專利名稱：一種改進的NiO基電阻式隨機存儲器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于存儲器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種NiO基電阻式隨機存儲器及其制備方法。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)存儲技術(shù)是當(dāng)前在信息存儲技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點，隨著半導(dǎo)體器件特征 尺寸的進一步縮小，傳統(tǒng)的浮柵晶體管存儲器所存儲的電荷數(shù)量降低，寫入電壓難以下降， 可靠性也在變差，所以開發(fā)新型非揮發(fā)存儲器變得十分重要。近幾年一種基于材料電阻變化的電阻隨機存儲器(RRAM)技術(shù)的研究成為關(guān)注的 焦點。阻變存儲器(RRAM)是利用材料的改性而使存儲器具有不同電阻態(tài)，從而存儲數(shù)據(jù)。 圖1為現(xiàn)有技術(shù)一個阻變存儲器器件的等效電路圖。如圖1所示，存儲器件由晶體管13和 存儲單元14組成，并且晶體管13和存儲單元14被串聯(lián)連接在位線15和源電位12之間， 字線11用于晶體管313的開關(guān)控制。要存取存儲單元14中的儲存的數(shù)據(jù)時，字線11施加 電壓于晶體管313，且開啟晶體管13，同時，位線15施加電壓于存儲單元14，使得一讀取電 流經(jīng)過存儲單元14及晶體管13?；谳敵鲭娏鞯拇笮。瑑Υ嬖诖鎯卧?4中的數(shù)據(jù)得以 被讀取。RRAM的基本存儲單元包括一個金屬一絕緣體一金屬(MIM)結(jié)構(gòu)電阻器。通常的 阻變材料具有高阻和低阻兩種狀態(tài)。圖2是一個典型的阻變存儲器單元的剖面圖，阻變存 儲器的的底部電極108和頂部電極106通常使用Pt和Ti等化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的金屬材料， 置于底部電極108和頂部電極106之間的阻變材料107通常為Ti02、&0、Cu20和SrTi03等 二元或三元金屬氧化物。與當(dāng)前大多數(shù)半導(dǎo)體存儲器的存儲原理相同，阻變存儲器并不依 靠電容式結(jié)構(gòu)中所存儲的電荷量來存儲信息，而是依靠材料本身的電阻率的改變來存儲信 息。由于材料本身的電阻率與材料的尺度無關(guān)，因此理論上阻變存儲器的存儲性能并不會 隨著器件尺寸的縮小而退化。這就決定了阻變存儲器潛在的集成能力遠遠高于當(dāng)前主流的 Flash浮柵存儲器。另一方面，阻變存儲器的器件結(jié)構(gòu)簡單，可以非常容易地實現(xiàn)與現(xiàn)有的 CMOS生產(chǎn)工藝的集成。在眾多的具有阻變特性的材料中，NiO材料的RRAM器件，因其具有組分簡單等優(yōu) 點，成為眾多材料中的研究熱點，NiO材料的電阻型隨機存儲器也逐步實現(xiàn)大范圍工業(yè)應(yīng) 用。但在應(yīng)用中，工業(yè)領(lǐng)域?qū)iO材料的電阻隨機存儲器的阻值窗口、阻值轉(zhuǎn)變穩(wěn)定性和持 久特性等性能提出更高的要求，NiO材料電阻隨機存儲器的性能增強方法引起了學(xué)術(shù)界和 工業(yè)界的興趣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進的NiO材料電阻隨機存儲器及其制備方法。本發(fā)明提出的電阻隨機存儲器，采用金屬/絕緣體/金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，其中，金屬 為薄膜，作為上、下電極，絕緣體采用Al203/Ni0/Al203納米疊層結(jié)構(gòu)的介質(zhì)薄膜。
其中，上、下電極采用銅、鋁、金、鈦、氮化鈦或者氮化鉭金屬材料。Al203/Ni0/Al203納米疊層結(jié)構(gòu)中，A1203層采用原子層淀積法制備而成，NiO層采用 物理氣相淀積法或者原子層淀積制備而成。介質(zhì)薄膜厚度為2(T60nm，薄膜厚度通過PVD淀積時間和ALD淀積周期來控制。本發(fā)明提出的MIM結(jié)構(gòu)的RRAM的制備方法如下
