CN103682095B - 一种具有选择特性的阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有选择特性的阻变存储器及其制备方法。本发明的阻变存储器包括：顶电极、底电极以及二者之间的功能层；其中，功能层包括第一氧化层和第二氧化层；第一氧化层为靠近顶电极的完全配比的氧化层；第二氧化层为靠近底电极的非完全配比的氧化层。本发明采用分两次淀积功能层，形成具有氧组分不同的两层氧化层的功能层，靠近顶电极为完全配比的氧化层，而靠近底电极为非完全配比的氧化层；在顶电极与完全配比的氧化层之间势垒会明显提高，电子只能靠肖特基发射实现导电，低阻态具有非线性，器件具有选择特性。本发明在有效抑制误读现象的情况下，无需串联专门的选择管，工艺简单，成本低；并且与现有工艺兼容，有利于大规模工业生产。

Description

一种具有选择特性的阻变存储器及其制备方法
技术领域
本发明涉及阻变存储器，具体涉及一种具有选择特性的阻变存储器（resistive randomaccess memory）及其制备方法。
背景技术
近年来，阻变存储器在存储器领域占据着越来越重要的地位，它是一种基于阻值变化来记录和存储数据的非挥发性存储器件。目前量产的非挥发性存储器件主要是闪存（flashmemory）。但是随着集成电路技术的进一步发展，读写速度过慢，开关电压过大，尺寸无法继续缩小使闪存（flash）无法取得更大突破。在这种情况下，新型非挥发存储器件受到广泛关注，阻变存储器是其中的典型代表。阻变存储器的工作原理是在电压或电流的激励下发生阻态的变化，从而实现数据的存储。同闪存（flash）相比，阻变存储器的开关速度、功耗、制造成本都有很大改进。但是在实际的阵列应用中，存在着严重的误读现象，外围电路无法正确分辨器件的阻态变化。为了防止误读现象的发生，每一个存储单元都要串联一个具有选择特性的二极管或MOS管，这会大大增加工艺的复杂性，提高产品成本。
发明内容
为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明一种基于氧化钽实现具有选择特性的存储器及其制备方法，在有效抑制误读现象的情况下，无需串联专门的选择管，简化了工艺步骤，降低了成本。
本发明的一个目的在于提供一种具有选择特性阻变存储器。
本发明的具有选择特性阻变存储器包括：顶电极、底电极以及在二者之间的功能层；其中，功能层包括第一氧化层和第二氧化层；第一氧化层为靠近顶电极的完全配比的氧化层；第二氧化层为靠近底电极的非完全配比的氧化层。
顶电极和底电极分别采用铂Pt。功能层采用氧化钽，靠近顶电极的第一氧化层氧组分充足，形成完全配比的Ta2O5氧化层，靠近底电极的第二氧化层氧组分不足，形成非完全配比的TaOx氧化层；其中x为氧与钽的原子数比，x的范围在1～2之间。
本发明的阻变存储器，制备在衬底上，衬底采用硅，并且在底电极与衬底之间具有绝缘层。器件单元为金属-绝缘体-金属MIM电容结构，采用上下层状结构。
本发明的功能层分两次淀积，两次淀积的氩氧比不同，通过控制氩氧比，实现组成不同的两层氧化层，形成具有两层氧化层的功能层，从而控制器件的电学特性。靠近顶电极的氧组分充足，而靠近底电极的氧组分不足，从而在顶电极与完全配比的氧化层之间势垒会明显提高，电子只能靠肖特基发射实现导电，所以低阻态具有非线性，器件具有选择特性。在实际操作中，器件的底电极接地，顶电极接正电压时，器件向低阻态转变；顶电极接负电压时，器件向高阻态转变。
顶电极的厚度在170nm～200nm之间。底电极的厚度在170nm～200nm之间。
第一氧化层的厚度在15nm～20nm之间。第二氧化层的厚度在15nm～20nm之间。
阻变存储器的尺寸在在2um×2um～10um×10um之间。
本发明的另一个目的在于提供一种具有选择特性阻变存储器的制备方法。
本发明的具有选择特性阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：
1）采用物理气相淀积方法PVD在衬底上淀积金属材料，厚度在170nm～200nm之间，并采用标准光刻技术使底电极图形化，剥离定义底电极；
2）利用电子束光刻，在底电极上形成光刻胶图形，利用反应磁控溅射技术生长15nm～20nm厚度的氧化层，通过控制氩氧比，氩与氧的摩尔数比在2:1～3:2之间，形成缺氧的非完全配比的第二氧化层；
3）利用反应磁控溅射技术生长15nm～20nm厚度的氧化层，通过增加氧成分，最后在表面进行短时间的快速热退火，形成完全配比的第一氧化层；
4）通过光刻，反应离子刻蚀RIE刻蚀定义底电极的引出通孔；
5）采用PVD方法淀积金属材料，厚度在170nm～200nm之间，通过光刻、剥离定义顶电极，同时将底电极引出。
本发明的优点：
本发明采用分两次淀积功能层，形成具有氧组分不同的两层氧化层的功能层，靠近顶电极为完全配比的氧化层，而靠近底电极为非完全配比的氧化层；在顶电极与完全配比的氧化层之间势垒会明显提高，电子只能靠肖特基发射实现导电，所以低阻态具有非线性，器件具有选择特性。本发明基于肖特基发射理论，通过调节氧的组分，来控制器件的电学特性，在有效抑制误读现象的情况下，无需串联专门的选择管，简化了工艺步骤，降低了成本；并且与现有工艺兼容，有利于大规模工业生产。
附图说明
图1为现有技术中的阻变存储器的电流-电压特性曲线图；
图2为本发明的具有选择特性阻变存储器的电流-电压特性曲线图；
图3至图9为本发明的具有选择特性阻变存储器的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
