CN112164749B - 双极性阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双极性阻变存储器及其制备方法，其中，该制备方法包括：在衬底上形成底电极；采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强，在底电极上形成阻变介质层；在阻变介质层上形成活性电极，以构成双极性阻变存储器。本发明的双极性阻变存储器的制备方法通过调节射频功率和/或腔室压强可以实现阻变介质层致密度的控制，进一步借助于薄膜沉积时间的变化实现阻变介质层厚度的调节以及活性电极的厚度调节，使得本发明的双极性存储器可以将较低操作电压、较快编程速度和较高的稳定性集成于一体，极大促进了该器件在物联网、嵌入式等领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件及集成电路领域，具体涉及一种操作电压低、高速、高可靠性的双极性阻变存储器件及其制备方法。
背景技术
随着技术节点的不断推进，晶体管的沟长减小，存储的电荷数量随之减少，导致基于电荷存储的SRAM、DRAM和FLASH等存储器中存储的数据易于丢失、器件性能变差以及可靠性降低，传统存储器的前景受限。因此，需要进一步发展基于非电荷存储的新型存储器。另外，当前的电脑体系采用冯诺依曼架构，该架构中计算单元与存储单元分离，每次运算都有大量数据在计算单元与存储单元之间搬运，降低了能量利用率，且具有较高的操作能耗和较低的存取速度，也制约了计算机的进一步发展。为解决上述问题，需要考虑存储-计算一体化架构，因而需要发展具有存内计算功能的新型器件。由此可见，当前存储器应用的发展方向为研究一种基于新材料和新存储机理且具有存算一体功能的新型器件。
阻变存储器具有结构简单、面积可缩小性强、制备工艺与当前CMOS工艺兼容、操作能耗低等优点，并且具有非易失特性，在撤去外界电压之后，器件依旧能够保持较好状态，具有存内计算能力。因此，基于金属氧化物的阻变存储器作为存算一体功能的新型器件受到广泛关注，有望成为新一代存储器。然而，现有技术中阻变存储器的操作电压普遍较高，难以与当前***电路的时钟电压相匹配；此外，不同类型的阻变存储器各有优缺点，无法将操作电压低、速度快、稳定性强等优点集于一身，限制了阻变存储器的应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决现有技术中阻变存储器的操作电压较高而无法与***电路时钟电压相匹配，以及无法将操作电压低、速度快、稳定性强等优点集于一身的技术问题，本发明提供了一种双极性阻变存储器及其制备方法。
(二)技术方案
本发明的一个方面提供了一种双极性阻变存储器，包括：衬底、底电极、阻变介质层和活性电极，底电极位于衬底上；阻变介质层位于底电极上，阻变介质层采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强形成；活性电极位于阻变介质层上，以构成双极性阻变存储器。
可选地，双极性阻变存储器还包括：粘附层和顶电极。粘附层位于衬底和底电极之间；顶电极，位于活性电极上。
可选地，阻变介质层的折射率为1.488-1.545。
可选地，衬底为硅片，厚度为40nm-100nm；阻变介质层的材料为HfO2、Ta2O5和SiO2中之一，厚度为5-20nm；活性电极的材料为Ag、Ni、Co或Cu，厚度为3-10nm。
可选地，粘附层的材料为钛Ti，厚度为10nm-30nm。
可选地，底电极和顶电极的材料为导电金属或导电金属合金，厚度均为40-100nm，其中，导电金属为Au、Pt、Pd、Ru、Ir、W中的一种，金属合金为TiN、TaN中的一种。
本发明的另一方面公开了一种上述的双极性阻变存储器的制备方法，包括：在衬底上形成底电极；采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强，在底电极上形成阻变介质层；在阻变介质层上形成活性电极，以构成双极性阻变存储器。
可选地，在衬底上形成底电极之前，还包括：对衬底进行热氧化处理，采用射频磁控溅射法，在经过热氧化处理的衬底上形成粘附层。
可选地，在衬底上形成底电极，包括：采用直流溅射法、磁控溅射法或蒸发镀膜法，在粘附层上形成底电极。
可选地，在阻变介质层上形成活性电极，包括：采用直流溅射法，在阻变介质层上形成活性电极。
可选地，在阻变介质层上形成活性电极之后，还包括：采用直流溅射法、磁控溅射法或蒸发镀膜法，在活性电极上形成顶电极。
