一種基于氧化鉿/氧化鈦疊層結構的低功耗阻變存儲器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種基于氧化鉿/氧化鈦疊層結構的低功 耗阻變存儲器。 技術背景
[0002] 阻變存儲器由于具有較快的擦寫速度、較長的保持時間、有多值存儲的潛力以及 優越的可縮小性，最近幾年來受到了研宄人員的廣泛關注。隨著阻變機理不斷提出、新型結 構改進設計、新型材料逐漸應用，研宄人員正在追求更快的讀寫速度、更高的集成密度、更 長的保持時間，使阻變存儲器能在各項參數上超過FLASH存儲器，進而取代FLASH存儲器。
[0003] 阻變存儲器的結構為簡單的金屬-絕緣層-金屬（MM)結構，即上下電極以及中 間的阻變層的三明治結構，大多數阻變層為單層結構。近幾年來，研宄人員逐漸認識到雙層 結構的優勢，開始提出了一些疊層阻變結構，并且器件的性能得到了一定改善。2008年臺 灣的電子與光電研宄所所發表的文獻中（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疊層結構，獲得了較低的操作電流（25 μ A)和較高疲勞特性（IO6次循環）的特 性。2013年臺灣交通大學發表的文獻中（Bipolar Ni/Ti02/Hf02/Ni RRAM With Multilevel States and Self-Rectifying Characteristics)，Chung_Wei Hsu等人米用 Ni/Ti02/Hf02/ Ni疊層結構，獲得了穩定的雙極阻變特性。該結構上下電極均采用Ni電極，附/1102和 Hf02/Ni均形成肖特基接觸，是一種對稱結構。采用不同的RESET (復位）操作電壓，其對應 的RESET操作電流分別為1 μ A、100nA、10nA，SET (置位）操作電流在ImA左右。SET電壓 在-6V到-8V之間，RESET電壓在4V到6V。以上兩篇文獻中雖然獲得了較低的操作電流， 但仍存在著一些問題：當操作電流較小時操作電壓較大，或者操作電壓小時操作電流較大， 即較小的SET電壓、SET電流，RESET電壓、RESET電流不能同時具備。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是針對上述存在問題，提供了一種基于氧化鉿/氧化鈦疊層結構的 低功耗阻變存儲器，結構為Ni/Hf0 2/Ti02/TiN，是非對稱的電極材料，Ni/Hf02界面形成較 高的肖特基勢皇，Ti0 2/TiN界面形成較低的肖特基勢皇，有利于SET過程的電子注入，利 于SET過程的發生，因此該結構有更低的操作電壓（SET操作電壓2V-3V，RESET操作電壓 為-3V)和操作電流（SET操作電流100nA，RESET操作電流20nA)，以及較好的疲勞特性，而 且有很好的一致性和重復性。這些優良的特性有利于高密度的集成和以后的工業應用。
[0005] 本發明的技術方案：
[0006] 一種基于氧化鉿/氧化鈦疊層結構的低功耗阻變存儲器，由上電極Ni、阻變層氧 化鉿/氧化鈦疊層和下電極TiN構成，氧化鉿的成分為HfOx，其中l〈x〈2,氧化鉿介質層的 厚度為5-100nm ;氧化鈦的成分為TiO2，氧化鈦介質層厚度為3-15nm。
[0007] -種所述基于氧化鉿/氧化鈦疊層結構的低功耗阻變存儲器的制備方法，步驟如 下：
[0008] 1)以Si片為襯底，利用熱氧化的方法制備SiO2*緣層；
[0009] 2)在SiO2絕緣層上利用磁控濺射的方法制備TiN下電極，濺射工藝條件為：本底 真空小于l(T 4Pa、工作壓強為0. l-2Pa、氮分壓為5-20%、直流濺射功率為50-150W ;
[0010] 3)在TiN下電極上采用離子束濺射或電子束蒸發的方法制備一層Ti ;
[0011] 4)在氧氣氛圍下快速熱處理（RTP)，使Ti熱氧化為TiO2，工藝條件為：氧氣流量 l-2L/min、溫度 200-500°C、熱氧化時間 60-300s ;
[0012] 5)在TiO2上采用射頻濺射法沉積氧化鉿薄膜，濺射工藝條件為：本底真空小于 101^、工作壓強0.1-2? &、氧分壓為5-30%、濺射功率為50-2501;
[0013] 6)在氧化鉿薄膜上采用離子束濺射、磁控濺射或電子束蒸發工藝制備鎳上電極。
[0014] 本發明的技術分析：
[0015] 該阻變存儲器結構為Ni/Hf02/Ti02/TiN，存在兩個肖特基勢皇界面，Ni/Hf0 2界面 實現了電阻的轉換，TiO/TiN界面是較低的肖特基勢皇界面。相比于傳統的單層結構，性能 更優，有更好的一致性和超低的操作電流；相較于插入Ti的疊層結構有更低的操作電流、 更好的一致性。相對于兩端均使用Ni電極的結構，由于其TiNztiO 2界面有更低的肖特基 勢皇，有利于SET過程的電子注入，因此有更低的SET操作電壓以及RESET操作電壓，有效 地降低了功耗。
