一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種非線性自整流阻變存儲器，包括襯底和位于襯底上的底電極?阻變層?能帶修飾層?頂電極結構。本發(fā)明還提供一種非線性自整流阻變存儲器的制備方法，包括如下步驟：1)定義底電極圖形，按照該圖形在襯底上制備底電極；2)采用PVD、ALD或CVD的方法在底電極上淀積阻變層；3)采用PVD或ALD的方法在阻變層上淀積能帶修飾層；4)定義底電極引出孔圖形，按照該圖形在阻變層和能帶修飾層刻蝕出底電極引出孔；5)定義頂電極圖形，按照該圖形在修飾層上制備頂電極。
【專利說明】
一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于半導體和CMOS混合集成電路技術領域，具體涉及一種非線性自整流阻變存儲器(resistive random access memory，RRAM)及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著集成電路的進一步發(fā)展，對非易失性存儲器的尺寸縮小、功耗降低及高集成度等的要求不斷提高，占當前市場主要份額的閃存(flash)由于在尺寸縮小、功耗和速度等方面的限制，已經(jīng)不能完全滿足非易失性存儲器發(fā)展的要求。
[0003]新興阻變存儲器在半導體集成電路領域得到了廣泛的關注，阻變存儲器在高集成度、低功耗和讀寫速度等方面的優(yōu)勢使之成為了新一代存儲器中的有力競爭者。阻變存儲器依靠在不同外加電壓激勵下實現(xiàn)高阻態(tài)(“O”狀態(tài))和低阻態(tài)(“I”狀態(tài))之間可逆的狀態(tài)轉換，在撤除電壓激勵后可以保持高阻態(tài)和低阻態(tài)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的非易失性存儲。阻變存儲器由結構簡單的金屬-阻變層-金屬的三明治結構構成，因此可以通過簡單的crossbar結構來實現(xiàn)超大規(guī)模和極高密度的阻變存儲器陣列，減小了由于增加晶體管作為選擇管所帶來的面積消耗，其特征尺寸面積可以減小到4F2。此外，集成密度可以進一步通過堆疊多層crossbar結構形成3D crossbar結構來提高。
[0004]然而，由于陣列中器件阻值的讀取需要讀取流經(jīng)該器件的電流大小來判斷器件是處于高阻態(tài)還是低阻態(tài)。最壞情況下，如果要讀取crossbar陣列中的一個處于高阻的器件，而其周圍的器件均處于低阻態(tài)時，當讀取處于高阻態(tài)的器件時，電流會繞過這個處于高阻態(tài)的器件，而在周圍的低阻器件上形成sneak電流。此時，讀取到的電流實際為流過其周圍處于低阻態(tài)器件的sneak電流值，造成誤讀。研究表明，陣列的串擾問題會帶來器件的誤操作，限制陣列的集成度，增加陣列的功耗等一些列問題，極大地限制了 crossbar結構的存儲
FtFt也/又。
[0005]目前，為了解決阻變存儲器crossbar陣列中的串擾問題，阻變存儲器的陣列單元結構主要分為兩種:有源陣列，lTlR(0ne Transistor One RRAM)結構單元;無源陣列，ISlR(One Selector One RRAM)結構單元。有源陣列的ITlR結構的器件單元中，對器件面積起決定性因素的是晶體管的面積，此外為了滿足阻變器件較高的reset電流需求，源漏面積的增大會進一步增大晶體管的面積，這就大大限制了存儲陣列的集成密度，喪失了阻變存儲器可以高密度集成的優(yōu)勢。lSlR(one selector one RRAM)的結構雖然消除了面積的損耗，但是增加了工藝的步驟，同時也要求的選擇管與阻變存儲器必須有著良好的匹配，在實際應用中有著一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述不足，本發(fā)明提出了一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法，基于采用傳統(tǒng)CMOS工藝來實現(xiàn)具有非線性自整流的阻變存儲器件，以期降低甚至消除阻變存儲器的crossbar結構中存在的串擾問題。
