CN103268917A - 应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构 - Google Patents

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Abstract

根据本发明实施例的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构，包括：钨下电极；形成在钨下电极之上的氧化钨层；形成在氧化钨层之上的氧化铝层；以及形成在氧化铝层之上的铝上电极。本发明利用铝、钨两种金属与氧离子结合的不同特性，得到的阻变存储器具有更稳定的性能，更低的功耗和更大的高低阻比值。

Description

应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构
技术领域
本发明属于半导体制造技术，具体涉及一种应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构。
背景技术
随着半导体技术的不断发展和电子设备在社会中的进一步普及，特别是手机等便携电子的普及和特殊电子设备如医疗仪器等的发展，微电子尺寸在不断地进行缩小过程。同时影音娱乐等的发展导致数据规模不断增大，进而导致存储器，特别是非易失性存储器的应用变得越来越重要。当今社会的非易失性存储器中FLASH存储器占据着绝对主流，但是随着微电子尺寸进入深纳米以下，传统的FLASH存储器出现了大量的缺陷。而新型阻变存储器（RRAM）有着众多的优势，包括良好的可缩小（scaling）性能、方便进行3D堆叠、结构简单、存储密度高、操作电压低、操作电流小、读写速度快、功耗低、且与传统CMOS兼容等。新型阻变存储器RRAM结构为上下电极间填充一元或多元金属氧化物的三明治结构，其中填充的一元或多元金属氧化物层为阻变层。其工作机理是根据施加在此结构上的电压的不同，阻变层的电阻在高阻态和低阻态间发生相应变化，从而开启或阻断电流流动通道，利用高阻和低阻状态的显著差别储存信息。
新型阻变存储器性能优越，但是其性能表现同阻变层的材料选择和结构组成有着很大的关联。世界各地的研究组都试图不断地开发出新材料、新组合、新结构来提高阻变存储器的性能，比如南洋理工曾提出堆叠四层金属氧化物来提高RRAM的性能。阻变存储器的操作电压、高低阻比值、可擦写次数等性能都可以通过选择不同的材料组合来进行提高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种更稳定性能，更低功耗和更大高低阻比值优点的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构。
根据本发明实施例的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构，包括：钨下电极；形成在所述钨下电极之上的氧化钨层；形成在所述氧化钨层之上的氧化铝层；以及形成在氧化铝层之上的铝上电极。
在本发明的一个实施例中，所述氧化钨层是通过热氧化的方式形成的。
在本发明的一个实施例中，所述氧化钨层的厚度为30-70nm。
在本发明的一个实施例中，所述氧化铝层是通过接触式氧化的方式形成的。
在本发明的一个实施例中，所述接触式氧化的温度为400-500℃，时间为50-200s。
在本发明的一个实施例中，所述第二氧化层的厚度为3-10nm。
本发明利用铝、钨两种金属与氧离子结合的不同特性，得到的阻变存储器具有更稳定的性能，更低的功耗和更大的高低阻比值。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构的结构示意图；
图2是本发明实施例的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构的投射电子显微镜图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
针对上述背景技术中提到的阻变存储器的操作电压、高低阻比值、可擦写次数等性能都可以通过选择不同的材料组合来进行提高的问题，本发明提出一种应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构。
本发明的技术方案的核心思想为：选择铝钨两种金属，堆叠成双层金属氧化物层。其中氧化钨厚度较厚，约50nm，在下层。氧化铝厚度超薄，约5nm，由接触式氧化工艺制作，在上层。本发明利用铝、钨两种金属与氧离子结合的不同特性，得到的阻变存储器具有更稳定的性能，更低的功耗和更大的高低阻比值。
图1是本发明实施例的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构的结构示意图，如图所示，根据本发明实施例的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构，包括：钨下电极100；形成在钨下电极100之上的氧化钨层110；形成在氧化钨层110之上的氧化铝层210；以及形成在氧化铝层210之上的铝上电极200。
在本发明的一个实施例中，氧化钨层110是通过热氧化的方式形成的。
在本发明的一个实施例中，氧化钨层110的厚度为30-70nm，优选50nm。在保持工艺稳定和器件稳定的要求下，氧化钨的厚度尽量薄则有利于器件性能。
在本发明的一个实施例中，氧化铝层210是通过接触式氧化的方式形成的。
在本发明的一个实施例中，接触式氧化的温度为400-500℃，时间为50-200s。
在本发明的一个实施例中，第二氧化层210的厚度为3-10nm,优选5nm。第二氧化层210的厚度太薄则失去双层阻变性能，太厚则导致电阻值过大，无法进行变阻操作。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，现对本发明的Al-W-O堆叠结构的形成方法介绍如下：选择金属钨作为下层，厚度较大。首先通过热氧化的方式，在金属钨下电极上得到约50nm厚的氧化钨层。之后通过蒸发淀积的方式在氧化钨层上制作一层金属铝作为上电极。最后采用接触式氧化的工艺方法得到厚度约在5nm左右的超薄氧化铝层。其中，接触式氧化的方法即是使用快速热退火的工艺，利用铝钨对于氧原子吸引力的不同，使金属铝层从富氧的氧化钨层夺得氧原子形成超薄堆叠的氧化铝层。
图2是本发明实施例的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构的投射电子显微镜图，展示本发明的Al-W-O的超薄堆叠混合氧化层的各层的厚度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构，其特征在于，包括：
钨下电极；
形成在所述钨下电极之上的氧化钨层；
形成在所述氧化钨层之上的氧化铝层；以及
形成在氧化铝层之上的铝上电极。
2.如权利要求1所述的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构，其特征在于，所述氧化钨层是通过热氧化的方式形成的。
3.如权利要求1所述的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构，其特征在于，所述氧化钨层的厚度为30-70nm。
4.如权利要求1所述的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构，其特征在于，所述氧化铝层是通过接触式氧化的方式形成的。
5.如权利要求1所述的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构，其特征在于，所述接触式氧化的温度为400-500℃，时间为50-200s。
6.如权利要求1所述的应用于阻变存储器的Al-W-O堆叠结构，其特征在于，所述第二氧化层的厚度为3-10nm。
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