CN109920908B - 一种具有超薄转变功能层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超薄转变功能层的阻变存储器及其制备方法。该阻变存储器具有类似三明治结构，包括底电极、给氧牺牲氧化层、顶电极以及位于给氧牺牲氧化层和顶电极之间的转变功能层，该转变功能层通过活性金属薄层的自然氧化形成。其制备方法包括：(1)衬底清洗；(2)利用物理气相沉积技术在衬底上沉积底电极；(3)利用物理气相沉积技术在衬底上沉积给氧牺牲氧化层；(4)利用物理气相沉积技术在给氧牺牲氧化层上面沉积活性金属薄层；(5)利用物理气相沉积技术在活性金属层上沉积惰性金属顶电极。本发明利用自然氧化界面层作为阻变存储器的转变功能层来进行阻变数据的存储，避免了界面氧化层对阻变存储器件性能的影响，可靠性高。

Description

一种具有超薄转变功能层的阻变存储器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有超薄转变功能层的阻变存储器及其制备方法，属于半导体非易失性存储器技术领域。
背景技术
近二十年来，人类社会全面进入互联网高速发展的信息时代，集成电路芯片产品已与人们生活的方方面面息息相关。其中，记录信息和存储数据的媒介-半导体存储器，在储存程序、文字、音频、影像等各类数据的应用上具有不可替代的重要地位。传统的平面Flash存储器正面临着追求单片集成密度提高和存储性能优化，与尽可能降低制造成本和减小工艺技术难度的两难压力，为了实现更高集成度、更高操作速度的存储，近年来很多新兴类型的非挥发存储器不断出现，在存储机制、材料选择和器件单元结构上都有根本的革新，并有望取代Flash存储器，其中阻变存储器就是这些新兴类型的非挥发存储器件之一。
阻变存储器本身具有很多优势。首先，其结构非常简单，生产成本低，只需制备类似三明治结构的器件即可实现复杂的功能。其次，阻变功能层材料可以选择与传统CMOS技术相兼容的材料，并通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(MOCVD)或原子层沉积(ALD)等CMOS技术中广泛采用的工艺方法制备。此外，研究显示，阻变器件具有极好按比例缩小能力，在缩小至几个纳米的尺寸时仍展现良好的器件特性。
现有阻变存储器件大多使用活性金属电极与氧化物阻变存储媒介，所以在金属/氧化物界面处不可避免的出现自然氧化层，这层自然氧化层对存储器的性能有着重大的影响。首先，有一类阻变存储器件是基于界面模型的；其次，界面层对基于导电通道通断型的阻变存储器也有较大影响，这是因为导电通道也是在界面处生成；最后，界面氧化层的生成使得具有阻变功能媒介的氧化层从单层氧化物变成了双层氧化物，这就增大了阻变存储器的设计难度，对诸多阻变参数也有较大的影响。
发明内容
鉴于现有阻变存储器存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有超薄转变功能层的阻变存储器，利用自然氧化界面层作为阻变存储器的转变功能层来进行阻变数据的存储，避免界面氧化层对阻变存储器件性能的影响，可靠性高。
本发明的另一目的在于提供一种所述阻变存储器的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有超薄转变功能层的阻变存储器，具有类似三明治结构，包括底电极、给氧牺牲氧化层、顶电极以及位于给氧牺牲氧化层和顶电极之间的转变功能层，该转变功能层通过活性金属薄层的自然氧化形成。
其中，所述给氧牺牲氧化层为稀土氧化物Dy2O3、CeO2等或过渡金属氧化物NiO、HfO2等，所述活性金属为Ti、Ta、Al或Cr。所述给氧牺牲氧化层的厚度低于20nm。
一种所述阻变存储器的制备方法，包括如下步骤：
(1)衬底清洗；
(2)利用物理气相沉积技术在衬底上沉积底电极；
(3)利用物理气相沉积技术在衬底上沉积给氧牺牲氧化层；
(4)利用物理气相沉积技术在给氧牺牲氧化层上面沉积活性金属薄层；
(5)利用物理气相沉积技术在活性金属层上沉积惰性金属顶电极。
其中，所述惰性金属为Au、Pt、W或Ag。
本发明的有益效果为：
本发明的阻变存储器利用自然氧化界面层作为存储功能层来进行阻变数据的存储，这种设计从根本上避免了界面氧化层对阻变存储器件性能的影响，使得获得的阻变存储器件具有更优良的存储特性。
