一种碳氧化硅薄膜及阻变存储器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于碳氧化硅薄膜的阻变材料及阻变存储器。一种碳氧化硅薄膜阻变材料，其分子式为SiCxOy，其中x=1.21~0.21，y=1.45~2.01，且x、y为负相关；膜厚度在50nm以下。一种阻变存储器，包括顶电极、阻变介质层、衬底和背电极，其特征在于所述阻变介质层为上述碳氧化硅薄膜。所述顶电极可以采用Ag和Al等材料。本发明专利技术选用了COMS工艺兼容的材料来制备阻变存储器，制备过程主要采用了物理法沉积薄膜设备，无高温工艺，减少了能源的消耗。通过控制气体比例，可以得到不同缺陷浓度的碳氧化硅薄膜。对于SiC0.21O2.01材料，其开关比达到了500，完全能够满足实际需求（大于10即可），同时基于碳氧化硅材料的阻变存储器具有自整流效应，这对于简化外电路的设计具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超大规模集成电路
，具体涉及一种具有稳定阻变特性的碳氧化硅薄膜，及利用了该薄膜的阻变存储器。
技术介绍
随着人们对非挥发性存储器的存储容量、速度、功耗、可靠性等性能不断提出要求，基于传统浮栅结构的FLASH存储器由于尺寸无法继续减小，正面临着巨大的挑战。典型的阻变存储器具有简单的“三明治结构”——在两层金属电极之间夹一层阻变层，随着外加电压的变化，阻变存储器能够在高阻态和低阻态之间切换，进而实现数据0和1存储的目的。由于阻变存储器具有结构简单、存储密度高、读写速度快、功耗低、集成度高等特点，使得其具有成为下一代非挥发性存储器的潜力而受到学术界和工业界的广泛关注。目前，应用于阻变存储器的阻变材料主要集中在过度族金属氧化物[如中国申请CN201110344168.0]、钙钛矿材料等。然而这些材料虽然表现出了优异的阻变特性，但是在与传统COMS工艺的兼容上需要进行一定的调整。硅基薄膜作为一种低成本材料，具有与COMS工艺完全兼容的特点。目前，已开发出具有优异阻变特性的硅基薄膜有氧化硅[J. Appl. Phys. 112, 123702 (2012)]、氮化硅[Semicond. Sci. Technol. 25, 065002 (2010)]、氮氧化硅[如中国专利申请CN201010223393.4和CN201010158789.5]、非晶硅。制备高质量硅基薄膜的方法主要是CVD，以SiOx为例。利用SiH4和N2O或SiH4和CO2作为反气体，通过化学键的断裂和再组合，在衬底上沉积SiOx薄膜。然而SiH4作为一种剧毒、易爆炸的气体，虽然是CVD法制备硅基薄膜必不可少的原料，但是存在很大的安全隐患。检索可知，基于磁控溅射法制备的碳氧化硅的阻变存储器至今未有报道。利用磁控溅射法沉积大面积高质量的薄膜在工业上也是一项较为成熟的技术。通过引入掺杂气体，射频反应溅射碳化硅靶材制备碳氧化硅薄膜具有较高的可行性和安全性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于碳氧化硅薄膜的阻变材料及阻变存储器。本专利技术的技术方案如下：一种碳氧化硅薄膜阻变材料，其特征在于：其分子式为SiCxOy，其中x=1.21~0.21，y=1.45~2.01，且x、y为负相关；膜厚度在50nm以下。一种阻变存储器，包括顶电极、阻变介质层、衬底和背电极，其特征在于所述阻变介质层为上述碳氧化硅薄膜。所述顶电极可以采用Ag和Al等材料。本专利技术所述的碳氧化硅薄膜，一般可采用磁控溅射法制备来制备。分子式中的x和y可通过X射线光电子能谱测薄膜组分计算得到，假设所制备的碳氧化硅薄膜原子总数为1，硅为a，碳为b，氧为c，这里的x=b/a，y=c/a，a+b+c=1。通过生长薄膜时氧流量的控制，可控制碳、氧相对于硅的比例，即控制x、y的数值，x是随氧流量增加而递减的，y是随氧流量增加而递增的，因此它们之间有负相关的关系。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术选用了COMS工艺兼容的材料来制备阻变存储器，制备过程主要采用了物理法沉积薄膜设备，无高温工艺，减少了能源的消耗。通过控制气体比例，可以得到不同缺陷浓度的碳氧化硅薄膜。由于溅射法制备的薄膜存在较多的缺陷态（例如悬挂键、空位、填隙原子等），适量氧原子的引入能够减少薄膜内缺陷浓度（氧原子可与未成键的硅原子和碳原子成键），而在此基础上增加氧含量将又会提高薄膜的缺陷浓度（增加了氧空位浓度），这有助于优化该材料的阻变特性，得到较大的开关比。