可选地，采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强，在底电极上形成阻变介质层，包括：以气体流量为12sccm的SiH4和气体流量为1420sccm的N2O为反应物，基板温度为200℃-400℃为反应条件，采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强，在底电极上形成SiO2阻变介质层，其中，腔室压强的调节范围为400mT-600mT，射频功率的调节范围为20W-90W。
可选地，反应物SiH4的载气为N2。
(三)有益效果
本发明提供了一种双极性阻变存储器及其制备方法，其中，该制备方法包括：在衬底上形成底电极；采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强，在底电极上形成阻变介质层；在阻变介质层上形成活性电极，以构成双极性阻变存储器。本发明的双极性阻变存储器的制备方法通过调节射频功率和/或腔室压强可以实现阻变介质层的致密度的控制，进一步借助于薄膜沉积时间的变化实现阻变介质层和厚度的条件，借此本发明的双极性阻变存储器可以实现对操作电压的调节。此外，通过上述制备方法，本发明还可以同时实现对活性电极的厚度调节，以此可以改善该双极性阻变存储器的导电通道的稳定性。因此，使得本发明的双极性存储器可以将较低操作电压、较快编程速度和较高的稳定性集成于一体，极大促进了该器件在物联网、嵌入式等领域的应用。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的双极性阻变存储器的制备方法的流程图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的双极性阻变存储器的结构组成图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的双极性阻变存储器的电流电压特性图；
图4示意性示出了根据本发明实施例的双极性阻变存储器的耐久性特性图；
图5示意性示出了根据本发明实施例的双极性阻变存储器的保持特性图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把他们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把他们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的代替特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
存储器是现代信息技术中用于保存信息的记忆器件，主要功能是存储各种数据和程序，通常采用具有两种稳定状态(分别表示为“0”和“1”)的物理器件(存储单元)来实现存储功能。
目前主流的非易失性半导体存储器主要采用浮栅结构的闪存存储器。浮栅闪存的结构在近30年中变化不大，其主要的发展方向是特征尺寸的缩小。但是，在伴随尺寸缩小的同时，浮栅结构的存储器陆续出现了一些其他问题，例如稳定性变差等。
以电阻转变效应为工作原理的阻变存储器(resistive random access memory，简称RRAM)是最具应用前景的下一代非易失性存储器之一。与传统的浮栅闪存相比，在器件结构、速度、可微缩性、三维集成潜力等方面都具有明显优势。阻变存储器的基本结构为上下电极层以及二者之间的电阻转变层构成的三明治结构，其中电阻转变层在不同外加电压、电流信号的作用下会在不同电阻状态之间进行可逆转变，通常为高阻态和低阻态两种。
然而，现有技术中阻变存储器的操作电压普遍较高，难以与当前***电路的时钟电压相匹配；此外，不同类型的阻变存储器各有优缺点，无法将操作电压低、速度快、稳定性强等优点集于一身，限制了阻变存储器的应用。
为解决现有技术中阻变存储器的操作电压较高而无法与***电路时钟电压相匹配，以及无法将操作电压低、速度快、稳定性强等优点集于一身的技术问题，本发明提供了一种双极性阻变存储器及其制备方法。
如图1所示，本发明的一个方面提供了一种上述的双极性阻变存储器的制备方法，包括：
步骤S101、在衬底上形成底电极；
步骤S102、采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强，在底电极上形成阻变介质层；
步骤S103、在阻变介质层上形成活性电极，以构成双极性阻变存储器。
