一種高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及阻變存儲(chǔ)器(RRAM)，具體涉及一種高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，屬于CMOS超大規(guī)模集成電路(ULSI)中的非揮發(fā)存儲(chǔ)器(Nonvolatile memory)的改性及其制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)大容量、高密度、低功耗、低成本、便攜式的存儲(chǔ)器的需求量大大提高。然而，在半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)不斷向前進(jìn)步過(guò)程中，現(xiàn)今的代表非易失性存儲(chǔ)器Flash遇到了不可避免的缺點(diǎn)，比如:操作電壓大、工作速度慢等等。已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的超高存儲(chǔ)密度的要求了。因此，在存儲(chǔ)器材料和技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破，開(kāi)發(fā)新一代的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)尤為迫切。
[0003]新型的非易失性存儲(chǔ)器包括鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)、磁存儲(chǔ)器(MRAM)、相變存儲(chǔ)器(PRAM)和阻變存儲(chǔ)器(RRAM)。其中，阻變存儲(chǔ)器由于具有器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(M-1-M)、制備工藝簡(jiǎn)單、操作電壓低、擦寫(xiě)速度快、多值存儲(chǔ)、與現(xiàn)今的CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)而作為下一代新型非易失性存儲(chǔ)器的最有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。當(dāng)對(duì)阻變存儲(chǔ)器施加適當(dāng)?shù)耐饧与妷汉螅骷娮钑?huì)在高阻態(tài)與低阻態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)信息的‘0’與‘I’的存儲(chǔ)。而器件的開(kāi)關(guān)比(Rhrs/Rlrs)決定了器件的存儲(chǔ)能力，體現(xiàn)了不同信息的存儲(chǔ)狀態(tài)間的區(qū)分程度。
[0004]目前，很多存儲(chǔ)器對(duì)于不同信息的存儲(chǔ)狀態(tài)的區(qū)分不明顯，導(dǎo)致“串?dāng)_”問(wèn)題的存在，嚴(yán)重影響了讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，不利于阻變存儲(chǔ)器在實(shí)際的應(yīng)用。因此，如何解決不同信息的存儲(chǔ)狀態(tài)的區(qū)分度不夠高是目前急需解決的問(wèn)題。
[0005]研究發(fā)現(xiàn)，合理控制三層同質(zhì)結(jié)金屬氧化物的生長(zhǎng)氧分壓可以得到高的開(kāi)關(guān)比的阻變現(xiàn)象，從而有效地解決不同信息存儲(chǔ)狀態(tài)間的區(qū)分度不夠高的問(wèn)題。
[0006]中山大學(xué)的光電材料和技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的W.J.Ma等人研究了Pt/Ti02/BaTi03/Ti02/Pt阻變存儲(chǔ)器，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)中，T12充當(dāng)氧空位的儲(chǔ)蓄者，而B(niǎo)aT13充當(dāng)氧空位供給者，這種三層結(jié)構(gòu)對(duì)于氧空位的濃度和分布有著重大的影響。而在阻變存儲(chǔ)器之中，氧空位一直扮演著核心的角色，調(diào)控好氧空位濃度和分布可以得到比較大的開(kāi)關(guān)比，從而可以提高存儲(chǔ)器對(duì)于不同信息的存儲(chǔ)狀態(tài)的區(qū)別程度。