CN105789433A - 一种阻变存储器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻变存储器及其制作方法。该阻变存储器包括底电极、顶电极以及位于底电极和顶电极之间的Al₂O_3-x阻变存储层，其中0.6＜x＜2.4。其制作方法包括以下步骤：(1)衬底的清洗；(2)采用磁控溅射法在衬底上形成底电极；(3)采用磁控溅射法在底电极上沉积Al₂O_3-x阻变存储层；(4)采用磁控溅射法在Al₂O_3-x阻变存储层上形成顶电极。本发明采用磁控溅射法沉积底电极、顶电极以及阻变存储功能层材料，解决了现有阻变存储器制作成本高的问题，同时该阻变存储器的制作工艺简单，与传统的CMOS工艺兼容性好。

Description

一种阻变存储器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种阻变存储器及其制作方法，属于半导体非易失性存储器技术领域。

背景技术

微电子产业长久以来一直在寻求一种拥有高存储密度、快速编程、低成本、低能耗的非易失性存储器，即使断开电源后数据仍然能够保存。由于拥有较高的存储密度和低的生产成本，Flash存储器仍是现在市场上非易失性存储器的主流产品，然而Flash存储技术本身存在一些致命弱点如编程速度慢、操作电压高、耐久力较差等。此外，伴随着半导体器件的特征尺寸的持续减小，基于电荷存储的传统存储技术将走到物理和技术的极限。铁电存储器和磁存储器也受到器件缩放方面的挑战，其中最主要的原因是在越来越小的器件中很难稳定保持住足够多的电子。

近来，阻变存储器作为一种新型非易失性存储器受到了人们的广泛关注。阻变存储器具有结构简单、编程速度快、操作电压低、能耗小、密度高和可以3D集成等优点，更为重要的是它基于非电荷存储机制。阻变存储器是一种金属一绝缘层一金属结构的器件，它自身的电阻可以在外界电压信号的调制下实现高、低电阻态之间的相互转变。到目前为止，阻变行为在各种材料中被发现，包括金属氧化物材料、固体电解质材料和有机材料。在众多材料中，简单氧化物由于结构简单、稳定性强和与传统CMOS工艺相兼容等优点成为人们研究的热点。

目前阻变存储器多使用成本较高，沉积速度较慢的原子层沉积等方法制作，存在成本高、生产效率低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻变存储器，该阻变存储器结构简单、稳定性强，制作成本低能与目前的CMOS工艺相兼容。

本发明的另一目的在于提供一种所述阻变存储器的制作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种阻变存储器，该阻变存储器包括底电极、顶电极以及位于底电极和顶电极之间的Al₂O_3-x阻变存储层，其中0.6＜x＜2.4。

其中，所述Al₂O_3-x阻变存储层的厚度为18nm-230nm。所述底电极和顶电极的厚度为25nm-350nm。

所述底电极和顶电极为单质金属、合金、或导电的氧化物或氮化物，其中，所述单质金属为Al、Pt、Au、W、Ag、Ti或Ta；所述合金金属为Au-Ni、Al-Ni、Au-Ti；所述导电的氧化物为ITO(氧化铟锡)或IZGO(铟镓锌氧化物)；所述导电的氮化物为AlN或TiN。

一种所述阻变存储器的制作方法，包括以下步骤：(1)衬底的清洗；(2)采用磁控溅射法在衬底上形成底电极；(3)采用磁控溅射法在底电极上沉积Al₂O_3-x阻变存储层；(4)采用磁控溅射法在Al₂O_3-x阻变存储层上形成顶电极。

本发明的优点在于：

本发明基于Al₂O_3-x薄膜的阻变存储器的制作方法简单，成本低，并且与传统的CMOS工艺相兼容。

附图说明

图1为本发明的阻变存储器的基本结构示意图。

图2为本发明的阻变存储器的制作流程图。

图3为本发明实施例1的阻变存储器的电压电流示意图。

图4为本发明实施例1的阻变存储器加电脉冲后的电流电压测试曲线。

图5为本发明实施例1的阻变存储器在室温与85℃下的数据保持能力测试曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，为本发明阻变存储器的制作流程图。具体地，该阻变存储器的制作方法包括以下步骤：

步骤101：衬底清洗

作为衬底，一般由二氧化硅、玻璃、掺杂单晶硅、多晶硅或者其他绝缘材料制成。由于衬底主要起到支撑整个阻变存储器结构的作用，所以清洗过程只需要表明平整无污染即可。

步骤102：在衬底上形成底电极

作为底电极，可以由单质金属材料、金属合金材料和导电金属化合物中的一种或几种制成。例如，底电极可以是单质金属电极Al、Pt、Au、W、Ag、Ti、Ta，也可以是AuNi、AlNi、AuTi等金属合金电极，还可以是ITO、IZGO等导电氧化物电极，同时也可以是AlN、TiN等导电氮化物电极。

