CN109920911B - 阻变存储器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻变存储器的制备方法，包括：提供衬底；在所述衬底的上表面沉积第一金属层；在所述第一金属层的上表面沉积阻变功能层；在所述阻变功能层的上表面沉积具有低迁移率的材料层；在所述具有低迁移率的材料层上制备一个以上通孔；在所述具有低迁移率的材料层的上表面沉积第二金属层。本发明提供的阻变存储器的制备方法，制备出的阻变存储器可以控制导电细丝的大小。由于导电细丝的生长方位、数量以及大小均可以控制，因而能够降低导电细丝生长的随机性，减小所述阻变存储器的电流波动性，从而减小所述阻变存储器的参数波动，提高所述阻变存储器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及存储器技术领域，具体涉及一种阻变存储器的制备方法。
背景技术
阻变存储器(RRAM，Resistive Random Access Memory)作为一种新型非挥发性存储器，其具有结构简单、工作速度快、功耗低以及信息保持稳定等优点，是下一代非挥发性存储器的有力竞争者之一。图1是现有的一种阻变存储器的结构示意图，所述阻变存储器包括由下而上依次层叠设置的第一金属层101、阻变功能层102以及第二金属层103，所述阻变存储器的工作原理为：在正向电场作用下，作为上电极的第二金属层103的阳极易氧化金属被氧化成金属离子，所述金属离子通过所述阻变功能层102向作为下电极的第一金属层101移动，并在下电极处被还原成金属，最终形成连通上电极和下电极的细丝状金属导电桥，使所述阻变存储器处于低阻状态；在反向电场作用下，所述金属导电桥断开，使所述阻变存储器恢复到高阻状态。需要说明的是，这两种电阻状态可以在外加电场的作用下相互转换。
然而，所述阻变存储器中导电细丝的生长和断裂存在着波动性，例如，导电细丝生长过程中细丝的大小和方位，导电细丝断裂过程中细丝断裂程度等都是随机的，这种随机性将引起所述阻变存储器的参数波动，降低所述阻变存储器的可靠性，阻碍所述阻变存储器大规模集成和实际应用。
发明内容
本发明所要解决的是阻变存储器的参数波动性大的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种阻变存储器的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底的上表面沉积第一金属层；
在所述第一金属层的上表面沉积阻变功能层；
在所述阻变功能层的上表面沉积具有低迁移率的材料层；
在所述具有低迁移率的材料层上制备一个以上通孔；
在所述具有低迁移率的材料层的上表面沉积第二金属层。
可选的，所述在所述衬底的上表面沉积第一金属层包括：
通过磁控溅射、离子束溅射或者电子束蒸发在所述衬底的上表面沉积所述第一金属层。
可选的，所述第一金属层为铂材料层或者金材料层，所述第一金属层的厚度为50纳米至100纳米。
可选的，所述在所述第一金属层的上表面沉积阻变功能层包括：
通过原子层沉积法、磁控溅射或者离子束溅射在所述第一金属层的上表面沉积所述阻变功能层。
可选的，所述阻变功能层为氧化钽材料层、二氧化铪材料层、二氧化钛材料层、氧化镍材料层或者二氧化锆材料层，所述阻变功能层的厚度为5纳米至20纳米。
可选的，所述在所述阻变功能层的上表面沉积具有低迁移率的材料层包括：
通过原子层沉积法、磁控溅射或者离子束溅射在所述阻变功能层的上表面沉积所述具有低迁移率的材料层。
可选的，所述具有低迁移率的材料层为氮化硼材料层、有机半导体材料层或者氮化硅材料层，所述具有低迁移率的材料层的厚度为5纳米至10纳米。
可选的，所述在所述具有低迁移率的材料层上制备一个以上通孔包括：
在所述具有低迁移率的材料层的上表面滴加液体腐蚀剂；
采用金属探针对所述液体腐蚀剂施加向下的力，在所述具有低迁移率的材料层上形成所述通孔；
去除所述液体腐蚀剂；
对所述具有低迁移率的材料层的上表面进行清洗；
对所述具有低迁移率的材料层的上表面进行烘干。
可选的，所述在所述具有低迁移率的材料层的上表面沉积第二金属层包括：
通过磁控溅射、离子束溅射或者电子束蒸发在所述具有低迁移率的材料层的上表面沉积所述第二金属层。
