本發(fā)明屬于半導體存儲器技術領域，具體涉及一種非易失性阻變存儲器件及其制備方法。

背景技術：

目前，閃存芯片存儲技術以高存儲密度、低功耗、擦寫次數(shù)快等優(yōu)勢占據(jù)了非揮發(fā)性存儲芯片的壟斷地位，但隨著半導體工藝的不斷發(fā)展，閃存芯片存儲技術遇到了技術瓶頸。阻變存儲器(RRAM)以其材料和結構簡單、單元面積小、制備成本低、與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容、可縮微能力強，同時又有讀寫速度快、操作功耗低等優(yōu)點，越來越受到業(yè)界的重視，成為下一代非揮發(fā)性存儲器的有力競爭者。當然，RRAM離大規(guī)模實用化還存在一定的差距，針對產(chǎn)品應用，在器件性能調控、參數(shù)均勻性和可靠性等方面，還需要更深入的研究。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有存儲器難以大規(guī)模應用的不足，提供了一種非易失性阻變存儲器件及其制備方法，其特征在于：

該阻變存儲器件，包括底電極層鈮摻雜鈦酸鍶NSTO、頂電極層Ta金屬以及位于所述底電極和頂電極之間的阻變存儲功能層，阻變存儲功能層由在底電極上外延生長超薄CeO₂薄膜和一層二元金屬氧化物HfO_x薄膜構成。所述底電極層鈮摻雜鈦酸鍶NSTO同時為器件襯底。

上述阻變存儲器件的制備方法，包括如下步驟：

(1)NSTO基片清洗，并遮擋部分區(qū)域作為底電極；

(2)利用脈沖激光沉積技術在NSTO上外延生長一層超薄CeO₂薄膜，厚度為3～5nm，沉積工藝為：沉積前，腔室的真空度為1×10^-8Pa；沉積過程中激光脈沖頻率1Hz，靶基間距為80mm，沉積過程中的真空度為3×10^-8Pa，襯底溫度為800℃，激光燒蝕能量為1J·cm^-2；

(3)利用磁控濺射技術在CeO₂薄膜上沉積HfO_x薄膜，厚度為10nm～50nm，沉積工藝為：沉積前，腔室真空度為1×10^-5Pa；沉積過程中，腔室氣壓保持在2Pa，氧分壓控制在5％，沉積溫度25℃，沉積功率60W；

(4)使用掩膜版在HfO_x薄膜上形成頂電極圖形；

(5)利用磁控濺射技術在HfO_x薄膜上沉積Ta金屬電極層，厚度為10～500nm，沉積工藝為：沉積前，腔室真空度在2×10^-4Pa；沉積過程中，腔室氣壓保持在1Pa，沉積溫度25℃，沉積功率60W。

(6)去除掩膜版，得到阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明的阻變存儲器件存儲功能層選用目前CMOS的主流材料HfO_x與一層超博外延單晶CeO₂薄膜共同作為阻變儲存功能層材料，使得器件通過外延單晶CeO₂薄膜獲得了高的電阻態(tài)，降低了器件功耗。同時，由于CeO₂薄膜層的調控，使得HfO_x薄膜基的阻變存儲器件提高了轉變一致性，獲得了較高的工作穩(wěn)定性。與現(xiàn)有阻變存儲器件比較，該阻變存儲器具有顯著的技術優(yōu)勢，能適用于超大規(guī)模集成電路中的存儲部件。

附圖說明

圖1為比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO的結構示意圖；

圖2為非易失性阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的結構示意圖；

圖3為比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO器件的透射電子顯微結構圖；

圖4為非易失性阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的透射電子顯微結構圖；

圖5為比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO器件的阻變特性曲線；

圖6為比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO器件的電壓-循環(huán)次數(shù)曲線；

圖7為非易失性阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的阻變特性曲線；

圖8為非易失性阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO電壓-循環(huán)次數(shù)曲線；

圖9為非易失性阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO與比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO器件的功耗比較圖；

圖10為非易失性阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO器件的轉變速度測試圖；

圖11為非易失性阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的器件數(shù)據(jù)保持能力測試圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種非易失性阻變存儲器件及其制備方法，以下結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細地說明，但本發(fā)明并不限于此。

圖中各層薄膜厚度和區(qū)域大小形狀不反映真實比例，目的只是示意說明本發(fā)明內(nèi)容。

圖1為本發(fā)明比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO的結構示意圖，該結構最下端是襯底材料NSTO，NSTO是鈮摻雜的鈦酸鍶材料(摻雜質量分數(shù)為0.7％)，摻雜后同時作為器件的底電極材料。沉積在NSTO上的是HfO_x，由于沉積工藝控制，獲得的HfO_x薄膜材料為非化學計量比。沉積在HfO_x上的是頂電金屬薄膜材料Ta，Ta/HfO_x/NSTO構成了本發(fā)明比較例的阻變存儲器結構單元。

