專利名稱：基于p/n型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變存儲器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的 阻變存儲器及其制備方法。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)性存儲器是當(dāng)今不斷探究的新型存儲器，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的Flash非揮發(fā)性存儲 器遇到了一系列的問題。其中一個最主要的問題是隨著隧穿氧化層厚度越來越小，電荷的 泄漏變得越來越嚴(yán)重，直接影響Flash存儲器的數(shù)據(jù)保持性能。為了探究新一代的存儲器， 鐵電隨機(jī)存儲器(FeRAM)、磁性隨機(jī)存儲器(MRAM)、相變隨機(jī)存儲器(PcRAM)、阻變存儲器 (RRAM)等相繼被研究，而FeRAM面對的問題是由于工藝上無法降低元件尺寸限制了集成度 的進(jìn)一步的提高；MRAM由于其寫電流較高，導(dǎo)致其器件功耗的增加；PcRAM雖有利于集成度 的提高，但是Reset電流過高，在當(dāng)今低功耗的時代也顯得不足；而RRAM卻由于其操作電壓 低、讀寫速度快、反復(fù)操作耐久性強(qiáng)、存儲密度高、數(shù)據(jù)保持時間長且與CMOS工藝兼容等特 點(diǎn)，被廣泛關(guān)注。常見的RRAM器件都是采用上電極/阻變轉(zhuǎn)換層/下電極構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，而作 為阻變層的材料有兩大類鈣鈦礦氧化物和二元金屬氧化物。由于二元金屬氧化物自身優(yōu) 良的電學(xué)特點(diǎn)，以及對于現(xiàn)有工藝生產(chǎn)線的兼容性，成為RRAM器件中阻變層的研究熱點(diǎn)。 現(xiàn)階段，雖然阻變存儲器仍有很多問題亟需解決材料眾多，不知道哪種材料存儲性能最 為優(yōu)越；進(jìn)一步減小功耗問題仍是作為下一代非揮發(fā)性存儲器的重點(diǎn)；阻變機(jī)制的具體物 理機(jī)制尚不完全明確，有導(dǎo)電細(xì)絲模型，空間電荷限制電流模型，缺陷能級的電荷俘獲與釋 放，肖特基模型，普爾-法蘭克模型等，但是導(dǎo)電細(xì)絲模型已被大多數(shù)的學(xué)者所認(rèn)同。目前， 由于材料眾多，對于具有最優(yōu)電阻轉(zhuǎn)變特性的材料仍在進(jìn)一步的探索，此時，RRAM的探究重 點(diǎn)，關(guān)鍵在于一個能夠改善阻變存儲器特性的新型的器件結(jié)構(gòu)及其制備方法。導(dǎo)電細(xì)絲理論，指的是在阻變轉(zhuǎn)換層內(nèi)產(chǎn)生的導(dǎo)電細(xì)絲的形成和熔斷，根據(jù)不同 的阻變轉(zhuǎn)換層會有不同的傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變機(jī)制。韓國首爾大學(xué)Kyimg Min Kim等人研究表明，對于 P型氧化物NiO薄膜，F(xiàn)orming (器件初次外加電壓，由低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài))過程中，基于 空穴導(dǎo)電機(jī)制，會首先在陽極界面處形成細(xì)絲，并向陰極延伸，逐漸在陰極界面處形成弱接 觸，從而有“錐形”導(dǎo)電細(xì)絲的形成，使得高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)；在Reset過程中由于在阻變 層和金屬界面處的導(dǎo)電細(xì)絲弱接觸，由于接通后所產(chǎn)生的焦耳熱，在陰極界面處的細(xì)絲將 優(yōu)先熔斷，實(shí)現(xiàn)低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)的Reset過程。由于熔斷是在阻變層與陰極金屬界面 處發(fā)生，由于金屬的良好散熱特性，使得Reset需要在較大的焦耳熱下才能使得導(dǎo)電細(xì)絲 的熔斷發(fā)生，要求有高的Reset電流，并且一般Reset電流均在mA量級。