[0016] 本發明的優點：
[0017] 該阻變存儲器采用氧化鉿/氧化鈦疊層結構，有較高的一致性和重復性以及較低 的操作電壓和操作電流，SET操作電壓2V-3V，RESET操作電壓為-3V，SET操作電流ΙΟΟηΑ， RESET操作電流20nA，有利于高密度集成以及工業應用。
【附圖說明】
[0018] 圖1為該阻變存儲器結構示意圖。
[0019] 圖中：1.下電極2.氧化鈦介質層3.氧化鉿介質層4.上電極
[0020] 圖2為該阻變存儲器電學特性曲線。
[0021] 圖3為該阻變存儲器的耐受性（endurance)曲線。
【具體實施方式】
[0022] 實施例：
[0023] 一種基于氧化鉿/氧化鈦疊層結構的低功耗阻變存儲器，如圖1所示，由上電極 4Ni4、氧化鉿介質層3、氧化鈦疊層2和下電極ITiN構成，氧化鉿的成分為HfO x，其中X = 1. 9,氧化鉿介質層3的厚度為IOnm ;氧化鈦介質層2厚度為6nm，下電，1為TiN、厚度為 200nm，上電極4為Ni、厚度為200nm。
[0024] 該阻變存儲器的制備方法，步驟如下：
[0025] 1)以Si片為襯底，使用氧化擴散爐，通過熱氧化的方法在硅襯底上制備SiO2絕緣 層；
[0026] 2)在SiO2絕緣層上利用磁控濺射的方法制備一層200nm厚的TiN下電極，濺射 工藝條件為：本底真空為3X l(T4Pa、工作壓強為0. 5Pa、氮分壓為10%、直流濺射功率為 IOOff ；
[0027] 3)采用電子束蒸發的方法在TiN電極上沉積6nm厚的Ti ;
[0028] 4)熱氧化Ti薄膜制備TiCV薄膜。在氧氣氛圍下，氧氣流量2L/min，溫度300°C 進行RTP 120秒，制成1102介質層；
[0029] 5)在1102介質層上采用射頻濺射法沉積厚度為IOnm氧化鉿薄膜，濺射工藝條件 為：祀材為(p6〇mm氧化鉿陶瓷靶材，靶基距為6. 5cm，本底真空為3Xl(T4Pa、襯底溫度為 27 °C、工作壓強0. 5Pa、氧分壓為20 %、濺射功率為100W ;
[0030] 6)在氧化鉿薄膜上采用電子束蒸發法沉積厚度為200nm的鎳上電極。
[0031] 圖2為該阻變存儲器電學特性曲線，圖中表明：該器件的RESET操作電流約為 20nA，實現了低功耗。
[0032] 圖3為該阻變存儲器的耐受性曲線，圖中表明：該器件在低功耗的操作條件下可 以有效翻轉，有很好的耐受性。
【主權項】
1. 一種基于氧化鉿/氧化鈦疊層結構的低功耗阻變存儲器，其特征在于：由上電極Ni、 阻變層氧化鉿/氧化鈦疊層和下電極TiN構成，氧化鉿的成分為HfOx，其中l〈x〈2,氧化鉿 介質層的厚度為5-100nm;氧化鈦的成分為TiO2，氧化鈦介質層厚度為3-15nm。
2. -種如權利要求1所述基于氧化鉿/氧化鈦疊層結構的低功耗阻變存儲器的制備方 法，其特征在于步驟如下： 1) 以Si片為襯底，利用熱氧化的方法制備SiO2*緣層； 2) 在SiO2絕緣層上利用磁控濺射的方法制備TiN下電極，濺射工藝條件為：本底真空 小于l(T4Pa、工作壓強為0.l-2Pa、氮分壓為5-20%、直流濺射功率為50-150W; 3) 在TiN下電極上采用離子束濺射或電子束蒸發的方法制備一層Ti; 4) 在氧氣氛圍下快速熱處理（RTP)，使Ti熱氧化為TiO2，工藝條件為：氧氣流量1-2L/ min、溫度200-500°C、熱氧化時間60-300S; 5) 在TiO2上采用射頻濺射法沉積氧化鉿薄膜，濺射工藝條件為：本底真空小于l(T4Pa、 工作壓強0.1-2?&、氧分壓為5-30%、濺射功率為50-2501; 6) 在氧化鉿薄膜上采用離子束濺射、磁控濺射或電子束蒸發工藝制備鎳上電極。
【專利摘要】一種基于氧化鉿/氧化鈦疊層結構的低功耗阻變存儲器，由上電極Ni、阻變層氧化鉿/氧化鈦疊層和下電極TiN構成，氧化鉿的成分為HfOx，其中1<x<2，氧化鉿介質層的厚度為5-100nm；氧化鈦的成分為TiO2，氧化鈦介質層厚度為3-15nm。本發明的優點是：該阻變存儲器采用氧化鉿/氧化鈦疊層結構，有較高的一致性和重復性以及較低的操作電壓和操作電流，SET操作電壓2V-3V，RESET操作電壓為-3V，SET操作電流100nA，RESET操作電流20nA，有利于高密度集成以及工業應用。
【IPC分類】H01L45-00
【公開號】CN104795492
【申請號】CN201510183916
【發明人】張楷亮, 張宏智, 王芳, 鑒肖川, 趙金石, 程文可
【申請人】天津理工大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月17日