阻變式存儲(chǔ)器單元及其制造方法和阻變式存儲(chǔ)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域中的阻變式存儲(chǔ)器單元及其制造方法和阻變式存儲(chǔ)器。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如阻變式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM,Resistive Random Access Memory)的阻變式存儲(chǔ)器是一種可顯著提高耐久性和數(shù)據(jù)傳輸速度的可擦寫內(nèi)存技術(shù)。RRAM根據(jù)施加在金屬氧化物上的電壓的不同，使材料的電阻在高阻態(tài)和低阻態(tài)間發(fā)生相應(yīng)變化，從而開啟或阻斷電流流動(dòng)通道，并利用這種性質(zhì)儲(chǔ)存各種信息。
[0003]相關(guān)技術(shù)提出了一種阻變式存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成阻變式存儲(chǔ)器的每個(gè)存儲(chǔ)器單元能夠存儲(chǔ)I比特的數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲(chǔ)器單元在上電極和下電極之間具有一個(gè)大的導(dǎo)電橋，該導(dǎo)電橋形成導(dǎo)電路徑，使得能夠在導(dǎo)通狀態(tài)和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換存儲(chǔ)器單
J Li ο
[0004]與自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移矩磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(spin-transfer torque magnetresistance RAM)相比，雖然RRAM具有與STT-MRAM相似的保持力和讀取時(shí)間，但是在RRAM中一個(gè)大的導(dǎo)電橋的存在，使得RRAM的編程電流和編程時(shí)間高于STT-MRAM的編程電流和編程時(shí)間。例如，RRAM通常具有約1E-4A的編程電流和約50ns的編程時(shí)間，而STT-MRAM卻通常具有約1E-5A的編程電流和約1ns的編程時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在問題，并因此針對(duì)所述問題中的至少一個(gè)問題提出了一種新的技術(shù)方案。
[0006]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種阻變式存儲(chǔ)器單元及其制造方法和阻變式存儲(chǔ)器的技術(shù)方案。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種阻變式存儲(chǔ)器單元，包括:下電極；上電極；以及介于上電極和下電極之間的多層重復(fù)結(jié)構(gòu)，每層重復(fù)結(jié)構(gòu)包括層疊的由高介電材料形成的高介電材料層和由所述高介電材料包含的金屬形成的金屬層。
[0008]優(yōu)選地，介于上電極和下電極之間的所述多層重復(fù)結(jié)構(gòu)可以至少為三層。
[0009]優(yōu)選地，所述高介電材料可以具有比二氧化硅的介電常數(shù)大的介電常數(shù)。
[0010]優(yōu)選地，所述金屬可以選自包含稀土元素、Hf、Rh、Ba和Al中的至少一個(gè)的組，所述高介電材料可以為所述金屬的氧化物。
[0011]優(yōu)選地，所述金屬可以為Hf，所述可以高介電材料為Hf02。或者，所述金屬可以為Ti，所述高介電材料可以為Ti02?；蛘?，所述金屬可以為Al，所述高介電材料可以為A1203。或者，所述金屬可以為L(zhǎng)a，所述高介電材料可以為L(zhǎng)a203。
[0012]優(yōu)選地，所述上電極和所述下電極中的每一個(gè)為TiN、TaN、Cu或Al。
[0013]優(yōu)選地，每層重復(fù)結(jié)構(gòu)中的高介電材料層和金屬層的厚度可以均小于5nm。
[0014]優(yōu)選地，每層重復(fù)結(jié)構(gòu)中的高介電材料層和金屬層的厚度可以均小于3nm。
[0015]優(yōu)選地，每層重復(fù)結(jié)構(gòu)中的高介電材料層的厚度可以為lnm，每層重復(fù)結(jié)構(gòu)中的金屬層的厚度可以為2nm。
[0016]優(yōu)選地，阻變式存儲(chǔ)器單元還可以包括:介于上電極和下電極之間的與上電極和下電極之一接觸的附加金屬層，所述附加金屬層由所述金屬形成，所述附加金屬層的與上電極和下電極之一接觸的表面相對(duì)的表面與最靠近所述上電極和下電極之一的重復(fù)結(jié)構(gòu)中的高介電材料層接觸。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造阻變式存儲(chǔ)器單元的方法，包括:在基板上沉積下電極；在下電極上依次沉積由高介電材料形成的高介電材料層和由所述高介電材料包含的金屬形成的金屬層中的一個(gè)以及高介電材料層和金屬層中的另一個(gè)；在最后沉積的高介電材料層和金屬層中的所述另一個(gè)上，重復(fù)多次高介電材料層和金屬層中的所述一個(gè)以及高介電材料層和金屬層中的所述另一個(gè)的依次沉積；以及在最后沉積的高介電材料層和金屬層中的所述另一個(gè)上沉積上電極。
