專利名稱：一種阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于CMOS超大規(guī)模集成電路(ULSI)中的非揮發(fā)存儲(chǔ)器(Nonvolatilememory)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有抑制漏電特性的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
固態(tài)存儲(chǔ)器件在現(xiàn)代信息社會(huì)中扮演著非常重要的角色，我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娮赢a(chǎn)品中大都有它的存在?，F(xiàn)有的存儲(chǔ)器主要為DRAM和FLASH，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的不斷發(fā)展，器件尺寸不斷地縮小，存儲(chǔ)器將會(huì)縮小到它的物理極限，特別是進(jìn)入到22nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以后，已不能滿足存儲(chǔ)發(fā)展的需求。阻變存儲(chǔ)器(RRAM)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可高密度集成、制備溫度低、與CMOS后端兼容、高速度操作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)而成為下一代存儲(chǔ)器強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)著。對(duì)于RRAM的高密度存儲(chǔ)，人們傾向于使用交叉陣列結(jié)構(gòu)集成，以使得阻變存儲(chǔ)器的超高密·度三維存儲(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)。傳統(tǒng)的交叉陣列結(jié)構(gòu)如圖I所示，是由M個(gè)相互平行的下電極13 (位線)和N個(gè)相互平行的上電極11 (字線)垂直交叉而形成，每個(gè)相互交叉處都是一個(gè)RRAM存儲(chǔ)單元12。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中RRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖，包括金屬上電極21、阻變材料22和金屬下電極23。其工作原理為初始狀態(tài)下，阻變材料呈高阻態(tài)。當(dāng)兩極板之間打到一定電壓時(shí)，極板之間的電流急劇增大，阻變材料變?yōu)榈妥?，此時(shí)的電壓稱為Vset。當(dāng)所加電壓為某一值后，兩極板之間的電流又急劇變小，此時(shí)的電壓稱為Vreset。其存儲(chǔ)信息的2個(gè)狀態(tài)為高阻(“O”)和低阻(“I”)。因?yàn)槠骷柚底x取主要靠的是加相同電壓讀出流經(jīng)該器件的電流大小來確定器件是處于高阻還是低阻值狀態(tài)。假如十字交叉陣列中的一個(gè)器件處于高阻值狀態(tài)且它周圍的器件處于低阻狀態(tài)時(shí)，對(duì)這個(gè)高阻值器件阻值的正確讀取就會(huì)造成影響。這是由于對(duì)高阻器件進(jìn)行讀取時(shí)，所加電壓會(huì)繞過這個(gè)高阻在低阻值器件上形成Sneak電流，此低阻器件上的Sneak電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流過高阻器件上的電流，此時(shí)，讀取電阻上的讀取電流實(shí)際為它周圍低阻值器件的Sneak電流，因此，會(huì)把高阻值電阻器件判斷為低阻值電阻器件，會(huì)造成器件的誤讀和和誤操作。該陣列中的Sneak電流限制了該架構(gòu)陣列集成密度的進(jìn)一步提高；并且該電流不僅會(huì)造成陣列中器件阻態(tài)的誤讀，而且會(huì)增加陣列整體的功耗。目前，為了解決這個(gè)問題，人們提出利用IDlR(I個(gè)二極管加一個(gè)RRAM)結(jié)構(gòu)來抑制Sneak電流的產(chǎn)生。二極管主要分為硅基二極管和金屬氧化物基二極管。但是硅基二極管制備溫度高，金屬氧化物二極管容易轉(zhuǎn)變?yōu)镽RAM而失去其整流特性。