阻变存储器件的制备方法及阻变存储器件与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种阻变存储器件的制备方法以及一种由该方法制作形成的阻变存储器件。

背景技术：

半导体存储器是集成电路产业中最为重要的技术之一，广泛应用于信息、社会安全、航空/航天、军事/国防、新能源和科学研究的各个领域，是国家竞争力的重要体现。随着大数据、云计算、物联网等技术的兴起，需要存储分析的信息正在爆炸式增长，因此存储器有着巨大的市场。如何不断提高存储的性能成为信息科学领域的一个关键性基础问题。为了实现更高的数据存储密度、更小的单位比特成本，急需一种新型的与cmos工艺高度兼容的存储器结构。

阻变存储器(rram)由于简单的器件结构、紧凑的存储阵列、优良的存储性能和与现有cmos工艺的高兼容度，成为最具潜力的解决方案之一。自1967年，simons和verderber发现并研究了au/sio2/al结构的电阻转变行为后，经过四十多年的薄膜制备技术的逐渐成熟和非挥发存储技术的发展，越来越多适用于阻变存储器的的薄膜材料被报道，并被工业界应用于存储芯片的试制，寻找综合性能优异的阻变存储材料是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种阻变存储器件的制备方法以及一种由该方法制作形成的阻变存储器件。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种阻变存储器件的制备方法，包括：

步骤s110、在沉积有第一电极的衬底上形成含有多种金属元素和氧元素的阻变材料层；

步骤s120、将所述阻变材料层进行退火处理。

可选地，步骤s110具体包括：

将沉积有第一电极的衬底放置到磁控溅射设备中，并调整靶材与所述衬底之间的间距，其中，所述靶材包括所述多种金属元素和所述氧元素；

待所述磁控溅射设备的真空度达到预定值时，将所述衬底加热至目标温度；

向所述磁控溅射设备提供溅射功率和溅射工艺气体，以利用所述溅射功率将所述溅射工艺气体激发形成等离子体；

利用所述等离子体轰击所述靶材，使得靶材中的元素逸出表面并沉积在所述衬底的表面，形成所述阻变材料层。

可选地，所述磁控溅射设备的溅射工艺参数满足至少下述一项：

所述靶材与所述衬底的间距范围为65mm～85mm；

所述磁控溅射设备的真空度范围为3×10^-9torr～3×10^-7torr；

射频功率的范围为700w～900w；

所述衬底的目标温度范围为300℃～500℃；

溅射工艺气体的压力范围为9mtorr～11mtorr；

沉积时间的范围为22min～24min。

可选地，所述阻变材料层包括三种金属元素和一种氧元素。

可选地，所述金属元素分别为cu、al和zn。

可选地，所述阻变材料层的各种元素的组分比满足：

cu：al：zn：o＝(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)。

可选地，在步骤s120中，退火温度的范围为600℃～800℃，退火时间的范围为5s～120s。

可选地，所述阻变材料层的厚度范围为10nm～500nm。

可选地，还包括：

在步骤s110之前，在所述衬底上形成第一电极；

在步骤s120之后，在所述阻变材料层上形成第二电极。

本发明的第二方面，提供了一种阻变存储器件，所述阻变存储器件采用前文记载的制备方法制成。

本发明的阻变存储器件的制备方法和阻变存储器件，通过诸如磁控溅射技术等工艺得到包含有多种金属元素和氧元素的阻变材料层，能够很好地保持材料的化学计量比，通过退火处理改善了所形成的阻变材料层的缺陷状态，提高了阻变存储器件的转变一致性。此外，制作形成的阻变存储器件具有存储窗口宽、数据保持时间长、耐久性高的优点。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明第一实施例中阻变存储器件的制备方法的流程图；

图2为本发明第二实施例中阻变存储器件的i-v测试曲线图；

图3为本发明第三实施例中阻变存储器件的耐久性测试结果图；

图4为本发明第四实施例中阻变存储器件的循环与循环之间的电阻累计分布图；

图5为本发明第五实施例中阻变存储器件的数据保持能力测试结果图；

图6为本发明第六实施例中阻变存储器件的结构示意图。

附图标记说明

100：阻变存储器件；

110：衬底；

120：粘合层；

130：第一电极；

140：阻变材料层；

150：第二电极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明的第一方面，涉及一种阻变存储器件的制备方法s100，包括：

s110、在沉积有第一电极的衬底上形成含有多种金属元素和氧元素的阻变材料层。

具体地，在本步骤中，衬底可以由绝缘无机材料或导电柔性有机材料组成，例如，硅片。在衬底上形成含有多种金属元素和氧元素的阻变材料层可以采用磁控溅射工艺制作形成，当然，也可以通过其他的一些制作工艺形成含有多种金属元素和氧元素的阻变材料层，例如，化学气相沉积方法、物理气相沉积方法等等。所形成的阻变材料层所包含的多种金属元素，例如，可以包括cu、al和zn等。当然，除此以外，阻变材料层也可以包含更多的金属元素。

步骤s120、将阻变材料层进行退火处理。

本实施例中的阻变存储器件的制备方法s100，通过诸如磁控溅射技术等工艺沉积得到包含多种金属元素和氧元素的阻变材料层，能够很好地保持材料的化学计量比，通过退火处理改善了所形成的阻变材料层的缺陷状态，提高了制作形成的阻变存储器件的转变一致性。此外，在制作形成的阻变存储器件中，其具有存储窗口宽、数据保持时间长、耐久性高的优点。