本发明的阻变存储器结构简单，能够进行低温、低成本制备，可以通过目前与CMOS工艺兼容的物理气相沉积技术制备器件，所制备的器件由于没有原生界面层的影响，从而具备更加稳定的器件性能。
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为实施例的Si/SiO2/Pt/DyOx/TiOx/Pt阻变存储器的透射电子显微镜图像。
图4为实施例的Si/SiO2/Pt/DyOx/TiOx/Pt阻变存储器的EDS线扫描数据。
图5为实施例的Si/SiO2/Pt/DyOx/TiOx/Pt阻变存储器的脉冲条件下的读写擦数据。
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，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明的阻变存储器是一种基于类似三明治结构的阻变存储器，包括衬底101，设置于衬底101上面的底电极102，设置于底电极102上面的给氧牺牲氧化层103，以及设置于给氧牺牲氧化层103上面的活性金属层104，活性金属层104上面设置顶电极105。以上底电极102、给氧牺牲氧化层103、活性金属层104和顶电极105均在室温下沉积制成。
如图2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201：衬底清洗。
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。由于所述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面平整无污染。
步骤202：在衬底上形成底电极。
底电极材料为TiN、TaN、Pt、Ru、Al、Au、Ti、W、Cu、Ni、Ta、Ag、Co、Ir、Pd中的一种或者几种的合金。底电极采用物理气相沉积方法来制备，具有成本低，与CMOS工艺兼容的特点。
步骤203：利用物理气相沉积技术在底电极上形成给氧牺牲氧化层。
给氧牺牲氧化层的制备使用物理气相沉积法，在沉积给氧牺牲氧化层的过程中不通入氧气，或者在沉积后在还原性气氛中还原，使给氧牺牲氧化层处于缺氧的状态，厚度低于20nm，从而获得具有低氧含量缺陷态的薄膜，具有较高的导电率。由于制备的给氧牺牲氧化层为低电阻态，可以看成是底电极的组成部分。用作给氧牺牲氧化层的材料可以为多种氧化物，包括稀土氧化物和过渡金属氧化物等。
步骤204：在给氧牺牲氧化层上面形成沉积活性金属薄层。
活性金属薄层可以为Ti、Ta、Al、Cr等，通常其金属氧化物具有较好的阻变性能。
步骤205：在活性金属薄层上沉积顶电极。
顶电极材料为Au、Pt、W、Ag等惰性金属顶电极中的一种或组合合金。
实施例
本实施例为以Si/SiO2为衬底，Pt作为底电极，DyOx作为给氧牺牲氧化层，Ti作为超薄活性金属层，Pt作为顶电极的具有结构为Si/SiO2/Pt/DyOx/TiOx/Pt的阻变存储器，该阻变存储器的透射电子显微镜图像如图3所示。本实施例中，Pt底电极材料采用磁控溅射法形成，具体制备条件如下：本底真空为2×10-4Pa，工作气压衬底为1pa，溅射功率为60W，工作气体为Ar气，沉积时间为5分钟，所形成的Pt底电极薄膜厚度为100nm。DyOx作为给氧牺牲氧化层是通过磁控溅射形成的，具体制备条件如下：本底真空为5×10-5Pa，工作气压衬底为2pa，溅射功率为60W，工作气体为Ar气，沉积时间为30分钟，所形成的DyOx厚度为15nm。Ti超薄活性金属层是通过磁控溅射形成的，具体制备条件如下：本底真空为5×10-5Pa，工作气压衬底为1pa，溅射功率为30W，工作气体为Ar气，沉积时间为30秒钟，所形成的Ti厚度为2nm。Pt顶电极材料采用磁控溅射发形成，具体制备条件如下：本底真空为2×10-4Pa法，工作气压为1pa，溅射功率为60W，工作气体为Ar气，沉积时间为1分钟，所形成的Pt顶电极薄膜厚度为20nm。
图4为本实施例Si/SiO2/Pt/DyOx/TiOx/Pt的阻变存储器的EDS线扫描数据，从数据中可以看出，沉积的2nm厚的Ti金属被氧化成了TiOx，证明了本发明设计的结构是可以实现的。
图5为本实施例Si/SiO2/Pt/DyOx/TiOx/Pt的阻变存储器的脉冲条件下的读写擦数据，从图中可以看出，所制备的阻变存储器具有快的响应速度，好的转变一致性。

