CN101562229B - 一种阻变存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻变存储器，属于超大规模集成电路技术领域。本发明阻变存储器包括衬底，衬底上的下电极，下电极上的隔离层，嵌入隔离层中的功能层，和功能层上的上电极，其特征在于，所述功能层为硅氧化物SiOx层，其中0.5≤x＜2，优选地，1≤x≤1.3。功能层的厚度优选不超过50nm。下电极可以是钨电极或铂电极。隔离层可以是SiN或SiON层。上电极可以是铜电极或银电极。优选地，上电极表面具有上电极保护层。本发明所涉及的材料和制备方法和传统CMOS后端工艺完全兼容，变阻器件能够在传统CMOS工艺线上形成，在三维集成、高性能或低压低功耗的存储器方面，都具有很高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种非挥发型存储器(Nonvolatile memory)，尤其是一种新型的阻变存储器，属于CMOS超大规模集成电路(ULSI)技术领域。
背景技术
随着电子产品的发展，对高性能、高密度、高可靠性的存储设备的要求越来越大。为了满足需要，微电子技术节点不断向前推进，使得基于传统浮栅结构的FLASH技术正在遭遇严重的技术挑战，其等比缩小的技术最终将会受到物理极限的限制而无法继续推进。为了解决这个问题，新一代的新型非易失性存储器概念——阻变存储器RRAM诞生。阻变存储器完全基于全新的存储概念，和传统的基于阈值电压改变的flash存储器的概念完全不同，阻变存储器利用电阻的改变实现“0”“1”两种状态的存储。和传统的flash相比，阻变存储器由于其结构简单、功耗低、速度快、存储密度高、制造工艺简单使其成为下一代非挥发性发存储器的最具潜力的器件。阻变存储器的核心部分是阻变材料，阻变存储的概念最初由美国休斯顿大学提出，同年IBM也做了阻变存储的相关报道。随后在学术界和工业界掀起了研究阻变材料的高潮。目前阻变材料的研究重点主要可以分为以下四个部分：
第一部分：钙钛矿类氧化物。钙钛矿材料很多，包括PCMO、LCMO、LPCMO、PZT、SZO、STO等。其可以在电压脉冲的激励下反复实现稳定的高阻态和低阻态之间的转变。尽管其表现出了优良的存储器特性，但是其温度的敏感性，高阻态和低阻态在高温情况下很难保持以及其材料和半导体CMOS工艺完全不兼容，造成了其用于嵌入式非挥发性存储受到了限制。
第二部分：分子材料。很多分子材料在电压和电流的脉冲激励下也会发生电阻的改变。分子材料由于其结构的可设计性受到了关注，通过设计分子的结构可以人为的改造优化其材料的性能。分子材料固有的缺陷就是其温度的稳定性问题(一般低于300℃)。其化学性质会受到温度的影响，限制了其加工温度。很难和常规的CMOS工艺兼容。
第三部分：基于电解质原理的MIM结构。此类结构的核心材料是中间的电解质(GeS，CuS，AgS等)以及上层的活性电极(Cu，Ag)。但是其高阻和低阻的转换电压很小(一般低于1V)，会受到电路微弱信号的干扰而发生状态的改变。同时由于其基于活性金属离子的氧化还原反应，在电场的作用下，通过Cu或者Ag原子的生长和消失来达到阻变，其稳定性和可靠性存在很大的隐患。而且这类材料很难和常规CMOS工艺兼容。
第四部分：过渡金属氧化物。为了尽量和工艺兼容，大量的研究和实验发现很多过渡金属氧化物在电场的作用下都具有阻变特性。例如：WOx、NixO、CuxO、Ta2O5、ZrO2等。这些物质基本可以和常规CMOS工艺兼容。能够表现出良好的阻变特性。但是相对常规工艺来说要增加一些工艺步骤。
上述四类阻变材料及其制备方法都不能和常规CMOS工艺完全兼容。比较理想的阻变存储器是一种完全和常规工艺兼容且具有很好的阻变特性，采用低温工艺，而且其性能可以通过结构参数的设计以及工艺的设计得到很好的控制。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种比较理想的和CMOS后端工艺完全兼容的阻变存储器。相比上述四类已有的材料和结构，本发明所提出的器件材料、结构、工艺具有如下特征：采用了和现有工艺完全兼容的硅氧化物SiOx，0.5≤x＜2材料作为RRAM的MIM结构中的功能层。采用这样的硅氧化物是基于如下考虑：
1)金属离子或原子(例如Cu、Ag)容易在硅氧化物SiOx中扩散；
2)金属离子或原子在功能层中的扩散和介质的结构以及结构致密度相关，当硅氧化合物的氧含量较低时，结构出现缺陷，相对疏松，有利于金属离子或原子的扩散。因此要求硅氧化合物SiOx的x值小于2；
3)当硅氧化物SiOx的x值太小时，性质接近Si的性质，导致器件的漏电太大，不利于低功耗的应用。所以x不能太小，本发明发明人发现，可取的最小值为0.5；
x值进一步优选在1-1.3的范围内，包括该范围的端值。
4)本发明器件的制造工艺采用淀积技术，而不是热生长技术，一方面可以降低温度，和后端工艺完全兼容，另一方面可以制备出结构疏松的硅氧化物SiOx。
该硅氧化物材料的制作采用PECVD工艺(温度在300℃左右)，没有采用任何高温工艺，和CMOS后端工艺完全兼容。
具体来说，本发明阻变存储器包括衬底，衬底上的下电极，下电极上的隔离层，嵌入隔离层的功能层，和功能层上的上电极，其中，功能层为硅氧化物SiOx层，其中0.5≤x＜2；
优选地，功能层的厚度不超过50nm；
优选地，上电极为铜电极或银电极；
优选地，上电极尺寸和功能层尺寸相同，且上电极表面还具有上电极保护层，上电极保护层将上电极和外界完全隔绝，该上电极保护层可以是TiN或TaN或Ti或Pt或其它可以隔离氧气且在1000℃高温下不易被氧化的金属；
优选地，所述隔离层是SiN或SiON或其它可以有效阻止电极物质铜和银扩散的物质层。