如图2所示，本发明实施例的双极性阻变存储器包括：自下而上依次的衬底210、底电极220、阻变介质层230、活性电极240和顶电极250。其中，位于活性电极240和底电极220之间的阻变介质层230，该阻变介质层230在电场作用下形成连通上下两个电极的导电通道，当对该器件施加正向电压，导电通道保持，该存储器件处于低阻态，器件相对应的存入数据为“0”，相反，若对其施加反向电压，导电通道断开，器件处于高阻态，器件相对应的存入数据为“1”。
如图1和图2所示，根据本发明的实施例，在步骤S102：采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强，在底电极上形成阻变介质层中，包括：以气体流量为12sccm的SiH4和气体流量为1420sccm的N2O为反应物，基板温度为200℃-400℃为反应条件，采用等离子增强的化学气相沉积法(PECVD)，通过调节射频功率和/或腔室压强，在底电极上形成SiO2阻变介质层，其中，腔室压强的调节范围为400mT-600mT，射频功率的调节范围为20W-90W。
根据本发明的实施例，反应物SiH4的载气为氮气N2，且氮气N2的气体流量可以为392sccm。
根据本发明的实施例，阻变介质层的折射率为1.488-1.545，以确保阻变介质层的致密度效果更好。
根据本发明的实施例，阻变介质层采用的材料除了上述SiO2以外，还可以采用HfO2或Ta2O5，厚度为5-20nm。
在本发明的实施例中，制备形成阻变介质层230的反应条件的基板温度可以为200℃-400℃，具体可以是300℃。基板在上述制备阻变介质层230的工艺过程中用于安置具有底电极220的衬底结构(如硅片)的板状物。可见，本发明的双极性阻变存储器的制备过程可以采用CMOS工艺兼容的低温工艺，使得本发明的双极性阻变存储器的制备更加易于工业化生产。
在本发明的实施例中，通过调节等离子增强的化学气相沉积法中的射频功率，可以实现对阻变介质层230的薄膜致密度的调节。具体地，当射频功率增强时，等离子体获得的能量增加，离子在衬底表面的迁移能力增强，生成物更容易迁移到位能最低的位置进行均匀排列，因此生成的薄膜结构更加致密；当然，随着射频功率的持续增加，反应速率也进一步加快，到达衬底表面的粒子还没有足够的时间进行规则排列就可能被后续到达基片的粒子所覆盖，因此反而不易形成致密而均匀的膜层。为此，本发明实施例的射频功率的调节范围为20W-90W，具体可以选择30W-70W之间，例如30W、35W、40W、45W、50W、55W、60W、65W以及70W中的一个，例如可选为40W，以确保阻变介质层230薄膜的致密度达到最佳效果。
在本发明的实施例中，还可以通过调节等离子增强的化学气相沉积法中的腔室压强，以实现对阻变介质层230的薄膜致密度的调节。具体地，当增加腔体压强，则会造成反应物的平均自由程减小，离子的加速受到限制，在衬底表面的迁移能力减弱，同时反应速率加快，到达衬底表面的粒子还没有足够的时间进行规则排列就被后续到达衬底的粒子所覆盖，使得薄膜的致密度变低；相反，当减小腔体压强时，则会使得薄膜的致密度加强。为此，本发明实施例的腔室压强的调节范围为400mT-600mT，例如400mT、450mT、500mT、550mT、600mT等中的一个，例如可选为550mT，以使得阻变介质层230薄膜的致密度达到最佳。其中，上述的射频功率和腔室压强的调节都可以影响薄膜的致密度，因此，二者可以分别单独调节，也可以同时进行调节，以使得两种作用相互制约，共同影响薄膜的致密度，使得薄膜的致密度最佳。为此，可选择射频功率40W，腔室压强550mT作为射频功率和腔室压强同时进行调节时的反应条件。
其中，阻变介质层230薄膜致密度(或称为致密度)会对器件的操作速度产生影响，具体地，阻变介质层230的致密度降低，Ag离子在阻变介质层230中移动的扩散势垒降低，使得在外加电场的作用下，Ag离子更容易在介质层中移动，从而加快导电通道的形成或断开，从而提高器件的操作速度。
此外，阻变介质层230的厚度也会直接影响操作电压，具体地，对于最新制备的存储器器件，阻变介质层230中尚未形成通道，施加在器件上的初始电压，一方面由阻变介质层230本身的电阻分压，一方面驱动Ag离子进入阻变介质层230并且在介质层中迁移。因此，减小阻变介质层230的厚度，可以减小阻变介质层230的阻值，降低阻变介质层230上的分压，从而降低使器件形成通道的初始操作电压。在本发明的实施例中，阻变介质层230的厚度尺寸为5nm-20nm之间，其中优选20nm。进一步地，阻变介质层230的形成材料可以从氧化铪HfO2、氧化钽Ta2O5和二氧化硅SiO2中之一选择，以保证阻变介质层的性能稳定。在本发明的实施例中，阻变介质层230可以选择二氧化硅SiO2为制备材料。
