本發(fā)明屬于集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)多值存儲的阻變存儲器制備方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體存儲器，根據(jù)其掉電是否能夠保持存儲信息，可以分為兩類：揮發(fā)性存儲器和非揮發(fā)性存儲器。隨著便攜式電子設(shè)備的普及，非揮發(fā)存儲器在存儲器市場中的份額也越來越大。雖然當(dāng)前FLASH技術(shù)是非揮發(fā)存儲器市場的主流，但隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的推進(jìn)，F(xiàn)LASH技術(shù)正遇到一系列的瓶頸問題比如操作電壓大，尺寸無法縮小，保持時間不夠長等。有報道稱FLASH技術(shù)的極限在16nm左右，科學(xué)界和工業(yè)界正在尋找一種可以替代FLASH的下一代非揮發(fā)性存儲器。阻變存儲器(RRAM)由于操作電壓低、非破壞性讀取、操作速度快和結(jié)構(gòu)簡單易于集成等優(yōu)點(diǎn)成為新型非揮發(fā)性存儲器的研究重點(diǎn)。其中阻變存儲器能在多個電阻態(tài)間轉(zhuǎn)變的能力(多值存儲)使得存儲容量大大增加，使得阻變存儲器得到廣泛關(guān)注。目前實(shí)現(xiàn)多值存儲的方式主要有兩種：一種是在SET(編程使器件轉(zhuǎn)變到低阻態(tài))過程中通過不同限制電流來實(shí)現(xiàn)，另一種是在RESET(編程使器件轉(zhuǎn)變到高阻態(tài))過程中通過不同電壓幅值或電壓持續(xù)時間來得到不同阻態(tài)。通過調(diào)控RESET電壓幅值或脈寬的方法得到的多個阻態(tài)之間具有更大的窗口，有利于簡化外圍讀寫電路。但是，第二種方法要求器件的RESET過程是逐漸改變的，且RESET電壓的均一性較好，常規(guī)方法制備的RRAM器件很難滿足上述要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)多值存儲的阻變存儲器的制備方法，制備的阻變存儲器具有均勻緩變的RESET過程，通過控制RESET電壓幅值能夠在交叉陣列中實(shí)現(xiàn)多值存儲。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種實(shí)現(xiàn)多值存儲的阻變存儲器制備方法，包括以下步驟：

S1：在襯底上形成下電極，并在下電極上形成功能層；

S2：對功能層進(jìn)行離子注入；

S3：在功能層上形成上電極。

優(yōu)選地，所述下電極材料包括Pt、W、Ru、Al、TiN、TaN、IrO₂、ITO或IZO。

優(yōu)選地，所述功能層材料包括SiO₂、HfO₂、Al₂O₃、TaO_x或TiO_x。

優(yōu)選地，所述步驟S2中采用的離子注入材料包括Ag、Cu、Cr或W。

優(yōu)選地，采用磁控濺射、脈沖激光沉積或原子層沉積方法在下電極上形成功能層。

優(yōu)選地，所述上電極材料為Pt、W、Ru、Al、TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO中至少一種。

優(yōu)選地，在所述步驟S1中，通過光刻、剝離在襯底上沉積下電極。

優(yōu)選地，在所述步驟S3中，通過光刻、剝離在功能層上沉積上電極。

優(yōu)選地，所述上電極和下電極通過電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或?yàn)R射方法中的一種制備完成。

優(yōu)選地，所述襯底為硅片。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案來看，本發(fā)明有以下有益效果：

1、利用本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)緩變的RESET過程，有利于通過調(diào)控RESET電壓實(shí)現(xiàn)單個器件的多值存儲，大幅提高存儲密度。

2、利用本發(fā)明，通過RESET截止電壓的控制，獲得的多值存儲各阻態(tài)之間具有較大的存儲窗口，有利于簡化外圍讀寫電路的設(shè)計(jì)難度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的制備方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的制備下電極過程示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的制備功能層過程示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的離子注入過程示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的制備上電極過程示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的I-V曲線測量結(jié)果圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器使用不同脈沖RESET幅值來實(shí)現(xiàn)不同阻態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)多值存儲的耐受性實(shí)測圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

