專利名稱：基于非化學(xué)劑量比的氮氧硅的雙極阻變存儲器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超大規(guī)模集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非揮發(fā)型阻變存儲器，通 過阻值的改變實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)0和1存儲的目的。
背景技術(shù)：
隨著集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷推進(jìn)，基于傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的FLASH技術(shù)將面臨無法等 比縮小的技術(shù)挑戰(zhàn)?；贛IMWetal-Insulator-Metal)結(jié)構(gòu)的阻變存儲器(RRAM)由于其 結(jié)構(gòu)簡單、易于制備、尺寸小、集成度高、擦寫速度快和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，具有取代傳統(tǒng)存儲器 的潛力，因而備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。與傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的FLASH依靠電荷量來存儲信 息O和1不同，阻變存儲器利用其在不同電致條件下分別出現(xiàn)高阻和低阻來存儲信息“O” 和 “1”。阻變存儲器分為單極阻變存儲器和雙極阻變存儲器。對于單極阻變存儲器，當(dāng)其 處于高阻態(tài)時，施加在其頂電極的直流電壓從OV掃描到開啟電壓v。n時，電阻會發(fā)生突變， 從原來的高阻態(tài)轉(zhuǎn)變到低阻態(tài)。但由于對被測試阻變存儲器施加了限流，所以，該存儲器阻 值處在一個數(shù)值，使得其剛好處在低阻態(tài)同時又不被擊穿。此時，阻變存儲器處在低阻態(tài)， 當(dāng)施加在頂電極的直流電壓從OV掃描到關(guān)閉電壓v。ff時，阻變存儲器的阻值又會發(fā)生突 變，從低阻態(tài)回到高阻態(tài)。對于雙極阻變存儲器，當(dāng)其處于高阻態(tài)時，施加在其頂電極的直 流電壓從OV掃描到開啟電壓￥。 時，電阻會發(fā)生突變，從原來的高阻態(tài)轉(zhuǎn)變到低阻態(tài)。但由 于對被測試阻變存儲器施加了限流，所以，該存儲器阻值處在一個數(shù)值，使得剛好處在低阻 態(tài)同時又不被擊穿。當(dāng)施加在頂電極的直流掃描電壓從OV負(fù)向掃描到關(guān)閉電壓v。ff時，電 阻發(fā)生突變，從低阻態(tài)又回到高阻態(tài)。單極阻變存儲器和雙極阻變存儲器的不同主要在于 關(guān)閉電壓v。ff同開啟電壓v。n的極性不同，單極阻變存儲器開啟電壓和關(guān)閉電壓同為正向或 同為負(fù)向，而雙極阻變存儲器開啟電壓和關(guān)閉電壓極性相反。目前，阻變存儲器的阻變材料層的研究主要集中在NiO、TiO2, A1203、Ta2O5等過渡 金屬氧化物。此類物質(zhì)大體上可以和CMOS工藝兼容，能夠表現(xiàn)出較好的阻變特性，但是，相 對常規(guī)工藝來說，往往需要增加一些工藝步驟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于非化學(xué)劑量比即富含硅的氮氧硅(SiOxNy)阻變材料的雙 極阻變存儲器及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種雙極阻變存儲器，包括頂電極，阻變材料層，底電極和襯底，阻變材料層為硅 的氮氧化物(SiOxNy)，所述SiOxNy的χ、y滿足條件0 < 2x+3y < 4，χ彡0，y彡0，所述底 電極可為Cu、W、Pt或者其它與硅的氮氧化物在< 300°C的溫度下不發(fā)生反應(yīng)的金屬或者其 它導(dǎo)電材料，所述頂電極可為Ti、TiN, Al、AlCu或者其它與硅的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的 金屬或?qū)щ姴牧稀?br> 所述SixOyNz的厚度不超過50nm。一種雙極阻變存儲器的制備方法，其包括如下步驟1)在襯底制備底電極；2)采用PECVD方法，通過調(diào)整N2O和SiH4氣體流量制備SiOxNy薄膜，作為阻變材 料層；或者其它鍍膜方法，如ALD、PVD、M0CVD等制備SiOxNy薄膜；或者制備出Si薄膜，通過 離子注入或者其它摻雜方法摻入0和N元素，制備出SiOxNy薄膜；或者制備出Si3N4，通過離 子注入注入或者其它摻雜方法摻入Si制備出SiNyy < 4/3 ；或者制備出Si3N4，通過離子注 入注入或者其它摻雜方法摻入0制備出SiOxNy薄膜；或者制備出SiO2,通過離子注入或者其 它摻雜方法摻入Si制備出SiOx薄膜，χ < 2 ；或者制備出SiO2,通過離子注入或者其它摻雜 方法摻入N制備出SiOxNy薄膜。3)在上述阻變材料層上制備頂電極。其中，步驟1)或步驟3)中，電極是采用PVD方法或其它IC工藝中的成膜方法制備。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極技術(shù)效果在于本發(fā)明選用了 CMOS工藝兼容的材料制備RRAM，制備過程主要采用了薄膜淀積設(shè) 備，無高溫工藝，和CMOS后端工藝兼容。通過控制硅氮氧化物的成分，使其硅含量相對較 多，引入更多的缺陷，空位，比如氮空位、氧空位等，從而薄膜可以很容易在電場作用下發(fā)生 阻態(tài)轉(zhuǎn)變，并采用活性電極可得到穩(wěn)定的雙極器件。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例阻變存儲器的截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-硅襯底；2-底電極；3-隔離層；4-阻變材料層；5-底電極引出孔；6_頂電極；圖2為本發(fā)明實(shí)施例阻變存儲器的阻變特性圖，其中1-高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變過程，即開啟過程；2-低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變過程，即關(guān)閉 過程。