一种低SET和RESET瞬时功率的阻变存储器及其制备方法与流程

一种低set和reset瞬时功率的阻变存储器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体微电子器件领域，本发明涉及一种低set和reset瞬时功率的阻变存储器及其制备方法，具体地提出一种结构为tin/taon/sio2/pt的阻变存储器并涉及其制备方法。


背景技术：

2.在20世纪60年代，simmons等人发现了在siox材料中存在着电阻急剧变化的现象。2000年，liu等人报道了在脉冲刺激下一种金属材料薄膜制备的器件表现出优良的电阻转变特性，随后越来越多的人开始对阻变存储器展开研究，这里面不乏有众多如三星、ibm、东芝大型半导体电子设计公司。阻变存储器是利用薄膜材料外加电压条件下薄膜电阻处于不同电阻状态——高阻态(hrs)和低阻态(lrs)之间的互相转换来实现数据存储的。由于不同的高低组态外在表现来表示逻辑“1”和逻辑“0”，从而实现数据存储，阻变存储器的高阻态(hrs)和低组态(lrs)能够在切断电源后长时间保持这便是阻变存储器能够成为非挥发性存储器的重要性质之一。
3.阻变存储器由高阻态(hrs)转变到低阻态(lrs)的这个过程被称为set过程，也可以叫置位过程。由低组态转变到高阻态被称为reset过程，也可以叫复位过程。制备完成后下，呈现出比较高的电阻，这时候需要一个初始电压让其处于lrs状态，这一过程叫做forming过程。常见的阻变存储器的结构为“三明治”结构(mim)——即上下电极为金属，中间层亦成为阻变层为绝缘体。
4.阻变存储器具有单元尺寸小、读写速度快、编程电压低、功耗低、和cmos制备工艺兼容、器件结构简单等优点，是未来最有前景的新型存储器之一。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，提供一种低set和reset瞬时功率的阻变存储器及其制备方法。
6.本发明的方案是：
7.一种低set和reset瞬时功率的阻变存储器，包括依次层叠设置的衬底层(si/sio2)、粘附层(ti)、底电极层(pt)、限流层(sio2)、阻变层(taon)和上电极层(tin)。
8.优选地，粘附层厚度为底电极层(pt)厚度为限流层厚度为阻变层(taon)厚度为上电极层(tin)厚度为
9.优选地，所述衬底层材质为si/sio2导体衬底，粘附层材质为ti，底电极层材质为pt，限流层的材质为sio2；阻变层材质为taon，上电极层材质为tin。
10.所述的低set和reset瞬时功率的阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：
11.s1、备片：准备硅片，清洗硅片洗去浮尘；
12.s2、硫酸清洗后制备sio2半导体衬底：对硅片表面热氧化工艺生长衬底层；
13.s3、制备粘附层：磁控溅射金属ti，作为粘附层连接sio2半导体衬底和底电极pt；
14.s4、制备底电极：磁控溅射金属pt作为sio2/taon双层阻变存储器的底电极；
15.s5、pecvd制备限流层；
16.s6、制备阻变层：采用磁控-rf溅射taon，；
17.s7、磁控溅射tin，通入气体ar、n2；
18.s8、ame刻蚀，刻蚀气体为cl2，形成连接底电极引出孔；
19.s9、光刻剥离，形成分立的阻变储存器器件。
20.优选地，所述步骤s3磁控-rf溅射的条件为：本底真空不大于3.2
×
10-4
pa，工作压强不大于0.5pa,溅射功率50w～100w；
21.所述步骤s4磁控-rf溅射的条件为：本底真空不大于3.2
×
10-4
pa，工作压强不大于2.4pa。
22.优选地，所述步骤s6磁控-rf溅射的条件为：通入惰性气体ar、o2、n2，ar、o2、n2的体积比为40：(1.5-10)：20，3mtorr～10mtorr，溅射功率50w～100w，靶材采用ta2o5。
23.优选地，所述步骤s7磁控-rf溅射的条件为：通入气体ar和n2的比例为(16-20):2，本底真空不大于3.2
×
10-4
pa，工作压强不大于2.4pa，反应气体n2流量20sccm～25sccm，靶材为ti。