此外，二極管的驅(qū)動(dòng)電流較低，滿足不了 RRAM器件的使用需求，因此有必要提出一種新的結(jié)構(gòu)來抑制Sneak電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述問題，提出一種具有抑制漏電特性的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，可以抑制大規(guī)模RRAM十字交叉陣列中的Sneak電流。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種阻變存儲(chǔ)單元，包括依次疊加的下電極、第一半導(dǎo)體型氧化物層、阻變材料層、第二半導(dǎo)體型氧化物層和上電極。所述半導(dǎo)體型氧化物可以是半導(dǎo)體型金屬氧化物，例如氧化鈦(TiOx)、氧化鎳(NiOx)，也可以是半導(dǎo)體型非金屬氧化物。所述阻變材料層是具有阻變特性的過渡金屬氧化物、鈣鈦礦氧化物、稀有金屬氧化物或者鐵磁材料等。 所述電極是金屬電極或者多晶硅電極，例如，上電極選擇為氮化鈦(TiN)，下電極選擇為鉬(Pt)。一種阻變存儲(chǔ)器，包括多個(gè)如上所述的阻變存儲(chǔ)單元。 一種阻變存儲(chǔ)單元的制備方法，其步驟包括I)制備襯底；2)在所述襯底表面淀積金屬下電極；3)在所述下電極上淀積第一半導(dǎo)體型氧化物層；4)在所述第一半導(dǎo)體型氧化物層上淀積阻變材料層，并進(jìn)行退火處理；5)在所述阻變材料層上淀積第二半導(dǎo)體型氧化物層；6)在所述第二半導(dǎo)體型氧化物層上淀積金屬上電極。優(yōu)選地，步驟2)和步驟6)采用磁控濺射方法進(jìn)行所述淀積；步驟3)至步驟5)使用反應(yīng)濺射方法進(jìn)行所述淀積。本發(fā)明提出的RRAM結(jié)構(gòu)與平板電容結(jié)構(gòu)一致，分別在阻變材料和上電極和下電極之間增加了一層半導(dǎo)體型氧化物，通過在半導(dǎo)體型氧化物和金屬電極間形成的肖特基勢(shì)壘可以有效降低Sneak電流。本發(fā)明的RRAM結(jié)構(gòu)其制作工藝容易實(shí)現(xiàn)，可以采用下電極與上電極形成垂直交叉(cross-bar)的結(jié)構(gòu),每個(gè)頂電極與底電極的交叉處形成RRAM存儲(chǔ)單元，可實(shí)現(xiàn)器件的高集成度。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)中RRAM十字交叉陣列結(jié)構(gòu)的示意圖，其中11.字線；12. RRAM單元；13.位線。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中RRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其中21.金屬上電極；22.阻變材料層；23.金屬下電極。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中RRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其中31.金屬上電極；32.第一半導(dǎo)體型金屬氧化物層；33.阻變材料；34.第二半導(dǎo)體金屬氧化物；35.金屬下電極。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例，并配合附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。圖3為本實(shí)施例中阻變存儲(chǔ)器的RRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖，該RRAM存儲(chǔ)單元包括金屬上電極31 ;半導(dǎo)體型金屬氧化物32 ;阻變材料33 ;半導(dǎo)體金屬氧化物34 ;金屬下電極35。由于半導(dǎo)體型金屬氧化物為半導(dǎo)體型，在金屬上電極31與半導(dǎo)體金屬氧化物32之間以及半導(dǎo)體金屬氧化物34與金屬下電極35之間會(huì)形成肖特基勢(shì)壘。當(dāng)RRAM器件處于低阻時(shí)，由于肖特基勢(shì)壘的存在，使得在較小的電壓下流過的器件電流變小，因此有效減小了 Sneak電流的產(chǎn)生。下面具體說明上述RRAM存儲(chǔ)單元的制備過程。該RRAM存儲(chǔ)單元以TaOx作為阻變材料，其器件結(jié)構(gòu)為(TiN/TiOx/TaOx/TiOx/Pt)I.襯底制備使用Si (100)襯底，上面通過氧化生長(zhǎng)一層厚約1000埃的Si02。2.制備下電極在鋸齒狀襯底表面旋涂一定厚度的光刻膠，曝光定義下電極結(jié)構(gòu)圖形。顯影后用磁控派射淀積金屬下電極Pt (35),電極厚度為100-200nm。然后剝離形成鉬金屬電極。3.淀積第一半導(dǎo)體型金屬氧化物層下電極完成后，接著在使用反應(yīng)濺射在Si02薄膜上淀積TiOx (34)，厚度為5nm-10nm。
