CN103247696A

CN103247696A - 隧穿二极管整流器件及其制造方法

Info

Publication number: CN103247696A
Application number: CN2012100260705A
Authority: CN
Inventors: 刘明; 谢宏伟; 龙世兵; 吕杭炳; 刘琦; 李颖弢; 谢长青
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明涉及微电子器件与存储器技术领域，公开了一种用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件及其制造方法，该隧穿二极管整流器件包括：下电极；下电极之上的整流功能层；上电极。本发明的整流器件能够提供较高的电流密度，与阻变存储器串联后形成的1S1R结构能有效抑制阻变存储器阵列中的串扰现象，在不增加存储单元面积的情况下，有效提高存储密度，提高器件的集成度。本发明的用于阻变存储器的整流器件具有结构简单，易集成，成本低等优点，有利于本发明的广泛推广与应用。

Description

隧穿二极管整流器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及微电子制造及存储器技术领域，尤其涉及一种用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件及其制造方法。

背景技术

半导体存储器主要分为两大类：挥发性存储器和非挥发性存储器。以闪存(Flash)为代表的非挥发性存储器具有在掉电情况下能够长期保持存储信息的能力及低功耗等优点，逐渐成为半导体工业中的研发重点。随着近些年来多媒体应用、移动通信等对大容量、低功耗存储的需要，以及消费类个人便携设备的发展，Flash型非挥发性存储器得到充足的发展，成为半导体器件的市场中一种相当重要的存储器。

尽管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，科学界和工业界开始寻找一种能够替代传统的闪存(Flash)的新型非挥发性存储器。目前出现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。其中阻变存储器由于具备操作电压低、非破坏性读取、操作速度快、记忆时间(Retention)长、耐久力(Endurance)好、多值存储以及结构简单、器件面积小、能进行3D集成等优点而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，其中图1(a)为单极性阻性转变曲线，图1(b)为双极性阻性转变曲线。

RRAM的集成阵列的常用结构包括只有一个RRAM单元(1R)、一个晶体管一个RRAM单元(1T1R)和一个二极管一个RRAM单元(1D1R)三种结构，如图2所示。其中采用1R结构的阻变存储器阵列中，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，与其它两种结构相比，具有很高的存储密度。然而，这种1R基本结构形成的交叉存储阵列却存在着比较严重的串扰(Crosstalk)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态(HRS)，其余三个相邻器件(1，2)、(2，2)和(2，1)都处于低阻态(LRS)，如果在(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，使得这时本来为HRS的(1，1)器件被误读成LRS，此即交叉阵列中所谓的“串扰”。这种串扰问题会导致的要访问的RRAM存储单元信息的误读，大大降低RRAM存储器件的可靠性。

通常解决串扰问题的方法有集成MOS管的阻变存储器1T1R结构或外接二极管的阻变存储器1D1R结构两种，这类结构的阻变存储器利用外接的二极管或三极管作为存储器单元的整流管来控制存储器单元的导通，使得未被寻址的存储器单元无法访问的方法来解决上述的串扰问题。然而，采用1T1R结构时，存储器单元面积主要取决于晶体管的面积，无法发挥RRAM优良的可缩小性优势，而且采用1T1R结构难以进行3D集成以提高存储密度；而采用1D1R结构虽然能够保证器件的单元面积最小，同时也利于3D集成。

但目前报道的二极管通常只有单向导通的特性，因此只能用于单极性阻性转变(Unipolar Resistive Switching，URS)的RRAM单元，无法用于双极性阻性转变(Bipolar Resistive Switching，BRS)RRAM器件单元。对RRAM器件而言，双极性阻变特性的RRAM器件具有更加稳定的电阻转变特性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有RRAM集成方案中遇到的问题，本发明的主要目的在于提供一种制造工艺简单、制造成本低、在不增加RRAM单元面积的情况下易于与双极性电阻转变存储器集成的隧穿二极管整流器件及其制造方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件，包括：下电极；形成于该下电极之上的整流功能层薄膜；以及形成于该整流功能层薄膜之上的上电极。

上述方案中，所述上电极和下电极均采用Pt、Ag、W、Ti、Al、Cu、Ru、TiN或TaN中的任一种。

上述方案中，所述整流功能层薄膜采用Al₂O₃或MgO材料。

上述方案中，所述整流功能层薄膜的厚度为3至10nm。

上述方案中，根据所选用的上电极及下电极材料的不同，该隧穿二极管整流器件具有对称或非对称的非线性整流电学特性。

为达到上述目的，本发明还提供了一种用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件的制造方法，该方法包括：提供衬底；在该衬底上形成下电极；在该下电极上形成整流功能层；以及在该整流功能层上形成上电极。

