CN102694118A

CN102694118A - 阻变存储器及其制造方法

Info

Publication number: CN102694118A
Application number: CN2011100686332A
Authority: CN
Inventors: 刘明; 张康玮; 龙世兵; 谢常青; 刘琦; 吕杭炳
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明实施例公开了一种阻变存储器及其制造方法，所述存储器包括：下电极；下电极之上的第一阻变功能层，以及第一阻变功能层之上的第二阻变功能层，所述第一阻变功能层和第二阻变功能层具有相反的多数载流子类型；第二阻变功能层之上的上电极。通过具有相反多数载流子类型的第一阻变功能层和第二阻变功能层，在存储器的阻变功能层内形成pn结，由于不用外接整流的二极管或三极管，便可实现阻变和抑制串扰，不会增加存储单元的面积，从而有效提高存储密度，进而提高器件的集成度。

Description

阻变存储器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件及制造技术，更具体地说，涉及一种阻变存储器及其制造方法。

背景技术

随着可携式个人设备的流行，非挥发性存储器由于具有在无电源供应时仍能维持记忆状态和操作低功耗等优点，逐渐成为半导体工业中的研发重点。目前市场上的非挥发性存储器仍以闪存(flash)为主流，但是由于闪存存在操作电压过大、操作速度慢、耐久力不够好以及由于器件尺寸缩小过程中隧穿氧化层不断减薄导致保持时间不够长等缺点，现在的研发重点逐渐转向了可以取代闪存的新型非挥发性存储器，包括铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)等。

自从2000年，美国休斯顿大学的Ignatiev研究小组报道了氧化物薄膜Pr_xCa_1-xMnO₃在不同极性的电脉冲作用下电阻值会在相差达10倍以上的两个状态间变化，并且这种电阻转换是非挥发的，之后，关于阻变存储器(RRAM)的研究受到了美国、日本、欧洲、韩国和台湾地区多家研究机构、技术开发部门的关注。与其它非挥发存储器相比，阻变存储器由于具有写入操作电压低、写入擦除时间短、保持时间长、非破坏性读取、多值存储、结构简单以及所需面积小等优点，逐渐成为目前新型非挥发性存储器件中的研究重点。

阻变存储器的基本结构为上电极-阻变功能层-下电极的三明治结构，通过阻变功能层中阻变材料的特性，在上下电极所加电压的作用下，器件的电阻会在高阻态、低阻态之间发生转换，实现“0”和“1”的存储，其电阻转变特性如图1所示。

对于阻变存储器的基本结构(1R结构)形成的存储器阵列，如图2的等效电路所示，每个存储单元由相互交叉的字线和位线构成的上下电极所确定，具有较高的存储密度。然而，这种1R基本结构形成的交叉存储阵列却存在着串扰(crosstalk)的问题，如图3所示，在一个2×2的交叉存储阵列中，坐标为(1，1)的存储器件处于高阻状态，其余三个相邻器件(1，2)、(2，2)和(2，1)都处于低阻状态，这时在(1，1)器件所在的字线(word line)上加读电压时，希望的电流通路如图3中虚线所示，但实际上电流沿着低阻通道(2，1)→(2，2)→(1，2)(图3中实线所示)进行传导，形成一个漏电通道，使得这时本处于高阻状态的(1，1)器件被误读成低阻态，这就是串扰。这种串扰问题会导致的受访RRAM单元的误读，这种误读会大大降低RRAM的可靠性。

通常地，由外接三极管的阻变存储器(1T1R，如图4的等效电路图所示)或外接二极管的阻变存储器(1D1R，如图5的等效电路图所示)结构，来解决串扰问题，这类结构的阻变存储器是通过二极管或三极管的导通特性，来规避低阻通道的漏电流，从而解决串扰问题的。然而，这种外接三极管或二极管的阻变存储器结构会增加存储单元的面积，不利于提高存储密度，降低了器件的集成度。

发明内容

本发明实施例提供一种阻变存储器及其制造方法，抑制了串扰问题，提高了存储密度和器件的集成度。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种阻变存储器，包括：

