带有自整流效应的rram存储单元结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阻变存储器(Resistive Random Access Memory, RRAM)技术领域，特别涉及一种带有自整流效应且无需Forming过程的RRAM存储单元结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着便携式电子设备的不断普及，非挥发存储器(Nonvolatile Memory)在整个存储器市场上所占的份额越来越大。目前，市场上主流的非挥发存储器技术是基于电荷存储机制的“闪存”(flash)存储器件，但是由于这类存储器存在诸如操作电压大、速度慢等缺点，同时，由于器件尺寸缩小过程中隧穿氧化层的减薄容易导致数据保持性能的恶化，使得这类存储器很快将达到物理极限。面临这样的挑战，人们提出了多种基于电阻值变化作为信息存储方式的新型非挥发存储技术，它们包括:磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)等。其中，RRAM具有操作电压低、操作速度快、保持时间长、非破坏性读取、可多值存储、结构简单以及与CMOS工艺兼容等诸多优点，被人们看作是未来最有可能取代闪存的新型存储技术。
[0003]为了进一步缩小器件尺寸，提高存储密度，有人在平面二维集成方式的基础提出了 3D堆叠(Crossbar)的概念，即将传统存储单元的平铺结构变为三维垂直结构，就像建造摩天楼一样一层一层堆叠起来。这种3D堆叠方式的好处在于:只要增加堆叠层数，就能成倍地提高存储密度(4F2/N，N为堆叠层数)。但由于无源交叉阵列的自身特点，在3D堆叠过程中，难以避免串扰(Crosstalk)误读现象的发生。过去，为了解决Crossbar结构中的串扰问题，人们主要提出了两种解决方案。其中一种方法是在阻变单元的基础上直接串联一个非线性装置，如晶体管、二极管、双向选择器等。虽然这种方法非常有效，但它不可避免地增加了工艺难度，而且由于外部装置的引入，常常导致存储器的操作电压变高，而且会恶化器件的稳定性；另外一种解决方案则是将两个具有相似结构的双极型阻变单元通过同一电极背靠背连接起来，组成互补型电阻转变单元(Complementary Resistive Switch, CRS)，这种结构体系相对较为复杂。
[0004]近年来人们把精力转而集中在制备结构简单且带有自整流效应的阻变单元上，如金属-绝缘体-金属(M頂)型或金属-绝缘体-绝缘体-金属(ΜΠΜ)型。但在所报道的大部分Μ頂型结构中，其操作电流普遍偏高，一般维持在103?104Α范围内(如文献:Gao, S., et al.Nanoscale 7 (14): 6031-6038.(2015)和 Qing, Y.Z., et al.Journal ofApplied Physics 7(106):073724-073729.(2009))，这将不利于降低存储器的操作能耗。为此，寻找一种结构简单，低操作电流的自整流存储单元结构显得尤为重要。
【发明内容】
[0005]为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种结构简单的带有自整流效应的RRAM存储单元结构及其制备方法，其实现了直接利用具有较低功函数(3.9eV)的过渡族金属給(Hf)作下电极且无需Forming过程的自整流RRAM存储单元新结构。
[0006]本发明之另一目的在于提供一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构及其制备方法，其仅利用磁控溅射和氧等离子体氧化法便能方便、快速制备出具有一定整流比(?102)的氧化物RRAM存储单元。
[0007]为达上述目的，本发明提出一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构，该RRAM存储单元结构包括衬底、下电极、阻变层、整流层以及上电极，所述下电极位于所述衬底之上，所述阻变层设置在所述下电极上，所述整流层设置在所述阻变层上，所述上电极，设置在所述整流层上。
[0008]进一步地，所述的衬底为表面氧化的硅片。
[0009]进一步地，所述的下电极为过渡族金属Hf，其裸露部分用惰性金属盖住以防氧化。
[0010]进一步地，所述阻变层为Η??χ，经过渡族金属Hf氧等离子体氧化得到，其厚度为l-10nmo
[0011]进一步地，所述整流层为TaOx或禁带宽度小于氧化铪的过渡金属氧化物，其通过磁控反应溅射获得，厚度为10?lOOnm。TaOjl的厚度控制同样十分关键。
[0012]进一步地，所述上电极为惰性金属。
[0013]为达到上述目的，本发明还提供一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法，包括如下步骤:
[0014]步骤一，在衬底上，利用DC磁控溅射沉积一层过渡族金属；
[0015]步骤二，预留一部分过渡族金属作下电极，并用惰性金属盖住以防氧化；
[0016]步骤三，对其余部分表面进行氧等离子体氧化，形成阻变层；
[0017]步骤四，在所述阻变层上利用Ta靶通过磁控反应溅射沉积一层整流层；
[0018]步骤五，利用掩膜版于所述整流层上完成上电极制备。
[0019]进一步地，于步骤一中，该过渡族金属为过渡族金属Hf。
[0020]进一步地，于步骤四中，溅射过程在室温下进行。
[0021]进一步地，于步骤五中，所述上电极为惰性金属Pt。
[0022]与现有技术相比，本发明一种带有自整流效应带有自整流效应的RRAM存储单元结构及其制备方法根据自整流RRAM器件的设计原理，实现了一种直接利用具有较低功函数(3.9eV)的过渡族金属給(Hf)作下电极且无需Forming过程的自整流RRAM存储单元新结构，同时本发明仅利用磁控溅射和氧等离子体氧化法便能方便、快速地制备出具有一定整流比(?102)的氧化物RRAM存储单元。
【附图说明】
[0023]图1为本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的结构示意图；
[0024]图2为本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法的步骤流程图；
[0025]图3为本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的半对数1-V曲线图(插图为线性坐标下的1-V曲线)；
[0026]图4为本发明带有自整流效应的RRAM存储单元的机理简图。
【具体实施方式】
[0027]以下通过特定的具体实例并结合【附图说明】本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0028]图1为本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的结构示意图。如图1所示，本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构包括衬底101、下电极102、阻变层103、整流层104和上电极105。
[0029]下电极102位于衬底101上，下电极102的裸露部分用Pt (铂)盖住(防止氧化)，经氧等离子体氧化后的阻变层103位于102之上，整流层104由磁控反应溅射以及氧等离子体氧化完成，被置于阻变层103之上，最后在整流层104之上完成上电极105的沉积。
[0030]衬底101选用表面氧化的硅片。
[0031]上下电极(105和102)分别选用Pt (铂)和Hf (铪)，工艺参数各为:Hf层厚度20?lOOnm，真空度5.6X 10 5Pa，Ar流量10?20sccm，功率40?150w ；Pt层厚度20?lOOnm，真空度 5.6 X 10 5Pa，Ar 流量 10 ?20sccm，功率 40 ?150w。
[0032]阻变层103为Hf (102)经氧等离子体氧化后的HfOjl，氧化功率20?90w，氧化时间500?2500s，(V流量8?30sccm。经研究发现:制备HfO x层的氧化时间只有控制在适当范围内(900s?2000s)，即保证HfOjl的厚度在l_10nm之间，才能使整个自整流存储单元顺利地完成阻变过程，过长的氧化时间会导致器件不能set，过短的氧化时间会导致器件不能reset。
[0033]整流层104为Ta0x，厚度10?100nm，采用纯度99.95 %的Ta作为靶材，通过反应溅射沉积而成，溅射条件如下:真空度5.6X10 5Pa，0/Ar比0.1?0.9，功率40?150w,衬底温度室温，腔内气压为0.2?0.4Pa。研究