优选地，下电极为钨电极或铂电极。
和现有技术相比，本发明的积极技术效果在于：
本发明所涉及的材料和制备方法和传统CMOS后端工艺完全兼容，变阻器件能够在传统CMOS工艺线上形成，在三维集成、高性能或低压低功耗的存储器方面，都具有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例阻变存储器的结构示意图，其中：
1-硅衬底；2-下电极；3-隔离层；4-功能层；5-下电极引出；6-上电极；7-上电极保护层；
图2为本发明实施例阻变存储器的阻变特性图，其中：
a-高阻态向低阻态转变；b-低阻态向高阻态转变过程
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1-器件制备
本实施例阻变存储器如图1所示，包括衬底1(Si)、衬底1上的下电极2(W或Pt，厚度小于150nm)、下电极2上的隔离层3(SiN或SiON，厚度小于50nm)和功能层4(SiOx，厚度和隔离层相同)、穿过隔离层3的下电极引出5(材料和下述上电极保护层7的材料相同)、功能层4上的上电极6(Cu或Ag，厚度在20nm和50nm之间)、和包覆上电极6的上电极保护层7(TiN或TaN或Ti或Pt，厚度大于15nm)。
上述器件通过下述方法制备：
1)以常规CMOS工艺中的钨或铂金属作为下电极，下电极采用采用物理气相淀积(PVD)方法或其它IC工艺中的成膜方法形成；
2)利用PECVD技术或其它兼容技术生长SiN或SiON隔离层，它可以有效阻止功能层中的Cu或Ag向侧面扩散；
3)通过光刻，RIE刻蚀定义功能层的大小；
4)利用PECVD技术生长一氧化硅(SiOx，x＝1)作为功能层；
5)采用CMP技术，平坦化功能层，去掉隔离层上的SiO；
6)通过光刻，RIE刻蚀定义下电极引出；
7)采用PVD工艺溅射金属Cu或Ag，通过常规工艺的光刻、剥离定义上电极；同时以TiN或TaN或Ti或Pt作为上电极的保护层，完全包覆上电极。
和现有的方法相比，本发明方法具有明显的优势，其优势在于完全采用了和CMOS后端工艺完全兼容的工艺技术：下电极和上电极完全采用了常规CMOS工艺中的材料，而且创造性地通过电极的选取对CMOS常规工艺中常见的材料SiOx做了新的应用。
实施例2-器件检测
本实施例测试实施例1制得的阻变存储器的阻变特性，测试结果如图2和图3所示。
由图2可知，随着上电极和下电极之间所加电压的改变，位于两电极之间的功能层的阻值会发生高阻和低阻之间的转变，即存储器”0”，”1”两个状态之间的转变。
由图3可知，在高温(100℃)电压(0.2V)应力的作用下，器件的高阻态和低阻态基本保持不变，显示了器件良好的存储保持特性，是一种很有潜力的嵌入式非挥发性存储器。
实施例3-器件制备
本实施例采用和实施例1相同的方法制备阻变存储器，制得的器件具有和实施例1相同的结构，区别在于，本实施例器件的功能层材料为SiO1.3。对制得的器件进行如实施例2所述的阻变特性检测发现，该器件很好地满足使用要求。
实施例4器件制备
本实施例采用和实施例1相同的方法制备阻变存储器，制得的器件具有和实施例1相同的结构，区别在于，本实施例器件的功能层材料为SiO0.5。对制得的器件进行如实施例2所述的阻变特性检测发现，和实施例1器件的高阻态电流相比，本实施例器件的高阻态电流增大，但仍能满足使用要求。
实施例5-器件制备
本实施例采用和实施例1相同的方法制备阻变存储器，制得的器件具有和实施例1相同的结构，区别在于，本实施例器件的功能层材料为SiO2。对制得的器件进行如实施例2所述的阻变特性检测发现，本实施例器件没有阻变性能，因此x值不等于2，而应小于2。
虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明的氧化硅阻变存储器结构，材料及其制备方法，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，例如下电极可以换成MOS工艺中常见的惰性金属。
Claims (9)
1.一种阻变存储器，包括衬底，衬底上的下电极，下电极上的隔离层，嵌入隔离层中的功能层，和功能层上的上电极，其特征在于，所述功能层为硅氧化物SiOx层，其中0.5≤x＜2；
随着上电极和下电极之间所加电压的大小改变，所述功能层的阻值在高阻和低阻之间转变。
2.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，1≤x≤1.3。
3.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述下电极为钨电极或铂电极。
4.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述下电极表面设有穿过所述隔离层的下电极引出。
5.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述功能层的厚度不超过50nm。
6.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述隔离层为SiN 或SiON层。
7.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述上电极为铜电极或银电极。
8.如权利要求7所述的阻变存储器，其特征在于，所述上电极表面具有上电极保护层。
9.如权利要求8所述的阻变存储器，其特征在于，所述上电极保护层为TiN或TaN或Ti或Pt层。
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