[发明专利]一种低功耗阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明属于微电子技术领域，特别是一种低功耗阻变存储器及其制备方法。

背景技术

近年来计算机技术、互联网技术飞速发展，非挥发性存储器件在半导体行业中扮演越来越重要的角色。而目前市场上非挥发性存储器仍以闪存（Flash）为主流，但随着半导体技术节点的不断向前推进，在22nm以下的特征尺寸，基于传统浮栅结构的Flash技术正遭受到严重的技术瓶颈。阻变存储器（RRAM）由于其阻变特性发生在几个纳米的区域，所以阻变存储器可以高密度集成；高密度集成的基本条件是器件必须满足低功耗的要求，才能解决器件高密度局部散热的问题。

因此，研究人员在探索改进阻变存储器中，都在追求较低的操作电流（主要由reset电流来评判）、较低的功耗。L. Goux等人在文献：Ultralow sub-500nA operating current high-performance TiN/Al₂O₃/HfO₂/Hf/TiN bipolar RRAM achieved through understanding-based stack-engineering 中通过在界面处插入Al₂O₃层获得了500nA的reset操作电流。H.Y.Lee等人在文献：Low Power and High Speed Bipolar Switching with A Thin Reactive Ti Buffer Layer in Robust HfO₂ Based RRAM中通过在TiN和HfO_x的界面插入一层Ti层实现了100uA左右的reset电流和较高的擦洗次数。 

二氧化硅作为一种与CMOS兼容的材料，有廉价、容易制备的优点。但是到目前为止仍然没有文献和专利报道通过界面处插入一层二氧化硅能降低器件的功耗。

发明内容

本发明的目的是针对阻变存储器在高密度集成时存在的功耗问题，提供一种低功耗阻变存储器及其制备方法，该阻变存储器通过使用在电极和氧化钒和之间插入一层二氧化硅介质层，可以有效地降低阻变存储器件的功耗，同时提高了高阻态的一致性。

本发明的技术方案：

一种低功耗阻变存储器，由下电极、阻变层和上电极组成并构成叠层结构，其中阻变层为氧化钒薄膜和二氧化硅薄膜叠层结构，各层的厚度分别为：下电极50-200 nm、氧化钒薄膜5-100nm、二氧化硅薄膜1-50nm、上电极50-200 nm。

所述上、下电极的材料为导电金属、金属合金和导电金属化合物，其中导电金属为Al、Ti、Ni、Cu、Ag、W、Au或Pt；金属合金为Pt/Ti、、Cu/Ti、Cu/Au、或Cu/Al且比例任意；导电金属化合物为TiN、TaN、ITO或AZO。

一种所述低功耗阻变存储器的制备方法，以硅片为衬底，利用热氧化的方法首先制备二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅绝缘层上利用离子束溅射的方法制备Ti粘附层，然后在Ti粘附层上制备低功耗阻变存储器，步骤如下：

1）在Ti粘附层上采用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺制备下电极；

2）在下电极上采用直流溅射或射频溅射法沉积氧化钒薄膜，溅射工艺条件为：本底真空小于10^-4 Pa、衬底温度为18-400℃、工作压强0.1-2Pa、氧分压为5-30%、溅射功率为50-250W；

3）在氧化钒薄膜上采用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）制备二氧化硅薄膜，化学气相沉积工艺条件为：采用PECVD方法制备，本底真空小于10^-5Pa、工作压强为0.1-5Pa、射频功率为50-300W、反应气体为SiH₄ 和N₂O，SiH₄流量为50-600sccm、N₂O流量为20-50sccm；物理气相沉积工艺条件为：溅射方法为射频磁控溅射，以二氧化硅为靶材，本底真空小于10^-4 Pa、衬底温度为18-800℃、工作压强0.1-2Pa、溅射功率为50-250W；

4）在二氧化硅薄膜上采用直流磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺制备上电极。