CN103606625B - 高一致性低功耗阻变存储器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种阻变存储器，其结构自下而上依次包括衬底、绝缘层、底电极、阻变材料薄膜、顶电极，其特征是，所述的阻变材料薄膜为由同种金属氧化物构成四层结构；所述的四层结构自下而上阻值依次提高10倍以上；所述四层结构自下而上氧浓度依次提高，厚度依次减小。本发明通过将同种金属氧化物阻变材料薄膜按不同氧浓度分为四层结构，可实现氧空位通道在各层中的完全通断，从而精确控制阻值，实现高一致性的2-bit存储。另外，通过合理调控4层结构中每层的阻值，即可进行低电流操作，进而实现低功耗。
Description
技术领域
本发明涉及阻变存储器（RRAM），具体涉及一种高一致性低功耗的2-bit阻变存储器单元设计方案及其制备方法，属于CMOS超大规模集成电路（ULSI）中的非挥发存储器（Nonvolatilememory）性能优化及其制造技术领域。
背景技术
近年来，随着器件尺寸不断缩小，尤其是进入纳米尺寸节点后，目前主流的NVM器件如Flash的缩小能力（scaling）将达到极限，随机涨落显著增加，可靠性问题日益严峻。基于此，研究人员相继提出电荷陷阱存储器（CTM）、铁电存储器（FeRAM）、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)、阻变存储器等新型存储器件。其中，阻变存储器（RRAM）以其结构简单、性能优异及显著的可缩小特性，在近几年引发了广泛的研发热潮，并在ITRS（半导体国际技术路线图）中被正式列为未来重点发展的新兴存储器。尽管如此，阻变存储器的进一步发展仍面临很多挑战，突出体现为操作电压和阻态的一致性问题、耐久性及保持特性等可靠性问题、reset电流较大影响低功耗的实现、以及如何实现更高密度的集成等方面。本发明即针对以上相关问题提出解决方案。
如上所说，阻变存储器结构简单，主要由顶电极、阻变材料薄膜和底电极三层结构（MIM）组成；而阻变材料一般选用结构简单的金属氧化物。关于阻变机制，一般认为是氧空位（或氧离子）移动导致。具体而言，set操作是在电场作用下，阻变材料薄膜中产生氧空位并在电场作用下移动和堆积，最终在局域形成低阻导电通道（CF），器件转变为低阻态（LRS）；而reset过程按热或者电场作用占主导可分为单极和双极两种：单极reset是在热的作用下CF周围的氧离子与氧空位复合从而使通道断开，器件转变为高阻态（HRS）；双极reset则主要是在与set过程反向电场的作用下使氧离子反向移动与氧空位复合从而使CF断开（或称为产生一个gap），转为HRS。另外，为了提高存储密度，人们通过调控set或者reset过程实现多值存储。具体而言，一种方法是在set过程中通过调节限流（CC）进而调控CF的粗细（或者说CF中氧空位浓度）来实现不同的LRS阻值；另一种方法是在双极reset过程中通过调节stop电压进而调控gap的长度来实现不同的HRS阻值。这样，1个HRS和3种不同阻值的LRS或者1个LRS和3种不同阻值的HRS即可构成单个器件的2-bit存储，以此类推，通过合适的调控还可以实现3-bit甚至更高密度的存储。然而，普通的阻变存储器中CF的通断在单层阻变层中发生，由于CF的粗细（或者说CF中氧空位浓度）以及gap的调控随机涨落较大，故一致性问题严重，使不同阻态间出现交叠。
发明内容
基于以上问题，本发明通过将同种金属氧化物阻变材料薄膜按不同氧浓度分为四层结构，可实现氧空位通道（CF）在各层中的完全通断，从而精确控制阻值，实现高一致性的2-bit存储。另外，通过合理调控4层结构中每层的阻值，即可进行低电流操作，进而实现低功耗。同时，按照本发明的思路，我们可以进一步实现3-bit及更高密度的存储。
本发明的技术方案如下：
一种阻变存储器，其结构自下而上依次包括衬底、绝缘层、底电极、阻变材料薄膜、顶电极，其特征是，所述的阻变材料薄膜为由同种金属氧化物构成的四层结构；所述的四层结构自下而上阻值依次提高至少10倍；所述四层结构自下而上氧浓度依次提高，厚度依次减小。
所述的阻变存储器，其特征是，所述的四层结构，自下而上，第一层的阻值为103Ω～104Ω、第二次的阻值为105～106Ω、第三层的阻值为107～108Ω、第四层的阻值为109～1010Ω。
所述的阻变存储器，其特征是，所述的衬底采用Si衬底，采用crossbar结构（或其他常用MIM结构）。