上述方案中，所述提供衬底的步骤中，所述衬底为SiO₂、Si、SiC或GaAs，或者为通过连接插塞与下电极相连的CMOS电路。

上述方案中，所述在该衬底上形成下电极的步骤中，是利用电子束蒸发、物理汽相沉积或化学汽相沉积工艺在该衬底上沉积Al金属层作为下电极，所述Al金属层的厚度为50nm。

上述方案中，所述在该下电极上形成整流功能层的步骤中，是利用磁控溅射、物理汽相沉积或化学汽相沉积工艺在该下电极上沉积Al₂O₃整流功能层，所述Al₂O₃整流功能层的厚度为3nm。

上述方案中，所述在该整流功能层上形成上电极的步骤中，是利用电子束蒸发、物理汽相沉积或化学汽相沉积工艺在该整流功能层上沉积Al金属层作为下电极，所述Al金属层的厚度为70nm。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，器件的制备工艺简单，降低了存储器的制作成本，有利于存储器的集成。

2、利用本发明，能够为1S1R结构双极性阻变存储器提供双向整流器件，抑制读串扰。

3、利用本发明，能够为1S1R结构双极性阻变存储器提供较高的电流密度，减少串联电阻效应对阻变存储器的影响。

附图说明

通过参考附图对本发明的示范性实施例的详细描述中，本发明的上述和其他特点和优点将更为明显，在附图中：

图1是常见的阻变存储器器件的电阻转变特性示意图，其中图1(a)为单极性阻性转变曲线，图1(b)为双极性阻性转变曲线。

图2是阻变存储器阵列集成中三种基本存储单元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为根据本发明实施例的用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的1S1R结构双极性阻变存储器单元示意图；

图6为集成隧穿二极管整流器的1S1R结构双极性阻变存储器的I-V特性示意图。其中(a)为隧穿二极管整流器的I-V特性示意图，(b)为双极性阻变存储器的I-V特性示意图；(c)为集成隧穿二极管整流器之后1S1R结构单元的I-V特性图。

图7为根据本发明实施例的隧穿二极管整流器的制造方法流程图；

图8-图10为根据本发明实施例的隧穿二极管整流器的各个制造阶段的示意图。

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。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。

参考图4，图4示出了根据本发明实施例的隧穿二极管整流器，所述整流器包括：下电极101；形成于下电极101之上的整流功能层；形成于整流功能层202之上的上电极303。

本发明实施例中，下电极101可以形成于衬底上，衬底100可以为SiO₂/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SiC、GaAs等。此外，衬底中还可以包括CMOS电路，通过连接插塞与下电极相连。

在本实施例中，下电极101采用的材料包括金属材料，例如Al，所述Al材料层的厚度可以为50～70nm，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303采用的材料包括金属材料，例如Al，其厚度可以为50～100nm，在其他实施例中，所述上电极303还可以包括其他合适的金属材料。所述整流功能层选择易于电极构成整流接触的材料。在本发明的一些实施例中，所述整流功能层材料可选择Al₂O₃或MgO等，其功能层厚度可以为3～10nm。

以上对本发明的整流器结构进行了描述，本发明的隧穿二极管整流器与电极接触形成整流接触，实现整流功能。参考图6，图6(a)为本发明隧穿二极管整流器的整流特性示意图，图6(b)为双极性阻变存储器的I-V特性曲线示意图，图6(c)为集成双向整流器之后的双极性阻变存储器的I-V特性示意图。当阻变存储器R在低阻状态时，当读取电压大于整流器正向阈值电压V_TH1而小于存储器SET电压与整流器阈值电压之和V_TH2(V_TH1＜V＜V_TH2)时具有单向导通的特性，从而抑制了串扰问题。同时，由于不用外接整流的二极管或三极管即可实现整流，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，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(V_TH1＜V_Read V_TH2)，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，该器件的整流器件处于开启状态，电流可以通过(2，1)；然而由于器件(2，1)、(2，2)和(1，2)构成串联结构，施加的读电压却不足以同时将串联的三个整流器同时打开，此时器件(2，2)和(1，2)将仍然处于截止状态，因此，在没有整流器件的存储器阵列中存在的漏电通路(2，1)→(2，2)→(1，2)在本设计中处于断路状态，电流只能沿着期望的读取通路(虚线所示)流经(1，1)。器件(1，1)处于高阻态，其串联的整流器件处于开启状态，因此很容易得到器件(1，1)的电阻，从而避免了无整流器件的存储器阵列中的误读现象，有效地抑制了串扰问题。

