專利名稱：一種氧化物電阻存儲(chǔ)器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種氧化物電阻存儲(chǔ)器件及 其制備方法。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)性存儲(chǔ)器具有斷電時(shí)數(shù)據(jù)保持的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前存儲(chǔ)技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。 然而，當(dāng)今的主流非揮發(fā)存儲(chǔ)器-閃存(flash)存在操作電壓高、速度慢、耐久力差等問題。 電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器(ResistanceRandom Access Memory, RRAM)已經(jīng)表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作 速度快，存儲(chǔ)密度高與CMOS工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，是新一代非揮發(fā)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器重要候選 者之一。RRAM的基本存儲(chǔ)單元是一個(gè)金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)電阻器。借由電壓或 電流脈沖，可以使MIM結(jié)構(gòu)的電阻在高低電阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和擦除。RRAM 工作的關(guān)鍵是某些材料的電阻轉(zhuǎn)變和記憶效應(yīng)，在電壓或電流作用下這些材料的電阻可以 發(fā)生可逆的、巨大的改變。許多種氧化物半導(dǎo)體薄膜，比如Ti02、Ni0、Hf02、Cux0等已經(jīng)表現(xiàn)出了電阻轉(zhuǎn)變和 記憶特性。這些材料具有簡(jiǎn)單的二元結(jié)構(gòu)，易于和當(dāng)前傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件制備工藝集成，引 起了人們廣泛的研究興趣。目前的氧化物電阻式存儲(chǔ)器件，已經(jīng)成功演示了工作電壓低于 2伏、數(shù)據(jù)編程/擦除(P/E)速度小于5納秒等優(yōu)異的存儲(chǔ)特性，同時(shí)，RRAM技術(shù)還顯示出 良好的按比例縮小能力和實(shí)現(xiàn)高密度三維集成的潛力。但是氧化物電阻存儲(chǔ)器件在高阻態(tài) 和低阻態(tài)之間的循環(huán)轉(zhuǎn)變時(shí)的阻變穩(wěn)定性、循環(huán)耐久力以及電阻態(tài)的保持特性等性能還不 理想，尚不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。如何提高氧化物電阻存儲(chǔ)器件的循環(huán)耐久性能及數(shù)據(jù) 的保持等可靠性能是電阻存儲(chǔ)器件技術(shù)發(fā)展面臨的難點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提高氧化物電阻存儲(chǔ)器件的循環(huán)耐久性能及數(shù) 據(jù)的保持等可靠性能。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，提供一種氧化物電阻存儲(chǔ)器件，包括襯底，位于所述襯底上 的底電極，位于所述底電極上的氧化物控制層，位于所述氧化物控制層上的氧化物阻變層， 以及位于所述氧化物阻變層上的頂電極。優(yōu)選地，所述襯底選擇材料Si02/Si、Al2O3、硼硅玻璃或石英玻璃。優(yōu)選地，所述頂電極采用薄膜材料鉬/鈦(Pt/Ti)、金/鈦(Au/Ti)、鈦(Ti)、鎢 (W)、鉭(Ta)、TiN, TaN或摻鈮鈦酸鍶中的一種制成。優(yōu)選地，所述底電極采用薄膜材料鉬/鈦(Pt/Ti)、金/鈦(Au/Ti)、鈦(Ti)、鎢 (W)、鉭(Ta)、TiN, TaN或摻鈮鈦酸鍶中的一種制成。優(yōu)選地，氧化物阻變層采用氧化物薄膜材料Hf02、TiO2, NiO, ZrO2, CeO2或Fii2O3以及各種離子如Al3+、La3+和Gd3+離子摻雜的上述氧化物薄膜材料制成。優(yōu)選地，氧化物控制層所采用的氧化物薄膜的氧空位形成能低于所述氧化物阻變 層采用的薄膜材料。本發(fā)明還提供了一種氧化物電阻存儲(chǔ)器件的制備方法，包括步驟Si，選擇襯底材料；S2，在襯底上制備導(dǎo)電薄膜作為底電極；S3，在底電極上制備氧化物控制層薄膜；S4，在氧化物控制層薄膜上制備氧化物阻變層薄膜；S5，在氧化物阻變層薄膜上制備導(dǎo)電薄膜作為頂電極；S6，利用光刻、刻蝕工藝制備氧化物電阻存儲(chǔ)器單元。