一种high-k介质材料新型同质阻变存储器及其制备方法技术

一种High‑k介质材料新型同质三层结构阻变存储器及其制备方法，列如氧化铪，是由上电极Pt,阻变层HfOx/HfOy/HfOx,其中x

【技术实现步骤摘要】
一种high-k介质材料新型同质阻变存储器及其制备方法
本专利技术属于微电子
，具体涉及一种high-k介质材料新型同质阻变存储器结构及其制备方法。
技术介绍
在下一代新型非易失性存储器中,阻变存储器凭借着其具有较快的擦写速度、较长的数据保持时间、存储密度高、较低的功耗、以及多值存储等优点,被认为是下一代非易失性存储器的有力竞争者。随着阻变机理的不断提出，以及新型结构的不断改进和设计，新型材料的逐渐应用，其中氧化铪作为一种high-k介质材料并且与目前的硅基集成电路制造技术相兼容,人们对以氧化铪为中间层的阻变存储器进行了广泛的研究，但这种新型三层同质阻变存储器结构首次提出。目前主流的flash存储器已经达到了其尺寸缩减的极限,研究人员对下一代新型high-k材料阻变存储器的各项参数存储密度、转变速度、功耗、多值存储上正在不断研究，进而取代flash存储器。阻变存储器的一般结构是简单的金属-绝缘层-金属结构，也就是上下电极和中间的阻变层的三明治结构，阻变层大多数为单层结构，随着近几年来的不断发展，一些叠层结构使器件的性能得到了一定的改善，有些研究人员开始提出三层阻变结构器件，并且器件的性能得到了更大的提高。2018年发表在AdvancesElectronicMaterials上的一篇文献(DesignofCMOSCompatible,High-Speed,Highly-StableComplementarySwitchingwithMultilevelOperationin3DVerticallyStackedNovelHfO2/Al2O3/TiOx(HAT)RRAM)，WritamBanerjee等人采用三层HfO2/Al2O3/TiOx设计结构，获得了较快的set(-3.5v@30ns)和reset(3.8v@150ns)转变速度，HfO2/Al2O3/TiOx设计对于未来高速高密度应用是可行的。但仍然面临着功耗过大的问题。
技术实现思路
本专利技术是一种high-k介质材料新型同质阻变存储器，阻变介质层采用的是不同氧浓度的氧化铪，结构为HfOx/HfOy/HfOx(x>y或者x<y),采用对称的电极材料，该结构的上下电极均采用Pt电极，Pt/HfOx和HfOx/Pt均形成肖特基接触，是一种同质对称结构。本专利技术的技术方案：一种high-k介质材料新型同质阻变存储器结构及其制备方法，由上电极Pt,阻变层HfOx/HfOy/HfOx，(x>y或者x<y)和下电极构成，HfOx介质层的厚度为5-20nm,HfOy介质层厚度为1-5nm。基于一种high-k介质材料新型同质阻变存储器的制备方法，步骤如下：1)以Si为衬底,利用热氧化的方法制备SiO2绝缘层；2)在SiO2绝缘层上利用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发溅射工艺制备下电极Pt,溅射工艺条件为：本底真空为5×10-5pa、工作压强为0.1—1pa,射频溅射功率为60—100w，靶基距6.0-7.0cm；3)在Pt电极上，使用氧化铪陶瓷靶，采用磁控溅射的方法生长制备介质层HfOx薄膜，溅射工艺条件为：氧气流量10-50sccm，射频溅射功率为30-200w，氩气流量为：5-60sccm，靶基距6.0-7.0cm；4)在HfOx介质层上面，使用氧化铪陶瓷靶，采用磁控溅射的方法制备介质层HfOy薄膜,溅射工艺条件为：氧气流量10—50sccm,射频溅射功率为30-200w，氩气流量为：5-60sccm，靶基距6.0-7.0cm；5)在HfOy介质层上面，使用氧化铪陶瓷靶，采用磁控溅射的方法制备介质层HfOx薄膜，溅射工艺条件为：氧气流量10-50sccm，射频溅射功率为30-200w，氩气流量为：5-60sccm，靶基距6.0-7.0cm；6)在氧化铪薄膜上采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发溅射工艺制备上电极，溅射工艺条件为：本底真空为5×10-5pa、工作压强为0.1—1pa,射频溅射功率为60—100w，靶基距6.0-7.0cm；本专利技术的技术分析：该阻变存储器的结构为HfOx/HfOy/HfOx(x>y或者x<y)，存在两个肖特基势垒界面，相比于传统的单层结构，同质三层结构性能更好，有更优的一致性和超低的操作电流及操作电压，相对于插入异质三层HfO2/Al2O3/TiOx结构有更低的功耗。