[0018]優(yōu)選地，可以通過原子層沉積技術(shù)或物理氣相沉積技術(shù)依次沉積高介電材料層和金屬層中的所述一個(gè)以及高介電材料層和金屬層中的所述另一個(gè)。
[0019]優(yōu)選地,依次沉積高介電材料層和金屬層中的所述一個(gè)以及高介電材料層和金屬層中的所述另一個(gè)的次數(shù)至少可以為三次。
[0020]優(yōu)選地，所述高介電材料可以具有比二氧化硅的介電常數(shù)大的介電常數(shù)。
[0021]優(yōu)選地，所述金屬可以選自包含稀土元素、Hf、Rh、Ba和Al中的至少一個(gè)的組，所述高介電材料可以為所述金屬的氧化物。
[0022]優(yōu)選地，所述金屬可以為Hf，所述可以高介電材料為Hf02?；蛘?，所述金屬可以為Ti，所述高介電材料可以為Ti02。或者，所述金屬可以為Al，所述高介電材料可以為A1203?；蛘?，所述金屬可以為L(zhǎng)a，所述高介電材料可以為L(zhǎng)a203。優(yōu)選地，每個(gè)高介電材料層和每個(gè)金屬層的厚度可以均小于5nm。
[0023]優(yōu)選地，每個(gè)高介電材料層和每個(gè)金屬層的厚度可以均小于3nm。
[0024]優(yōu)選地，在高介電材料層和金屬層中的所述一個(gè)是金屬層、并且高介電材料層和金屬層中的所述另一個(gè)是高介電材料層的情況下，在重復(fù)多次所述依次沉積之后，可以在最后沉積的高介電材料層上沉積金屬層，然后在該金屬層上沉積上電極。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種阻變式存儲(chǔ)器，包括多個(gè)上述的阻變式存儲(chǔ)器單元。
[0026]本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，能夠減小阻變式電阻器的編程電流并縮短阻變式電阻器的編程時(shí)間。具體而言，根據(jù)上述技術(shù)方案，由于在上電極和下電極之間存在多層重復(fù)結(jié)構(gòu)，因此可以在上電極和下電極之間形成具有原子順序變化的非常小的導(dǎo)電路徑，從而能夠更快地在導(dǎo)通狀態(tài)和非導(dǎo)通狀態(tài)之間對(duì)阻變式存儲(chǔ)器單元進(jìn)行切換。因此，能夠減小編程電流并縮短編程時(shí)間。
[0027]通過以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征及其優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚。
【附圖說明】
[0028]構(gòu)成說明書的一部分的附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施例，并且連同說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0029]參照附圖，根據(jù)下面的詳細(xì)描述，可以更加清楚地理解本發(fā)明，其中:
[0030]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的阻變式存儲(chǔ)器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一阻變式存儲(chǔ)器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造阻變式存儲(chǔ)器單元的方法的流程圖。
[0033]圖4A至4D是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖3所示的方法的各步驟對(duì)應(yīng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]現(xiàn)在將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。應(yīng)注意到:除非另外具體說明，否則在這些實(shí)施例中闡述的部件和步驟的相對(duì)布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。
[0035]同時(shí)，應(yīng)當(dāng)明白，為了便于描述，附圖中所示出的各個(gè)部分的尺寸并不是按照實(shí)際的比例關(guān)系繪制的。
[0036]以下對(duì)至少一個(gè)示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說明性的，決不作為對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制。