可选的，所述第二金属层为铜材料层或者银材料层，所述第二金属层的厚度为50纳米至100纳米。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
采用本发明提供的方法制备出的阻变存储器，通过在阻变功能层和作为下电极的第二金属层之间设置具有低迁移率的材料层，并在所述具有低迁移率的材料层上设置一个以上通孔，该通孔在沉积了活性金属后，可以作为活性金属离子运动的通道。而对于金属上电极-阻变功能层-金属下电极(MIM)结构的阻变存储器，导电细丝的断裂是通过活性金属离子在反向电压作用下发生迁移引起的，即施加的反向电压将使阻变功能层的金属细丝发生断裂。因此，本发明提供的阻变存储器，作为下电极的第二金属层中的活性金属离子可以通过所述通孔向所述阻变功能层扩散，进而形成导电细丝。在将所述通孔的数量设置为一个时，可以控制导电细丝的生长方位；而在将所述通孔的数量设置为两个以上时，可以控制导电细丝的数量。并且，通过设置所述通孔的大小，可以控制导电细丝的大小。由于导电细丝的生长方位、数量以及大小均可以控制，因而能够降低导电细丝生长的随机性，减小所述阻变存储器的电流波动性，从而减小所述阻变存储器的参数波动，提高所述阻变存储器的可靠性。进一步，所述阻变存储器制备简单，不会因为增加了一层具有低迁移率的材料层而使器件的制备变得复杂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为现有的阻变存储器的结构示意图；
图2为本发明实施例的阻变存储器的结构示意图；
图3为现有的阻变存储器的电流-电压特性曲线图；
图4为本发明实施例的阻变存储器的电流-电压特性曲线图；
图5为本发明实施例的阻变存储器的制备方法的流程图；
图6a至图6f为本发明实施例的阻变存储器的制备过程示意图；
图7为本发明实施例在具有低迁移率的材料层上制备通孔的示意图。
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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种阻变存储器，图2是所述阻变存储器的结构示意图。所述阻变存储器包括由上而下依次层叠设置的第一金属层101、阻变功能层102、具有低迁移率的材料层104以及第二金属层103，其中，所述具有低迁移率的材料层104上设置有一个以上通孔105。
具体地，所述第一金属层101作为金属上电极，其可以为铂材料层或者金材料层等。进一步，所述第一金属层101的厚度可以为50纳米至100纳米。
所述阻变功能层102为二元过渡金属氧化物种类材料层，其可以为氧化钽材料层、二氧化铪材料层、二氧化钛材料层、氧化镍材料层或者二氧化锆材料层等。进一步，所述阻变功能层102的厚度为5纳米至20纳米。
所述第二金属层103作为活性金属下电极，其可以为铜材料层或者银材料层等。进一步，所述第二金属层103的厚度为50纳米至100纳米。
迁移率小于1平方厘米/(伏×秒)的材料通常被称为低迁移率材料，在本实施例中，所述具有低迁移率的材料层104可以为迁移率小于1平方厘米/(伏×秒)的材料层，例如，所述具有低迁移率的材料层104可以为氮化硼材料层、有机半导体材料层或者氮化硅材料层等。进一步，所述具有低迁移率的材料层104的厚度可以为5纳米至10纳米。
所述通孔105的数量可以设置为一个，也可以设置为多个。所述通孔105的形状也可根据实际需求进行设置，例如，所述通孔105可以为圆柱状通孔，所述圆柱状通孔的底面直径为5纳米至20纳米；所述通孔105还可以为圆台状通孔，所述圆台状通孔的上底面直径不小于5纳米，所述圆台状通孔的下底面直径不大于20纳米，且所述圆台状通孔的上底面直径小于所述圆台状通孔的下底面直径。
由于金属上电极-阻变功能层-金属下电极(MIM)结构的阻变存储器，导电细丝的断裂是通过活性金属离子在反向电压作用下发生迁移引起的，因此，本实施例提供的阻变存储器，作为下电极的第二金属层103中的活性金属离子可以通过所述通孔105向所述阻变功能层102扩散，进而形成导电细丝。在将所述通孔105的数量设置为一个时，可以控制导电细丝的生长方位；而在将所述通孔105的数量设置为两个以上时，可以控制导电细丝的数量。并且，通过设置所述通孔105的大小，可以控制导电细丝的大小。由于导电细丝的生长方位、数量以及大小均可以控制，因而能够降低导电细丝生长的随机性，减小所述阻变存储器的电流波动性，从而减小所述阻变存储器的参数波动，提高所述阻变存储器的可靠性。进一步，所述阻变存储器制备简单，不会因为增加了一层具有低迁移率的材料层而使器件的制备变得复杂。
