CN102280577A - 单极阻变器件、单极阻变存储器单元及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单极阻变器件、单极阻变存储器单元及制备方法，涉及半导体集成电路及其制造技术领域。该单极阻变器件包括：下电极、上电极、以及下电极和上电极之间的阻变介质层，下电极为掺杂硅层，阻变介质层为电介质材料层，上电极包括形成于阻变介质层之上的界面层、以及界面层之上的导电材料层。本发明的单极阻变器件以及单极阻变存储器单元结构简单，本发明的方法方便易行，可与传统的CMOS工艺兼容，所有的制备过程利用CMOS的前端工艺即可完成，生产成本低，适用于高密度集成存储器和大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路及其制造技术领域，尤其涉及一种单极阻变器件、单极阻变存储器单元及制备方法。
背景技术
目前，微电子工业的发展推动着存储器技术的不断进步。非挥发性存储器具有在无电源供应时仍能保持数据信息的优点，在信息存储领域具有非常重要的地位。其中利用电阻变化的新型非挥发性存储器具有高速度(＜5ns)、低功耗(＜1V)，高存储密度、易于集成等优点，是下一代半导体存储器的强有力竞争者。这种阻变存储器一般具有M-I-M(Metal-Insulator-Metal，金属-绝缘体-金属)结构，即在两层金属电极之间加入一层具有阻变特性的介质薄膜材料，这些阻变材料一般是金属氧化物。阻变存储器的工作方式包括单极和双极两种，前者在器件两端施加单一极性的电压，利用外加电压大小不同控制阻变材料的电阻值在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除，常见的材料有氧化镍(NiO)、氧化钛(TiO2)、氧化钨(WO3)等；而后者是利用施加不同极性的电压控制阻变材料电阻值的转换，常见的材料有氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化锌(ZnO)、五氧化二钽(Ta2O5)等。习惯上称阻变材料表现出的两个稳定的状态为高阻态和低阻态，由高阻态到低阻态的转变为SET，由低阻态到高阻态的转变为RESET。
在阻变存储器电路应用方面，一般采用1T1R或1D1R的结构。1T1R指的是一个存储单元由一个选通晶体管和一个阻变电阻组成，要向指定的单元写入或擦除数据，需要依靠相应的晶体管控制。1D1R结构指的是一个存储单元由一个二极管和一个阻变电阻组成，这种结构一般用于高密度的交叉阵列结构，二极管用于防止旁路的串扰影响，在每条阵列的终端仍然需要一个选通晶体管控制。
传统的阻变存储器制造工艺都较为复杂，而现有的CMOS制造工艺经过多年发展，具有技术成熟、通用性好、成品率高等优点，可用于阻变存储器的制造，但传统的阻变存储器的制造过程中常使用铂(Pt)等与CMOS工艺兼容性不好的材料。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种结构简单、制备方法可兼容现有的CMOS工艺的单极阻变器件、单极阻变存储器单元及制备方法。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种单极阻变器件，该器件包括：下电极、上电极、以及所述下电极和上电极之间的阻变介质层，所述下电极为掺杂硅层，所述阻变介质层为电介质材料层，所述上电极包括形成于所述阻变介质层之上的界面层、以及所述界面层之上的导电材料层。
其中，所述阻变介质层为氧化铪。
其中，所述氧化铪中掺杂三价离子。
其中，所述导电材料层为镍。
其中，所述界面层为氧化镍。
其中，所述阻变介质层厚度为5-20nm。
其中，所述导电材料层厚度为10-100nm。
本发明还提供了一种基于上述单极阻变器件的单极阻变存储器单元，其特征在于，所述单极阻变存储器单元包括一个所述单极阻变器件以及一个金属-氧化物-半导体MOS场效应晶体管，所述晶体管的漏极为所述单极阻变器件的下电极。
本发明还提供了一种基于上述单极阻变器件的单极阻变存储器单元，所述单极阻变存储器单元包括一个所述单极阻变器件以及一个多晶硅二极管，所述多晶硅二极管为所述单极阻变器件的下电极。
本发明还提供了一种单极阻变器件的制备方法，该方法包括步骤：
S1.向硅中注入硼或磷，形成p型或n型硅层下电极；