图1为现有技术中的阻变存储器的电流-电压特性曲线图，如图1所示，传统的阻变存储器在设置后，电流随电压变化是一条直线，也就是说电阻值不变。
图2为本发明的具有选择特性阻变存储器的电流-电压特性曲线图，双层结构在设置之后，电流随电压的曲线是非线性的，也就是说电阻值随电压变化，具有选择特性。如图2所示，a为器件在正向电压的激励下由高阻态向低阻态的跃变过程；b为低阻态随电压的变化过程，c为器件在负向电压的激励下由低阻态向高阻态的跃变过程；d为高阻态随电压的变化过程。在实际操作中，器件的底电极接地，顶电极接正电压时，器件向低阻态转变；顶电极接负电压时，器件向高阻态转变。
如图9所示，本实施例的具有选择特性阻变存储器包括：顶电极1、底电极4以及二者之间的功能层；其中，功能层包括第一氧化层2和第二氧化层3；第一氧化层2为靠近顶电极的完全配比的氧化层；第二氧化层3为靠近底电极的非完全配比的氧化层。其中，两条虚线之间的部分为功能区。
顶电极1和底电极4采用Pt，第一氧化层2为非完全配比的TaOx，第二氧化层3为完全配比的Ta2O5，其中，x为O：Ta的原子数比，1≤x≤2。本实施例中，x=1.5。
本实施例的具有选择特性阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：
1）提供硅片作为衬底5，如图3所示，在衬底5上生长SiO2作为绝缘层，再在该绝缘层上溅射5nm的Ti层作为粘附层6，如图4所示，采用物理气相淀积PVD方法在衬底上淀积Pt，厚度为200nm，并采用标准光刻技术使底电极4的图形，如图5所示；
2）利用电子束光刻，在底电极上形成光刻胶图形，利用反应磁控溅射技术生长20nm厚度的氧化层，通过控制氩氧比，氩与氧的摩尔数比为3.5:2，形成缺氧的非完全配比的TaOx第二氧化层3，如图6所示；
3）利用反应磁控溅射技术生长15nm厚度的氧化层，通过增加氧成分，氩与氧的摩尔数比为1:1，最后在表面进行短时间的快速热退火，形成完全配比的Ta2O5第一氧化层2，如图7所示；
4）通过光刻，RIE刻蚀定义底电极的引出通孔，如图8所示；
5）采用PVD方法淀积Pt，厚度为200nm，通过常规工艺的光刻、剥离定义顶电极1，同时将底电极引出，如图9所示。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种具有选择特性阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器包括：顶电极(1)、底电极(4)以及在二者之间的功能层；其中，功能层包括第一氧化层(2)和第二氧化层(3)；所述第一氧化层(2)为靠近顶电极的完全配比的氧化层；所述第二氧化层(3)为靠近底电极的非完全配比的氧化层；功能层采用氧化钽，靠近顶电极的第一氧化层(2)氧组分充足，形成完全配比的Ta2O5氧化层，靠近底电极的第二氧化层(3)氧组分不足，形成非完全配比的TaOx氧化层；其中x为氧与钽的原子数比；在顶电极与完全配比的氧化层之间势垒提高，电子只能靠肖特基发射实现导电，具有选择特性。
2.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述氧与钽的原子数比x的范围在1～2之间。
3.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述顶电极(1)和底电极(4)分别采用铂Pt。
4.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述顶电极(1)的厚度在170nm～200nm之间；所述底电极(4)的厚度在170nm～200nm之间。
5.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述第一氧化层的厚度在15nm～20nm之间；所述第二氧化层的厚度在15nm～20nm之间。
6.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器的尺寸在2μm×2μm～10μm×10μm之间。
7.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器制备在衬底(5)上，衬底采用硅，并且在底电极(4)与衬底之间具有绝缘层。
8.一种权利要求1所述的具有选择特性阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用物理气相淀积方法PVD在衬底上淀积金属材料，厚度在170nm～200nm之间，并采用标准光刻技术使底电极图形化，剥离定义底电极；
2)利用电子束光刻，在底电极上形成光刻胶图形，利用反应磁控溅射技术生长15nm～20nm厚度的氧化层，通过控制氩氧比，形成缺氧的非完全配比的第二氧化层；
3)利用反应磁控溅射技术生长15nm～20nm厚度的氧化层，通过增加氧成分，最后在表面进行短时间的快速热退火，形成完全配比的第一氧化层；
4)通过光刻，反应离子刻蚀RIE刻蚀定义底电极的引出通孔；
5)采用PVD淀积金属材料，厚度在170nm～200nm之间，通过光刻、剥离定义顶电极，同时将底电极引出。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，氩与氧的摩尔数比在2:1～3:2 之间。
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