在下文中結(jié)合圖示在參考實(shí)施例中更完全地描述本發(fā)明，本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例。在圖中，為了清楚放大了層和區(qū)域的厚度，但作為示意圖不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。

在此參考圖是本發(fā)明的理想化實(shí)施例的示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示的區(qū)域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如制造引起的偏差。圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的制備方法流程圖。同時，通過圖2至圖5示意了該阻變存儲器各部分的制備過程，以下結(jié)合圖2至圖5詳細(xì)說明該阻變存儲器的制備方法。

步驟S1：在襯底上形成下電極，并在下電極上形成功能層。

子步驟S11：在襯底上形成下電極。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的制備下電極過程示意圖，如圖2所示，該步驟具體包括：通過光刻、剝離在硅片上沉積下電極。所述下電極可以采用Pt、W、Ru、Al，導(dǎo)電金屬化合物TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO中至少一種構(gòu)成。所述下電極材料可以通過電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積、濺射方法中的一種制備完成。

子步驟S12：在下電極上表面形成功能層。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的制備功能層過程示意圖，如圖3所示，在該步驟中，在下電極上沉積功能層，其中功能層可以采用SiO₂、HfO₂、Al₂O₃、TaO_x、TiO_x等。可以通過磁控濺射、脈沖激光沉積、原子層沉積等方法制備功能層。

步驟S2：對功能層進(jìn)行離子注入。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的離子注入過程示意圖，如圖4所示，該步驟中，對功能層進(jìn)行離子注入，注入材料可以采用Ag、Cu、Cr、W等。

步驟S3：在功能層上形成上電極。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的阻變存儲器的制備上電極過程示意圖，如圖5所示，該步驟具體包括：通過光刻、剝離在功能層上沉積上電極。所述上電極可以采用Pt、W、Ru、Al，導(dǎo)電金屬化合物TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO中至少一種構(gòu)成。所述上電極材料可以通過電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積、濺射方法中的一種制備完成。

圖6展示了該阻變存儲器的I-V曲線測量結(jié)果。從圖中可以看出：電壓從零開始增加到V_th，器件一直處于高阻態(tài)。繼續(xù)增大電壓(＞V_th)，電流突然急劇增大且隨著電壓的增大而增大直到V_set。當(dāng)電壓值繼續(xù)增大超過V_set時，電流隨著電壓的增大而減小直到V_min，且在該段區(qū)間內(nèi)獲得的電阻可以在掉電的情況下仍然保持，從而實(shí)現(xiàn)逐漸緩變的RESET過程。該現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于離子注入到功能層中形成了一系列不連續(xù)的金屬顆粒，電子在不同電壓下被這些金屬顆粒捕獲和釋放。當(dāng)電壓值大于電子在這些顆粒間隧穿的開啟電壓V_th時，電子通過隧穿被金屬顆粒捕獲從而更容易傳輸，導(dǎo)致電流突然增大。當(dāng)電壓繼續(xù)增大(＞V_th)，足夠大的電壓使金屬顆粒釋放電子導(dǎo)致電流減小從而實(shí)現(xiàn)緩變RESET。

圖7展示了該阻變存儲器使用不同脈沖RESET幅值來實(shí)現(xiàn)不同阻態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)多值存儲的耐受性實(shí)測圖。從圖中可以看出：(用1V/1ms脈沖將器件Set到低阻態(tài)R_on，然后施加不同RESET脈沖(-2V/0.2ms，-3V/0.2ms，-4V/0.2ms)可分別得到不同阻態(tài)R_off1，R_off2，R_off3。該器件可以如此施加脈沖轉(zhuǎn)換電阻超過100次。)

至此，圖1所示能夠?qū)崿F(xiàn)多值存儲的阻變存儲器的制備方法過程完成。利用本發(fā)明，對功能層進(jìn)行離子注入從而在其中形成一系列不連續(xù)的金屬顆粒，可以實(shí)現(xiàn)均勻緩變的RESET過程，有利于通過調(diào)控RESET電壓實(shí)現(xiàn)單個器件的多值存儲，大幅提高存儲密度。通過RESET截止電壓的控制，獲得的多值存儲各阻態(tài)之間具有較大的存儲窗口，有利于簡化外圍讀寫電路的設(shè)計(jì)難度。

在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實(shí)施例。

以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。