因此，本发明实施例的双极性阻变存储器的制备方法通过调节射频功率和/或腔室压强可以实现阻变介质层的致密度和厚度的条件，借此本发明的双极性阻变存储器可以实现对操作电压的调节。此外，通过上述制备方法，本发明还可以同时实现对活性电极的厚度调节，以此可以改善该双极性阻变存储器的导电通道的稳定性。因此，使得本发明的双极性存储器可以将较低操作电压、较快编程速度和较高的稳定性集成于一体，极大促进了该器件在物联网、嵌入式等领域的应用。
如图1和图2所示，根据本发明的实施例，在步骤S101：在衬底210上形成底电极220之前，该制备方法还包括：对衬底210进行热氧化处理，采用射频磁控溅射法，在经过热氧化处理的衬底210上形成粘附层。
根据本发明的实施例，衬底为硅片，厚度为40nm-100nm；粘附层的材料为钛Ti，厚度为10nm-30nm。
在本发明的实施例中，当衬底210为硅片时，对衬底210进行热氧化之后，可以在衬底210表面形成一层超薄的致密二氧化硅层。粘附层一方面可以更好地与衬底210的表面形成稳固结构，另一方面还可以更好地与底电极220的下表面形成稳定结构。具体地，粘附层的形成材料可以是钛Ti，厚度范围可以是10nm-30nm，具体可以选择为20nm的厚度。
需要说明的是，粘附层位于衬底210的致密二氧化硅层和底电极220之间，附图2中未作明显体现。实际上，衬底210(包括其表面形成的致密二氧化硅层)和上述的粘附层的结构整体起到本发明实施例的器件衬底的作用，用于支撑器件的主体结构，例如底电极220和阻变介质层230、活性电极240。
如图1和图2所示，根据本发明的实施例，在步骤S101：在衬底210上形成底电极220中，包括：采用直流溅射法、磁控溅射法或蒸发镀膜法，在粘附层上形成底电极220。
底电极220用于引出器件的下电极，作为器件连接的一端口。底电极220形成于衬底210上表面的粘附层的表面上。底电极材料可以选择导电金属或导电金属合金，厚度均为40-100nm，其中，导电金属为Au、Pt、Pd、Ru、Ir、W中的一种，金属合金为TiN、TaN中的一种。具体地，在本发明实施例中，可以在粘附层上直接通过直流溅射铂Pt层作为底电极，厚度可以为100nm。溅射底电极的方法，主要可以是直流溅射法、磁控溅射法和蒸发镀膜法等中的一种，具体的制备方法依据底电极材料的不同和制备工艺的不同有所差异，此处不再赘述。
如图1和图2所示，根据本发明的实施例，在步骤S103：阻变介质层上形成活性电极中，包括：采用直流溅射法，在阻变介质层230上形成活性电极240。
活性电极用于为阻变介质层230中的导电通道的形成提供金属离子，使得阻变介质层230在被施加外场电压的情况下，进入阻变介质层的金属离子形成强健稳定的导电通道，使得本发明的阻变存储器器件结构具有更高的操作稳定性，以达到非易失性存储器的要求。其中，活性电极的形成材料可以是银Ag、镍Ni、钴Co或者铜Cu，以保证其良好的导电效果。此外，活性电极需要保持一定厚度，以活性电极240为银Ag层为例，若其厚度太薄，活性电极提供的Ag离子数量较少，在外电场作用下，进入阻变介质层230的Ag离子不足以形成强健稳定的导电通道，撤去电压后，在高温下，组成导电通道的Ag原子向周围扩散，通道逐渐溶解，低阻状态保持不住，无法满足非易失特性存储器的需求。具体地，活性电极材料厚度可以是3nm-10nm，本发明实施例中可以选择5nm的银Ag层作为活性电极。
根据本发明的实施例，在步骤S103：在阻变介质层230上形成活性电极240之后，还包括：采用直流溅射法、磁控溅射法或蒸发镀膜法，在活性电极240上形成顶电极250。
顶电极250主要用于作为活性电极240的保护层，以进一步形成探针接触层，探针接触层用于作为器件的上电极，形成器件连接的另一端口。顶电极250形成于活性电极240上表面上。顶电极材料可以选择导电金属或导电金属合金，厚度均为40-100nm，其中，导电金属为Au、Pt、Pd、Ru、Ir、W中的一种，金属合金为TiN、TaN中的一种。具体地，在本发明的实施例中，可以在活性电极240上表面上通过直流溅射Pt层作为顶电极，厚度可以为100nm。溅射顶电极的方法主要可以是直流溅射法、磁控溅射法和蒸发镀膜法等中的一种，具体的制备方法依据底电极材料的不同和制备工艺的不同有所差异，此处不再赘述。