采用磁控溅射的物理气相沉积方法来形成底电极，降低成本，与CMOS工艺兼容。

步骤103：在底电极上面形成Al₂O_3-x阻变存储层

利用磁控溅射技术在底电极上面沉积Al₂O_3-x薄膜作为阻变存储功能层材料，沉积前，腔室真空度在5×10^-5Pa；沉积过程中，腔室气压保持在2Pa，氧分压(O：Ar+O)控制在0.1％-5％。在这种条件下沉积的氧化铝薄膜的缺陷含量较高，不需要一个大的激活电压来激活器，能简化外围电路设计。

步骤104：在存储层薄膜上面形成顶电极

作为顶电极，可以由单质金属材料、金属合金材料和导电金属化合物中的一种或几种制成。例如，顶电极可以是单质金属电极Al、Pt、Au、W、Ag、Ti、Ta，也可以是AuNi、AlNi、AuTi等金属合金电极，还可以是ITO、IZGO等导电氧化物电极，同时也可以是AlN、TiN等导电氮化物电极。

如图2所示，本发明的阻变存储器是一种基于Al₂O_3-x薄膜作为存储层薄膜材料的非易失性阻变存储器，包括设置于衬底201上面的底电极202、设置于底电极202上面的Al₂O_3-x阻变存储层203、以及设置于Al₂O_3-x阻变存储层203上面的顶电极204。以上底电极202、Al₂O_3-x阻变存储层203、顶电极204均是通过磁控溅射技术在室温下沉积制成的。

采用磁控溅射的物理气相沉积方法来形成顶电极，降低成本，与CMOS工艺兼容。

实施例1

本实施例为具有Pt/Al₂O_2.2/Pt结构的阻变存储器，其中，Pt作为底电极，Al₂O_2.2薄膜为阻变存储层，Pt作为顶电极。其具体制作过程为：(1)采用磁控溅射形成Pt底电极，具体制备条件如下：本底真空2×10^-4Pa，工作气压1pa，溅射功率60W，工作气体为Ar气，沉积时间为5min，所形成的Pt底电极薄膜的厚度为100nm；(2)通过反应磁控溅射形成Al₂O_2.2阻变存储层，具体制备条件如下：本底真空1×10^-5Pa，工作气压2pa，溅射功率60W，溅射靶材使用高纯金属铝靶(纯度99.999％)，工作气体为Ar气和O₂气的混合气体，氩气的流量为20sccm，O₂气的流量为4.5sccm，沉积时间为45min，所形成的Al₂O_2.2阻变存储层薄膜的厚度为52nm；(3)采用磁控溅射形成Pt顶电极，具体制备条件如下：本底真空2×10^-4Pa，工作气压1pa，溅射功率60W，工作气体为Ar气，沉积时间为5min，所形成的Pt顶电极薄膜的厚度为100nm。

对本实施例所得具有Pt/Al₂O_2.2/Pt结构的阻变存储器进行一系列性能测试。图3为本实施例的阻变存储器的电压电流示意图，可以看出Pt/Al₂O_2.2/Pt结构的阻变存储器具有双极性阻变存储特性，并且具有μA级工作功率。图4为本实施例的阻变存储器加电脉冲后的电流电压测试曲线，器件高低阻态的转变可在50ns下发生，显示了该器件具有高的转变速度。图5为本实施例的阻变存储器在室温与85℃下的数据保持能力测试，从图中可以看出Pt/Al₂O_2.2/Pt结构的阻变存储器表现出了良好的热稳定性。

本发明的基于Al₂O_3-x薄膜的阻变存储器的制作方法简单，室温下可完成，工艺成本低并且与传统的CMOS工艺相兼容，通过调节沉积过程的氧分压可以获得不需要电激活的阻变存储器件，并且器件工作功耗低，转变速度快，热稳定性好，具有非常好的应用前景。

Claims (7)

1.一种阻变存储器，其特征在于，该阻变存储器包括底电极、顶电极以及位于底电极和顶电极之间的Al₂O_3-x阻变存储层，其中0.6＜x＜2.4。

2.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述Al₂O_3-x阻变存储层的厚度为18nm-230nm。

3.根据权利要求1或2所述的阻变存储器，其特征在于，所述底电极和顶电极的厚度为25nm-350nm。

4.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述底电极为单质金属、合金、或导电的氧化物或氮化物。

5.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述顶电极为单质金属、合金、或导电的氧化物或氮化物。

6.根据权利要求4或5所述的阻变存储器，其特征在于：所述单质金属为Al、Pt、Au、W、Ag、Ti或Ta；所述合金金属为Au-Ni、Al-Ni、Au-Ti；所述导电的氧化物为ITO或IZGO；所述导电的氮化物为AlN或TiN。

7.一种权利要求1-6中任一项所述阻变存储器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)衬底的清洗；(2)采用磁控溅射法在衬底上形成底电极；(3)采用磁控溅射法在底电极上沉积Al₂O_3-x阻变存储层；(4)采用磁控溅射法在Al₂O_3-x阻变存储层上形成顶电极。