[0037]對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為授權(quán)說明書的一部分。
[0038]在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實(shí)施例的其它示例可以具有不同的值。
[0039]應(yīng)注意到:相似的標(biāo)號(hào)和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步討論。
[0040]首先參考圖1描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的阻變式存儲(chǔ)器單元100的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]阻變式存儲(chǔ)器由多個(gè)阻變式存儲(chǔ)器單元100構(gòu)成，每個(gè)阻變式存儲(chǔ)器單元100可以存儲(chǔ)一個(gè)比特。
[0042]阻變式存儲(chǔ)器單元100包含上電極110和下電極120。通過在上電極110和下電極120之間施加電壓，可以開啟或阻斷電流流動(dòng)通道，從而存儲(chǔ)相應(yīng)的比特在阻變式存儲(chǔ)器單元100中。
[0043]上電極110和下電極120可以由TiN、TaN、Cu、Al等形成。
[0044]在上電極110和下電極120之間存在多層重復(fù)結(jié)構(gòu)130。雖然在圖1中示出了四層重復(fù)結(jié)構(gòu)130，但是重復(fù)結(jié)構(gòu)130的層數(shù)不限于4層。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，重復(fù)結(jié)構(gòu)的數(shù)量可以不少于3層。
[0045]各層重復(fù)結(jié)構(gòu)130具有相同的配置，下面以四層重復(fù)結(jié)構(gòu)130中的任一層為例進(jìn)行以下描述。
[0046]重復(fù)結(jié)構(gòu)130包含層疊的由高介電材料形成的高介電材料層133和由高介電材料包含的金屬形成的金屬層136。雖然在圖1中重復(fù)結(jié)構(gòu)130在靠近上電極110的一側(cè)為金屬層136而在靠近下電極120的一側(cè)為高介電材料133，但是重復(fù)結(jié)構(gòu)130也可以在靠近上電極110的一側(cè)為高介電材料133而在靠近下電極120的一側(cè)為金屬層136。
[0047]高介電材料可以是包含金屬元素(也可以被稱為是包含金屬)且具有比二氧化硅的介電常數(shù)大的介電常數(shù)的材料
[0048]高介電材料可以是稀土元素中的任一個(gè)、Hf、Rh、Ba、Al等與氧元素結(jié)合產(chǎn)生的氧化物。例如，高介電材料可以是Hf02、T12, La2O3^Al2O3等，可以被用作氧化劑。
[0049]形成金屬層136的金屬與形成高介電材料層133的高介電材料緊密相關(guān)。該金屬對(duì)應(yīng)于高介電材料包含的金屬兀素，可以被用作還原劑。例如，當(dāng)高介電材料是HfO2時(shí),金屬是Hf，當(dāng)高介電材料是T12時(shí)，金屬是Ti。
[0050]為了形成較小的導(dǎo)電路徑，高介電材料層133和金屬層136的厚度可以均小于5nm。優(yōu)選地,高介電材料層133和金屬層136的厚度可以均小于3nm。高介電材料層133和金屬層136的厚度可以相同，也可以不同。例如，高介電材料層(例如HfO2層)133的厚度可以為Inm,金屬層(例如Hf層)136的厚度可以為2nm。這樣，
[0051]通過在上電極110和下電極120之間布置多個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)130，可以在一條線上連接多個(gè)小的導(dǎo)電路徑，從而能夠更快速地在導(dǎo)通狀態(tài)和非導(dǎo)通狀態(tài)之間進(jìn)行切換，使得編程電流減小，編程時(shí)間縮短。
[0052]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的阻變式存儲(chǔ)器單元200的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0053]阻變式存儲(chǔ)器單元200的上電極210、下電極220、重復(fù)結(jié)構(gòu)230、高介電材料層233和金屬層236分別與阻變式存儲(chǔ)器單元100的上電極110、下電極120、重復(fù)結(jié)構(gòu)130、高介電材料層133和金屬層136基本上相同。因此，為避免重復(fù)，在此不再贅述。
[0054]在圖2中，阻變式存儲(chǔ)器單元200還包括附加金屬層240。形成附加金屬層240的金屬可以與形成金屬層233的金屬相同。附加金屬層240的一個(gè)表面與下表面220接觸，附加金屬層240的另一個(gè)表面與最接近下表面220的重復(fù)結(jié)構(gòu)230中的高介電材料233接觸。
[0055]可替