同理，對于N型氧 化物TiO2，在Forming過程中，基于電子導(dǎo)電機(jī)制，會首先在陰極界面處形成細(xì)絲，并向陽極 延伸，逐漸在陽極界面處形成弱接觸，而有“錐形”導(dǎo)電細(xì)絲的形成；在Reset過程中，在阻 變層和金屬界面處的導(dǎo)電細(xì)絲弱接觸，在焦耳熱效應(yīng)下，在陽極界面處的細(xì)絲將優(yōu)先熔斷， 實(shí)現(xiàn)Reset過程。同樣由于金屬的良好散熱特性，使得Reset在電流較大的情況下才能實(shí)現(xiàn)低阻向高阻的轉(zhuǎn)變。而RRAM要想真正成為下一代非揮發(fā)存儲器的替代器件，Reset高電 流問題亟需得到解決?，F(xiàn)有的阻變存儲器制備工藝，一般都采用一種極性的氧化物阻變層來實(shí)現(xiàn)高低電 阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。雖然有制備簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是無法避免在Reset過程中，較大電流的問題。為此，針對單極性電阻轉(zhuǎn)變特性中Reset過程的高電流，為了進(jìn)一步降低功耗，減 小Reset時的電流值成為本發(fā)明的內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有RRAM器件的不足，提供一種基于P/N型氧化物 疊層結(jié)構(gòu)的阻變存儲器及其制備方法，通過減小Reset過程中的電流值，增大Vreset與 Vset (阻變過程中由低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài))的間距，減小了外界干擾對RRAM器件Set和 Reset的影響，增加RRAM器件的穩(wěn)定性，進(jìn)一步優(yōu)化RRAM器件的I-V特性及器件的存儲特性。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變存儲器，由下電極、阻變轉(zhuǎn)換層和上電極 構(gòu)成，阻變轉(zhuǎn)換層為改性的PN型氧化物疊層結(jié)構(gòu)，P/N型氧化物疊層厚度< 200nm，摻雜濃 度< 5at. %。一種所述基于P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變存儲器的制備方法，步驟如下1)首先采用常規(guī)方法在襯底基片上制備下電極；2)在下電極上制備N型氧化物阻變轉(zhuǎn)換層；幻在N型氧化物阻變轉(zhuǎn)換層上制備P型氧化物阻變轉(zhuǎn)換層；4)將制備的P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)在惰性氣氛或真空氣氛下退火；5)最后在P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變轉(zhuǎn)換層上采用常規(guī)方法制備上電極并在 上電極上生長一層常規(guī)鈍化層。所述P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的制備方法為直流濺射或射頻濺射，工藝條件為本底真空度< 10_4Pa、襯底溫度為室溫-200°C、工作氣壓為0. 5_2Pa、濺射時間為 1-10!1^11，在&和Ar混合氣體中氧分壓為5% -30%、濺射功率為50-250W。所述P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)在惰性氣氛或真空氣氛下退火的工藝條件退火溫度 為 200-800°C、退火時間為 l-120min。本發(fā)明的技術(shù)分析采用改性P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)，改性P型氧化物阻變層和改 性N型氧化物阻變層的疊加層結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵在于由于空穴、電子導(dǎo)電機(jī)制，使得在!Arming 時會在P型和N型阻變氧化層的界面處形成“縮頸細(xì)絲”而不是在傳統(tǒng)的氧化物阻變層和 金屬電極的界面處；在Reset過程中，由于半導(dǎo)體相對于金屬顯著的保溫效果，在改性P/N 氧化物疊型層界面處的“縮頸細(xì)絲”在較小的電流下就能熔斷。實(shí)現(xiàn)RRAM器件Reset電流 的減小。關(guān)鍵技術(shù)在于對P型和N型氧化物薄膜的制備，通過對不同材料薄膜的改性，形成 不同材料的P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)，或者是對同一材料薄膜的摻雜改性，形成一個具有PN 節(jié)性質(zhì)的P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)P層和N層氧化物薄膜的膜厚(< 200nm)，調(diào) 節(jié)P型和N型氧化物薄膜的摻雜濃度比(< fet. % )，控制阻變轉(zhuǎn)換時在P型和N型氧化 物的中間界面處形成“縮頸細(xì)絲”。