根据本发明的实施例，阻变介质层的材料为SiO2，厚度为5-20nm；活性电极的材料为银Ag、镍Ni、钴Co或铜Cu，厚度为3-10nm；底电极和顶电极的材料为导电金属或导电金属合金，厚度均为40-100nm，其中，导电金属为金Au、铂Pt、钯Pd、钌Ru、铱Ir、钨W中的一种，金属合金为氮化钛TiN、氮化钽TaN中的一种。
其中，需要说明的是，上述的活性电极240和顶电极250需要作进一步的光刻，以进行图形化处理。具体地，在经过光刻制备出活性电极240和顶电极250图形，通过剥离操作使得活性电极240和顶电极250实现图形化，刻蚀阻变介质层230之后去除光刻胶，以得到本发明实施例的双极性阻变存储器的器件结构。
进一步地，上述如图2所示的本发明实施例的双极性阻变存储器实际上是一具体的存储单元结构，由多个该存储单元结构组成的存储单元阵列和***电路可以形成一具体的双极性阻变存储装置，以实现具体的商业应用。
如图2所示，本发明的一个方面提供了一种双极性阻变存储器，包括：衬底210、底电极220、阻变介质层230和活性电极240，底电极220位于衬底210上；阻变介质层230位于底电极220上，阻变介质层230采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强形成；活性电极240位于阻变介质层230上，以构成双极性阻变存储器。
根据本发明的实施例，双极性阻变存储器还包括：粘附层和顶电极250。粘附层位于衬底210和底电极220之间；顶电极250位于活性电极240上。
根据本发明的实施例，阻变介质层230的折射率为1.488-1.545。
根据本发明的实施例，衬底210为硅片，厚度为40nm-100nm；阻变介质层230的材料为HfO2、Ta2O5和SiO2中之一，厚度为5-20nm；活性电极240的材料为Ag、Ni、Co或Cu，厚度为3-10nm。
根据本发明的实施例，粘附层的材料为钛Ti，厚度为10nm-30nm。
根据本发明的实施例，底电极220和顶电极250的材料为导电金属或导电金属合金，厚度均为40-100nm，其中，导电金属为Au、Pt、Pd、Ru、Ir、W中的一种，金属合金为TiN、TaN中的一种。
本发明的双极性阻变存储器的结构如图2所示，并采用上述如图1所述的制备方法得到。因此，关于上述双极性阻变存储器的具体内容，可以参照上述关于该器件的制备方法的介绍，此处不再赘述。
如图3所示，依据本发明实施例的双极性阻变存储器的电流电压特性曲线图，可见当对本发明实施例的双极性存储器施加正电压，使器件编程为“0”，器件处于低阻态；相反，当对其施加负电压，使器件复位为“1”，器件处于高阻态。其中，如图3所示，施加正电压达到0.23V左右，器件变为开启状态，电流达到限流1mA；施加负电压达到-0.21V左右，器件开始关断，随着电压增加电流下降，达到截止电压-1.0V之后器件处于设定的高阻态。因此，通过上述的本发明实施例的双极性阻变存储器的制备方法，可以使得双极性阻变存储器具有稳定的高、低阻态的转换过程。
如图4所示，依据本发明实施例的双极性阻变存储器的耐久性特性图，可见当对该器件的操作方式为“编程-读取阻值-擦写-读取阻值”时，采用脉冲电压对器件进行编程和擦写，脉冲宽度固定为50ns，编程脉冲采用正电压，幅值为0.79V，擦写脉冲采用负电压，幅值为0.49V。其中，擦写次数超过106次，高阻态与低阻态之间的比值保持在10左右。因此，通过上述的本发明实施例的双极性阻变存储器的制备方法，可以使得双极性阻变存储器可以采用脉冲电压进行擦写，且操作电压低，操作速度快，可擦写次数多并且保持“0”和“1”之间的状态明显可区分，具备较好的可擦写特性。
如图5所示，依据本发明实施例的双极性阻变存储器的保持特性图，可见在125℃的环境下，每隔100s分别读取该双极性阻变存储器的高阻态和低阻态，其中高阻态与低阻态之间的比值超过10，两种阻态明显可区分。也即，该双极性阻变存储器在高温下依旧具备较好的保持特性。
综上，通过上述的本发明实施例的双极性阻变存储器的制备方法，可以使得双极性阻变存储器的操作电压(例如开启电压和关断电压)的绝对值小于0.5V，在125℃的环境下保持特性超过104秒，脉冲操作模式下，编程时间50ns，可重复擦写次数超过106次。因此，本发明实施例的上述制备方法，可以使得双极性阻变存储器将较低操作电压、较快的编程速度和较高的稳定性等优势集合于一体，使得本发明实施例的双极性阻变存储器能够应用于物联网、嵌入式等领域，具有较高的商业利用价值和科学研究价值。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种双极性阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成底电极；
