CN103633242B

CN103633242B - 一种具有自整流特性的阻变存储器及其制备方法

Info

Publication number: CN103633242B
Application number: CN201210311109.8A
Authority: CN
Inventors: 吕杭炳; 刘明; 刘琦; 李颖弢; 龙世兵
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: CN103633242A

Abstract

本发明公开了一种具有自整流特性的阻变存储器及其制备方法，属于微电子制造及存储器技术领域。所述自整流特性阻变存储器包括上电极、下电极、阻变材料层以及非晶硅层，具有双极型转变特性，同时在低阻态呈现出正负不对称的整流特性。本发明基于自整流特性阻变存储器作为存储单元，可以不依赖选通晶体管以及二极管，依靠其自身的整流特性实现自我选择功能，结构简单、易集成、密度高、成本低，能够抑制交叉阵列结构中的读串扰现象。本发明基于阻变存储器的一次编程存储器能够采用交叉阵列结构集成，制备温度低，可以实现高密度的三维堆叠结构。

Description

一种具有自整流特性的阻变存储器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子制造及存储器技术领域，尤其涉及一种具有自整流特性的阻变存储器及其制备方法。

背景技术

存储器在半导体市场中占有重要的地位，一般可以分为挥发性存储器和非挥发性存储器。挥发性存储器是指存储器的信息必须在加电的时候才能保持，在不加电时存储的信息就会丢失；而不挥发性存储器的主要特点是在不加电的情况下也能够长期保持存储的信息。随着便携式电子设备的不断普及，非挥发性存储器在整个存储器市场中的份额也越来越大，当前非挥发性存储器市场的主流是Flash，占了90％的市场份额。但是由于存储电荷的要求，FLASH的浮栅不能随技术代发展无限制减薄，有报道预测FLASH技术的极限在16nm左右，这就迫使人们寻找性能更为优越的下一代非挥发性存储器。最近阻变存储器件(resistiveswitchingmemory)因为其高密度、低成本、可突破技术代发展限制的特点引起高度关注。

阻变存储器为一金属/氧化物/金属(MIM)电容结构，通过电信号的作用，使器件在高电阻状态(HighResistanceState，HRS)和低电阻(LowResistanceState，LRS)状态之间可逆转换，实现存储功能。由于其结构简单，非常利于实现高密度的交叉阵列结构。单R结构的交叉阵列由于存在低阻态的电流泄漏路径，有读串扰问题，如图1所示。解决此问题方法是必须在R上面串联一个选通管，如晶体管(1T1R结构)或二极管(1D1R结构)。1T1R结构，由于晶体管需要占用衬底硅的面积，不能用于三维集成。1D1R结构对D的开关比和电流密度要求很高，而且在制备D的工艺比较难控制。如果阻变存储单元既有阻变特性同时又具有整流特性，就不需要增加额外的选通管，而可以实现自我选择功能。但目前报道的自整流阻变器件大都是采用高掺杂的单晶硅作为下电极，限制了其在三维存储中的应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有自整流特性的阻变存储器及其制备方法，以避免使用单晶硅做电极实现自整流阻变器件，进而可应用于高密度三维堆叠交叉阵列。

(二)技术方案

为解决以上技术问题，本发明提出了一种自整流阻变存储器，该自整流阻变存储器自下至上依次包括下电极、非晶硅层、阻变材料层和上电极，该阻变存储器件具有电阻转变功能，同时具有自整流特性。

上述方案中，所述上电极或下电极均由以下材料中的至少一种形成：W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni，导电金属化合物TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO。

上述方案中，所述阻变材料层由以下材料中的至少一种或者以下材料经掺杂改性后形成的材料中的至少一种形成：Cu₂S、AgS、AgGeSe、CuI_xS_y，ZrO₂、HfO₂、TiO₂、SiO₂、WO_x、NiO、CuO_x、ZnO、TaO_x、CoO、y₂O₃、PCMO、SZO、STO。

上述方案中，所述阻变材料层是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、氧化、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备的。

上述方案中，所述非晶硅层是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备的。

上述方案中，所述上电极或下电极是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、溅射方法中的一种制备的。

上述方案中，所述下电极的厚度为5nm～500nm，所述非晶硅层厚度为2nm～200nm，所述阻变材料层的厚度为2nm～200nm，所述上电极的厚度为5nm～500nm。