Claims (3)

1.一种具有超薄转变功能层的阻变存储器，具有类似三明治结构，其特征在于，包括底电极、给氧牺牲氧化层、顶电极以及位于给氧牺牲氧化层和顶电极之间的转变功能层，该转变功能层通过活性金属薄层的自然氧化形成，厚度为2～10nm；
所述给氧牺牲氧化层为稀土氧化物或过渡金属氧化物，所述活性金属为Ti、Ta、Al或Cr；
给氧牺牲氧化层的制备使用物理气相沉积法，在沉积给氧牺牲氧化层的过程中不通入氧气，或者在沉积后在还原性气氛中还原，使给氧牺牲氧化层处于缺氧的状态，厚度低于20nm。
2.一种权利要求1中所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)衬底清洗；
(2)利用物理气相沉积技术在衬底上沉积底电极；
(3)利用物理气相沉积技术在衬底上沉积给氧牺牲氧化层；
(4)利用物理气相沉积技术在给氧牺牲氧化层上面沉积活性金属薄层；
(5)利用物理气相沉积技术在活性金属层上沉积惰性金属顶电极。
3.根据权利要求2所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述惰性金属为Au、Pt、W或Ag。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101562229A (zh) * 2009-06-02 2009-10-21 北京大学 一种阻变存储器
KR20110081490A (ko) * 2010-01-08 2011-07-14 광주과학기술원 비휘발성 저항 변화 메모리 소자
CN102646790A (zh) * 2011-02-18 2012-08-22 华邦电子股份有限公司 非挥发性存储器
CN103022346A (zh) * 2011-09-27 2013-04-03 华邦电子股份有限公司 电阻式存储器
CN104752609A (zh) * 2013-12-26 2015-07-01 北京有色金属研究总院 一种阻变存储器及其制备方法
JP2015138946A (ja) * 2014-01-24 2015-07-30 マイクロン テクノロジー， インク． 半導体装置の製造方法
US9224947B1 (en) * 2014-09-22 2015-12-29 Winbond Electronics Corp. Resistive RAM and method of manufacturing the same
US10134984B1 (en) * 2014-12-31 2018-11-20 Crossbar, Inc. Two-terminal memory electrode comprising a non-continuous contact surface

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6534784B2 (en) * 2001-05-21 2003-03-18 The Regents Of The University Of Colorado Metal-oxide electron tunneling device for solar energy conversion
KR20120010050A (ko) * 2010-07-23 2012-02-02 삼성전자주식회사 비휘발성 메모리요소 및 이를 포함하는 메모리소자
US8824183B2 (en) * 2010-12-14 2014-09-02 Sandisk 3D Llc Non-volatile memory having 3D array of read/write elements with vertical bit lines and select devices and methods thereof
CN102751437B (zh) * 2012-07-03 2014-11-05 北京有色金属研究总院 一种免电激活的阻变存储器及其制备方法
WO2015167468A1 (en) * 2014-04-29 2015-11-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Resistive memory devices with an oxygen-supplying layer
US9972779B2 (en) * 2015-12-14 2018-05-15 Winbond Electronics Corp. Resistive random access memory

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101562229A (zh) * 2009-06-02 2009-10-21 北京大学 一种阻变存储器
KR20110081490A (ko) * 2010-01-08 2011-07-14 광주과학기술원 비휘발성 저항 변화 메모리 소자
CN102646790A (zh) * 2011-02-18 2012-08-22 华邦电子股份有限公司 非挥发性存储器
CN103022346A (zh) * 2011-09-27 2013-04-03 华邦电子股份有限公司 电阻式存储器
CN104752609A (zh) * 2013-12-26 2015-07-01 北京有色金属研究总院 一种阻变存储器及其制备方法
JP2015138946A (ja) * 2014-01-24 2015-07-30 マイクロン テクノロジー， インク． 半導体装置の製造方法
US9224947B1 (en) * 2014-09-22 2015-12-29 Winbond Electronics Corp. Resistive RAM and method of manufacturing the same
US10134984B1 (en) * 2014-12-31 2018-11-20 Crossbar, Inc. Two-terminal memory electrode comprising a non-continuous contact surface

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