S2.在所述下电极上淀积厚度为5-20nm的氧化铪阻变介质层；
S3.利用物理气相淀积的方法在所述阻变介质层上生成厚度为10-100nm的金属镍；
S4.在氮气气氛下退火30s-30min，退火温度为400-450℃。
其中，步骤S2中在所述下电极上淀积厚度为5-20nm的氧化铪阻变介质层的方法为：利用原子层淀积或物理气相淀积的方法在所述下电极上淀积氧化铪阻变介质层，利用扩散或离子注入的方法向所述阻变介质层中掺杂三价离子，并使掺杂后的阻变介质层厚度为5-20nm；或利用金属有机化合物化学气相淀积的方法在所述下电极上淀积掺杂三价离子的氧化铪，形成厚度为5-20nm的阻变介质层。
(三)有益效果
本发明的单极阻变器件以及单极阻变存储器单元以硅作为下电极，镍作为上电极，利用镍与高k氧化层之间自然形成的一层氧化镍协助reset过程的发生。
本发明方法可以传统的CMOS高K/金属栅工艺为基础工艺，在现有的拥有高k/金属栅工艺的CMOS生产线上，通过引入缺陷或改变形貌来制作阻变介质层，只需几个简单的工艺流程的调整，就可以进行RRAM产品的工艺制备与生产。因此，方便易行，可与传统的CMOS工艺兼容，所有的制备过程利用CMOS的前端工艺即可完成，生产成本低，适用于高密度集成存储器和大规模生产。
附图说明
图1为依照本发明一种实施方式的单极阻变器件的结构图；
图2为镍/氧化铪或铝掺杂的氧化铪/p型硅结构的单极阻变器件典型电流-电压曲线图；
图3镍/氧化铪/p型硅结构的单极阻变器件和镍/铝掺杂的氧化铪/p型硅结构的单极阻变器件的高低阻态阻值分布示意图；
图4为镍/氧化铪/p型硅结构的单极阻变器件和镍/铝掺杂的氧化铪/p型硅结构的单极阻变器件在120℃下的高低阻态阻值随时间的演化示意图；
图5为镍/铝掺杂的氧化铪/p型硅结构的单极阻变器件在擦写106次过程中的阻值演化示意图；
图6为镍/铝掺杂的氧化铪/p型硅结构的单极阻变器件在200℃时擦写100次以后的电流-电压曲线图；
图7为依照本发明一种实施方式的1T1R型单极阻变存储器单元的结构示意图；
图8为依照本发明一种实施方式的1D1R型单极阻变存储器单元的结构示意图；
图9为依照本发明一种实施方式的单极阻变器件的制备方法流程图；
图10(a)-图10(b)分别为依照本发明一种实施方式的单极阻变器件低阻态和高阻态示意图。
具体实施方式
本发明提出的单极阻变器件、单极阻变存储器单元及制备方法，结合附图及实施例详细说明如下。
如图1所示，依照本发明一种实施方式的单极阻变器件包括：下电极1、上电极3、以及下电极1和上电极3之间的阻变介质层2，下电极1为掺杂硅层(n型硅或p型硅)，阻变介质层2为高介电常数(高k)的电介质材料层，上电极3包括形成于阻变介质层2之上的界面层3-1、以及界面层3-1之上的导电材料层3-2。
在本发明中，阻变介质层2优选为掺杂三价离子(例如铝Al、镧La)的氧化铪，导电材料层3-2为镍，界面层3-1为氧化镍(NiOx)。
图2示出了镍/氧化铪/p型硅结构的单极阻变器件与镍/铝掺杂的氧化铪/p型硅结构的单极阻变器件在外加直流扫描电压作用下的典型单极转变过程，其中镍与氧化铪界面由于存在界面反应，自然形成了NiOx界面层。图3所示为上述两种器件的阻值分布，每种结构随机选择了10个不同的器件，每个器件测量100个转变周期。图4所示为这两种器件在120℃下的保持力。图5所示为镍/铝掺杂的氧化铪/p型硅器件在擦写106次过程中的阻值分布。图6所示为镍/铝掺杂的氧化铪/p型硅器件在200℃时擦写100次以后的单极转变曲线。可见这种结构的器件在性能上(一致性、保持力、耐久性、高温稳定性等)比一般的单极阻变器件都有明显的改善。
本发明还提供了一种基于上述单极阻变器件的1T1R型单极阻变存储器单元，如图7所示，该单极阻变存储器单元包括一个单极阻变器件以及一个金属-氧化物-半导体MOS场效应晶体管，晶体管的漏极(左斜线所示)即为该单极阻变器件的下电极1。图7中还示出了源极(右斜线所示)、位线4、字线5、高k介质层6、以及金属栅7。
本发明还提供了一种基于上述单极阻变器件的1D1R型单极阻变存储器单元，如图8所示，该单极阻变存储器单元包括一个单极阻变器件以及一个多晶硅二极管，多晶硅二极管为单极阻变器件的下电极1，以实现1D1R的交叉阵列结构。图8中还示出了位线4、以及字线5。
如图9所示为依照本发明一种实施方式的单极阻变器件的制备方法，该方法与传统CMOS工艺相兼容，包括步骤：