[0007]為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0008]—種非線性自整流阻變存儲器，包括襯底和位于襯底上的底電極-阻變層-能帶修飾層-頂電極結構。
[0009 ]進一步地，所述底電極-阻變層-能帶修飾層-頂電極結構為金屬-絕緣體-絕緣體_金屬(]^丨&1-1118111&1:01—1118111&1:01—]\^丨&1)電容結構或金屬-半導體-半導體-金屬(Metal-Semiconductor-Semiconductor-Metal)電容結構。
[00?0]進一步地，所述襯底采用娃或玻璃；
[ΟΟ??]所述底電極和頂電極采用金屬材料，厚度為50nm-200nm;
[0012]所述阻變層采用具有阻變特性的過渡金屬氧化物，厚度為5nm-50nm;或采用有機材料，厚度為200nm-500nm ；
[0013]所述能帶修飾層采用氧化物，厚度為l-20nm。
[0014]進一步地，所述金屬材料為T1、Al、Au、W、Cu、Ta、Pt、Ir 或 TiN、TaN;
[0015]所述過渡金屬氧化物為1&(\、!1;1^、5;[(^或51'1103，所述有機材料為口3”16116;
[0016]所述氧化物為Si02、Ti02或Η??2。
[0017]一種非線性自整流阻變存儲器的制備方法，包括如下步驟:
[0018]I)定義底電極圖形，按照該圖形在襯底上制備底電極；
[0019]2)采用PVD(物理氣相淀積)、ALD(原子層淀積)或CVD(化學氣相淀積)的方法在底電極上淀積阻變層；
[0020]3)采用PVD或ALD的方法在阻變層上淀積能帶修飾層；
[0021]4)定義底電極引出孔圖形，按照該圖形在阻變層和能帶修飾層刻蝕出底電極引出孔；
[0022]5)定義頂電極圖形，按照該圖形在修飾層上制備頂電極。
[0023]進一步地，所述步驟1)、4)和5)中定義圖形的方法是，利用光刻技術在光刻膠上定義圖形。
[0024]進一步地，所述底電極和頂電極的制備方法包括PVD和蒸發(fā)淀積方法。
[0025]進一步地，所述阻變層采用具有阻變特性的過渡金屬氧化物，厚度為5nm-50nm;或采用有機材料，厚度為200nm-500nm;
[0026]進一步地，所述能帶修飾層采用氧化物，厚度為l_20nm。
[0027]本發(fā)明提出了一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法，將能帶修飾層嵌入到阻變存儲器中形成雙層結構，利用能帶修飾層材料的厚度變化，及合理設計阻變層、能帶修飾層和電極材料間的能帶結構匹配，可以實現(xiàn)對阻變存儲器件的電流-電壓特性進行優(yōu)化，使該阻變存儲器展現(xiàn)出對稱雙向非線性自整流的特性。該阻變存儲器具有對稱雙向非線性自整流特性，其組成的crossbar陣列無論是讀取低阻態(tài)還是高阻態(tài)，由于非線性整流區(qū)域的存在，原本的串擾電流的路徑上的阻值要遠大于所要讀取的阻值，所以可以有效地抑制串擾電流，從而避免誤讀，對提高存儲陣列的集成密度和阻變存儲器的大規(guī)模量產(chǎn)有著重要的意義。另外，該制備方法與傳統(tǒng)CMOS工藝相兼容，成本低，易投入使用。
【附圖說明】
[0028]圖1為本非線性自整流阻變存儲器的電流-電壓特性曲線圖。
[0029]圖中:S1-正向電壓的激勵下由高阻態(tài)向低阻態(tài)的躍變過程;S2-低阻態(tài)保持過程；S3-正向低阻態(tài)非線性整流過程;S4-負向低阻態(tài)非線性整流過程;S5-負向電壓的激勵下由低阻態(tài)向高阻態(tài)的躍變過程;S6-高阻態(tài)保持過程。
