層104為TaOx，勢(shì)皇層105為Ta2O5,其中Ta0x(104)的厚度10?80nm，采用純度99.95%的Ta作為靶材，通過反應(yīng)濺射沉積而成，濺射條件如下:真空度5.6 X 10—5Pa，Ο/Ar比
0.1?0.9，功率40?150w，襯底溫度200?700°C，腔內(nèi)氣壓為0.2?0.4Pa，該層的厚度控制同樣十分關(guān)鍵，研究表明:只有當(dāng)TaOx層的厚度維持在一定范圍內(nèi)(10?80nm)，才能保證整個(gè)自整流存儲(chǔ)單元在順利完成阻變過程的同時(shí)實(shí)現(xiàn)整流特性，過薄的TaOx層不足以起到整流作用，而過厚的TaOx層將導(dǎo)致操作電壓大幅增加，甚至導(dǎo)致阻變窗口消失;Ta2O5由TaOx經(jīng)氧等離子體氧化而得，制備勢(shì)皇層Ta205(105)的氧化功率20?90w，02流量8?30sccm，氧化時(shí)間500?2500s。
[0037]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。如圖2所述，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，包括如下步驟:
[0038]步驟201，利用DC磁控濺射在襯底101上濺射一層金屬Hf(鉿)。
[0039]步驟202，留出適當(dāng)大小的區(qū)域作下電極，其余部分的Hf(鉿)用鋁箔遮蓋住，利用DC磁控濺射沉積一層Pt (鉑)將下電極102保護(hù)住。
[0040]步驟203，對(duì)裸露的Hf(鉿)進(jìn)行氧等離子體氧化，形成阻變層103。
[0041]步驟204，在阻變層(Η??χ)103上利用磁控反應(yīng)濺射沉積一層整流層(Ta0x)104，濺射過程中對(duì)其襯底進(jìn)行加溫。
[0042]步驟205，對(duì)沉積好的整流層(Ta0x)104表面同樣進(jìn)行氧等離子體氧化，形成勢(shì)皇層105，X射線光電子譜(XPS)分析表明TaOx經(jīng)等離子體氧化后，其表面氧含量增加，成份接近Ta2O5,其厚度為l-10nm，較佳的厚度為l-5nm。
[0043]步驟6、利用掩模板，通過DC磁控濺射于勢(shì)皇層105完成上電極106(Pt)沉積，上電極直徑為:0.I?0.4mm，厚度50nmo
[0044]利用Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)儀測(cè)試上述方法制得的自整流RRAM存儲(chǔ)單元的電流-電壓(1-V)特性。測(cè)試時(shí)正反偏壓均加至上電極，而下電極始終接地。1-V測(cè)試結(jié)果參見圖3。該自整流RRAM存儲(chǔ)單元初始電阻均為高阻態(tài)，?111 Ω。該存儲(chǔ)單元需Forming過程，電壓初次從OV掃描至7.85V，測(cè)試時(shí)設(shè)定適當(dāng)?shù)南拗齐娏?Icc)以防止器件擊穿。隨后，電壓掃描順序始終為:04-2—0—3.5—0V，當(dāng)電壓掃至-2V時(shí)候，器件變?yōu)楦咦钁B(tài)，完成Reset過程，而當(dāng)電壓掃描至3V時(shí)，器件的阻值又由HRS態(tài)回到LRS態(tài)，繼而完成Set過程。從圖4可以看出，該存儲(chǔ)單元在表現(xiàn)出電阻變化(高低阻比值?13)的同時(shí)，還在LRS態(tài)時(shí)出現(xiàn)整流現(xiàn)象，S卩1-V曲線在LRS態(tài)時(shí)出現(xiàn)左右不對(duì)稱的情形，其最大整流比?1.4 X 13出現(xiàn)在0.5V的位置。值得注意的是，在重復(fù)上述電壓掃描順序的過程中，本發(fā)明存儲(chǔ)單元表現(xiàn)出了優(yōu)良的穩(wěn)定性。上述的自整流特性將為解決Crossbar結(jié)構(gòu)中的串?dāng)_問題提供了有益幫助。
[0045]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0046]I)本發(fā)明根據(jù)自整流RRAM器件的設(shè)計(jì)原理，提出了一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，即，Pt/Ta205/Ta0x/Hf0x/Hf，該結(jié)構(gòu)使用高功函數(shù)(Pt: 5.65eV)和低功函數(shù)(Hf:3.9eV)金屬分別作為上下電極，并結(jié)合兩種不同禁帶寬度的氧化物，TaOx(4.0eV)和HfOx(5.7eV)，在Pt/Ta205界面處形成肖特基勢(shì)皇，同時(shí)在TaOx/HfOx界面處由于兩者禁帶寬度的不同形成勢(shì)皇，從而有效抑制了反向串?dāng)_電流。而在HfOx/Hf界面處保持歐姆連接，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在成功實(shí)現(xiàn)高阻變窗口的同時(shí)成功實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)單元的高整流比。
[0047]2)對(duì)一部分下電極Hf直接進(jìn)行氧等離子體氧化，一定深度范圍內(nèi)會(huì)形成HfOx;同理，Ta205層的制備也是通過對(duì)TaOx表面進(jìn)行氧等離子氧化而完成的。由于底層Hf金屬的高親氧性，會(huì)使得HfOx中的氧離子呈一定的梯度分布，即氧離子主要集中分布于Ta0x/Hf0x界面處;而位于Ta205層下，未被氧等離子氧化過的一部分TaOx會(huì)向“Reservoir”一樣起到留和釋放來自Ta0x/Hf0x界面處氧離子的作用(加偏壓情況下)。
