[發明專利]基于氧化釩/氧化鋁疊層結構的阻變存儲器及其制備方法

有效

• 申請號: 201310271571.4
• 申請日: 2013-07-01
• 公開（公告）號: CN103311435A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 張楷亮;孫闊;王芳;陸濤;孫文翔;王寶林;趙金石;胡曦文;王雨晨
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;G11C11/56
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

?本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種基于氧化釩/氧化鋁疊層結構的阻變存儲器及其制備方法。

背景技術

近年來計算機技術、互聯網技術飛速發展，非揮發性存儲器件在半導體行業中扮演越來越重要的角色。而目前市場上非揮發性存儲器仍以閃存（Flash）為主流，但隨著半導體技術節點的不斷向前推進，基于傳統浮柵結構的Flash技術正遭受到嚴重的技術瓶頸。因此，業界對下一代非揮發性存儲器技術進行了大量研究，而阻變存儲器(RRAM)由于具有高的讀寫速度、低的功耗、高集成度、多值存儲能力、低成本等優勢，因此成為現階段研究的熱點。

在保證性能的前提下，提高存儲密度使得存儲每位數據的成本越低就越有市場競爭力，這在很大程度上決定著新一代存儲器能否最終被采用。一般而言，提高存儲器的密度有兩種有效的方式：第一種方式是通過工藝或者器件結構設計來減小單元面積的尺寸，采用交叉陣列結構能夠實現理論上的最小單元面積；第二種則是采用多值存儲單元，它可以在不增大存儲面積的情況下極大地提高存儲密度，降低位/?面積的成本，在實際應用中有著很好的市場前景。

當今研究人員主要是通過改善單層阻變層來獲得多值存儲。如浙江理工大學李培剛等人專利，一種多值存儲的阻變存儲器件的制備方法（CN?102593354?A），使用了Ag和Ti電極，以Nb:SrTiO3為阻變層實現了多值存儲，通過施加不同的reset電壓獲得不同的高阻態的阻值。中國科學院微電子研究所劉明等人專利，一次編程存儲器的多值存儲方法(CN?102074270?A),?通過對一次編程存儲器施加至少兩種不同電壓值的編程電壓或者不同電流強度的編程電流，使所述一次編程存儲器從高阻態轉變成至少兩種不同的低阻態，從而實現多值存儲。

目前RRAM實現多值儲存是基于單層阻變層緩慢的reset過程。由于單層阻變層結構上決定了reset過程沒有一個穩定的中間態，所以單層結構多值存儲的中間態的一致性就很難得到保證。

發明內容

本發明的目的是針對上述存在的技術問題，提供一種基于氧化釩/氧化鋁疊層結構的阻變存儲器及其制備方法，通過采用氧化釩和氧化鋁的疊層結構，該阻變存儲器的reset過程由兩次突變的reset和一次緩慢的中間過程構成，獲得了穩定的三個阻態即低阻態、中間阻態和高阻態。

本發明的技術方案：

一種基于氧化釩/氧化鋁疊層結構的阻變存儲器，由下電極、阻變層和上電極組成并構成疊層結構，其中阻變層為氧化釩薄膜和氧化鋁薄膜疊層結構，各層的厚度分別為：下電極50-200?nm、氧化釩5-200nm、氧化鋁1-50nm、上電極50-200nm。

所述上下電極材料為導電金屬、金屬合金和導電金屬化合物，其中導電金屬為Al、Ti、Ni、Cu、Ag、W、Au或Pt；金屬合金為Pt/Ti、、Cu/Ti、Cu/Au或Cu/Al且比例任意；導電金屬化合物為TiN、TaN、ITO或AZO。

一種所述基于氧化釩/氧化鋁疊層結構的阻變存儲器的制備方法，以硅片為襯底，利用熱氧化的方法首先制備二氧化硅絕緣層，再在二氧化硅絕緣層上利用離子束濺射的方法制備Ti粘附層，然后在Ti粘附層上制備低功耗阻變存儲器，步驟如下：

1）在Ti粘附層上采用磁控濺射工藝或電子束蒸發工藝制備下電極；

2）在下電極上采用直流濺射或射頻濺射法沉積氧化釩薄膜，濺射工藝條件為：本底真空小于10^-4?Pa、襯底溫度為18-400℃、工作壓強0.1-2Pa、氧分壓為5-30%、濺射功率為50-250W；

3）在氧化釩薄膜上采用反應磁控濺射或熱氧化金屬鋁薄膜的方法制備氧化鋁薄膜，磁控濺射工藝條件為：以金屬鋁靶為靶材，本底真空小于10^-4?Pa、襯底溫度為18-300℃、工作壓強0.1-2Pa、氧分壓為3-10%、濺射功率為50-250W；熱氧化的工藝條件為：采用電子束蒸發1-50nm后的金屬鋁薄膜，然后通過在氧氣氣氛下進行熱氧化獲得氧化鋁，電子束蒸發金屬鋁薄膜，本底真空小于10^-4?Pa，采用金屬鋁作為蒸發源，加熱方式為干鍋加熱或電子束加熱，熱氧化的溫度為200-500℃；

4）在氧化鋁薄膜上采用直流磁控濺射工藝或電子束蒸發工藝制備上電極。