具体地，步骤s110包括：

将沉积有第一电极的衬底放置到磁控溅射设备中，并调整靶材与衬底之间的间距，其中，靶材包括所述多种金属元素和所述氧元素。

待磁控溅射设备的真空度达到预定值时，将衬底加热至目标温度；

向磁控溅射设备提供溅射功率和溅射工艺气体，以利用溅射功率将溅射工艺气体激发形成等离子体；

利用等离子体轰击靶材，使得靶材中的元素逸出表面并沉积在述衬底的表面，形成阻变材料层。

本实施例中的阻变存储器件的制备方法s100，其采用了磁控溅射工艺制作形成阻变存储器件的阻变材料层，并且，靶材包括所述多种金属元素和所述氧元素，在利用等离子体轰击靶材时，靶材上的元素会逸出靶材表面，从而沉积在衬底的表面形成所需要的阻变材料层，采用磁控溅射工艺形成阻变材料层时，形成的阻变材料层的元素种类与元素含量与靶材的元素种类以及元素含量相同，也就是说，磁控溅射工艺能够很好地保持材料的化学计量比，从而可以使得制作形成的阻变存储器件具有存储窗口宽、数据保持时间长、耐久性高的优点。

优选地，阻变材料层包括三种金属元素和一种氧元素，具体地，三种金属元素可以分别为cu、al和zn。

在阻变材料层中，其各种元素的组分比满足：

cu：al：zn：o＝(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)。当然，优选地可以使得cu：al：zn：o＝1：1：1：1。

本实施例中的阻变存储器件的制备方法s100，限定了各种元素之间的比例关系，利用磁控溅射方法沉积形成的阻变材料层，可以有效地保持材料的化学计量比。这样，制作形成的阻变存储器件可以进一步具有存储窗口宽、数据保持时间长、耐久性高的优点。

具体地，磁控溅射设备的溅射工艺参数满足至少下述一项：

所述靶材与所述衬底的间距范围为65mm～85mm，优选地，所述靶材与所述衬底的间距可以为75mm；

所述磁控溅射设备的真空度范围为3×10^-9torr～3×10^-7torr，优选地，磁控溅射设备的真空度为3×10^-8torr；

射频功率的范围为700w～900w，优选地，射频功率为800w；

所述衬底的目标温度范围为300℃～500℃，优选地，所述衬底的目标温度为400℃；

溅射工艺气体的压力范围为9mtorr～11mtorr，优选地，溅射工艺气体的压力为10mtorr；

沉积时间的范围为22min～24min，优选地，沉积时间为23min。

本实施例中的阻变存储器件的制备方法s100，限定了具体地溅射工艺参数，这样，可以使得制作形成的阻变存储器件，可以进一步具有存储窗口宽、数据保持时间长、耐久性高的优点。

优选地，在步骤s120中，退火温度的范围为600℃～800℃，退火时间的范围为5s～120s。

本实施例中的阻变存储器件的制备方法s100，限定了具体地退火温度以及退火时间，可以进一步有效改善所形成的阻变材料层的缺陷状态，提高了制作形成的阻变存储器件的转变一致性。

优选地，所述阻变材料层的厚度范围为10nm～500nm。

优选地，阻变存储器件的制备方法s100还包括：

在步骤s110之前进行的：

s101、在衬底上形成第一电极；

在步骤s120之后进行的：

s130、在阻变材料层上形成第二电极。

本发明的发明人对制作形成的阻变存储器件进行了各项试验研究，从图2可以看出，阻变存储器件无需点激活过程，具有低的转变电压，大的开关比，可以应用于多位存储技术。从图3可以看出，阻变存储器件在经过10000次循环测试后器件电阻仍无任何衰退迹象，表现出了良好的耐久性。从图4可以看出，阻变存储器件具有优异的转变参数一致性。从图5可以看出，阻变存储器件在经过10⁶s的读取后高低阻态无明显变化，表面该阻变存储器件具有非易失性。

本发明的第二方面，如图6所示，提供了一种阻变存储器件100，该阻变存储器件100可以采用前文记载的阻变存储器件的制备方法制作形成。

如图6所示，阻变存储器件100包括衬底110以及依次设置在衬底110上的粘合层120、第一电极130、阻变材料层140和第二电极150。

具体地，衬底110的材料可以为单晶硅，并且，在单晶硅上面还可以形成有热氧化生长的氧化硅层，其厚度可以为300nm，氧化硅层可以起到电绝缘的作用，防止衬底110产生泄漏电流现象。粘合层120的材料可以为ti材料，粘合层120的存在可以使得阻变存储器100的性能更稳定。第一电极130可以为pt金属电极。第二电极150可以为cu金属电极，此外，第二电极150还可以为多种金属或者合金导电材料。

本实施例中的阻变存储器件100，采用前文记载的制备方法制作形成，其通过诸如磁控溅射技术等工艺沉积得到包含多种金属元素和氧元素的阻变材料层，能够很好地保持材料的化学计量比，通过退火处理改善了所形成的阻变材料层的缺陷状态，提高了阻变存储器件100的转变一致性。此外，还可以使得阻变存储器件100具有存储窗口宽、数据保持时间长、耐久性高的优点。

此外，关于具体的阻变存储器件的性能测试，可以参考前文相关记载，在此不作赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。