該阻變存儲器的工作特性是1)當(dāng)外加!Arming電壓時，外加正電壓情況下，P型 氧化物層中以空穴導(dǎo)電機(jī)制，由陽極開始形成導(dǎo)電細(xì)絲，而改性N型氧化物薄膜以電子導(dǎo) 電機(jī)制，由陰極開始形成導(dǎo)電細(xì)絲。形成疊層結(jié)構(gòu)以后，會在P/N型氧化物疊層的界面處 形成弱接觸。2)當(dāng)Reset過程時，外加Vreset電壓，由于半導(dǎo)體相比于金屬良好的保溫性 能，在P/N型氧化物疊層的界面處，會在較低的電流下就會熔斷導(dǎo)電細(xì)絲，完成低阻態(tài)到高 阻態(tài)的電阻轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)低Reset電流。本發(fā)明的優(yōu)越性在于采用P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)，克服了由于金屬良好的導(dǎo)熱性 能而導(dǎo)致的高Reset電流，采用P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)，降低了 Reset電流，減小了 RRAM器 件的功耗。


圖1為P/N型氧化物疊型層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例的描述，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)。實(shí)施例1 以改性P型NiO薄膜層作為P型氧化物層，以改性N型TW2作為N型氧化物層， 該阻變存儲器的制備方法，步驟如下1)以 Si/Si02/Ti/Pt 為底電極襯底。2)采用高純Ti靶(99. 99% )，進(jìn)行離子束輔助反應(yīng)濺射，O2 (純度為99. 99% )作 為氧化氣體，用Ar氣(純度為99. 999%)作為工作氣體，本地真空10_5Pa，反應(yīng)壓力0. 5Pa, O2 Ar = 5 45，濺射功率120W，溫度采用室溫，生長25nm厚的TiO2薄膜。然后通過離 子束輔助反應(yīng)濺射，本地真空10_5Pa，反應(yīng)壓力0. 5Pa,Ar為30sCCm，濺射功率為120w，在第 一層TW2薄膜上生長一層5nm的Ta，通過Ta元素自身的擴(kuò)散進(jìn)行摻雜。在Ta薄膜上，同 上述條件，再生長25nm厚度的TiO2薄膜。形成55nm厚度的N型TiO2氧化物薄膜。然后在 真空優(yōu)于4X 10_3Pa，溫度為800°C下，氮?dú)饣蜓鯕鈿夥障聦悠愤M(jìn)行30min的退火處理。3)在N型TiO2薄膜上，采用高純Ni靶(99. 999 ，進(jìn)行離子束輔助反應(yīng)濺射， 本地真空10_5Pa，反應(yīng)壓力0. 5Pa，& Ar = 5 45，濺射功率120W，溫度采用室溫。生長 25nm厚的NiO薄膜。然后通過離子束輔助反應(yīng)濺射，本地真空10_5Pa，反應(yīng)壓力0. 5Pa, Ar 為30sCCm，濺射功率為120w，在第一層NiO薄膜上生長一層5nm的Al，通過Al元素自身的 擴(kuò)散進(jìn)行摻雜。在Al薄膜上，同上述條件，再生長25nm厚度的Ni薄膜。形成55nm厚度的 P型NiO薄膜。得到P型NiO/N型TW2疊層結(jié)構(gòu)。4)采用Pt為上電極，通過半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測得電特性，單極性阻變特性的 Reset 電壓為 0. 5V。實(shí)施例2 以P型NiO薄膜層作為P型氧化物層，以N型ZnO作為N型氧化物層，該阻變存儲 器的制備方法同實(shí)施例1。具體特征為采用直徑IOOmm的SiO陶瓷靶，氧氬比4 9，工 作氣壓為1. 