采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强，在所述底电极上形成阻变介质层，其中包括：以气体流量为12sccm的SiH4和气体流量为1420sccm的N2O为反应物，基板温度为200℃-400℃为反应条件，在所述底电极上形成SiO2阻变介质层，其中，腔室压强的调节范围为400mT-600mT，射频功率的调节范围为20W-90W，其中所述反应物SiH4的载气为N2；
在所述阻变介质层上形成活性电极，以构成所述双极性阻变存储器；
其中，在所述采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强，在所述底电极上形成阻变介质层中，包括：
当射频功率增强时，等离子体获得的能量增加，离子在衬底表面的迁移能力增强，生成物更容易迁移到位能最低的位置进行均匀排列，因此生成的薄膜结构更加致密；当然，随着射频功率的持续增加，反应速率也进一步加快，到达衬底表面的粒子还没有足够的时间进行规则排列就可能被后续到达基片的粒子所覆盖，因此反而不易形成致密而均匀的膜层；和/或
当增加腔体压强，则会造成反应物的平均自由程减小，离子的加速受到限制，在衬底表面的迁移能力减弱，同时反应速率加快，到达衬底表面的粒子还没有足够的时间进行规则排列就被后续到达衬底的粒子所覆盖，使得薄膜的致密度变低；相反，当减小腔体压强时，则会使得薄膜的致密度加强；
使得双极性阻变存储器可以采用脉冲电压进行擦写；在125℃的环境下，每隔100 s分别读取该双极性阻变存储器的高阻态和低阻态，其中高阻态与低阻态之间的比值超过10；使得双极性阻变存储器的操作电压的绝对值小于0.5 V，在125℃的环境下保持特性超过104秒，脉冲操作模式下，可重复擦写次数超过106次。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在衬底上形成底电极之前，还包括：
对所述衬底进行热氧化处理，
采用射频磁控溅射法，在经过所述热氧化处理的所述衬底上形成粘附层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述在衬底上形成底电极，包括：
采用直流溅射法、磁控溅射法或蒸发镀膜法，在所述粘附层上形成所述底电极。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述阻变介质层上形成活性电极，包括：
采用直流溅射法，在所述阻变介质层上形成活性电极。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述阻变介质层上形成活性电极之后，还包括：
采用直流溅射法、磁控溅射法或蒸发镀膜法，在所述活性电极上形成顶电极。
6.一种应用权利要求1-5中任一项所述的制备方法所制备的双极性阻变存储器，其特征在于，包括：
底电极，位于衬底上；
阻变介质层，位于所述底电极上，所述阻变介质层采用等离子增强的化学气相沉积法，通过调节射频功率和/或腔室压强形成；
活性电极，位于所述阻变介质层上，以构成所述双极性阻变存储器。
7.根据权利要求6所述的双极性阻变存储器，其特征在于，
所述阻变介质层的材料为HfO2、Ta2O5和SiO2中之一，厚度为5-20nm；
所述阻变介质层的折射率为1.488-1.545。
8.根据权利要求6所述的双极性阻变存储器，其特征在于，
所述衬底为硅片，厚度为40nm-100nm；
所述活性电极的材料为Ag、Ni、Co或Cu，厚度为3-10nm。
9.根据权利要求6所述的双极性阻变存储器，其特征在于，还包括：
粘附层，位于所述衬底和所述底电极之间；
顶电极，位于所述活性电极上。
10.根据权利要求9所述的双极性阻变存储器，其特征在于，
所述粘附层的材料为钛Ti，厚度为10nm-30nm。
11.根据权利要求9所述的双极性阻变存储器，其特征在于，所述底电极和顶电极的材料为导电金属或导电金属合金，厚度均为40-100nm，其中，导电金属为Au、Pt、Pd、Ru、Ir、W中的一种，金属合金为TiN、TaN中的一种。
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