为更好地说明本实施例的阻变存储器的效果，发明人对现有的阻变存储器的电流-电压特性和本实施例的阻变存储器的电流-电压特性进行了对比验证。现有的阻变存储器的结构如图1所示，所述第一金属层101为厚度为100纳米的铂金属材料层，所述阻变功能层102为厚度为10纳米的二氧化铪材料层，所述第二金属层103为厚度为100纳米的铜金属材料层；本实施例的阻变存储器的结构如图2所示，所述第一金属层101为厚度为100纳米的铂金属材料层，所述阻变功能层102为厚度为10纳米的二氧化铪材料层，所述第二金属层103为厚度为100纳米的铜金属材料层，所述具有低迁移率的材料层104为厚度为5纳米的碳化硅材料层，所述通孔105为圆台状通孔，所述圆台状通孔的上底面直径为5纳米，所述圆台状通孔的下底面直径为10纳米。在1mA电流作用下进行测试，现有的阻变存储器的电流-电压特性曲线图如图3所示，本实施例的阻变存储器的电流-电压特性曲线图如图4所示。对比图3和图4可知，本实施例的阻变存储器在置位过程中的电流-电压曲线的波动性显著降低。
实施例2
基于同样的发明构思，本实施例提供一种阻变存储器的制备方法。图5是所述阻变存储器的制备方法的流程图，所述阻变存储器的制备方法包括步骤S11至步骤S16。
S11，提供衬底。
在本实施例中，提供图6a所示的玻璃衬底100。
S12，在所述衬底的上表面沉积第一金属层。
如图6b所示，通过磁控溅射、离子束溅射或者电子束蒸发等沉积方式在所述玻璃衬底100的上表面沉积所述第一金属层101。所述第一金属层101作为金属上电极，其可以为铂材料层或者金材料层等。进一步，所述第一金属层101的厚度可以为50纳米至100纳米。
S13，在所述第一金属层的上表面沉积阻变功能层。
如图6c所示，通过原子层沉积法、磁控溅射或者离子束溅射等沉积方式在所述第一金属层101的上表面沉积所述阻变功能层102。所述阻变功能层102为二元过渡金属氧化物种类材料层，其可以为氧化钽材料层、二氧化铪材料层、二氧化钛材料层、氧化镍材料层或者二氧化锆材料层等。进一步，所述阻变功能层102的厚度为5纳米至20纳米。
S14，在所述阻变功能层的上表面沉积具有低迁移率的材料层。
如图6d所示，通过原子层沉积法、磁控溅射或者离子束溅射等沉积方式在所述阻变功能层102的上表面沉积所述具有低迁移率的材料层104。迁移率小于1平方厘米/(伏×秒)的材料通常被称为低迁移率材料，在本实施例中，所述具有低迁移率的材料层104可以为迁移率小于1平方厘米/(伏×秒)的材料层，例如，所述具有低迁移率的材料层104可以为氮化硼材料层、有机半导体材料层或者氮化硅材料层等。进一步，所述具有低迁移率的材料层104的厚度可以为5纳米至10纳米。
S15，在所述具有低迁移率的材料层上制备一个以上通孔。
如图6e所示，所述通孔105的数量可以设置为一个，也可以设置为多个。所述通孔105的形状也可根据实际需求进行设置，例如，所述通孔105可以为圆柱状通孔，所述圆柱状通孔的底面直径为5纳米至20纳米；所述通孔105还可以为圆台状通孔，所述圆台状通孔的上底面直径不小于5纳米，所述圆台状通孔的下底面直径不大于20纳米，且所述圆台状通孔的上底面直径小于所述圆台状通孔的下底面直径。参考图7，以所述通孔105为圆台状通孔为例，所述在所述具有低迁移率的材料层上制备通孔包括：在所述具有低迁移率的材料层104的上表面滴加液体腐蚀剂106，所述液体腐蚀剂106可以为氢氟酸、双氧水以及水的混合溶液，当然，所述液体腐蚀剂106也可以为其他具有腐蚀特效的液体，只要保证能够腐蚀所述具有低迁移率的材料层104即可；采用金属探针107对所述液体腐蚀剂106施加向下的力，在所述具有低迁移率的材料层104上形成所述通孔105，所述金属探针107固定在悬臂梁108上，其可以为金探针或铂金探针等，通过控制所述悬臂梁108向下运动，即可以使所述金属探针107对所述液体腐蚀剂106施加向下的压力，压力大小可根据实际情况进行调节，只要保证不破坏所述具有低迁移率的材料层104的结构即可；所述通孔105形成后，移除所述金属探针107，去除所述液体腐蚀剂106；对所述具有低迁移率的材料层104的上表面进行清洗；对所述具有低迁移率的材料层104的上表面进行烘干。
