CN102593352A - 一种阻变存储器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻变存储器的制备方法，其包括如下步骤：在衬底上制备底电极；然后采用干氧氧化或湿氧氧化对底电极金属进行部分氧化，形成厚度为3nm-50nm的金属氧化物，作为阻变材料层；最后在上述阻变材料层上制备顶电极。本发明避免了传统方法中淀积阻变材料层的步骤，大幅降低了工艺复杂度。同时可以实现阻变材料层与底电极的自对准。保证器件之间的完全隔离。避免了传统工艺方法产生的众多寄生效应。同时保证了器件的实际面积与设计面积一致。

Description

一种阻变存储器的制备方法
技术领域
本发明属于超大规模集成电路技术领域，具体涉及一种非挥发型阻变存储器件的制备方法。
背景技术
随着集成电路技术不断推进，基于传统浮栅结构的FLASH技术将面临无法等比缩小的技术挑战。近年来，基于MIM(Metal-Insulator-Metal)结构的阻变存储器(RRAM)由于其结构简单、易于制备、尺寸小、集成度高、擦写速度快和功耗低等优点，而备受学术界和工业界的关注。与传统浮栅结构的FLASH依靠电荷量来存储信息0和1不同，阻变存储器利用其在不同电致条件下分别出现高阻和低阻两种状态来存储信息0和1。
阻变存储器的存储单元一般为金属/功能薄膜层/金属三层结构，可通过溅射、气相沉积等常规的薄膜工艺制备。结构简单、制备工艺与CMOS工艺兼容。阻变存储器的擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般小于100纳秒，远小于Flash存储器。另外，在RRAM中还存在多电平电阻转变现象，可以利用多个电阻状态存储多个信息，在不改变存储单元体积的条件下可实现更多信息的存储。因此，阻变存储器具有在未来取代闪存的潜力，已经成为目前新一代非易失性存储器的研究热点。
阻变存储器单元结构采用MIM电容结构，在上、下电极之间夹着绝缘层或半导体功能材料层，又称三明治结构(Sandwich Structrue)。存储阵列可以采用crossbar的交叉阵列结构。这种交叉阵列结构工艺简单、密度高、并具有较好的等比缩小能力。在制备工艺上，这种MIM结构的器件通常采用淀积底电极(BE)材料、剥离形成底电极图形——淀积阻变材料层、刻蚀形成连接孔——淀积顶电极(TE)、剥离形成底电极图形的三层工艺流程。目前，阻变存储器的阻变材料层的研究主要集中在NiO、TiO2、Al2O3、Ta2O5等过渡金属氧化物。此类物质大体上可以和CMOS工艺兼容，能够表现出较好的阻变特性。同时该类物质大多数可以通过高温氧化制备相应的
然而，基于传统溅射、淀积的三层MIM工艺流程，由于其中间介质层的全覆盖，使得在底电极和顶电极之间的介质层完全联通，器件实际尺寸远远大于设计尺寸，器件与器件之间未能完全相互隔离，器件寄生效应明显。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种基于底电极氧化法的阻变存储器的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种阻变存储器的制备方法，其包括如下步骤：
1)在衬底上制备底电极。
2)采用干氧氧化或湿氧氧化对底电极金属进行部分氧化，形成厚度为3nm-50nm的金属氧化物，作为阻变材料层；
3)上述阻变材料层上制备顶电极。
其中，步骤1)或步骤3)中，底电极或顶电极是采用PVD方法或其它IC工艺中的成膜方法制备。
所述底电极材料为可高温氧化生成对应金属氧化物的金属，如W电极、Ta电极、Ti电极、Al电极、Y电极、Hf电极。
所述底电极金属的厚度范围为：100nm-300nm。
所述顶电极可为Pt电极、TiN电极、Cu电极或者Ag电极等。
所述顶电极上面可加有保护电极，保护电极为铂、钛或者金。
和现有技术相比，本发明的积极技术效果在于：
本发明通过选用具有RRAM特性的过渡金属氧化物对应的金属材料作为底电极，在底电极图形化之后，直接对底电极进行氧化，通过控制氧化条件使底电极金属部分被氧化，形成对应的过渡金属氧化物作为阻变材料层。本发明避免了传统方法中淀积阻变材料层的步骤，大幅降低了工艺复杂度。同时可以实现阻变材料层与底电极的自对准。保证器件之间的完全隔离。避免了传统工艺方法产生的众多寄生效应。同时保证了器件的实际面积与设计面积一致。本发明在未来的低压低功耗存储器和嵌入式系统方面具有较大的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例阻变存储器的截面结构示意图，其中：