優(yōu)選地，利用濺射法、原子層沉積法和化學(xué)氣相沉積法制備底電極、氧化物控制 層、氧化物阻變層和頂電極。(三)有益效果本發(fā)明的氧化物電阻存儲(chǔ)器件與普通電阻存儲(chǔ)器單元相比，在底電極和氧化物阻 變層之間增加了一層氧化物控制層，該氧化物控制層在器件電形成之后將處于常通的狀 態(tài)，電阻的轉(zhuǎn)變主要是發(fā)生在氧化物阻變層。利用氧化物控制層薄膜中低的氧空位形成能 去調(diào)節(jié)氧化物阻變層的氧空位分布特性，從而改善氧化物電阻存儲(chǔ)器的可靠特性。該器件 制備工藝簡(jiǎn)單、性能可靠，提高了氧化物阻變存儲(chǔ)器的阻變的循環(huán)耐久力，增強(qiáng)了其數(shù)據(jù)保 持特性。


圖1是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的氧化物電阻存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a_2f是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的氧化物電阻存儲(chǔ)器件制備方法的流程圖；圖3a為沒有氧化物控制層的TiN/Ti02/Pt器件在脈沖掃描下的阻變穩(wěn)定性；圖北 為增加了氧化物控制層ZnO后的TiN/Ti02/Zn0/Pt器件在脈沖掃描下的阻變穩(wěn)定性；圖4是TiN/Ti02/Pt和TiN/Ti02/ai0/Pt器件在高阻態(tài)下的失效概率隨時(shí)間變化 的關(guān)系。其中，1 襯底；2 底電極；3 氧化物控制層；4 氧化物阻變層；5 頂電極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明提供了 一種氧化物電阻存儲(chǔ)器件，包括襯底1，位于襯底1上的 底電極2，位于底電極2上的氧化物控制層3，位于氧化物控制層3上的氧化物阻變層4，以 及位于氧化物阻變層上的頂電極5。襯底1選擇材料Si02/Si、Al2O3、硼硅玻璃或石英玻璃 制作。頂電極5采用薄膜材料鉬/鈦(Pt/Ti)，金/鈦(Au/Ti)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、 TiN、TaN、摻鈮鈦酸鍶中的任一種制成。底電極2采用薄膜材料鉬/鈦(Pt/Ti)，金/鈦(Au/ Ti)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、TiN、TaN、摻鈮鈦酸鍶中的任一種制成。氧化物阻變層4采用 氧化物薄膜材料Hf02、TiO2, NiO, ZrO2, CeO2或Fii2O3以及各種離子如Al3+、La3+和Gd3+離子摻雜的上述氧化物薄膜材料制成。氧化物控制層3所采用的氧化物薄膜的氧空位形成能低 于所述氧化物阻變層4采用的薄膜材料。如圖所示，本發(fā)明還提供了一種氧化物電阻存儲(chǔ)器件的制備方法，包括步 驟S1，利用熱氧化的方法將SiA隔離介質(zhì)層生長(zhǎng)在單晶硅上，作為襯底；S2，利用濺射法 在Si02/Si上制備Pt/Ti作為底電極；S3，利用反應(yīng)濺射法制備氧化物控制層ZnO薄膜；S4， 利用反應(yīng)濺射法在ZnO上制備TiO2薄膜；S5，利用反應(yīng)濺射法制備TiN薄膜作為頂電極； S6，利用光刻和刻蝕的方法制備獲得具有隔離結(jié)構(gòu)的電阻存儲(chǔ)器單元。其中TiO2作為氧化 物阻變層材料，選擇ZnO作為氧化物控制層薄膜材料。TiO2中氧空位形成能為4. 2eV,而ZnO 的氧空位形成能為3. 3eV0為了進(jìn)行器件性能比較，同時(shí)制備了沒有ZnO氧化物控制層的 TiN/Ti02/Pt/Ti/Si02/Si電阻存儲(chǔ)器件作為參考。利用Agilent4156C半導(dǎo)體參數(shù)分析測(cè) 試儀測(cè)試了器件的電流-電壓特性。在電壓連續(xù)掃描模式下測(cè)試了該器件的電流-電壓特 性。圖3示出了 TiN/Ti02/Pt和TiN/Ti02/Zn0/Pt兩種器件的高低電阻態(tài)隨著轉(zhuǎn)變次數(shù)增 加的阻變穩(wěn)定特性。可以發(fā)現(xiàn)增加ZnO氧化物控制層后，器件的阻變的循環(huán)耐久性得到提 高。圖4示出了 TiN/Ti02/Pt和TiN/Ti02/Zn0/Pt兩種器件經(jīng)過一定時(shí)間后在高阻態(tài)下的 失效概率。特性測(cè)量在室溫下進(jìn)行。測(cè)量時(shí)首先通過直流電壓掃描的方式將器件設(shè)置到高 阻態(tài)，再用0. 3V直流電壓來讀取各個(gè)器件的阻值。然后間隔一定的時(shí)間再次測(cè)量器件的電 阻阻值大小。