S16，在所述具有低迁移率的材料层的上表面沉积第二金属层。
如图6f所示，通过磁控溅射、离子束溅射或者电子束蒸发等沉积方式在所述具有低迁移率的材料层104的上表面沉积所述第二金属层103。所述第二金属层103作为活性金属下电极，其可以为铜材料层或者银材料层等。进一步，所述第二金属层103的厚度为50纳米至100纳米。
采用本实施例提供的方法制备出的阻变存储器，作为下电极的第二金属层103中的活性金属离子可以通过所述通孔105向所述阻变功能层102扩散，进而形成导电细丝。在将所述通孔105的数量设置为一个时，可以控制导电细丝的生长方位；而在将所述通孔105的数量设置为两个以上时，可以控制导电细丝的数量。并且，通过设置所述通孔105的大小，可以控制导电细丝的大小。由于导电细丝的生长方位、数量以及大小均可以控制，因而能够降低导电细丝生长的随机性，减小所述阻变存储器的电流波动性，从而减小所述阻变存储器的参数波动，提高所述阻变存储器的可靠性。进一步，所述阻变存储器制备简单，不会因为增加了一层具有低迁移率的材料层而使器件的制备变得复杂。
以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (8)
1.一种阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底的上表面沉积第一金属层；
在所述第一金属层的上表面沉积阻变功能层；
在所述阻变功能层的上表面沉积具有低迁移率的材料层；
在所述具有低迁移率的材料层上制备一个以上通孔；所述通孔为圆台状，且所述圆台状通孔的上底面直径小于所述圆台状通孔的下底面直径；所述在所述具有低迁移率的材料层上制备一个以上通孔包括：
在所述具有低迁移率的材料层的上表面滴加液体腐蚀剂；
采用金属探针对所述液体腐蚀剂施加向下的力，在所述具有低迁移率的材料层上形成所述通孔；
去除所述液体腐蚀剂；
对所述具有低迁移率的材料层的上表面进行清洗；
对所述具有低迁移率的材料层的上表面进行烘干；
在所述具有低迁移率的材料层的上表面沉积第二金属层；
所述在所述具有低迁移率的材料层的上表面沉积第二金属层包括：
通过磁控溅射、离子束溅射或者电子束蒸发在所述具有低迁移率的材料层的上表面沉积所述第二金属层。
2.根据权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底的上表面沉积第一金属层包括：
通过磁控溅射、离子束溅射或者电子束蒸发在所述衬底的上表面沉积所述第一金属层。
3.根据权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述第一金属层为铂材料层或者金材料层，所述第一金属层的厚度为50纳米至100纳米。
4.根据权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述在所述第一金属层的上表面沉积阻变功能层包括：
通过原子层沉积法、磁控溅射或者离子束溅射在所述第一金属层的上表面沉积所述阻变功能层。
5.根据权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述阻变功能层为氧化钽材料层、二氧化铪材料层、二氧化钛材料层、氧化镍材料层或者二氧化锆材料层，所述阻变功能层的厚度为5纳米至20纳米。
6.根据权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述在所述阻变功能层的上表面沉积具有低迁移率的材料层包括：
通过原子层沉积法、磁控溅射或者离子束溅射在所述阻变功能层的上表面沉积所述具有低迁移率的材料层。
7.根据权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述具有低迁移率的材料层为氮化硼材料层、有机半导体材料层或者氮化硅材料层，所述具有低迁移率的材料层的厚度为5纳米至10纳米。
8.根据权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述第二金属层为铜材料层或者银材料层，所述第二金属层的厚度为50纳米至100纳米。
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