1)在Si襯底上利用熱氧化或化學(xué)氣相沉積的方法生長Si02介質(zhì)層，用來降低寄生效 應(yīng)和防止Si與下電極形成合金；
2)采用電鍍、蒸發(fā)、濺射的方法制備下電極；下電極可以為Pt/Ti、Au/Ti、TiN或Ru;
3)采用原子層淀積法(ALD)制備A1203介質(zhì)層材料；
4)采用物理氣相淀積法(PVD)或者原子層淀積制備M0介質(zhì)層材料；
5)采用原子層淀積法(ALD)制備A1203介質(zhì)層材料；
6)采用物理氣相淀積法，使用硬質(zhì)掩膜板制備上電極金屬薄膜及接觸點圖形。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
首先，在直流電壓連續(xù)掃描激勵下表現(xiàn)出穩(wěn)定的雙穩(wěn)阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。與采用單一 NiO 材料介質(zhì)層作為絕緣層的電阻隨機存儲器相比，采Al203/Ni0/Al203納米疊層結(jié)構(gòu)的改良式 NiO材料電阻隨機存儲器，在連續(xù)進行重復(fù)擦寫操作中表現(xiàn)出雙穩(wěn)阻態(tài)阻值穩(wěn)定的優(yōu)良特 性，同時雙穩(wěn)阻態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)變的電壓值也穩(wěn)定在相差1 V左右，有效避免了單極性電阻型 存儲器在單一電壓極性下低電壓操作中由于狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓變動范圍發(fā)生交疊帶來的擦寫 失敗。有效的提高了傳統(tǒng)NiO材料電阻型存儲器的穩(wěn)定性和可靠性
其次，采用Al203/Ni0/Al203納米疊層結(jié)構(gòu)的改進的NiO材料電阻隨機存儲器，在低阻態(tài) 限制電流為5mA的情況下，雙穩(wěn)阻態(tài)的阻值窗口達到103以上，高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變的電壓 在1.7V左右，低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變的電壓在0.5V左右，高阻態(tài)最大電流在15mA左右。這 些性能說明該發(fā)明在低功耗新型非揮發(fā)存儲器領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。


圖1為當(dāng)前技術(shù)中的一個相變存儲器器件的等效電路圖。圖2為一個典型的單一阻變材料層的阻變存儲器單元的剖面圖。圖3本發(fā)明電阻隨機存儲器的電流-電壓特性，與所對比的采用單一 NiO材料介 質(zhì)層作為絕緣層的電阻隨機存儲器的電流-電壓特性。圖4本發(fā)明電阻隨機存儲器的存儲單元的器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖5本發(fā)明電阻隨機存儲器與所對比的采用單一 NiO材料介質(zhì)層作為絕緣層的 電阻隨機存儲器的多次重復(fù)擦寫特性。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明
利用熱氧化或化學(xué)氣相沉積的方法將二氧化硅介質(zhì)層110生長在單晶硅100層上，作 為襯底。氧化溫度為1100°c，氧化時間為10分鐘，二氧化硅層厚度為lOOnm-lOOOnm。利用 濺射生長的方法制備下電極金屬薄膜201(本實例中采用Pt)。在下電極金屬薄膜200和二 氧化硅介質(zhì)層110中間利用濺射生長Ti金屬薄膜200作為下電極金屬薄膜的粘附層。在下電極金屬薄膜200上利用原子層淀積法(ALD)制備第一層A1203薄膜310，厚度為2飛nm。 在第一層A1203薄膜上利用物理氣相淀積法(PVD)或原子層淀積法(ALD)(本實例采用物 理氣相淀積法)制備一層NiO薄膜311，厚度為2(T50nm。在NiO薄膜上利用原子層淀積法 (ALD)制備第二層A1203薄膜312，厚度為2 6nm。