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本發(fā)明阻變存儲器的截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，下面結(jié)合截面結(jié)構(gòu)示意圖闡述 本實(shí)例阻變存儲器的制備過程，1)首先在硅襯底1上采用物理氣相淀積(PVD)方法或其它IC工藝中的成膜方法 制備一層W金屬，并使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)，通過腐蝕、刻蝕或者剝離工藝使底電極圖形化，形 成底電極2。2)利用PECVD或者ALD或者PVD或者M(jìn)OCVD制備隔離層；3)利用PECVD制備出阻變材料層SiOxNy,其中χ = 0. 4，y = 1。3)由光刻、刻蝕定義底電極引出孔；4)同底電極一樣，采用PVD方法或其它IC工藝中的成膜方法制備頂電極TiN制備 工藝和CMOS后端工藝兼容，在制備過程中，沒有采用任何高溫處理。本實(shí)施例制得的阻變存儲器W/SiOxNy/TiN的阻變特性測試結(jié)果如圖2所示。
由圖2可知，隨著施加在頂電極的電壓的改變(底電極接地)，本實(shí)施例阻變存儲 器的阻值在高阻和低阻之間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了存儲“0”和“1”的目的。另由圖2可知，本實(shí)施例 阻變存儲器的開啟電壓約IV左右，關(guān)閉電壓約-0. 8V左右。以上通過詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的硅的氮氧化物阻變存儲器及其制備 方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的 變換、修改和改進(jìn)；不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
一種雙極阻變存儲器，包括頂電極，阻變材料層，底電極和襯底，其特征在于阻變材料層為硅的氮氧化物SiOxNy，所述SiOxNy的x、y滿足條件2x+3y＜4，x≥0，y≥0，所述底電極為Cu、W、Pt，或者其它與硅的氮氧化物在小于300℃的溫度下，不發(fā)生反應(yīng)的金屬或者其它導(dǎo)電材料，所述頂電極為Ti、TiN、Al、AlCu，或者其它與硅的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的金屬或?qū)щ姴牧稀?br> 2.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲器，其特征在于所述SiOxNy的厚度不超過50nm。
3.一種雙極阻變存儲器的制備方法，其包括如下步驟1)在襯底制備底電極，所述底電極為Cu、W、Pt，或者其它與硅的氮氧化物在小于300°C 的溫度下，不發(fā)生反應(yīng)的金屬或者其它導(dǎo)電材料；2)制備出SiOxNy薄膜，所述SiOxNy的χ、y滿足條件0< 2x+3y < 4，χ≥0，y≥0 ；3)在上述阻變材料層上制備頂電極，所述頂電極為Ti、TiN、Al、AlCu，或者其它與硅的 氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的金屬或?qū)щ姴牧稀?br> 4.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于采用PECVD方法，通過調(diào)整N2O和SiH4參數(shù) 制備SiOxNy薄膜。
5.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于采用ALD、PVD、MOCVD等方法制備SiOxNy薄膜。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于首先制備出Si薄膜，通過離子注入或者其它 摻雜方法摻入0和N元素，制備出SiOxNy薄膜。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于首先制備出Si3N4，通過離子注入或者其它摻 雜方法摻入Si，制備出SiNy薄膜，y < 4/3。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于首先制備出Si3N4，通過離子注入或者其它摻 雜方法摻入0制備出SiOxNy薄膜。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于首先制備出SiO2，通過離子注入或者其它摻 雜方法摻入Si，制備出SiOx薄膜，X < 2。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于首先制備出SiO2，通過離子注入或者其它摻 雜方法摻入N，制備出SiOxNy薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于非化學(xué)劑量比即富含硅的氮氧硅(SiOxNy)阻變材料的雙極阻變存儲器及其制備方法，屬于超大規(guī)模集成電路技術(shù)領(lǐng)域。該阻變存儲器包括頂電極，阻變材料層，底電極和襯底，其中，阻變材料層為硅的氮氧化物(SiOxNy)，所述SiOxNy的x、y滿足條件2x+3y＜4，x≥0，y≥0，所述底電極為Cu、W、Pt等金屬或者其它導(dǎo)電材料，所述頂電極為Ti、TiN、Al、AlCu等與硅的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的金屬或?qū)щ姴牧?。本發(fā)明通過控制硅氮氧化物的成分，使其硅含量相對較多，引入更多的缺陷，空位，比如氮空位、氧空位等，從而得到穩(wěn)定的雙極器件。
文檔編號H01L45/00GK101894910SQ20101022339
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者張麗杰, 潘越, 黃如 申請人:北京大學(xué)