本发明实施例还公开了一种阻变存储器的制造方法，包括：

下电极；

下电极之上的第一阻变功能层，以及第一阻变功能层之上的第二阻变功能层，所述第一阻变功能层和第二阻变功能层具有相反的多数载流子类型；

第二阻变功能层之上的上电极。

可选地，所述第一阻变功能层的多数载流子为电子、第二阻变功能层的多数载流子为空穴，或者第一阻变功能层的多数载流子为空穴、第二阻变功能层的多数载流子为电子。

可选地，所述第一阻变功能层包括n型氧化物、所述第二阻变功能层包括p型氧化物，或者所述第一阻变功能层包括p型氧化物、所述第二阻变功能层包括n型氧化物。

可选地，所述n型氧化物包括：TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、Al₂O₃、SnO₂或ZnO。

可选地，所述p型氧化物包括：NiO、CuO、CoO、PCMO、LCMO、SrTiO₃或BaTiO₃。

可选地，所述第一阻变功能层和第二阻变功能层具有相同的转变极性。

此外，本发明还提供了上述阻变存储器的制造方法，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成下电极；

在所述下电极上形成第一阻变功能层以及在所述第一阻变功能层上形成第二阻变功能层，其中，所述第一阻变功能层和第二阻变功能层具有相反的多数载流子类型；

在所述第二阻变功能层上形成上电极。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例的阻变存储器及其制造方法，通过具有相反多数载流子类型的第一阻变功能层和第二阻变功能层，在存储器的阻变功能层内形成pn结，这样，使存储器在实现高低阻态的转变功能的同时，还具有低阻态整流功能，通过该pn结整流特性规避不必要的电流，从而有效抑制串扰问题，同时，由于是在阻变功能层形成的pn结，不用外接整流的二极管或三极管，便可实现整流，不会增加存储单元的面积，从而有效提高存储密度，进而提高器件的集成度。此外，这种阻变存储器不会分压，还易于和外围电路集成，也简化了器件的制造过程，降低了成本。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为阻变存储器电阻转变特性示意图；

图2为阻变存储器1R基本结构的等效电路示意图；

图3为阻变存储器1R基本结构交叉存储阵列中串扰问题的示意图；

图4为阻变存储器1T1R结构等效电路示意图；

图5为阻变存储器1D1R结构等效电路示意图；

图6为根据本发明实施例的阻变存储器的结构示意图；

图7为根据本发明实施例的阻变存储器的等效电路示意图；

图8为根据本发明实施例的阻变存储器的阻变特性示意图；

图9为根据本发明实施例的阻变存储器在低阻态时整流特性曲线图；

图10为根据本发明实施例的阻变存储器的制造方法流程图；

图11-13为根据本发明实施例的阻变存储器的各个制造阶段的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术部分所述，外接晶体管的阻变存储器结构会增加存储单元的面积，不利于提高存储密度，为此，本发明提供了一种阻变存储器，通过具有不同多数载流子类型的第一阻变功能层和第二阻变功能层组成具有pn结的阻变功能层，实现存储器阻变功能的同时，还具有整流功能，从而抑制串扰问题，提高存储密度。

参考图6，图6示出了根据本发明实施例的阻变存储器，所述存储器包括：

下电极101；

下电极101之上的第一阻变功能层202，以及第一阻变功能层202之上的第二阻变功能层203，所述第一阻变功能层202和第二阻变功能层203具有相反的多数载流子类型；

第二阻变功能层203之上的上电极304。

本发明实施例中，下电极可以形成于衬底上，衬底100可以为SiO₂/n-Si，在其他实施例中，所述衬底还可以包括但不限于其他半导体或化合物半导体，如碳化硅、砷化镓、砷化铟或磷化铟。根据现有技术公知的设计要求(例如p型衬底或者n型衬底)，衬底100可以包括各种掺杂配置。此外，衬底中还可以包括MOS电路，通过连接插塞与下电极相连。

下电极的材料包括金属材料，例如Ti/Pt，其中Ti为粘附层，所述Ti材料层的厚度可以为20nm，所述Pt材料层的厚度可以为50nm，在其他实施例中，所述下电极还可以包括其他合适的金属材料。

