具有自整流特性的rram存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種阻變存儲(chǔ)器(Resistive Random Access Memory，RRAM)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有自整流特性和阻變特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著便攜式電子設(shè)備的不斷普及，非揮發(fā)存儲(chǔ)器(Nonvolatile Memory)在整個(gè)存儲(chǔ)器市場(chǎng)上所占的份額越來越大。目前，市場(chǎng)上主流的非揮發(fā)存儲(chǔ)器技術(shù)是基于電荷存儲(chǔ)機(jī)制的“閃存”(flash)存儲(chǔ)器件，但是由于這類存儲(chǔ)器存在諸如操作電壓大、速度慢等缺點(diǎn)，同時(shí)，由于器件尺寸縮小過程中隧穿氧化層的減薄容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)保持性能的惡化，使得這類存儲(chǔ)器很快將達(dá)到物理極限。面臨這樣的挑戰(zhàn)，人們提出了多種基于電阻值變化作為信息存儲(chǔ)方式的新型非揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)，它們包括:磁存儲(chǔ)器(MRAM)、相變存儲(chǔ)器(PRAM)和阻變存儲(chǔ)器(RRAM)等。其中，RRAM具有操作電壓低、操作速度快、保持時(shí)間長(zhǎng)、非破壞性讀取、可多值存儲(chǔ)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及與CMOS工藝兼容等諸多優(yōu)點(diǎn)，被人們看作是未來最有可能取代閃存的新型存儲(chǔ)技術(shù)。
[0003]RRAM的集成方式主要有兩種，即:有源陣列(1T1R)和無源陣列(IDlR或IR)。由于受到晶體管(T)尺寸的限制，有源陣列ITlR結(jié)構(gòu)的單元最小尺寸很難縮小(6F2，F(xiàn)為特征尺寸)，因此通過這種平面二維集成方式所能實(shí)現(xiàn)的集成密度是有限的。為此，有人提出了3D堆疊(Crossbar)的概念，即將傳統(tǒng)存儲(chǔ)單元的平鋪結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S垂直結(jié)構(gòu)，就像建造摩天樓一樣一層一層堆疊起來。這種3D堆疊方式的好處在于:只要增加堆疊層數(shù)，就能成倍地提高存儲(chǔ)密度(4F2/N，N為堆疊層數(shù))。但由于無源交叉陣列的自身特點(diǎn)，在3D堆疊過程中，難以避免串?dāng)_(Crosstalk)誤讀現(xiàn)象的發(fā)生。過去，解決3D堆疊無源交叉陣列中串?dāng)_問題的方法主要是:在每個(gè)阻變存儲(chǔ)單元上串聯(lián)一個(gè)具有整流特性的二極管(D)，構(gòu)成IDlR結(jié)構(gòu)。但由于二極管的單相導(dǎo)通特性，IDlR結(jié)構(gòu)僅適用于單極阻變器件。同時(shí)二極管的使用，不僅增大了工藝復(fù)雜性，而且由于二極管本身電阻的分壓作用，與存儲(chǔ)單元串聯(lián)后，不僅會(huì)導(dǎo)致操作電壓的增加，而且也會(huì)惡化存儲(chǔ)器件的穩(wěn)定性。為此，研究人員一直致力于尋找本身就具有整流性質(zhì)的阻變存儲(chǔ)單元，近年來，極具優(yōu)勢(shì)的具有IR結(jié)構(gòu)的自整流阻變存儲(chǔ)器激發(fā)了各國科研工作者的極大興趣。
[0004]自整流阻變存儲(chǔ)單元在實(shí)現(xiàn)阻值轉(zhuǎn)變的同時(shí)還必須具有整流特性，這就加大了存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。目前具有自整流特性的阻變存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)大致分為兩種:單層氧化物結(jié)構(gòu)和多層氧化物結(jié)構(gòu)。在單層氧化物結(jié)構(gòu)中，氧化物固態(tài)電解質(zhì)既扮演阻變層角色，同時(shí)還利用其中導(dǎo)電細(xì)絲(Filament)與惰性電極界面間所形成的肖特基勢(shì)皇來實(shí)現(xiàn)整流特性，其代表結(jié)構(gòu)有:Au/Zr02:nc-Au/n+S1、Pt/Ta0x/n-Si等;多層氧化物結(jié)構(gòu)，卻是利用不同禁帶寬度氧化物分別作為阻變層和勢(shì)皇層，其代表結(jié)構(gòu)有:Pt/Ta205/Hf02-x/TiN、Ni/Ti02/Hf02/Ni 等。
[0005]雖然單層氧化物自整流RRAM存儲(chǔ)單元的制備工藝較為簡(jiǎn)單，但相比于多層氧化物自整流RRAM存儲(chǔ)單元來說，其整流比(Self-rectifying Rat1，SR)較低，大多只能停留在12 量級(jí)(Gao，S.，et al.Nanoscale 7( 14): 6031-6038.(2015).)。
[0006]多層氧化物自整流RRAM存儲(chǔ)單元所能實(shí)現(xiàn)的整流比雖然較高(SR>103)，但其操作電壓普遍偏高，如Jung Ho，Y.等人所制備的Pt/Ta205/Hf02—x/TiN存儲(chǔ)單元，其操作電壓就高達(dá) 1V之多(Jung Ho ,Y.,et al.Advanced Funct1nal Materials 24(32): 5086-5095.(2014).);況且，大多數(shù)情況下，多層氧化物自整流RRAM存儲(chǔ)單元是利用原子層沉積技術(shù)(ALD)完成的，這就注定了需要高昂的制備費(fèi)用以及復(fù)雜的工藝過程(如阻變層的后續(xù)人工去氧等)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之一目的在于提供一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其制備方法，其實(shí)現(xiàn)了直接利用具有較低功函數(shù)(3.9eV)的過渡族金屬給(Hf)作下電極的自整流RRAM存儲(chǔ)單元新結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明之另一目的在于提供一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其制備方法，其僅利用磁控濺射和氧等離子體氧化法便能方便、快速制備出具有高整流比(?13)的氧化物RRAM存儲(chǔ)單元。