[0048]整個(gè)存儲(chǔ)單元的電阻轉(zhuǎn)變以及LRS態(tài)時(shí)的整流特性可能由以下原因?qū)е?加偏壓時(shí)，Ta0x/Hf0x界面處氧空位數(shù)量的變化以及氧空位對(duì)電子的俘獲或釋放，會(huì)改變界面處的勢(shì)皇寬度。初始電阻為高阻態(tài)的器件，在正偏壓情況下，氧離子向TaOx—側(cè)迀移，Ta0x/Hf0x界面處會(huì)形成一定數(shù)量的氧空位，大量氧空位的存在會(huì)削弱此界面處的勢(shì)皇，同時(shí)，氧空位所形成的缺陷能級(jí)會(huì)對(duì)電子進(jìn)行俘獲。當(dāng)正向電壓繼續(xù)增大，缺陷能級(jí)被電子填滿后，由電極注入的電荷成為了自由移動(dòng)的載流子，在電場(chǎng)作用下容易隧穿過Ta0x/Hf0x界面處的勢(shì)壘，直接進(jìn)入TaOx的導(dǎo)帶(TaOx的禁帶寬度小于HfOx)，使流經(jīng)器件的電流急劇增大，此時(shí)整個(gè)器件轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)RS態(tài)；負(fù)偏壓情況下，被氧空位缺陷能級(jí)俘獲的電子重新得以釋放，加之Ta0x/Hf0x界面處的氧空位數(shù)量減少(由于氧離子的迀回)，使得此界面處勢(shì)皇的隧穿寬度變寬，它與PVTa2O5界面處的肖特基勢(shì)皇一道共同阻擋著電子的注入，此時(shí)整個(gè)器件重新回到HRS態(tài)，具體參見圖4。
[0049]3)在制備TaOx層時(shí)，對(duì)襯底進(jìn)行加溫能有效地減少了其中的缺陷態(tài)，這同樣為負(fù)偏壓時(shí)阻擋電子注入，減少反向漏電流提供了幫助。
[0050]4)該存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)在直流電壓連續(xù)掃描激勵(lì)下，表現(xiàn)出了優(yōu)異的高低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)變和穩(wěn)定記憶特性，其高低電阻間的差值大于104，足夠滿足電路識(shí)別的需求;具有較低的Set和Reset電壓，分別為:3V和-2V，同時(shí)，其Iset和Ireset非常低，保持在10—6和10—8A量級(jí)。
[0051]5)本發(fā)明所選用的制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，易于操作，適合高效地制備具有優(yōu)異性能的自整流RRAM存儲(chǔ)單元。
[0052]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾與改變。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，其特征在于: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。2.如權(quán)利要求1所述的一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的襯底為表面氧化的娃片。3.如權(quán)利要求2所述的一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的下電極為過渡族金屬Hf，其裸露部分用惰性金屬或適當(dāng)材料蓋住以防氧化。4.如權(quán)利要求3所述的一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述阻變層為HfOx，經(jīng)過渡族金屬Hf直接氧等離子體氧化得到，其厚度為l-10nm。5.如權(quán)利要求4所述的一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，其特征在于: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，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l-10nm。6.如權(quán)利要求5所述的一種具有自整流特性的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述上電極為惰性金屬。7.一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: 步驟一，在襯底上，利用DC磁控濺射沉積一層過渡族金屬； 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； 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； 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； 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； 步驟六，利用掩膜版于所述勢(shì)皇層上完成上電極制備。8.如權(quán)利要求7所述的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，其特征在于:于步驟一中，該過渡族金屬為過渡族金屬Hf。9.如權(quán)利要求7所述的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，其特征在于:于步驟四中，濺射過程中對(duì)其襯底進(jìn)行加溫。10.如權(quán)利要求7所述的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，其特征在于:于步驟六中，所述上電極為惰性金屬。
【專利摘要】本發(fā)明公開了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，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)壘層以及上電極，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)壘層設(shè)置在所述阻變層上，所述上電極，設(shè)置在所述勢(shì)壘層上，通過本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了直接利用具有較低功函數(shù)的過渡族金屬鉿作為下電極的自整流RRAM存儲(chǔ)單元新結(jié)構(gòu)，同時(shí)本發(fā)明僅利用磁控濺射和氧等離子體氧化法便能方便、快速地制備出具有高整流比的氧化物RRAM存儲(chǔ)單元。
【IPC分類】H01L45/00
【公開號(hào)】CN105552219
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510916746
【發(fā)明人】馬海力, 馮潔, 陳小榮
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月10日