然而，他們的工作主要是集中在異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上，工藝復(fù)雜，并且得到的1-V曲線開(kāi)關(guān)比約為幾十倍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]基于以上問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，通過(guò)將同種金屬氧化物阻變材料薄膜按照不同的氧分壓生長(zhǎng)成三層同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)合理的調(diào)控氧空位的移動(dòng)，從而得到高的開(kāi)關(guān)比，使得不同信息的存儲(chǔ)狀態(tài)間的區(qū)分程度變高，提高了存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)能力。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]—種高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器，自上而下依次包括頂電極、阻變材料層、底電極、粘接層、襯底，其特征是:所述阻變材料層為三層同質(zhì)結(jié)的金屬氧化物構(gòu)成，且該三層同質(zhì)結(jié)金屬氧化物結(jié)構(gòu)的中間層氧空位濃度大于兩邊層。
[0010]所述襯底采用表面熱氧了一層S12的Si片。
[0011 ]所述底電極和頂電極材料為導(dǎo)電金屬或金屬氮化物。
[0012]所述阻變材料層的材料為二元金屬氧化物中的Ti0x、Hf0x、Zr0x、Ni0x、Zn0x、或者
TaOx0
[0013]所述頂電極為直徑200μπι的圓形點(diǎn)電極。
[0014]所述阻變材料層中的中間層的同質(zhì)結(jié)金屬氧化物大于兩邊層的氧空位濃度至少一個(gè)量級(jí)，每個(gè)量級(jí)的倍率為1倍。
[0015]該高開(kāi)關(guān)比的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，包括以下步驟:
[0016]步驟1、在硅片上熱氧生長(zhǎng)絕緣層S12制得襯底；
[0017]步驟2、在步驟I制得的襯底上依次濺射或者蒸發(fā)金屬Ti和Μ，其中Ti是粘結(jié)層，M為底電極；
[0018]步驟3、在底電極M上自下而上依次制備氧空位濃度中間層大于兩邊的三層同質(zhì)結(jié)金屬氧化物，即阻變材料層，然后對(duì)其進(jìn)行原位退火處理；制備方法是通過(guò)脈沖激光沉積法，在同一個(gè)腔體內(nèi)通過(guò)調(diào)控氧分壓依次沉積三層阻變材料；
[0019]步驟4、在阻變材料層上濺射或者電子束蒸發(fā)制備頂電極。
[0020]本發(fā)明通過(guò):
[0021 ] (I)制備工藝與CMOS工藝兼容，并其相較于一般的RRAM而言并未增加新的工藝步驟，操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。
[0022](2)通過(guò)控制三層同質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)氧分壓，從而導(dǎo)致它們的氧空位濃度不同，使氧空位更易發(fā)生移動(dòng)，以得到較高的開(kāi)關(guān)比，從而使得不同信息間的存儲(chǔ)狀態(tài)更好地區(qū)分開(kāi)，進(jìn)而避免串?dāng)_現(xiàn)象。
[0023]綜上所述，本發(fā)明即未加工藝難度，還有效提高了存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)的區(qū)分程度，且避免了串?dāng)_現(xiàn)象。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1本發(fā)明所述的阻變存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)截面示意圖；
[0025]圖2本發(fā)明所述的阻變存儲(chǔ)器的1-V曲線；
[0026]圖3本發(fā)明所述的阻變存儲(chǔ)器的氧空位分布示意圖；
[0027]附圖標(biāo)記:頂電極-1，高氧分壓層-2，低氧分壓層-3，高氧分壓層-4，底電極-5，粘接層 T1-6，S12 層-7，Si 層-8。
具體實(shí)施方案
[0028]下面結(jié)合附圖和T1x阻變存儲(chǔ)器的制備對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0029]本發(fā)明制備的高開(kāi)關(guān)比的阻變存儲(chǔ)器的工藝結(jié)合附圖描述如下:
[0030]I)制備絕緣層。在硅片8上熱氧生長(zhǎng)一層S12作為絕緣層7，如圖1所示；
[0031]2)制備底電極。在絕緣層7上依次濺射金屬Ti和Pt(厚度200nm)，其中Ti作為粘接層，Pt作為底電極；