S1.向硅中注入硼或磷，形成p型或n型硅层下电极；
S2.在下电极上淀积厚度为5-20nm的氧化铪阻变介质层；
S3.利用物理气相淀积(Physical Vapor Deposition，PVD)的方法在阻变介质层上生成厚度为10-100nm的金属镍；
S4.在氮气气氛下退火30s-30min，退火温度为400-450℃。
10、如权利要求8所述的猪只群体体温分布监测方法，其特征在于，步骤S2中在下电极上淀积厚度为5-20nm的氧化铪阻变介质层的方法为：
利用原子层淀积(Atomic layer deposition，ALD)或PVD的方法在所述下电极上淀积氧化铪阻变介质层，利用扩散或离子注入的方法向阻变介质层中掺杂三价离子(Al、La等)，并使掺杂后的阻变介质层厚度为5-20nm；或
利用金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic ChemicalVapor Deposition，MOCVD)的方法在下电极上淀积掺杂三价离子的氧化铪，形成厚度为5-20nm的阻变介质层。
在通过上述方法形成的单极阻变器件的基础上，还可通过光刻和刻蚀的方法，形成分离的单极阻变存储器单元。
在镍与氧化铪(或其它高k氧化物)之间由于界面反应会形成一层氧化镍。该氧化镍层材料，在合适的外加偏压和电流作用下会释放氧离子，释放的氧离子会与阻变层(氧化铪或其它高k电介质层氧化物)中形成的细丝导电通路中的部分氧空位复合，引起低阻向高阻态的转变，如图10(a)-图10(b)所示。因此本发明提出的单极阻变器件以及依照本发明的方法制备的单极阻变器件，既与传统的氧化镍器件中观察到的单极特性类似，同时又具有氧化铪等稳定好的阻变材料所拥有的一致性、保持力、耐久性、高温稳定性好的特性等。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种单极阻变器件，其特征在于，该器件包括：下电极、上电极、以及所述下电极和上电极之间的阻变介质层，所述下电极为掺杂硅层，所述阻变介质层为电介质材料层，所述上电极包括形成于所述阻变介质层之上的界面层、以及所述界面层之上的导电材料层。
2.如权利要求1所述的单极阻变器件，其特征在于，所述阻变介质层为氧化铪。
3.如权利要求2所述的单极阻变器件，其特征在于，所述氧化铪中掺杂三价离子。
4.如权利要求1所述的单极阻变器件，其特征在于，所述导电材料层为镍。
5.如权利要求1所述的单极阻变器件，其特征在于，所述界面层为氧化镍。
6.如权利要求1所述的单极阻变器件，其特征在于，所述阻变介质层厚度为5-20nm。
7.如权利要求1所述的单极阻变器件，其特征在于，所述导电材料层厚度为10-100nm。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的单极阻变器件的单极阻变存储器单元，其特征在于，所述单极阻变存储器单元包括一个所述单极阻变器件以及一个金属-氧化物-半导体MOS场效应晶体管，所述晶体管的漏极为所述单极阻变器件的下电极。
9.一种基于权利要求1-7任一项所述的单极阻变器件的单极阻变存储器单元，其特征在于，所述单极阻变存储器单元包括一个所述单极阻变器件以及一个多晶硅二极管，所述多晶硅二极管为所述单极阻变器件的下电极。
10.一种单极阻变器件的制备方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.向硅中注入硼或磷，形成p型或n型硅层下电极；
S2.在所述下电极上淀积厚度为5-20nm的氧化铪阻变介质层；
S3.利用物理气相淀积的方法在所述阻变介质层上生成厚度为10-100nm的金属镍；
S4.在氮气气氛下退火30s-30min，退火温度为400-450℃。
11.如权利要求10所述的单极阻变器件的制备方法，其特征在于，步骤S2中在所述下电极上淀积厚度为5-20nm的氧化铪阻变介质层的方法为：
利用原子层淀积或物理气相淀积的方法在所述下电极上淀积氧化铪阻变介质层，利用扩散或离子注入的方法向所述阻变介质层中掺杂三价离子，并使掺杂后的阻变介质层厚度为5-20nm；或
利用金属有机化合物化学气相淀积的方法在所述下电极上淀积掺杂三价离子的氧化铪，形成厚度为5-20nm的阻变介质层。
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