上电极的材料包括金属材料，例如Pt，其厚度可以为50nm，在其他实施例中，所述上电极还可以包括其他合适的金属材料。

所述第一阻变功能层的多数载流子可以为电子、第二阻变功能层的多数载流子为空穴，或者第一阻变功能层的多数载流子可以为空穴、第二阻变功能层的多数载流子为电子，这样，在第一阻变功能层和第二阻变功能层组成的阻变功能层内形成了pn结。

所述第一阻变功能层和第二阻变功能层选择具有阻变功能的材料，该阻变材料本身可以具有空穴或电子的多数载流子，或者通过掺杂后具有空穴或电子的多数载流子。

在本发明的一些实施例中，所述第一阻变功能层为n型氧化物、所述第二阻变功能层为p型氧化物，或者所述第一阻变功能层为p型氧化物、所述第二阻变功能层为n型氧化物，所述第一阻变功能层和第二阻变功能层的厚度可以为10-100纳米，所述n型氧化物例如TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、Al₂O₃、SnO₂、ZnO等，所述p型氧化物例如NiO、CuO、CoO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃等，所述n型或p型氧化物还可以掺杂有不同类型的离子。

在本发明实施例中，所述第一阻变功能层和第二阻变功能层可以具有相同的转变极性，就是在高、低压下能够发生相同的电阻转变，同为单极性转变或双极性转变。

以上对本发明的阻变存储器的结构进行了描述，本发明的存储器在第一阻变功能层和第二阻变功能层组成的阻变功能层内形成有pn结，该阻变功能层实现阻变功能和整流功能，参考图8和图9，图8为本发明阻变存储器阻变特性示意图，图9为本发明阻变存储器低阻状态时整流特性曲线示意图，在低阻状态时，存储器具有单向导通的特性，从而抑制了串扰问题，同时，参考图7，由于是在阻变功能层形成的pn结，不用外接整流的二极管或三极管，便可实现整流，不会增加存储单元的面积，从而有效提高存储密度，进而提高器件的集成度。

以图3中的交叉存储阵列为例，说明本发明如何抑制串扰问题，在此实施例中，第一阻变功能层为p型材料、第二阻变功能层为n型材料，坐标为(1，1)的存储器件处于高阻状态，其余三个相邻器件(1，2)、(2，2)和(2，1)都处于低阻状态，在(2，1)和(1，1)所在的字线上加一个正的读电压V_read(＜1/2V_set)，在器件(1，1)和(1，2)所在的位线上加电压0V，此时，器件(2，1)处于低阻态，由于p-n结(p下n上)的单向导通特点，电流可以通过(2，1)，但是相应的，(2，2)的p-n结对上电极加正电压，则是反向截止，此时(2，1)→(2，2)→(1，2)的漏电通路相当断路，电流只能沿虚线所示的通路流经(1，1)。而(1，1)处于高阻态时，并不具有整流特性，相当于一个电阻，通过(1，1)上下电极之间的电压差，就可以很准确的读出器件(1，1)的电阻，而避免误读现象，抑制了串扰问题。

此外，本发明阻变存储器在低阻状态时是局域通道导电，当器件面积缩小时，器件的电流不显著减小，从而使得器件在小尺寸时获得很高的电流密度。

此外，外接晶体管或者二极管的阻变存储器结构中，晶体管或者二极管有分压作用，这样会增加存储器的操作电压，从而恶化存储器的稳定性，而本发明的阻变存储器为集成结构，不会分压，降低了器件的操作电压，并且这种结构易于同外围电路集成，简化了器件的制造过程，降低了成本。

以上对本发明阻变存储器结构及特点进行了详细的描述，此外，本发明还提出了上述阻变存储器的制造方法，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成下电极；

在所述第二阻变功能层上形成上电极。

参考图10，图10为本发明实施例阻变存储器制造方法流程图，以下将结合图10和图11-13进行说明，该制造方法的实施例是为了更好的说明和理解本发明，而不是限制本发明。