1-硅衬底；2-底电极；3-阻变材料层；4-顶电极；
图2为本发明实施例阻变存储器的阻变特性图，其中：
SET-高阻态向低阻态转变过程；RESET-低阻态向高阻态转变过程；
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例一
本实施例制得的阻变存储器的截面结构示意图如图1所示，下面结合截面结构示意图阐述本实施例阻变存储器的制备过程：
1)首先在硅衬底1上采用物理气相淀积(PVD)方法或其它IC工艺中的成膜方法制备一层Ta金属200nm；
2)采用标准光刻、剥离技术，使底电极图形化，形成底电极2；
3)采用干氧氧化法，在高温氧化炉中，400℃下氧化2小时，生成包裹底电极的TaOx(X＝1-2.5)薄膜10nm；
4)由光刻、刻蚀定义底电极引出孔；
5)同底电极制备一样，采用PVD方法或其它IC工艺中的成膜方法制备顶电极TiN及其保护电极Pt。
本实施例通过PECVD的方法制备出和标准CMOS后端工艺完全兼容的阻变存储器Ta/TaOx/TiN，在制备过程中，没有单独淀积覆盖全片的氧化物薄膜。
本实施例制得的阻变存储器Ta/TaOx/TiN的阻变特性测试结果如图2所示。
由图2可知，随着施加在顶电极的电压的改变(底电极接地)，本实施例阻变存储器的阻值在高阻和低阻之间转换，并且在都用正向电压开启和关闭的情况下实现了存储0和1的目的。另由图2可知，本实施例阻变存储器的forming电压为2.6V左右，之后正常工作后的开启电压Von＝1.2V左右，关闭电压Voff＝-1.8V左右。对本实施例进行50次cycling测试，结果显示器件具有很好的稳定性和可重复性。
实施例二
1)首先在硅衬底1上采用物理气相淀积(PVD)方法或其它IC工艺中的成膜方法制备一层W金属200nm；
2)采用标准光刻、剥离技术，使底电极图形化，形成底电极；
3)采用湿氧氧化法，在氧化炉中，400℃下氧化3小时，生成包裹底电极的WOx薄膜10nm(X＝1-3)；
4)由光刻、刻蚀定义底电极引出孔；
5)同底电极制备一样，采用PVD方法或其它IC工艺中的成膜方法制备顶电极TiN及其保护电极Pt。
本实施例制得的阻变存储器(W/WOx/Cu)的阻变特性、在高温下的可擦除特性和保持特性与实施例一制得的阻变存储器类似，具有较好的阻变存储器特性。
虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明的底电极氧化生成阻变材料层的RRAM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，例如底电极材料选用Al、Ti、Hf、Zr、Y等可氧化生成对应金属氧化物的金属材料都可。此外，顶电极可以换成RRAM制备工艺中常见的金属电极。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的基于底电极氧化法制备的阻变存储器及其制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变换或修改；不限于实施例中所公开的内容。

Claims (6)

1.一种阻变存储器的制备方法，其包括如下步骤：
1)在衬底上制备底电极。
2)采用干氧氧化或湿氧氧化对底电极金属进行部分氧化，形成厚度为3nm-50nm的金属氧化物，所述金属氧化物层作为阻变材料层；
3)在上述阻变材料层上制备顶电极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，底电极和顶电极是采用PVD方法或其它IC工艺中的成膜方法制备。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底电极材料为W电极、Ta电极、Ti电极、Al电极、Y电极、Hf电极。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底电极金属的厚度范围为100nm-300nm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶电极为Pt电极、TiN电极、Cu电极或者Ag电极。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶电极上面加有保护电极，保护电极为铂、钛或者金。
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