一种无需软击穿过程的阻变存储器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种无需软击穿过程的阻变存储器及其制备方法，该阻变存储器具有上下两个电极和位于上下电极中间的有源层，有源层材料为富铝的AlxOy纳米薄膜。一般的阻变存储器都需要一个软击穿过程来激发气阻变特性，但发明所示阻变存储器无需软击穿过程即可激发阻变特性，这是该器件在工业应用中的一个优势。同时，该存储器运行基于导电丝原理，同时采用物理与化学方法制备，器件具有制备简单，成本低廉等特点。
【专利说明】
一种无需软击穿过程的阻变存储器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种无需软击穿的阻变存储器及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]1962年，T.W.Hickmott首次报道了在三氧化二铝中观测到的阻变现象而引起学术界广泛关注，在60-80年代涌现大量的有关阻变机理的研究。90年代末期，摩尔定律的发展规律开始受到物理瓶颈的限制，传统硅器件的微缩化日益趋近于极限，新结构与新材料成为研究者日益关注的热点。与此同时，研究者开始发现阻变器件极为优异的微缩化潜力及其作为NVM器件具有可观的应用前景，因而引发了对基于阻变原理的阻变存储器件的广泛研究。
[0003]阻变式存储器可显著提高耐久性和数据传输速度的可擦写内存技术。RRAM是一种“根据施加在有源层上的电压的不同，使材料的电阻在高阻态和低阻态间发生相应变化，从而开启或阻断电流流动通道，并利用这种性质储存各种信息的内存”。
[0004]在工业界，三星电子成功开发出备受业界瞩目的阻变式存储器(ResistiveRandom Access Memory) “可显著提高耐久性和数据传输速度的可擦写内存技术”。利用三星电子开发成功的RRAM技术制成的内存产品，和现有内存相比，擦写速度提高了 100万倍，可反复擦写I兆次，保证了产品优异的耐久性。不仅如此，还可以大幅降低电流量，因此在业界产生了极大的反响。作为未来集成电路的基本元件，RRAM的电激发过程(软击穿)会成为其发展一个阻碍，在高密度集成电路中提供4-10V的电压对RRAM进行激发显然不合适，未来发展中必须要减小RRAM激发电压，甚至消除电激发过程。
【
【发明内容】
】
[0005]本发明的目的在于针对普通忆阻器需要电压激发过程的问题，提供一种无需软击穿的阻变存储器及其制备方法。
[0006]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现:
[0007]—种无需软击穿过程的阻变存储器，包括硅衬底，硅衬底上依次设置有厚度为200?100nm的底金属电极、厚度为30?50nm的AlxOy薄膜以及厚度为500?100nm的顶金属电极。
[0008]本发明进一步的改进在于:
[0009]所述硅衬底采用P型或者N型硅片，且硅片上生长有一层厚度为5?1nm的二氧化娃层。
[0010]所述底金属电极和顶金属电极的材料采用Al、Cu、T1、Ag或Ni。
[00111 所述顶金属电极为直径为ΙΟΟμπι、间距为250μηι的圆形电极。
[0012]—种无需软击穿过程的阻变存储器的制备方法，包括以下步骤:
[0013]I)在硅衬底上利用热生长氧化法生长一层厚度为5?1nm的二氧化硅层；
[0014]2)利用离子束蒸发法在二氧化硅层上沉积厚度为200?100nm的铝膜作为底金属电极，制得镀有铝膜的硅片；
[0015]3)将镀有200?100nm铝膜的硅片一部分浸入0.15mol/L的草酸溶液中，并将未浸入草酸溶液的部分用电线连接至外接40V电源的阳极；同时，将一个2cmX 2cm的Pt网作为阴极，并一同浸入到草酸溶液中，用电线连接至外接电源的阴极；
[0016]4)接通电源反应2小时候，直至硅片上有肉眼可见的白色物质，切断电源；将硅片从草酸溶液中取出，用去离子水洗净吹干；
[0017]5)将洗净吹干的硅片用离子束蒸发法和金属掩膜版沉积厚度为500?100nm的铝膜作为顶金属电极，得到无需软击穿过程的阻变存储器。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0019]本发明有源层富铝AlxOy薄膜利用阳极氧化反应制备，底和顶金属电极利用离子束蒸发法制备，沉积速度较快并可以精确控制薄膜厚度。本发明中的阻变存储器在制备完成之初就处于阻变状态，无需软击穿过程的激发，因此在该产品实际运用中具有相当大的优势，这一特性在图3中有所表现。此外，该阻变存储器显示了较好的稳定性，在室温和高温下均能保持在固定阻态，证明其可控性，并有重大的工业应用价值。
【【附图说明】】
[0020]图1为本发明阻变存储器的横截面图；
[0021]图2为本发明的阳极氧化实验图；
[0022]图3为本发明在室温下初始阻变存储器五次伏安特性测量结果图；
[0023]图4为本发明的在室温下阻变存储器完成100次阻变循环及置/复位电压分布图。