在步骤S01，提供衬底。

参考图11，在此实施例中，所述衬底100可以为SiO₂/n-Si，在其他实施例中，所述衬底还可以包括但不限于其他半导体或化合物半导体，如碳化硅、砷化镓、砷化铟或磷化铟。根据现有技术公知的设计要求(例如p型衬底或者n型衬底)，衬底100可以包括各种掺杂配置。此外，衬底中还可以包括MOS电路，通过连接插塞与下电极相连。

在步骤S02，在所述衬底上形成下电极。

在此实施例中，如图11所示，可以利用电子束蒸发工艺淀积Ti/Pt金属层作为下电极101，其中Ti是粘附层，所述Ti的厚度可以为20nm，所述Pt的厚度可以为50nm，还可以通过其他物理汽相沉积和化学汽相沉积形成下电极。

S02，在所述下电极上形成第一阻变功能层以及在所述第一阻变功能层上形成第二阻变功能层，其中，所述第一阻变功能层和第二阻变功能层具有相反的多数载流子类型。

在此实施例中，可以利用直流磁控溅射的方法依次淀积n型氧化物ZnO和p型氧化物NiO来形成第一阻变功能层202和第二阻变功能层203，如图12所示，所述ZnO的厚度可以为50nm，所述NiO的厚度可以为50nm。

本发明所有实施例中，所述第一阻变功能层的多数载流子可以为电子、第二阻变功能层的多数载流子为空穴，或者第一阻变功能层的多数载流子可以为空穴、第二阻变功能层的多数载流子为电子，这样，在第一阻变功能层和第二阻变功能层组成的阻变功能层内形成了pn结。

可以通过依次淀积本身具有空穴或电子多数载流子的阻变功能材料来形成第一和第二阻变功能层，也可以在淀积阻变材料后在进行掺杂具有空穴或电子的多数载流子来依次形成第一和第二阻变功能层。

在本发明的一些实施例中，所述第一阻变功能层为n型氧化物、所述第二阻变功能层为p型氧化物，或者所述第一阻变功能层为p型氧化物、所述第二阻变功能层为n型氧化物，所述n型氧化物例如TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、Al₂O₃、SnO₂、ZnO等，所述p型氧化物例如NiO、CuO、CoO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃等。所述p型氧化物可以通过物理汽相沉积和化学汽相沉积形成，所述物理汽相沉积包括电子束蒸发、热蒸发或者溅射，所述n型氧化物可以通过电子束蒸发、溅射、等离子体增强化学汽相沉积或者原子层沉积形成。

S04，在所述第二阻变功能层上形成上电极。

在此实施例中，可以利用电子束蒸发的方法淀积Pt形成上电极304，如图13所示，所述Pt的厚度可以为50nm，从而形成此实施例的阻变存储器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims

1.一种阻变存储器，其特征在于，所述存储器包括：

下电极；

第二阻变功能层之上的上电极。

2.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一阻变功能层的多数载流子为电子、第二阻变功能层的多数载流子为空穴，或者第一阻变功能层的多数载流子为空穴、第二阻变功能层的多数载流子为电子。

3.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述第一阻变功能层包括n型氧化物、所述第二阻变功能层包括p型氧化物，或者所述第一阻变功能层包括p型氧化物、所述第二阻变功能层包括n型氧化物。

4.根据权利要求3所述的存储器，其特征在于，所述n型氧化物包括：TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、Al₂O₃、SnO₂或ZnO。

5.根据权利要求3所述的存储器，其特征在于，所述p型氧化物包括：NiO、CuO、CoO、PCMO、LCMO、SrTiO₃或BaTiO₃。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的存储器，其特征在于，所述第一阻变功能层和第二阻变功能层具有相同的转变极性。

7.一种阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成下电极；

在所述第二阻变功能层上形成上电极。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一阻变功能层的多数载流子为电子、第二阻变功能层的多数载流子为空穴，或者第一阻变功能层的多数载流子为空穴、第二阻变功能层的多数载流子为电子。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一阻变功能层包括n型氧化物、所述第二阻变功能层包括p型氧化物，或者所述第一阻变功能层包括p型氧化物、所述第二阻变功能层包括n型氧化物。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一阻变功能层和第二阻变功能层具有相同的转变极性。