[0009]為達(dá)上述目的，本發(fā)明提出一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，該RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)包括襯底、下電極、阻變層、整流層、勢(shì)皇層以及上電極，所述下電極位于所述襯底之上，所述阻變層設(shè)置在所述下電極上，所述整流層與勢(shì)皇層設(shè)置在所述阻變層上，所述上電極，設(shè)置在所述勢(shì)皇層上。
[0010]進(jìn)一步地，所述的襯底為表面氧化的硅片。
[0011]進(jìn)一步地，所述的下電極為過渡族金屬Hf，其裸露部分用惰性金屬蓋住以防氧化。
[0012]進(jìn)一步地，所述阻變層為HfOx，經(jīng)過渡族金屬Hf氧等離子體氧化得到，其厚度為1-1Onm0
[0013]進(jìn)一步地，所述整流層為TaOx或禁帶寬度小于氧化鉿的過渡金屬氧化物，其通過磁控反應(yīng)濺射獲得，厚度為10?80nm，所述勢(shì)皇層與所述整流層的構(gòu)成元素相同，但所述勢(shì)皇層中氧含量比所述整流層中更高，其成份接近Ta2O5，從而形成一個(gè)氧濃度的梯度，所述勢(shì)皇層的厚度為1-1 Onm O
[OOM]進(jìn)一步地，所述上電極為惰性金屬。
[0015]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟:
[0016]步驟一，在襯底上，利用DC磁控濺射沉積一層過渡族金屬；
[0017]步驟二，預(yù)留一部分過渡族金屬作下電極，并用惰性金屬蓋住以防氧化；
[0018]步驟三，對(duì)其余部分表面進(jìn)行氧等離子體氧化，形成阻變層；
[0019]步驟四，在所述阻變層上利用Ta靶通過磁控反應(yīng)濺射沉積一層整流層；
[0020]步驟五，對(duì)沉積好的整流層表面進(jìn)行氧等離子體氧化，形成勢(shì)皇層；
[0021]步驟六，利用掩膜版于所述勢(shì)皇層上完成上電極制備。
[0022]進(jìn)一步地，于步驟一中，該過渡族金屬為過渡族金屬Hf。
[0023]進(jìn)一步地，于步驟四中，濺射過程中對(duì)其襯底進(jìn)行加溫。
[0024]進(jìn)一步地，于步驟六中，所述上電極為惰性金屬Pt。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及其制備方法根據(jù)自整流RRAM器件的設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)了一種直接利用具有較低功函數(shù)(3.9eV)的過渡族金屬給(Hf)作下電極的自整流RRAM存儲(chǔ)單元新結(jié)構(gòu)，同時(shí)本發(fā)明僅利用磁控派射和氧等離子體氧化法便能方便、快速制備出具有高整流比(?13)的氧化物RRAM存儲(chǔ)單元。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的制備方法的步驟流程圖；
[0028]圖3為本發(fā)明一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的半對(duì)數(shù)1-V曲線圖(插圖為線性坐標(biāo)下的1-V曲線)；
[0029]圖4為本發(fā)明具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元的機(jī)理簡(jiǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下通過特定的具體實(shí)例并結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明亦可通過其它不同的具體實(shí)例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)亦可基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在不背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾與變更。
[0031]圖1為本發(fā)明一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)包括襯底101、下電極102、阻變層103、整流層104和勢(shì)皇層105以及上電極106。
[0032]下電極102位于襯底101上，下電極102的裸露部分用Pt(鉑)蓋住(防止氧化)，經(jīng)氧等離子體氧化后的阻變層103位于102之上，整流層104和勢(shì)皇層105分別由磁控反應(yīng)濺射以及氧等離子體氧化完成，被置于阻變層103之上，最后在勢(shì)皇層105之上完成上電極106的沉積。
[0033]襯底101選用表面氧化的硅片。
[0034]上下電極(106和102)分別選用Pt(鉑)和Hf(鉿)，工藝參數(shù)各為:Hf層厚度20?10nm，真空度5.6 X ICT5Pa, Ar流量10?20sccm，功率40?150w;Pt層厚度20?10nm，真空度5.6 X 10—5Pa，Ar 流量 10?20sccm，功率 40?150w。
[0035]阻變層103為Hf (102)經(jīng)氧等離子體氧化后的HfOx層，氧化功率20?90w，氧化時(shí)間500?25008，02流量8?308(^111。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):制備!1?^層的氧化時(shí)間只有控制在適當(dāng)范圍內(nèi)500?2500s(較佳的為900s?2000s)，即保證HfOx層的厚度在1-1Onm之間，才能使整個(gè)自整流存儲(chǔ)單元順利地完成阻變過程，過長(zhǎng)的氧化時(shí)間會(huì)導(dǎo)致器件不能set，過短的氧化時(shí)間會(huì)導(dǎo)致器件不能reset。
[0036]整流