[0024]其中:1-硅衬底;2-Alx0y薄膜;3-Pt网;4_草酸溶液;5_底金属电极;6_顶金属电极；7-二氧化娃层。
【【具体实施方式】】
[0025]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0026]参见图1，本发明无需软击穿过程的阻变存储器，包括硅衬底I，硅衬底I上依次设置有厚度为200?100nm的底金属电极5、厚度为30?50nm的AlxOy薄膜2以及厚度为500?100nm的顶金属电极6。述硅衬底I采用P型或者N型硅片，且硅片上生长有一层厚度为5?1nm的二氧化娃层7。底金属电极5和顶金属电极6的材料采用Al、Cu、T1、Ag或Ni。顶金属电极6为直径为ΙΟΟμπι、间距为250μηι的圆形电极。
[0027]本发明无需软击穿过程的阻变存储器的制备方法，包括以下步骤:
[0028]I)在硅衬底上利用热生长氧化法生长一层厚度为5?1nm的二氧化硅层7;
[0029]2)利用离子束蒸发法在二氧化硅层上沉积厚度为200?100nm的铝膜作为底金属电极，制得镀有铝膜的硅片；
[0030]3)如图2所示，将镀有200?100nm铝膜的硅片一部分浸入0.15mo VL的草酸溶液
(4)中，并将未浸入草酸溶液的部分用电线连接至外接40V电源的阳极；同时，将一个2cmX2cm的Pt网3作为阴极，并一同浸入到草酸溶液中，用电线连接至外接电源的阴极；
[0031]4)接通电源反应2小时候，直至硅片上有肉眼可见的白色物质，切断电源；将硅片从草酸溶液中取出，用去离子水洗净吹干；
[0032]5)将洗净吹干的硅片用离子束蒸发法和金属掩膜版沉积厚度为500?100nm的铝膜作为顶金属电极，得到无需软击穿过程的阻变存储器。
[0033]如图1所示，图1为本发明阻变存储器的横截面。在P或N型硅片上生长5?1nm的二氧化硅作为保护层，之后利用离子束蒸发法制作底电极并进行2小时的阳极氧化反应，生成30?50nm厚度的阳极氧化铝膜。在阳极氧化铝膜上沉积300-500nm的铝金属顶电极。
[0034]如图2所示，利用阳极氧化反应制备富铝AlxOy层。在0.15mol/L的草酸溶液中进行铝膜的阳极氧化反应，阴极为面积2cmX2cm的铂网。阳极氧化电压40V，测量电流最大值为60uA，并且会随氧化进程而改变。氧化时间2小时，会有白色物质即AlxOy层在硅片表面形成，断开电源。
[0035]如图3所示，室温下初始阻变存储器五次伏安特性测量。从图中可知，器件无需软击穿过程就处于低阻值状态，其原因在于有源层是富铝的AlxOy薄膜，导致初始电流较高。
[0036]如图4所示，在室温状态下，发明阻变存储器可完成多次阻变循环。其中高阻态的阻值变化比较明显，而低阻态阻值变化较为平均，这是由于在低阻态时形成了较为稳定的铝质电阻丝。从图中可知Vreset(复位电压)和Vset(置位电压)的分布分别在0.4-0.5V和1.0-1.4V之间。
[0037]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
【主权项】
1.一种无需软击穿过程的阻变存储器，其特征在于，包括硅衬底(I)，硅衬底(I)上依次设置有厚度为200?100nm的底金属电极(5)、厚度为30?50nm的AlxOy薄膜(2)以及厚度为500?100nm的顶金属电极(6)。2.根据权利要求1所述的无需软击穿过程的阻变存储器，其特征在于，所述硅衬底(I)采用P型或者N型硅片，且硅片上生长有一层厚度为5?1nm的二氧化硅层(7)。3.根据权利要求1所述的无需软击穿过程的阻变存储器，其特征在于，所述底金属电极(5)和顶金属电极(6)的材料采用Al、Cu、T1、Ag或Ni。4.根据权利要求1所述的无需软击穿过程的阻变存储器，其特征在于，所述顶金属电极(6)为直径为IOOym、间距为250μηι的圆形电极。5.—种无需软击穿过程的阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)在硅衬底上利用热生长氧化法生长一层厚度为5?1nm的二氧化硅层(7); 2)利用离子束蒸发法在二氧化硅层上沉积厚度为200?100nm的铝膜作为底金属电极，制得镀有铝膜的硅片； 3)将镀有200?100nm铝膜的硅片一部分浸入0.15mol/L的草酸溶液(4)中，并将未浸入草酸溶液的部分用电线连接至外接40V电源的阳极；同时，将一个2cmX 2cm的Pt网(3)作为阴极，并一同浸入到草酸溶液中，用电线连接至外接电源的阴极； 4)接通电源反应2小时候，直至硅片上有肉眼可见的白色物质，切断电源；将硅片从草酸溶液中取出，用去离子水洗净吹干； 5)将洗净吹干的硅片用离子束蒸发法和金属掩膜版沉积厚度为500?100nm的铝膜作为顶金属电极，得到无需软击穿过程的阻变存储器。
【文档编号】H01L45/00GK105914295SQ201610256942
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】朱玮, 李 杰
【申请人】长安大学