[0030]圖2(A)_2(E)對應于各實施例的實施步驟。
[0031 ]圖3為crossbar陣列及串擾電流路徑示意圖。
【具體實施方式】
[0032]為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖作詳細說明如下。
[0033]實施例1
[0034]本實施例1提供一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法，該阻變存儲器采用硅襯底，采用Pt作為底電極材料，采用Ta205(或其非化學配比的氧化物)作為阻變層材料，采用S12作為能帶修飾層材料，采用Ta作為頂電極材料。
[0035]Ta2O5和S12均是與標準CMOS工藝相兼容的材料。基于Ta2O5的阻變存儲器有著優(yōu)異的存儲器性能，包括超尚的耐久性、超快的開關速度和良好的保持特性。此外，Ta205還有著熱穩(wěn)定性高、化學性質(zhì)不活潑等特點。S12作為非常成熟的CMOS工藝中的柵介質(zhì)材料，材料性質(zhì)和參數(shù)非常明了，制備簡單且非?？煽?。兩種材料的優(yōu)勢相結合，加上合理的物理機制層面的設計，既滿足兼容CMOS工藝的要求，又能實現(xiàn)阻變存儲器雙向非線性自整流的特性，對于阻變存儲器crossbar結構陣列集成密度的提升和大規(guī)模生產(chǎn)有著重要的意義。
[0036]該非線性自整流阻變存儲器的制備方法如下:
[0037]I)利用光刻技術在光刻膠上定義底電極圖形，采用PVD方法在硅襯底上淀積Pt底電極材料，厚度為50nm，再去除光刻膠，如圖2(A)所示；
[0038]2)采用PVD方法在底電極上淀積一層Ta2O5阻變層薄膜材料，厚度為20nm，如圖2(B)所示；
[0039]3)采用PVD方法在阻變層上淀積一層S12能帶修飾層材料實現(xiàn)雙向非線性自整流，厚度為5nm，如圖2(C)所示；
[0040]4)先用光刻技術在光刻膠上定義出來的底電極引出孔圖形，再采用干法刻蝕的方法在阻變層和能帶修飾層刻蝕出底電極引出孔，并去除光刻膠，如圖2(D)所示；
[0041]5)利用光刻技術在光刻膠上定義頂電極圖形，采用PVD方法在能帶修飾層上淀積Ta頂電極材料，厚度為200nm，再去除光刻膠即得到該阻變存儲器，如圖2(E)所示。
[0042]實施例2
[0043]本實施例2提供一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法，該阻變存儲器采用硅襯底，采用TaN作為底電極材料，采用SrT13作為阻變層材料，采用Hf O2作為能帶修飾層材料，采用TaN作為頂電極材料。
[0044]該非線性自整流阻變存儲器的制備方法如下:
[0045]I)利用光刻技術在光刻膠上定義底電極圖形，采用蒸發(fā)淀積方法在硅襯底上淀積TaN底電極材料，厚度為200nm，再去除光刻膠；
[0046]2)采用PVD方法在底電極上淀積一層SrT13阻變層薄膜材料，厚度為50nm;
[0047]3)采用ALD方法在阻變層上淀積一層HfO2能帶修飾層材料實現(xiàn)雙向非線性自整流，厚度為20nm;
[0048]4)先用光刻技術在光刻膠上定義出來的底電極引出孔圖形，再采用干法刻蝕的方法在阻變層和能帶修飾層刻蝕出底電極引出孔，并去除光刻膠；
[0049]5)利用光刻技術在光刻膠上定義頂電極圖形，采用PVD方法在能帶修飾層上淀積TaN頂電極材料，厚度為50nm，再去除光刻膠即得到該阻變存儲器。
[0050]實施例3
[0051 ]本實施例3提供一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法，該阻變存儲器采用玻璃襯底，采用Ir作為底電極材料，采用Hf O2作為阻變層材料，采用T12作為能帶修飾層材料，采用T iN作為頂電極材料。
[0052]該非線性自整流阻變存儲器的制備方法如下:
