫下制备出厚度约为 20nm的阻变介质层SiCxOy,其中义=1.21，7=1.45。参数:本底真空<1〇-4，工作气压=0.5化，氣 气流量=3〇sccm，射频频率=13.561化，射频功率=100￥，生长时间=1〇111111。
[0020] 3.利用金属掩模板定义顶电极的形状和尺寸(直径为1mm的圆形）。
[0021 ] 4.利用热蒸发锻膜法或者其他PVD制备厚度约为400nm的Ag顶电极和300nm的Al背 电极。
[0022] 本实施例制得的阻变存储器Ag^iCi.2i0i.4s/p+-Si的阻变特性测试结果如图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。
[0023] 实施例二:器件检测 本实施例测试实施例一制得的阻变存储器的阻变特性，测试结果如图2、图3和图4所 示，图3中，横坐标代表擦写次数，纵坐标代表电阻，单位欧姆，5代表高阻态曲线，6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，5代表高阻态曲 线，6代表低阻态曲线。
[0024] 由图2可知，随着直流扫描电压的循环，器件Ag/SiCi.2i0i.45/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。
[0025] 由图3和图4可知，在室溫下，读取电压为1.2V，器件Ag/SiCi.2i0i.45/p+-Si能够经受 住500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1000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。由此体现了运是一种很有 潜力成为下一代非挥发性存储器的候选者。
[0026] 实施例立:器件制备 本实施例采用和实施例一相同的方法制备阻变存储器，制备的器件具有和实施例一相 同的结构，区别在于，氣气流量=29.9sccm，氧气流量=0.1 sccm，使得本实施例的阻变介质层 SiCxOy的X: y=0.72:1.76。对制备的器件进行实施例二所述的阻变特性测试发现，器件能很 好地满足需求。
[0027] 实施例四：器件制备 本实施例采用和实施例一相同的方法制备阻变存储器，制备的器件具有和实施例一相 同的结构，区别在于，氣气流量=29.4sccm，氧气流量=0.6sccm，使得本实施例的阻变介质层 SiCxOy的x:y=0.21:2.01。对制备的器件进行实施例二所述的阻变特性测试发现，器件能很 好地满足需求。
[0028] W上通过实施例描述了本发明所提供的碳氧化娃阻变存储器及其制备方法，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W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，例如顶电极上沉积一层保护性金属薄膜。
【主权项】
1. 一种碳氧化娃薄膜阻变材料，其特征在于:其分子式为SiCxO,，其中x=l .21~0.21，y= 1.45~2.01，且x、y为负相关;膜厚度在50nm以下。2. -种阻变存储器，包括顶电极、阻变介质层、衬底和背电极，其特征在于所述阻变介 质层为上述碳氧化硅薄膜。3. 按照权利要求2所述的一种阻变存储器，其特征在于:所述顶电极可以采用Ag和A1等 材料。
【文档编号】H01L45/00GK105977379SQ201610325908
【公开日】2016年9月28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