对于SiC0.21O2.01材料，其开关比达到了500，完全能够满足实际需求（大于10即可），同时基于碳氧化硅材料的阻变存储器具有自整流效应，这对于简化外电路的设计具有重要意义。附图说明图1为本专利技术实施例阻变存储器的截面结构示意图。图2为本专利技术实施例阻变介质层的化学式为SiC1.21O1.45的阻变存储器的阻变特性图。图3为本专利技术实施例阻变介质层的化学式为SiC1.21O1.45的阻变存储器在室温下的抗疲劳特性图。图4为本专利技术实施例阻变介质层的化学式为SiC1.21O1.45的阻变存储器在室温下的保持特性图。其中附图标记为：1-顶电极；2-阻变介质层；3-硅衬底；4-背电极。具体实施方式下面结合附图通过具体实施例对本专利技术作进一步描述。实施例一：器件制备本专利技术阻变存储器的截面结构示意图如图1所示，下面结合截面结构示意图阐述本实例阻变存储器的制备过程。1.首先对厚度为500μm的P型重掺杂的硅片（电阻率小于）利用IC工艺中的RCA标准清洗法进行清洗。2.利用射频磁控反应溅射纯度为99.5%的4H-SiC靶材，在室温下制备出厚度约为20nm的阻变介质层SiCxOy，其中x=1.21，y=1.45。参数：本底真空<10-4，工作气压=0.5Pa，氩气流量=30sccm，射频频率=13.56MHz，射频功率=100W，生长时间=10min。3.利用金属掩模板定义顶电极的形状和尺寸（直径为1mm的圆形）。4.利用热蒸发镀膜法或者其他PVD制备厚度约为400nm的Ag顶电极和300nm的Al背电极。本实施例制得的阻变存储器Ag/SiC1.21O1.45/p+-Si的阻变特性测试结果如图2所示，图2中横坐标代表电压，单位伏特，纵坐标代表电流，单位安培。实施例二：器件检测本实施例测试实施例一制得的阻变存储器的阻变特性，测试结果如图2、图3和图4所示，图3中，横坐标代表擦写次数，纵坐标代表电阻，单位欧姆，5代表高阻态曲线，6代表低阻态曲线；图4中，横坐标代表保留时间，单位秒，纵坐标代表电阻，单位欧姆，5代表高阻态曲线，6代表低阻态曲线。由图2可知，随着直流扫描电压的循环，器件Ag/SiC1.21O1.45/p+-Si的阻值会发生高阻态和低阻态的转变，体现了数据0和1的存储。由图3和图4可知，在室温下，读取电压为1.2V，器件Ag/SiC1.21O1.45/p+-Si能够经受住500次循环而高低阻态不发生明显退化，体现良好的抗疲劳特性。同时在1000秒的时间里，器件的高低阻态基本保持不变，显示了器件良好的保持特性。由此体现了这是一种很有潜力成为下一代非挥发性存储器的候选者。实施例三：器件制备本实施例采用和实施例一相同的方法制备阻变存储器，制备的器件具有和实施例一相同的结构，区别在于，氩气流量=29.9sccm，氧气流量=0.1sccm，使得本实施例的阻变介质层SiCxOy的x:y=0.72:1.76。对制备的器件进行实施例二所述的阻变特性测试发现，器件能很好地满足需求。实施例四：器件制备本实施例采用和实施例一相同的方法制备阻变存储器，制备的器件具有和实施例一相同的结构，区别在于，氩气流量=29.4sccm，氧气流量=0.6sccm，使得本实施例的阻变介质层SiCxOy的x:y=0.21:2.01。对制备的器件进行实施例二所述的阻变特性测试发现，器件能很好地满足需求。以上通过实施例描述了本专利技术所提供的碳氧化硅阻变存储器及其制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本专利技术实质的范围内，可以对本专利技术做一定的变换、修改和改进；不限于实施例中所公开的内容，例如顶电极上沉积一层保护性金属薄膜。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳氧化硅薄膜阻变材料，其特征在于：其分子式为SiCxOy，其中x=1.21~0.21，y=1.45~2.01，且x、y为负相关；膜厚度在50nm以下。

【技术特征摘要】
1.一种碳氧化硅薄膜阻变材料，其特征在于：其分子式为SiCxOy，其中x=1.21~0.21，y=1.45~2.01，且x、y为负相关；膜厚度在50nm以下。2.一种阻变存储...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄仕华，陈达，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33