[0053]I)利用光刻技術在光刻膠上定義底電極圖形，采用蒸發(fā)淀積方法在玻璃襯底上淀積Ir底電極材料，厚度為I OOnm，再去除光刻膠；
[0054]2)采用ALD方法在底電極上淀積一層HfO2阻變層薄膜材料，厚度為5nm;
[0055]3)采用PVD方法在阻變層上淀積一層T12能帶修飾層材料實現(xiàn)雙向非線性自整流，厚度為Inm;
[0056]4)先用光刻技術在光刻膠上定義出來的底電極引出孔圖形，再采用干法刻蝕的方法在阻變層和能帶修飾層刻蝕出底電極引出孔，并去除光刻膠；
[0057]5)利用光刻技術在光刻膠上定義頂電極圖形，采用蒸發(fā)淀積方法在能帶修飾層上淀積TiN頂電極材料，厚度為lOOnm，再去除光刻膠即得到該阻變存儲器。
[0058]實施例4
[0059]本實施例4提供一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法，該阻變存儲器的各層材料組成及厚度與實施例1完全相同，其制備方法不同之處在于阻變層和能帶修飾層均米用ALD方法淀積制成。
[0060]實施例5
[0061]本實施例5提供一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法，該阻變存儲器的阻變層材料選用有機材料parylene，采用CVD方法進行制備，厚度為500nm，其它的組成、制備方法及參數(shù)與實施例1完全相同。
[0062]實施例6
[0063]本實施例6提供一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法，該阻變存儲器的阻變層材料選用有機材料parylene，采用CVD方法進行制備，厚度為350nm，其它的組成、制備方法及參數(shù)與實施例4完全相同。
[0064]實施例7
[0065]本實施例7提供一種非線性自整流阻變存儲器及其制備方法，該阻變存儲器的阻變層材料選用有機材料parylene，采用CVD方法進行制備，厚度為200nm，其它的組成、制備方法及參數(shù)與實施例4完全相同。
[0066]由上述實施例可知，制備過渡金屬氧化物阻變層薄膜材料和能量修飾層材料，既可以采用PVD方法，也可以采用ALD方法，與PVD方法相比，ALD方法能夠制備更??；制備有機材料作阻變層采用CVD方法。
[0067]對于本發(fā)明提供的一種非線性自整流阻變存儲器，采用DCSweep方式得到的其阻變過程的電流-電壓(1-V)特性如圖1所示，圖中，SI—正向電壓的激勵下由高阻態(tài)向低阻態(tài)的躍變過程;S2—低阻態(tài)保持過程;S3—正向低阻態(tài)非線性整流過程;S4—負向低阻態(tài)非線性整流過程;S5—負向電壓的激勵下由低阻態(tài)向高阻態(tài)的躍變過程;S6—高阻態(tài)保持過程。通過使該阻變存儲器的底電極接地，則頂電極的電壓可以控制該阻變存儲器的阻值，使其發(fā)生高阻和低阻之間的轉換，即該阻變存儲器“O”，“I”兩個狀態(tài)之間的轉換，證明可以實現(xiàn)阻變效應，在正向和負向電壓的操作下，其電流-電壓特性曲線可以展現(xiàn)出近似對稱的非線性整流作用。
[0068]通過將能帶修飾層嵌入到阻變存儲器中形成雙層結構，利用能帶修飾層材料的厚度變化，及合理設計阻變層、能帶修飾層和電極材料間的能帶結構匹配，可以實現(xiàn)對阻變存儲器件的電流-電壓特性進行優(yōu)化。這是因為，如果能帶修飾層選擇禁帶寬度大于阻變層禁帶寬度的材料，且能帶修飾層材料的導帶底高于阻變材料的導帶底，同時金屬電極選擇功函數(shù)較大的材料，則能帶修飾層會與電極形成較高的勢皇，此時如果能帶修飾層材料厚度較薄，電子可以通過隧穿的方式到達阻變層，而隧穿電流有著非線性的特性，因此，可以實現(xiàn)非線性自整流的特性。