[0032]3)制備阻變薄膜。通過(guò)脈沖激光沉積制備第一層4T1x，厚度為lOOnm，氧分壓為10Pa，如圖1;緊接著生長(zhǎng)第二層3，厚度為300nm，氧分壓為IPa;最后再長(zhǎng)第三層2，厚度為lOOnm，氧分壓為I OPa;
[0033]4)制備頂電極。使用真空蒸發(fā)制備半徑為200μηι的圓形Au點(diǎn)電極，厚度約為200nm，如圖1所示。
[0034]本發(fā)明直接通過(guò)調(diào)控三層同質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)氧分壓來(lái)得到不同的氧空位濃度分布(中間層濃度大，兩邊層小)，使氧空位更易移動(dòng)，從而得到較大的開(kāi)關(guān)比，這樣可以更好地區(qū)分不同信息的存儲(chǔ)狀態(tài)，進(jìn)而避免“串?dāng)_”現(xiàn)象。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器，自上而下依次包括頂電極、阻變材料層、底電極、粘接層和襯底，其特征在于: 所述阻變材料層為三層同質(zhì)結(jié)的金屬氧化物構(gòu)成，且該三層同質(zhì)結(jié)金屬氧化物結(jié)構(gòu)的中間層氧空位濃度大于兩邊層； 所述襯底采用表面熱氧了一層S12的Si片。2.如權(quán)利要求1所述高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器，其特征在于:所述阻變材料層中的中間層的同質(zhì)結(jié)金屬氧化物大于兩邊層的氧空位濃度至少一個(gè)量級(jí)，每個(gè)量級(jí)的倍率為10倍。3.如權(quán)利要求1所述高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器，其特征在于:所述底電極和頂電極材料為導(dǎo)電金屬或金屬氮化物。4.如權(quán)利要求1所述高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器，其特征在于:所述阻變材料層的材料為二元金屬氧化物中的 Ti0x、Hf0x、Zr0x、Ni0x、Zn0x、或者 TaOx。5.如權(quán)利要求1所述高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器，其特征在于:所述頂電極為直徑200μπι的圓形點(diǎn)電極。6.如權(quán)利要求1所述高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器的制備方法，包括以下步驟: 步驟1、在硅片上熱氧生長(zhǎng)絕緣層S12制得襯底； 步驟2、在步驟I制得的襯底上依次濺射或者蒸發(fā)金屬Ti和Μ，其中Ti是粘結(jié)層，M為底電極； 步驟3、在底電極M上自下而上依次制備氧空位濃度中間層大于兩邊的三層同質(zhì)結(jié)金屬氧化物，即阻變材料層，然后對(duì)其進(jìn)行原位退火處理；制備方法是通過(guò)脈沖激光沉積法，在同一個(gè)腔體內(nèi)通過(guò)調(diào)控氧分壓依次沉積三層阻變材料； 步驟4、在阻變材料層上濺射或者電子束蒸發(fā)制備頂電極。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)屬于CMOS超大規(guī)模集成電路中的非揮發(fā)存儲(chǔ)器的改性及其制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。該高開(kāi)關(guān)比阻變存儲(chǔ)器，自上而下依次包括頂電極、阻變材料層、底電極、粘接層、襯底。阻變材料層為三層同質(zhì)結(jié)的金屬氧化物構(gòu)成，且該三層同質(zhì)結(jié)金屬氧化物結(jié)構(gòu)的中間層氧空位濃度大于兩邊層。襯底采用表面熱氧了一層SiO2的Si襯底。本發(fā)明通過(guò)控制三層同質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)氧分壓，從而導(dǎo)致它們的氧空位濃度不同，能夠是氧空位更易發(fā)生移動(dòng)，以得到較高的開(kāi)關(guān)比，從而使得不同信息間的存儲(chǔ)狀態(tài)更好地區(qū)分開(kāi)，進(jìn)而避免串?dāng)_現(xiàn)象。
【IPC分類(lèi)】H01L45/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105514268
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510957045
【發(fā)明人】羅文博, 張平, 帥垚, 潘忻強(qiáng), 孫翔宇, 吳傳貴, 朱俊, 張萬(wàn)里
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年12月18日