本专利技术的优点：该阻变存储结构是采用一种high-k介质材料新型同质HfOx/HfOy/HfOx(x>y或者x<y)存储结构，该结构有较好的一致性和重复性，以及较低的操作电压和操作电流，有利于高密度集成以及工业应用。附图说明图1为该阻变存储器结构示意图。图中：1、下电极；2、HfOx介质层；3、HfOy介质层；4、HfOx介质层；5、上电极(x>y或者x<y)。图2为该阻变存储器电学特性曲线。具体实施方式实施例：一种high-k介质材料新型同质阻变存储器及其制备方法,如图1所示，1是上电极Pt，2是HfOx介质层，3是HfOy介质层，4是HfOx介质层，5是Pt下电极，其中(x>y或者x<y),上电极Pt厚度为150nm，HfOx介质层2厚度是15nm，HfOy介质层3厚度是5nm，HfOx介质层4厚度是15nm，Pt下电极5厚度是150nm。该阻变存储器的制备方法，步骤如下：以Si片为衬底,使用热氧化扩散炉利用热氧化的方法在硅片上制备SiO2绝缘层。在生长好的SiO2绝缘层上利用磁控溅射工艺制备一层150nm的下电极Pt,溅射工艺条件为：本底真空为5×10-5pa、工作压强为0.5pa,射频溅射功率为75w，靶基距为6.0cm。在生长好的Pt电极上，使用氧化铪陶瓷靶，采用磁控溅射的方法生长制备厚度为15nm的介质层HfOx薄膜，溅射工艺条件为：氧气流量28sccm，射频溅射功率为50w，氩气流量为：5-60sccm，靶基距6.5cm。在生长完成的HfOx介质层4上面，使用氧化铪陶瓷靶，采用磁控溅射的方法制备介质层厚度为5nm的HfOy薄膜,溅射工艺条件为：氧气流量10sccm,射频溅射功率为30w，氩气流量为：5-60sccm，靶基距6.5cm。在生长完成的HfOy介质层3上面，使用氧化铪陶瓷靶，采用磁控溅射的方法制备HfOx介质层2薄膜，溅射工艺条件为：氧气流量28sccm，射频溅射功率为50w，氩气流量为：5-60sccm，靶基距6.5cm。在氧化铪薄膜上采用磁控溅射工艺制备厚度为150nm的上电极Pt，溅射工艺条件为：本底真空为5×10-5pa、工作压强为0.5pa,射频溅射功率为75w，靶基距6.0cm。图2为该结构阻变存储器电学特性曲线，图中表明：该器件的RESET操作电流约为15uA。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种high‑k介质材料新型同质阻变存储器，其特征在于：由上电极Pt,阻变层HfOx/HfOy/HfOx,和下电极Pt构成，其中x<Y或者x>y,HfOx介质层厚度为5‑20nm,HfOy介质层厚度为1‑5nm。

【技术特征摘要】
1.一种high-k介质材料新型同质阻变存储器，其特征在于：由上电极Pt,阻变层HfOx/HfOy/HfOx,和下电极Pt构成，其中x<Y或者x>y,HfOx介质层厚度为5-20nm,HfOy介质层厚度为1-5nm。2.一种如权利要求1所述的high-k介质材料新型同质阻变存储器的制备方法，其特征在于步骤如下：1)以Si为衬底,利用热氧化的方法制备SiO2绝缘层；2)在SiO2绝缘层上利用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发溅射工艺制备下电极Pt,溅射工艺条件为：本底真空为5×10-5pa、工作压强为0.1—1pa,射频溅射功率为60—100w，靶基距6.0-7.0cm；3)在Pt电极上，使用氧化铪陶瓷靶，采用磁控溅射的方法生长制备介质层HfOx薄膜，溅射工艺条件为：氧气流量10-50sccm，射...

【专利技术属性】
技术研发人员：张楷亮，王路广，王芳，李宇翔，张宝军，邓盟，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津,12