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，而利用本发明的隧穿二极管整流器做集成结构，器件开启时的电阻极小，其上的分压可以忽略不计，从而降低了器件的操作电压。同时，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用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件的制造方法，所述方法包括：

步骤S1：提供衬底100；

步骤S2：在所述衬底上形成下电极101；

步骤S3：在所述下电极上形成整流功能层202；

步骤S4：在所述整流功能层上形成上电极303。

参考图7，图7为本发明实施例用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件的制造方法流程图，以下将结合图7和图8-10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S1，提供衬底。

参考图8，在此实施例中，所述衬底100可以为SiO₂/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SiC、GaAs等。此外，衬底中还可以包括CMOS电路，通过连接插塞与下电极相连。

在步骤S2，在所述衬底上形成下电极101。

在此实施例中，如图8所示，可以利用电子束蒸发(E-beam evaporation)工艺沉积Al金属层作为下电极101，所述Al的厚度可以为50nm，还可以通过其他物理汽相沉积或化学汽相沉积等方法形成下电极。

S3，在所述下电极上形成整流功能层202。

在此实施例中，可以利用磁控溅射的方法依次沉积Al₂O₃整流功能层202，如图10所示，所述Al₂O₃的厚度可以为3nm。

在本发明的一些实施例中，所述整流功能层材料可以通过物理汽相沉积和化学汽相沉积工艺形成。

S4，在所述整流功能层之上形成上电极。

在此实施例中，可以利用电子束蒸发的方法淀积Al形成上电极303，如图10所示，所述Al的厚度可以为70nm，从而形成本实施例的整流器。

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。

由上述可知，在本发明的实施例中，通过制备一种具有双向导通功能的隧穿二极管整流器，起到阻变存储器集成阵列中存储器单元选择器件的作用，能够有效的抑制串扰，便于阻变存储器和外围电路的集成，简化了器件的制备工艺，降低了成本。

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

1.一种用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件，其特征在于，包括：

下电极；

形成于该下电极之上的整流功能层薄膜；以及

形成于该整流功能层薄膜之上的上电极。

2.根据权利要求1所述的用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件，其特征在于，所述上电极和下电极均采用Pt、Ag、W、Ti、Al、Cu、Ru、TiN或TaN中的任一种。

3.根据权利要求1所述的用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件，其特征在于，所述整流功能层薄膜采用Al₂O₃或MgO材料。

4.根据权利要求1所述的用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件，其特征在于，所述整流功能层薄膜的厚度为3至10nm。

5.根据权利要求1所述的用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件，其特征在于，根据所选用的上电极及下电极材料的不同，该隧穿二极管整流器件具有对称或非对称的非线性整流电学特性。

6.一种用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件的制造方法，其特征在于，该方法包括：

提供衬底；

在该衬底上形成下电极；

在该下电极上形成整流功能层；以及

在该整流功能层上形成上电极。

7.根据权利要求6所述的用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件的制造方法，其特征在于，所述提供衬底的步骤中，所述衬底为SiO₂、Si、SiC或GaAs，或者为通过连接插塞与下电极相连的CMOS电路。

8.根据权利要求6所述的用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件的制造方法，其特征在于，所述在该衬底上形成下电极的步骤中，是利用电子束蒸发、物理汽相沉积或化学汽相沉积工艺在该衬底上沉积Al金属层作为下电极，所述Al金属层的厚度为50nm。

9.根据权利要求6所述的用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件的制造方法，其特征在于，所述在该下电极上形成整流功能层的步骤中，是利用磁控溅射、物理汽相沉积或化学汽相沉积工艺在该下电极上沉积Al₂O₃整流功能层，所述Al₂O₃整流功能层的厚度为3nm。

10.根据权利要求6所述的用于双极性阻变存储器的隧穿二极管整流器件的制造方法，其特征在于，所述在该整流功能层上形成上电极的步骤中，是利用电子束蒸发、物理汽相沉积或化学汽相沉积工艺在该整流功能层上沉积Al金属层作为下电极，所述Al金属层的厚度为70nm。