24.本发明有益效果：
25.1、提出了tin/taon/sio2/pt结构的低set、reset瞬时功率的阻变存储器2、将pecvd制备的sio2作为限流层，防止阻变层形成厚的导电丝，阻止产生大电流。pecvd制备的sio2含有较多的缺陷，电子可被注入sio2薄膜内，sio2薄膜中的缺陷可作为陷阱俘获电子，随着外加电场逐渐增强，这些被陷阱俘获的电子跃迁参与传导。
26.3、tin/taon/sio2/pt阻变器件在100次直流扫描下，图线的重合性比较好，说明阻变器件的均一性比较好，器件展示了良好的阻变过程，并没有发生退化。并且阻变器件没有进行forming过程，就表现出了双极性阻变特性且可以稳定的进行翻转。
附图说明
27.图1本发明阻变存储器结构示意图；
28.图2本发明tin/taon/sio2/pt阻变存储器的制备流程图；
29.图3实施例1制备的tin/taon/sio2/pt阻变存储器的dc测试结果；
30.图4为实施例2制备的阻变存储器的dc测试结果；
31.图5为实施例3制备的阻变存储器的dc测试结果；
32.图6为实施例3制备的阻变存储器lrs统计分布；
33.图7为实施例3制备的阻变存储器hrs统计分布。
具体实施方式
34.下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
35.实施例1
36.如图1，一种低set和reset瞬时功率的阻变存储器，包括依次层叠设置的衬底层(sio2)、粘附层(ti)、底电极层(pt)、限流层(sio2)、阻变层(taon)和上电极层(tin)。
37.所述的低set和reset瞬时功率的阻变存储器的制备方法，
38.1、备片：准备n(100)晶向4寸硅片，清洗硅片洗去浮尘；
39.2、硫酸常温清洗后制备sio2半导体衬底：对4寸硅片表面热氧化工艺生长
40.3、制备粘附层：磁控溅射金属ti，作为粘附层连接sio2半导体衬底和底电极pt，本底真空3.2
×
10-4
pa，工作压强0.5pa，溅射功率100w；
41.4、制备底电极：磁控溅射的金属pt作为sio2/taon双层阻变存储器的底电极(be)，本底真空3.2
×
10-4
pa，工作压强2.4pa,；
42.5、采用sih4和n2o利用pecvd工艺制备sio243.6、制备阻变层：采用物理气相沉积射频溅射taon通入惰性气体ar、o2、n2，6mtorr，ar、o2、n2的体积比为40：6：20，氧分压比例18％，溅射功率100w，靶材采用为φ60
×
3mm陶瓷靶材ta2o5；
44.7、磁控溅射通入气体ar和n2的比例为18:2，靶材为ti,本底真空3.2
×
10-4
pa，工作压强2.4pa,反应气体n2流量20sccm；
45.8、ame刻蚀，刻蚀气体为cl2(氯气)，形成连接底电极引出孔；
46.9、光刻剥离，形成分立的阻变储存器器件。
47.本实施例制备的tin/taon/sio2/pt阻变器件在100次直流扫描下，如图3所示。图线的重合性比较好，说明阻变器件的均一性比较好，器件展示了良好的阻变过程，并没有发生退化。并且阻变器件没有进行forming过程，就表现出了双极性阻变特性且可以稳定的进行翻转。阻变器件的vset是5.7v，vreset是-5.4v，set时的瞬时功率为28.5μw，reset时的瞬时功率为5.4μw，这表示着tin/taon/sio2/pt比tin/taon/pt阻变器件具有低功耗的特点。
48.实施例2
49.与实施例1不同是没有sio2作为限流层，其他同实施例1，得到阻变器件在50次直流扫描下，如图4所示。
50.如图4所示，如果没有sio2作为限流层，没有在小限流条件下表现阻变特性，阻变器件只能在1ma的限流下表现出阻变特性。
51.实施例3
52.与实施例1不同是改变步骤6中制备阻变层中的ar、o2、n2的体积比，ar、o2、n2，的体积比为分别为1#样品：40：1.5：20，2#样品：40：3：20，3#样品：40：3：20，其他同实施例1，得到阻变器件在100次直流扫描下，如图6-7所示。
53.如图6-7所示。1#相对于2#、3#的样品，由于气体体积比的变化，均一性相对较高。