为解决以上技术问题，本发明还提出了一种制备自整流阻变存储器的方法，该方法包括：

步骤1：在衬底上形成下电极；

步骤2：在所述下电极上形成非晶硅层；

步骤3：在所述非晶硅层上形成阻变材料层；

步骤4：在所述阻变材料层上形成上电极。

上述方案中，步骤1中所述在衬底上形成下电极，是采用溅射的方法在衬底上形成Cu下电极，其工艺条件如下：功率25W～500W；压强：0.1Pa～100Pa；Ar气流量：0.5sccm～100sccm。

上述方案中，步骤2中所述在下电极上形成非晶硅层，是采用化学气相沉积的方法在下电极上形成非晶硅层，其工艺条件如下：功率10W～500W；压强0.1Pa～100Pa：温度：200度～500度；SiH₄流量：0.5sccm～100sccm。

上述方案中，步骤3中所述在非晶硅层上形成阻变材料层，是采用溅射WO_x合金靶或反应溅射的方法在非晶硅层上形成WO_x阻变材料层，其工艺条件如下：功率25W～500W；压强：0.1Pa～100Pa；Ar气流量：0.5sccm～100sccm。

上述方案中，步骤4中所述在阻变材料层上形成上电极，是采用溅射的方法在阻变材料层上形成Pt上电极，其工艺条件如下：功率25W～500W；压强：0.1Pa～100Pa；Ar气流量：0.5sccm～100sccm。

(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、本发明提供的阻变存储器及其制备方法，以阻变材料层作为存储介质，利用阻变材料层与非晶硅层的肖特基接触实现自整流特性，不需要额外的选通晶体管或者二极管作为选通单元。

2、本发明提供的自整流阻变存储器及其制备方法，可以使用三维堆叠交叉阵列结构，单层交叉阵列结构的单元面积最小为4F²，当有n层叠层时，单元器件所占面积为4F²/n，大大提高了集成密度，降低了成本，结构简单、易集成。

3、本发明提供的阻变存储器及其制备方法，由于器件具有自整流特性，能够抑制交叉阵列结构中的读串扰现象。

附图说明

图1是现有技术中单R结构交叉阵列读串扰现象的示意图；

图2是依照本发明实施例的自整流阻变存储器的结构示意图；

图3至图6是依照本发明实施例制备自整流阻变存储器的工艺流程图；

图7是依照本发明实施例的自整流阻变存储器的电流-电压特性曲线示意图。

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。

在下文中结合图示在参考实施例中更完全地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为是限制本发明的范围。

图2所示为本发明提供的实施例阻变存储器的结构示意图。如图2所示，阻变存储器由下至上依次包括下电极101、非晶硅层201、阻变存储介质301、以及上电极401。其中，下电极101可以由单质W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni，以及导电金属化合物TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO中的一种或几种构成，通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、溅射方法中的一种制备完成，下电极的厚度及形状不受本发明限制。

形成于下电极101之上的非晶硅层201，可以采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备方法形成，其厚度为2nm～200nm。

形成于非晶硅层201上方的阻变材料层301，可以由Cu₂S、AgS、AgGeSe、CuI_xS_y，ZrO₂、HfO₂、TiO₂、SiO₂、WO_x、NiO、CuO_x、ZnO、TaOx、CoO、Y₂O₃、PCMO、SZO、STO中一种或者经掺杂改性后形成，可以采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备方法形成，其厚度为2nm～200nm。

形成于阻变材料层301之上的上电极401，可以由单质W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni，以及导电金属化合物TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO中的一种或几种构成，通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、溅射方法中的一种制备完成，金属电极的厚度及形状不受本发明限制。

作为较佳实施例，本发明提供的自整流阻变存储器包括Cu下电极102，非晶硅层202，WO_x阻变层302，以及Pt上电极402。以下结合图3至图6，详细说明阻变存储器的制备工艺。

步骤1，形成下电极102层。如图3所示，下电极102可以采用化学电镀或者溅射的方法形成，作为优选方案，本实施例中采用溅射的方法形成Cu下电极，可以采用以下工艺条件进行：功率25W～500W；压强：0.1Pa～100Pa；Ar气流量：0.5sccm～100sccm，其厚度为5nm～500nm。