圖2為本發(fā)明實施例非易失性阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的結構示意圖，該結構最下端是襯底材料NSTO，NSTO是鈮摻雜的鈦酸鍶材料(摻雜質量分數(shù)為0.7％)，摻雜后同時作為器件的底電極材料。沉積在NSTO上的是一層單晶CeO₂薄膜，用來降低整個器件的功耗沉積并降低器件轉變參數(shù)離散性，在CeO₂上的是HfO_x，由于沉積工藝控制，獲得的HfO_x薄膜材料為非化學計量比，沉積在HfO_x上的是頂電金屬薄膜材料Ta，Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO構成了本發(fā)明實施例的阻變存儲器結構單元。

比較例1

阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：NSTO基片清洗，并遮擋部分區(qū)域作為底電極；

步驟2：利用磁控濺射技術在NSTO薄膜上沉積HfO_x薄膜，厚度為20nm，沉積工藝為：沉積前，腔室真空度在1×10^-5Pa；沉積過程中，腔室氣壓保持在2Pa，氧分壓控制在5％，沉積溫度25℃，沉積功率60W，沉積時間20分鐘；

步驟3：使用掩膜版在HfO_x薄膜上形成頂電極圖形；

步驟4：利用磁控濺射技術在HfO_x薄膜上沉積Ta金屬電極層，厚度為80nm，沉積工藝為：沉積前，腔室真空度在2×10^-4Pa；沉積過程中，腔室氣壓保持在1Pa，沉積溫度25℃，沉積功率60W，沉積時間4分鐘。

步驟5：去除掩膜版，得到阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO。

實施例1

阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：NSTO基片清洗，并遮擋部分區(qū)域作為底電極；

步驟2：利用脈沖激光沉積技術在NSTO上外延一層超薄CeO₂薄膜，厚度為4nm，沉積工藝為：沉積前，腔室的真空度在～1×10^-8Pa；沉積過程中激光脈沖頻率1Hz，靶基間距為80mm，沉積過程中的真空度為～3×10^-8Pa，襯底溫度為800℃，激光燒蝕能量為1J·cm^-2；

步驟3：利用磁控濺射技術在CeO₂薄膜上沉積HfO_x薄膜，厚度為20nm，沉積工藝為：沉積前，腔室真空度在1×10^-5Pa；沉積過程中，腔室氣壓保持在2Pa，氧分壓控制在5％，沉積溫度室溫，沉積功率60W，沉積時間20分鐘；

步驟4：使用掩膜版在HfO_x薄膜上形成頂電極圖形；

步驟5：利用磁控濺射技術在HfO_x薄膜上沉積Ta金屬電極層，厚度為80nm，沉積工藝為：沉積前，腔室真空度在2×10^-4Pa；沉積過程中，腔室氣壓保持在1Pa，沉積溫度室溫，沉積功率60W，沉積時間4分鐘。

步驟6：去除掩膜版，得到阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO。

圖3為本發(fā)明比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO器件的透射電子顯微結構圖。從圖中可以清楚得看出三層薄膜之間的界面與厚度，并且沒有明顯的界面層存在，NSTO為單晶態(tài)，HfO_x為非晶態(tài)，Ta為多晶態(tài)。

圖4為本發(fā)明阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的透射電子顯微結構圖。從圖中可以清楚得看出四層薄膜之間的界面與厚度，并且沒有明顯的界面層存在，NSTO為單晶態(tài)，CeO₂為單晶態(tài)，與NSTO存在位相關系，HfO_x為非晶態(tài)，Ta為多晶態(tài)。

圖5本發(fā)明比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO器件的阻變特性曲線，顯示出了良好的電阻轉變特性，可以用于存儲器件。

圖6本發(fā)明比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO器件的電壓-循環(huán)次數(shù)曲線，從圖中可以看出，雖然本發(fā)明比較例也表現(xiàn)出了較好的阻變特性，但是其轉變參數(shù)離散，增大了外圍電路設計的困難程度。

圖7為本發(fā)明阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的阻變特性曲線，顯示出了良好的電阻轉變特性，可以用于存儲器件，并且與比較例相比，具有更低的電流值，也就是更低的功耗。

圖8為本發(fā)明阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的器件電壓-循環(huán)次數(shù)曲線，從圖中可以看出與本發(fā)明比較例1相比，轉變參數(shù)離散型明顯減弱，說明本發(fā)明明顯的抑制了阻變存儲器件轉變參數(shù)離散的問題。

圖9為本發(fā)明阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO與本發(fā)明比較例阻變存儲器件Ta/HfO_x/NSTO器件的功耗比較圖，從圖中可以看出與本發(fā)明比較例1相比具有更低的功耗值，適用于嵌入式設備。

圖10為本發(fā)明阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO器件的轉變速度測試圖，從圖中可以肯出本發(fā)明器件具有小于50ns的數(shù)據(jù)存儲速度，適用于下一代高速存儲技術。

圖11為本發(fā)明阻變存儲器件Ta/HfO_x/CeO₂/NSTO的器件數(shù)據(jù)保持能力測試圖，從圖中數(shù)據(jù)可以看出所制備的器件在經(jīng)過10⁶s的讀取后高低阻態(tài)無明顯變化，表明該器件具有非易失性，并通過外推法可以推斷出本發(fā)明阻變器件具有大于十年的數(shù)據(jù)保持特性。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了描述，但本領域的普通技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離所附權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。