所述的阻变存储器，其特征是，所述的底电极和顶电极材料为导电金属或金属氮化物。
所述的阻变存储器，其特征是，所述的阻变材料选用过渡金属氧化物材料。
所述的阻变存储器，其特征是，所述的过渡金属氧化物为HfOx、TaOx、ZrOx或WOx。
本发明同时提供一种制备阻变存储器的方法，包括如下步骤：
（1）制备底电极：在衬底上PVD溅射（或电子束蒸发）金属Ti/M，其中Ti作为粘附层，M为底电极，通过剥离或腐蚀工艺图形化形成底电极；
（2）在底电极上自下而上制备四层阻变材料薄膜，所述的阻变材料薄膜同种金属氧化物构成；所述的四层结构自下而上阻值依次提高10倍（含10倍）以上；所述四层结构自下而上氧浓度依次提高，厚度依次减小；
（3）在阻变材料薄膜上PVD溅射（或电子束蒸发）制备并图形化顶电极，定义器件尺寸。
所述步骤（2），通过溅射方法，在同一腔室内通过调控氧分压依次淀积四层阻变材料，制备阻变材料薄膜。
所述步骤（2），通过热氧化方法，调节气氛中氧气比例、氧化时间、氧化温度等热氧化条件依次淀积四层阻变材料，制备阻变材料薄膜。
所述步骤（2），通过ALD方法，调节通入还原性气氛的比例依次淀积四层阻变材料，制备阻变材料薄膜。
本发明提出的阻变存储器设计主要有以下三点优势：
（1）制作工艺与CMOS工艺兼容，且相较于一般的RRAM而言并未增加新的工艺步骤，操作简单，容易实现。
（2）通过采用不同氧浓度的四层结构阻变材料薄膜能实现高一致性的2-bit存储：如图3示，设从下往上四层阻变薄膜MOx-1、MOx-2、MOx-3、MOx-4的阻值分别为R1、R2、R3、R4，其中R1<<R2<<R3<<R4，则高阻态阻值由R4决定，即HRS≈R4；set操作时，加一个较小电压，并把限流值设为与MOx-3的R3阻值相对应的电流值，这样可以使导电细丝CF仅在最上层MOx-4中产生，如图4示，从而set之后的电阻即由R3决定，即LRS3≈R3；同理当继续set，并设置限流值为MOx-2的R2阻值相对应的电流值，这样可以使导电细丝CF继续在第3层MOx-3中产生，如图5示，从而set之后的电阻即由R2决定，即LRS2≈R2；进一步的，继续set并设置限流值为MOx-1的R1阻值相对应的电流值，这样可以使导电细丝CF继续在第2层MOx-2中产生，如图6示，从而set之后的电阻即由R1决定，即LRS1≈R1；reset时通过调节合适的reset电压，即可将器件状态依次从LRS1reset到LRS2，进而reset到LRS3、HRS。
如上所述，通过使导电细丝每次在相应的一层中发生完全的通断，可以精确控制相应的4个组态，从而实现高一致性的2-bit存储。
（3）进一步的，由于每一层的电阻值可以通过工艺调控，所以当我们把每层电阻值设置的较大时，相应器件阻态的电流也较大，即可实现低功耗存储。
附图说明
图1本发明所述RRAM的结构截面示意图
图2本发明所述RRAM的器件crossbar结构俯视图
图3四层阻变薄膜示意图
图4-图6电学操作时，依次实现2-bit阻变过程示意图
图7-图13为本发明制备工艺流程中辅助说明的RRAM结构示意图
具体实施方案
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明提供了一种阻变存储器，其结构如图1示，其与主流阻变存储器结构（MIM）的主要区别在于在阻变材料薄膜为4层形成了氧浓度梯度的金属氧化物（MOx）构成，由下往上4层分别简记为MOx-1、MOx-2、MOx-3、MOx-4，从MOx-1到MOx-4氧浓度依次提高，厚度依次减小，且通过相关实验控制实现每层阻值间的梯度（在实验上，就是每调一下氧浓度或薄膜厚度，然后测一次电阻，根据设定的电阻范围，来选定相应的氧浓度范围或者薄膜的厚度），如MOx-1阻值为103Ω～104Ω、MOx-2阻值约105～106Ω、MOx-3阻值约107～108Ω、MOx-4阻值约109～1010Ω。
图示结构的具体描述如下：
（1）衬底采用Si衬底；采用常规的crossbar结构，如图2所示；
（2）底电极和顶电极材料为导电金属或金属氮化物，如Pt、Al、Ti或TiN、TaN、WNx等。
（3）重点在于中间阻变层的四层结构。阻变材料可以优先选用现在主流的过渡金属氧化物材料（如HfOx，TaOx，ZrOx，WOx等），每种氧化物可以根据各自的氧含量相应的阻值选择合适的含氧量梯度，进而按含氧量依次提高，厚度依次减小的顺序依次淀积4层；