步骤2，在下电极102层上形成非晶硅层202。如图4所示，非晶硅层202可以采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或溅射方法形成，作为优选方案，本实施例中采用化学气相沉积的方法形成非晶硅202层，采用以下工艺条件进行：功率10W～500W；压强0.1Pa～100Pa：温度：200度～500度；SiH₄流量：0.5sccm～100sccm。其厚度为2nm～200nm。

步骤3，在非晶硅层202之上形成阻变材料层302，如图5所示，作为优选方案，本实施例中采用WO_x作为阻变材料层，通过溅射WO_x合金靶或反应溅射的方法形成，工艺条件如下：功率25W～500W；压强：0.1Pa～100Pa；Ar气流量：0.5sccm～100sccm，其厚度为2nm～200nm。

步骤4，在阻变材料层302之上形成上电极402，如图6所示，作为优选方案，本实施例中上电极材料采用Pt，通过溅射的方法形成，工艺条件如下：功率25W～500W；压强：0.1Pa～100Pa；Ar气流量：0.5sccm～100sccm，其厚度为5nm～500nm。

至此，图2所示的阻变存储器制备完成。

图7为本发明基于自整流阻变存储器电流-电压特性曲线示意图。如图7所示，所述由Cu/a-Si/WOx/Pt形成的阻变存储器在直流扫描模式测试下得到的电流-电压特性曲线示意图，所述阻变存储器件开始处于高阻状态“0”，当外加偏压达到1.8V时，所述阻变存储器件从高阻状态“0”转变成低阻状态“1”，从而实现编程；再使用反向电压扫描时，阻变存储器件又从低阻态“1”转变为高阻态“0”，从曲线中可以明显看到低阻态在正负电压下呈对称整流特性，在±1V的读取电压下，正向电流和负向电流比约为102，具有整流二极管的作用，这样可以有效地抑制交叉阵列结构中的读串扰，避免误读发生。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自整流阻变存储器，其特征在于，该自整流阻变存储器自下至上依次包括下电极、非晶硅层、阻变材料层和上电极，该阻变存储器件具有电阻转变功能，同时具有自整流特性。

2.根据权利要求1所述自整流阻变存储器，其特征在于，所述上电极或下电极均由以下材料中的至少一种形成：W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni，导电金属化合物TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO。

3.根据权利要求1所述自整流阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料层由以下材料中的至少一种或者以下材料经掺杂改性后形成的材料中的至少一种形成：Cu₂S、AgS、AgGeSe、CuI_xS_y，ZrO₂、HfO₂、TiO₂、SiO₂、WO_x、NiO、CuO_x、ZnO、TaO_x、CoO、Y₂O₃、PCMO、SZO、STO。

4.根据权利要求1所述自整流阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料层是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备的。

5.根据权利要求1所述自整流阻变存储器，其特征在于，所述非晶硅层是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备的。

6.根据权利要求1所述自整流阻变存储器，其特征在于，所述上电极或下电极是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、溅射方法中的一种制备的。

7.根据权利要求1所述自整流阻变存储器，其特征在于，所述下电极的厚度为5nm～500nm，所述非晶硅层厚度为2nm～200nm，所述阻变材料层的厚度为2nm～200nm，所述上电极的厚度为5nm～500nm。

8.一种制备权利要求1所述自整流阻变存储器的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：在衬底上形成下电极；

步骤2：在所述下电极上形成非晶硅层；

步骤3：在所述非晶硅层上形成阻变材料层；

步骤4：在所述阻变材料层上形成上电极。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤1中所述在衬底上形成下电极，是采用溅射的方法在衬底上形成Cu下电极，其工艺条件如下：功率25W～500W；压强：0.1Pa～100Pa；Ar气流量:0.5sccm～100sccm。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤2中所述在下电极上形成非晶硅层，是采用化学气相沉积的方法在下电极上形成非晶硅层，其工艺条件如下：功率10W～500W；压强0.1Pa～100Pa：温度：200度～500度；SiH₄流量：0.5sccm～100sccm。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤3中所述在非晶硅层上形成阻变材料层，是采用溅射WO_x合金靶或反应溅射的方法在非晶硅层上形成WO_x阻变材料层，其工艺条件如下：功率25W～500W；压强：0.1Pa～100Pa；Ar气流量:0.5sccm～100sccm。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤4中所述在阻变材料层上形成上电极，是采用溅射的方法在阻变材料层上形成Pt上电极，其工艺条件如下：功率25W～500W；压强：0.1Pa～100Pa；Ar气流量:0.5sccm～100sccm。