[發明專利]一種用于高密度阻變存儲的氮化銅阻變材料的制備方法

有效

• 申請號: 201110309153.0
• 申請日: 2011-10-13
• 公開（公告）號: CN102386326A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 吳曉京;朱瑋;張昕;周永寧;付小牛
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于阻變式隨機存儲器技術領域，具體涉及一種具有阻變性質的銅的氮化物的制備方法。

背景技術

非揮發性阻變存儲器（Resistance?RAM；簡稱RRAM）的核心部分是具有兩種電阻狀態的阻變層，對該阻變層施加電壓脈沖，其電阻值會發生從高到低的跳變；在此狀態下再施加另一個電壓脈沖，材料會重新恢復到高阻態，RRAM就是運用雙阻層材料阻值高低的兩種狀態來儲存數據的。目前，發現具有阻變性質的材料主要有過渡金屬氧化物Cu_xO、NiO、ZrO、TaO、TiO、ZnO，鈣鈦礦結構三元化合物PCMO、SrTiO₃、SrZrO₃等，而一些金屬氮化物（如氮化銅）也有與其氧化物相似的電學性質，根據最新的研究成果表明，氮化銅材料在特定工藝條件下也具有阻變性質，但其電學均勻性與百納米級尺寸下的工藝穩定性還有待進一步優化，目前還無法滿足在高密度阻變存儲器的要求。

磁控濺射是微電子工業中常用的制備手段之一，其工藝成熟穩定、制備的薄膜均勻性好，采用磁控濺射工藝制備氮化銅材料的相關研究也由來已久。但因為氮化銅屬于窄禁帶半導體，且銅與氮化學反應活性很低，磁控濺射工藝制備的氮化銅薄膜往往導電能力較高，使其作為阻變材料應用時出現高阻態缺失的狀況，無法達到RRAM對阻變層材料的要求。在過去的研究中，雖然利用磁控濺射工藝制備出了各種不同性質的氮化銅材料，但其中尚沒有發現具有阻變性質的案例。因此，優化磁控濺射制備氮化銅的工藝參數對能否在高密度阻變存儲器中應用有重大影響。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠與與傳統集成電路工藝相兼容、工藝控制方便的用于高密度阻變存儲的氮化銅阻變材料的制備方法。???

本發明提供的用于高密度阻變存儲的氮化銅阻變材料的制備方法，具體步驟如下：??

1、在襯底上沉積金屬層M作為下電極；

2、將上述襯底表面沉積有金屬層M的樣品放置于磁控濺射設備的基臺上，使金屬層M與基臺在電學上連通；

3、使用磁控濺射工藝在金屬層M上生長氮化銅薄膜

磁控濺射靶材采用銅靶或氮化銅靶；濺射過程中通入氮氣，或者通入氮氣的同時混入一定比例的氬氣，作為反應氣體，氬氣與氮氣的分壓比在0~3的范圍內進行調節；在靶材上施加直流負高壓或13.56MHz的射頻電壓產生輝光放電，電離出氮離子或氬離子轟擊靶表面，使靶原子被濺出并在氮離子氣氛下化合成銅的氮化物，在磁場誘導下沉積到基片上，形成氮化銅薄層；濺射功率范圍為10~200瓦；襯底溫度范圍為10~200oC；

4、采用掩膜工藝在上述氮化銅薄層上生長金屬層N作為上電極。

本發明中，所述襯底為金屬材料、半導體材料或玻璃等。

本發明中，所述下電極材料M可為Pt、Au、Cu、Al、Ni、TiN、TaN或Ag等微電子領域常用電極材料。

本發明中，所述上電極材料N可為Pt、Au、Cu、Al、Ni、TiN、TaN或Ag等微電子領域常用電極材料。

本發明中，所述直流負高壓范圍可為200-2000伏，靶臺與基板間距為5-20cm。

本發明中，當腔體內真空度達到10^-3Pa量級時，通入高純氮氣，或者同時混入一定比例的氬氣，使腔體內總氣壓可維持在0.01Pa-3Pa范圍內。

本發明中，氮氣與氬氣的分壓比的標定采用如下方法:?

（1）采用包含機械泵、分子泵兩級泵的抽真空系統將沉積腔內的真空度抽至10^-3Pa量級（P₀）；

（2）在本底真空下按特定流量通入氮氣，待穩定后記錄腔內總氣壓P₁；

（3）關閉氮氣流量閥門，使腔內氣壓恢復到本底真空狀態P₀；

（4）開啟氬氣流量閥門并設置到特定流量，待穩定后記錄腔內總氣壓P₂；

（5）氬氣與氮氣的分壓比定義為（P₂-P₀）/（P₁-P₀）。

本發明制備的氮化銅，亦稱銅的氮化物，具有阻變性質，分子通式為Cu_xN，其中，“x”代表金屬Cu的組分含量，N和Cu之間可以不滿足化學劑量比，x在1-4范圍內，Cu_xN薄膜的厚度在30nm-500nm范圍內。?