[0069]圖3為crossbar陣列及串擾電流路徑示意圖，由圖可知，由于陣列中該器件阻值的讀取，需要讀取流經(jīng)該器件的電流大小來判斷器件是處于高阻態(tài)還是低阻態(tài)。最壞情況下，如果要讀取crossbar陣列中的一個處于高阻的器件，而其周圍的器件均處于低阻態(tài)時，當讀取處于高阻態(tài)的器件時，電流會繞過這個處于高阻態(tài)的器件，而在周圍的低阻器件上形成sneak電流。這種情況下，在crossbar結構中，串擾電流會流經(jīng)的最短路徑如圖中的未選中的三個器件，即當選中器件(圖中虛線內(nèi)的器件)為Vread電壓時，串擾路徑上每個器件實際上的分壓為三分之一 Vread，讀取到的電流實際為流過其周圍處于低阻態(tài)器件的sneak電流值，造成誤讀。如果器件采用本發(fā)明提供的非線性自整流阻變存儲器，從圖1電流電壓曲線上可以看出Vread讀取的高阻態(tài)時的電流要大于三分之一 Vread讀取的低阻態(tài)電流，即由于低阻態(tài)的非線性自整流效應，讀取路徑的電阻要小于串擾路徑，所以有效地抑制了串擾，負向電壓時亦然。由此可知，低阻態(tài)時雙向非線性自整流效應可以有效地抑制crossbar陣列中的串擾。
[0070]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求所述為準。
【主權項】
1.一種非線性自整流阻變存儲器，其特征在于，包括襯底和位于襯底上的底電極-阻變層-能帶修飾層-頂電極結構。2.根據(jù)權利要求1所述的非線性自整流阻變存儲器，其特征在于，所述底電極-阻變層_能帶修飾層-頂電極結構為金屬-絕緣體-絕緣體-金屬電容結構或金屬-半導體-半導體-金屬電容結構。3.根據(jù)權利要求1所述的非線性自整流阻變存儲器，其特征在于， 所述襯底采用硅或玻璃； 所述底電極和頂電極采用金屬材料，厚度為50nm-200nm; 所述阻變層采用具有阻變特性的過渡金屬氧化物，厚度為5nm-50nm;或采用有機材料，厚度為 200nm-500nm ； 所述能帶修飾層采用氧化物，厚度為l_20nm。4.根據(jù)權利要求3所述的非線性自整流阻變存儲器，其特征在于， 所述金屬材料為 T1、Al、Au、W、Cu、Ta、Pt、IrSTiN、TaN; 所述過渡金屬氧化物為TaOx、HfOx、S1x或SrTi03，所述有機材料為parylene; 所述氧化物為S12、T12或HfO2。5.—種非線性自整流阻變存儲器的制備方法，包括如下步驟: 1)定義底電極圖形，按照該圖形在襯底上制備底電極； 2)采用PVD、ALD或CVD的方法在底電極上淀積阻變層； 3)采用PVD或ALD的方法在阻變層上淀積能帶修飾層； 4)定義底電極引出孔圖形，按照該圖形在阻變層和能帶修飾層刻蝕出底電極引出孔； 5)定義頂電極圖形，按照該圖形在修飾層上制備頂電極。6.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述步驟I)、4)和5)中定義圖形的方法是，利用光刻技術在光刻膠上定義圖形。7.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述底電極和頂電極的制備方法包括PVD和蒸發(fā)淀積方法。8.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述阻變層采用具有阻變特性的過渡金屬氧化物，厚度為5nm-50nm;或采用有機材料，厚度為200nm-500nmo9.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述能帶修飾層采用氧化物，厚度為l_20nmo
【文檔編號】H01L45/00GK105870321SQ201610183126
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】蔡茂, 蔡一茂, 王宗巍, 黃如, 喻志臻, 方亦陳, 余牧溪, 楊雪
【申請人】北京大學