當(dāng)發(fā)現(xiàn)器件電阻阻值由高阻態(tài)電阻值減小10倍時(shí)，認(rèn)為器件失效?？梢园l(fā)現(xiàn)， 在具有氧空位控制層的器件中，具有氧空位控制層的阻變器件相比沒有氧化物控制層的阻 變器件的失效概率降低，說明具有氧空位控制層的TiN/Ti02/Zn0/Pt器件具有改善的數(shù)據(jù) 保持特性。本實(shí)施例的襯底可以為Al2O3以及硼硅玻璃和石英玻璃等材料。導(dǎo)電薄膜材料 也可以為金/鈦(Au/Ti)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、TiN、TaN、摻鈮鈦酸鍶等。氧化物阻變層 薄膜為Hf02、TiO2, NiO, ZrO2, CeO2和Fii2O3以及各種離子如Al3+、La3+和Gd3+離子摻雜的上 述氧化物薄膜材料等氧化物材料。氧化物控制層薄膜為氧空位形成能比上述氧化物阻變層 薄膜低的氧化物薄膜。氧化物材料制備方法不限于實(shí)施例中的方法，也包括其它的材料制 備方法如原子層沉積法、化學(xué)氣相沉積法等。由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的氧化物電阻存儲(chǔ)器件與普通電阻存儲(chǔ)器 單元相比，在底電極和氧化物阻變層之間增加了一層氧化物控制層，該氧化物控制層在器 件電形成之后將處于常通的狀態(tài)，電阻的轉(zhuǎn)變主要是發(fā)生在氧化物阻變層。利用氧化物控 制層薄膜中低的氧空位形成能去調(diào)節(jié)氧化物阻變層的氧空位分布特性，從而改善氧化物電 阻存儲(chǔ)器的可靠特性。該器件制備工藝簡(jiǎn)單、性能可靠，提高了氧化物阻變存儲(chǔ)器的阻變的 循環(huán)耐久力，增強(qiáng)了其數(shù)據(jù)保持特性。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種氧化物電阻存儲(chǔ)器件，其特征在于，包括襯底，位于所述襯底上的底電極，位于 所述底電極上的氧化物控制層，位于所述氧化物控制層上的氧化物阻變層，以及位于所述 氧化物阻變層上的頂電極。
2.如權(quán)利要求1所述的氧化物電阻存儲(chǔ)器件，其特征在于，所述襯底選擇材料為SiO2/ Si、Al2O3、硼硅玻璃或石英玻璃中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的氧化物電阻存儲(chǔ)器件，其特征在于，所述頂電極采用薄膜材料 鉬/鈦(Pt/Ti)、金/鈦(Au/Ti)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、TiN, TaN、摻鈮鈦酸鍶中的任一 種制成。
4.如權(quán)利要求1所述的氧化物電阻存儲(chǔ)器件，其特征在于，所述底電極采用薄膜材料 鉬/鈦(Pt/Ti)、金/鈦(Au/Ti)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、TiN, TaN、摻鈮鈦酸鍶中的任一 種制成。
5.如權(quán)利要求1所述的氧化物電阻存儲(chǔ)器件，其特征在于，氧化物阻變層采用氧化物 薄膜材料Hf02、TiO2, NiO, ZrO2, CeO2或狗203以及各種離子摻雜的氧化物薄膜材料制成。
6.如權(quán)利要求1所述的氧化物電阻存儲(chǔ)器件，其特征在于，氧化物控制層所采用的氧 化物薄膜的氧空位形成能低于所述氧化物阻變層采用的薄膜材料。
7.一種氧化物電阻存儲(chǔ)器件的制備方法，其特征在于，包括步驟Si，選擇襯底材料作為襯底；S2，在襯底上制備導(dǎo)電薄膜作為底電極；S3，在底電極上制備氧化物控制層薄膜；S4，在氧化物控制層薄膜上制備氧化物阻變層薄膜；S5，在氧化物阻變層薄膜上制備導(dǎo)電薄膜作為頂電極；S6，利用光刻、刻蝕工藝制備氧化物電阻存儲(chǔ)器單元。
8.如權(quán)利要求7所述的氧化物電阻存儲(chǔ)器件的制備方法，其特征在于，利用濺射法、原 子層沉積法或者化學(xué)氣相沉積法制備底電極、氧化物控制層、氧化物阻變層和頂電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氧化物電阻存儲(chǔ)器件，包括襯底，位于所述襯底上的底電極，位于所述底電極上的氧化物控制層，位于所述氧化物控制層上的氧化物阻變層，以及位于所述氧化物阻變層上的頂電極。該器件制備工藝簡(jiǎn)單、性能可靠，提高了氧化物阻變存儲(chǔ)器的阻變的循環(huán)耐久力，增強(qiáng)了其數(shù)據(jù)保持特性。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102148328SQ20111002407
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者于迪, 劉力鋒, 康晉鋒, 張飛飛, 李博洋, 陳冰, 陳沅沙, 韓汝琦, 高濱 申請(qǐng)人:北京大學(xué)