4.淀積阻變材料Ti0x (34)完成后，接著在使用反應(yīng)濺射在其上淀積阻變材料TaOx (33)，阻變材料厚度為10-60nm，然后在400°C，氧氣氣氛中退火lh。5.淀積第二半導(dǎo)體型金屬氧化物層=TaOx (33)完成后，接著在使用反應(yīng)濺射在其上淀積TiOx (32)，厚度為5nm-10nm。6.淀積上電極在TiOx (32)上旋涂光刻膠，曝光定義中間電極結(jié)構(gòu)圖形。顯影后使用磁控濺射設(shè)備淀積金屬上電極電極TiN (31)，電極厚度為100nm-200nm。用丙酮去除光刻膠。然后剝離形成TiN金屬電極。上述實(shí)施例僅是為了便于說明而舉例，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種阻變存儲(chǔ)單元，其特征在于，包括依次疊加的下電極、第一半導(dǎo)體型氧化物層、阻變材料層、第二半導(dǎo)體型氧化物層和上電極。
2.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲(chǔ)單元，其特征在于所述半導(dǎo)體型氧化物是半導(dǎo)體型金屬氧化物或者半導(dǎo)體型非金屬氧化物。
3.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲(chǔ)單元，其特征在于所述阻變材料層是具有阻變特性的過渡金屬氧化物、鈣鈦礦氧化物、稀有金屬氧化物或者鐵磁材料。
4.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲(chǔ)單元，其特征在于所述電極是金屬電極或者多晶硅電極。
5.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲(chǔ)單元，其特征在于所述上電極是氮化鈦，下電極是鉬。
6.一種阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，包括多個(gè)如權(quán)利要求I至5任一項(xiàng)所述的阻變存儲(chǔ)單J Li ο
7.一種阻變存儲(chǔ)單元的制備方法，其步驟包括 1)制備襯底； 2)在所述襯底表面淀積金屬下電極； 3)在所述下電極上淀積第一半導(dǎo)體型氧化物層； 4)在所述第一半導(dǎo)體型氧化物層上淀積阻變材料層，并進(jìn)行退火處理； 5)在所述阻變材料層上淀積第二半導(dǎo)體型氧化物層； 6)在所述第二半導(dǎo)體型氧化物層上淀積金屬上電極。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于步驟2)和步驟6)采用磁控濺射方法進(jìn)行所述淀積；步驟3)至步驟5)使用反應(yīng)濺射方法進(jìn)行所述淀積。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述下電極為Pt，其厚度為100-200nm;所述上電極為TiN，其厚度為100nm-200nm ;所述阻變材料為TaOx，其厚度為10_60nm ;所述半導(dǎo)體型氧化物為TiOx，其厚度為5nm-10nm。
10.如權(quán)利要求7或9所述的方法，其特征在于，步驟4)所述退火的工藝為400°C，氧氣氣氛，Ih0
全文摘要
本發(fā)明提出一種具有抑制漏電特性的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，可以抑制大規(guī)模RRAM十字交叉陣列中的Sneak電流。組成該阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元包括依次疊加的下電極、第一半導(dǎo)體型氧化物層、阻變材料層、第二半導(dǎo)體型氧化物層和上電極。半導(dǎo)體型氧化物可以是半導(dǎo)體型金屬氧化物或者半導(dǎo)體型非金屬氧化物。本發(fā)明通過在半導(dǎo)體型氧化物和金屬電極間形成的肖特基勢(shì)壘可以有效降低Sneak電流，并且制作工藝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)器件的高集成度。
文檔編號(hào)H01L27/24GK102903845SQ20121033345
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者黃如, 黃英龍, 蔡一茂, 王陽(yáng)元, 余牧溪 申請(qǐng)人:北京大學(xué)