5Pa，襯底溫度400°C，濺射功率為170W，靶距7cm，制備過程由計(jì)算機(jī)監(jiān)控，濺射 速率控制在lOnm/min，濺射5min。在真空優(yōu)于4X KT3I3a溫度為800°C下，氮?dú)饣蜓鯕鈿夥障聦悠愤M(jìn)行30min的退火處理。得到55nm本征N型ZnO薄膜。在N型ZnO薄膜基礎(chǔ)上， 生長工藝步驟同實(shí)施例1，生長一層55nm厚的P型NiO薄膜。得到P型NiO/N型ZnO疊層 結(jié)構(gòu)，形成阻變器件。通過半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測得電特性，單極性阻變特性的Reset電壓為 0. 36V。實(shí)施例3 以P型TiO2薄膜層作為P型氧化物層，以N型TiO2作為N型氧化物層，該阻變存 儲器的制備方法同實(shí)施例1。具體特征為形成55nm厚度的N型TiO2氧化物薄膜。在N型 TiO2氧化物薄膜基礎(chǔ)上。生長一層55nm厚度的P型TiO2氧化物薄膜，通過在摻雜5nm的 三價Al制備。形成P型Ti02/N型TiO2氧化物疊層結(jié)構(gòu)，形成阻變器件。通過半導(dǎo)體參數(shù) 分析儀測得其單極性阻變特性的Reset電壓為0. 6V。
權(quán)利要求
1.一種基于P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變存儲器，其特征在于由下電極、阻變轉(zhuǎn) 換層和上電極構(gòu)成，阻變轉(zhuǎn)換層為改性的PN型氧化物疊層結(jié)構(gòu)，P/N型氧化物疊層厚度 < 200nm，摻雜濃度< 5at. %。
2.一種如權(quán)利要求1所述基于P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變存儲器的制備方法，其特 征在于步驟如下1)首先采用常規(guī)方法在襯底基片上制備下電極；2)在下電極上制備N型氧化物阻變轉(zhuǎn)換層；3)在N型氧化物阻變轉(zhuǎn)換層上制備P型氧化物阻變轉(zhuǎn)換層；4)將制備的P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)在惰性氣氛或真空氣氛下退火；5)最后在P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變轉(zhuǎn)換層上采用常規(guī)方法制備上電極并在上電 極上生長一層常規(guī)鈍化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變存儲器的制備方法，其特征 在于所述P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的制備方法為直流濺射或射頻濺射，工藝條件為本底真 空度< 10_4Pa、襯底溫度為室溫_200°C、工作氣壓為0. 5_2Pa、濺射時間為1_101^11，在仏和 Ar混合氣體中氧分壓為5% _30%、濺射功率為50-250W。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變存儲器的制備方法，其特征 在于所述P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)在惰性氣氛或真空氣氛下退火的工藝條件退火溫度為 200-800°C、退火時間為 l-120min。
全文摘要
一種基于P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)的阻變存儲器，由下電極、阻變轉(zhuǎn)換層和上電極構(gòu)成，阻變轉(zhuǎn)換層為改性的PN型氧化物疊層結(jié)構(gòu)，P/N型氧化物疊層厚度＜200nm，摻雜濃度＜5at.％。本發(fā)明的優(yōu)越性在于采用P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)，克服了由于金屬良好的導(dǎo)熱性能而導(dǎo)致的高Reset電流，采用P/N型氧化物疊層結(jié)構(gòu)，降低了Reset電流，減小了RRAM器件的功耗。
文檔編號H01L45/00GK102130297SQ20101059333
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者宋凱, 張楷亮, 王蘭蘭, 王芳, 趙金石 申請人:天津理工大學(xué)