本发明的阻变存储器制备流程如下：
（1）底电极制备，在衬底上PVD溅射（或电子束蒸发）金属Ti/M，其中Ti作为粘附层，M为底电极，通过剥离或腐蚀工艺图形化形成底电极；
（2）阻变薄膜制备
方法一：通过溅射方法，在同一腔室内通过调控氧分压依次淀积四层阻变材料（根据该种材料做RRAM器件的常用实验参数，先试验一次薄膜，然后测其电阻，如果实验薄膜的阻值比设定阻值范围小，就增加氧浓度，或稍微增加厚度。以此类推，完成对四层的实验条件设置），制备阻变材料薄膜；
方法二：通过热氧化方法，调节气氛中氧气比例、氧化时间、氧化温度等依次淀积四层阻变材料（同方法一，要事先调试不同阻值对应的实验条件），制备阻变材料薄膜；
方法三：通过ALD方法，调节通入还原性气氛的比例依次淀积四层阻变材料（同方法一，要事先调试不同阻值对应的实验条件），制备阻变材料薄膜；
（3）顶电极制备，PVD溅射（或电子束蒸发）制备并图形化顶电极，定义器件尺寸。
实施例1：
下面以TaOx阻变存储器为例，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明制备高一致性低功耗的2-bit阻变存储器单元的工艺如下：
1）制备绝缘层。在衬底硅片1上生长SiO2作为绝缘层2，如图7所示；
2）制备底电极。溅射金属Ti/M，其中Ti作为粘附层，M为底电极3，如图8所示，M为导电金属或金属氮化物，如Pt、Ag、Ir、Ru、Au、Pd、W、Ni、Cu、Ti、TiN、TaN、WNx等；
3）制备第一层阻变材料薄膜。通过PVD磁控溅射方法制备第一层TaOx阻变材料薄膜4-1，厚度30nm，氧分压3%，薄膜电阻约103Ω（这里所给氧分压及厚度为参考值，具体相应厚度和氧分压对应的阻值需要提前做实验确定，以下三步与之相同；所述实验包括：调节氧浓度和薄膜厚度，之后测电阻，根据电阻比设定的电阻范围大或者小，再反过来调节氧浓度和厚度，比如，如果实验薄膜的阻值比设定阻值范围小，就增加氧浓度，或增加薄膜厚度），如图9所示；
4）制备第二层阻变材料薄膜。紧接上一步，在溅射腔室内调控氧分压，继续制备第二层TaOx阻变材料薄膜4-2，厚度20nm，氧分压7%，（同上，氧分压及厚度为参考值）薄膜电阻约105Ω，如图10所示；
5）制备第三层阻变材料薄膜。紧接上一步，在溅射腔室内调控氧分压，继续制备第三层TaOx阻变材料薄膜4-3，厚度10nm，氧分压15%，（同上，氧分压及厚度为参考值）薄膜电阻约107Ω，如图11所示；
6）制备第四层阻变材料薄膜。紧接上一步，在溅射腔室内调控氧分压，继续制备第四层TaOx阻变材料薄膜4-4，厚度5nm，氧分压50%，（同上，氧分压及厚度为参考值）薄膜电阻约109Ω，如图12所示；
7）制备顶电极。PVD溅射制备并图形化顶电极5，定义器件尺寸范围（2μm×2μm～100μm×100μm），如图13所示，完成工艺流程。
本发明直接通过调控溅射过程的氧组分，不用增加额外的工艺步骤，即可以实现四层结构的阻变材料薄膜，进而制备出高一致性低功耗的2-bit阻变存储器。工艺简单，且性能改善明显。
Claims (6)
1.一种实现阻变存储器多值存储方法，其特征在于，该阻变存储器的结构自下而上依次包括衬底、绝缘层、底电极、阻变材料薄膜、顶电极，所述的阻变材料薄膜为由同种金属氧化物构成的四层结构；所述的四层结构自下而上阻值依次提高至少10倍；所述四层结构自下而上氧浓度依次提高，厚度依次减小，通过使导电细丝每次在相应的一层中发生完全的通断，精确控制相应的4个组态。
2.如权利要求1所述的实现阻变存储器多值存储方法，其特征是，所述的四层结构，自下而上，第一层的阻值为103Ω～104Ω、第二次的阻值为105～106Ω、第三层的阻值为107～108Ω、第四层的阻值为109～1010Ω。
3.如权利要求1所述的实现阻变存储器多值存储方法，其特征是，所述的衬底采用Si衬底，采用十字交叉结构。
4.如权利要求1所述的实现阻变存储器多值存储方法，其特征是，所述的底电极和顶电极材料为导电金属或金属氮化物。
5.如权利要求1所述的实现阻变存储器多值存储方法，其特征是，所述的阻变材料选用过渡金属氧化物材料。
6.如权利要求5所述的实现阻变存储器多值存储方法，其特征是，所述的过渡金属氧化物为HfOx、TaOx、ZrOx或WOx。
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