在第二層A1203薄膜312上，利用物理氣 相淀積法制備上電極薄膜(本實例采用TiN)，使用硬質(zhì)掩膜板形成接觸點圖形，圖形為直徑 為100mnT400 mm的原點。見圖4。圖3為該器件的電流_電壓特性。掃描偏壓加在上電極測試探針和下電極上。電 流-電壓特性測試結(jié)果見圖1。電壓從0V開始掃描時，該器件表現(xiàn)出高阻特性，當(dāng)電壓高于 1.5V時器件突然轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，此時需設(shè)定一個限制電流(本例中為5mA )，以免電流過大 損壞器件。電壓再從0V開始向掃描，至0. 5V時器件電流再次跳變，電阻態(tài)由低阻態(tài)轉(zhuǎn)為高 阻態(tài)，重復(fù)數(shù)次亦然，并且高低阻態(tài)轉(zhuǎn)變的電壓值穩(wěn)定。圖5中給出了本發(fā)明實例和同樣工 藝方法制備的采用單一 M0材料介質(zhì)層作為絕緣層的電阻隨機存儲器重復(fù)進行200次擦寫 操作兩者表現(xiàn)出的阻值變化?？梢钥吹奖景l(fā)明實例的器件在重復(fù)擦寫中表現(xiàn)出優(yōu)良的阻值 穩(wěn)定性。上述實施例只是本發(fā)明的舉例，盡管為說明目的公開了本發(fā)明的最佳實施例和附 圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)， 各種替換、變化和修改都是可能的。因此本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種改進的NiO基電阻式隨機存儲器，其特征在于采用金屬/絕緣體/金屬結(jié)構(gòu)，其 中，金屬為薄膜，作為上、下電極，絕緣體層采用Al203/Ni0/Al203納米疊層結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機存儲器，其特征在于上、下電極采用銅、鋁、金、鈦、氮化 鈦或者氮化鉭金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機存儲器，其特征在于Al203/Ni0/Al203納米疊層結(jié)構(gòu)中， A1A層采用原子層淀積法制備而成，NiO層采用物理氣相淀積法或者原子層淀積制備而 成。
4. 一種如權(quán)利要求1所述的隨機存儲器的制備方法，其特征在于具體步驟包括1)在Si襯底上利用熱氧化或化學(xué)氣相沉積的方法生長Si02介質(zhì)層，用來降低寄生效 應(yīng)和防止Si與下電極形成合金；2)采用電鍍、蒸發(fā)、濺射的方法制備下電極；3)采用原子層淀積法制備A1203介質(zhì)層材料；4)采用物理氣相淀積法或者原子層淀積制備M0介質(zhì)層材料；5)采用原子層淀積法制備A1203介質(zhì)層材料；6)采用物理氣相淀積法，使用硬質(zhì)掩膜板制備上電極金屬薄膜及接觸點圖形。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改進的NiO基電阻式隨機存儲器及其制備方法。該存儲器單元包括襯底和金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)，其頂電極為銅、鋁等可用于互連工藝中的金屬薄膜，阻變絕緣體為Al2O3/NiO/Al2O3三種介質(zhì)的納米疊層結(jié)構(gòu)介質(zhì)薄膜。本發(fā)明中的MIM結(jié)構(gòu)，在直流電壓連續(xù)掃描激勵下，表現(xiàn)出穩(wěn)定的雙電阻態(tài)轉(zhuǎn)變和記憶特性，與只采用NiO一種介質(zhì)的單一介質(zhì)層結(jié)構(gòu)介質(zhì)薄膜的電阻式隨機存儲器存儲單元相比，存儲窗口增大，阻值穩(wěn)定性得到提高。在NiO材料電阻式隨機存儲器的實際應(yīng)用中有良好前景。本發(fā)明還進一步提供了上述存儲單元的制備方法。
文檔編號H01L45/00GK102005536SQ20101050818
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者周鵬, 孫清清, 張衛(wèi), 王鵬飛, 顧晶晶 申請人:復(fù)旦大學(xué)