專利名稱：一種二元金屬氧化物阻變存儲器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲器及其制作方法，尤其涉及一種二元金屬氧化物阻變存儲器及其制 作方法，屬于信息存儲技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著手機、MP3、 MP4以及筆記本電腦等便攜式個人設(shè)備的逐漸流行，非揮發(fā)性存儲器在 半導(dǎo)體市場中占有的地位越來越高。目前市場上的非揮發(fā)性存儲器仍以閃存(Flash)為主流 。隨著器件尺寸的不斷縮小，F(xiàn)lash存儲器器件存在操作電壓過大、操作速度慢、耐久力不 夠好、保持時間不夠長等缺點。這些缺點在一定程度上限制了傳統(tǒng)Flash存儲器的進一步發(fā) 展。因此，急需開發(fā)一種全新的信息存取技術(shù)來解決以上問題。
目前已研制出的新型非揮發(fā)性存儲器包括鐵電存儲器(FeRAM)、磁存儲器(MRAM) 、相變存儲器(PRAM)以及阻變存儲器(RRAM)。在這些存儲器當(dāng)中，阻變存儲器由于具有 簡單的器件結(jié)構(gòu)、較高的器件密度、較低的功耗、較快的讀寫速度、與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容性 好等優(yōu)勢，因此倍受關(guān)注。阻變存儲器作為一種新型的非揮發(fā)性存儲器，是以二元金屬氧化 物薄膜的電阻可在高阻態(tài)(HRS)和低阻態(tài)(LRS)之間實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換為基本工作原理并作為 記憶的方式。
圖l為現(xiàn)有技術(shù)阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，在上電極101和下電極103之 間，設(shè)置有電阻轉(zhuǎn)變存儲層102。電阻轉(zhuǎn)變存儲層102的電阻值在外加電壓作用下可以具有兩 種不同的狀態(tài)，即高阻態(tài)和低阻態(tài)，其可以分別用來表征"0"和"1"兩種狀態(tài)。在不同外 加電壓的作用下，電阻轉(zhuǎn)變型存儲器的電阻值在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間可實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換，以此 來實現(xiàn)信息存儲的功能。
阻變存儲器的材料主要包括PrCaMn03，鋯酸鍶(SrZr03)、鈦酸鍶(SrTi03)等鈣鈦礦復(fù)雜 氧化物，高分子有機材料以及二元金屬氧化物如Al203、 Ti02、 NiO、 Zr02、 Hf02等。與其它 材料相比，二元金屬氧化物由于具有結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，以及和現(xiàn)有CMOS工藝兼容的優(yōu) 點受到格外的關(guān)注。通常情況下，對于二元金屬氧化物構(gòu)成的阻變存儲器在第一次由高阻態(tài) 向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時，需要一個高于存儲器正常操作電壓的電壓來激活器件，然后才可以進入到 正常的存儲狀態(tài)，即所謂的Forming過程。由于Forming電壓較大，會高于器件正常工作的電壓，在Forming過程中產(chǎn)生的大電流就會對電阻轉(zhuǎn)變存儲層產(chǎn)生一定的破壞，導(dǎo)致器件的性 能下降。此外，大的Forming電壓意味著器件初始的功耗較高，從而不利于器件在實際中的 應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有二元金屬氧化物阻變存儲器由于在Forming過程中Forming電壓高于器件 正常工作的電壓，而產(chǎn)生對電阻轉(zhuǎn)變存儲層具有一定的破壞的大電流，導(dǎo)致器件的性能下降 ，而且Forming電壓較大，還會使器件初始的功耗較高的不足，提供一種二元金屬氧化物阻 變存儲器及其制作方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下 一種二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法 ，包括以下步驟
步驟一在襯底上形成下電極；
步驟二在所述下電極上形成金屬摻雜的二元金屬氧化物薄膜作為電阻轉(zhuǎn)變存儲層；
步驟三在惰性氣體的環(huán)境下并于iocrc ioo(rc下對所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層進行退火處
理；
步驟四在所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層上形成上電極。
所述步驟二包括以下步驟在所述下電極上形成第一金屬氧化物薄膜；在所述第一金屬 氧化物薄膜上形成金屬薄膜；在所述金屬薄膜上形成第二金屬氧化物薄膜。
進一步，所述第一金屬氧化物薄膜或者第二金屬氧化物薄膜的材料為氧化鋯、氧化銅、 氧化鉿、氧化鎳、氧化鋁或者氧化鋅。
進一步，所述金屬薄膜由Cu、 Au、 Ag、 Fe、 Co、 Ni、 Cr和Ti中的一種或者幾種組合制成
進一步，所述下電極或者上電極由金屬材料、金屬合金材料和導(dǎo)電金屬化合物中的一種 或者幾種制成。
進一步，所述金屬材料為Cu、 Au、 Ag或者Pt。
進一步，所述金屬合金材料為Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr或者Cu/Al。
進一步，所述導(dǎo)電金屬化合物為TiN、 TaN、 IT0或者IZ0。
本發(fā)明還提供一種解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下 一種二元金屬氧化物阻變存儲器 ，包括上電極、下電極以及位于所述上電極和下電極之間的電阻轉(zhuǎn)變存儲層，所述電阻轉(zhuǎn)變 存儲層包括第一金屬氧化物薄膜、第二金屬氧化物薄膜以及設(shè)置于所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物薄膜之間的金屬薄膜，所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物薄膜內(nèi) 具有金屬缺陷。
所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層的厚度為20納米 200納米，所述金屬薄膜的厚度為1納米 10納米
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法簡單、成本低并且 與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，在電極上形成金屬摻雜的二元金屬氧化物作為電阻轉(zhuǎn)變存儲層，再對 電阻轉(zhuǎn)變存儲層進行退火處理， 一方面可以使二元金屬氧化物薄膜結(jié)晶，另外還可以在二元 金屬氧化物中形成大量的金屬缺陷，在器件第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時，不再需要一個 高的操作電壓來激活器件，從而可以消除Forming現(xiàn)象。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實施例1 二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法流程圖; 圖3為本發(fā)明實施例2二元金屬氧化物阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于 限定本發(fā)明的范圍。 實施例l
圖2為本發(fā)明實施例二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法流程圖。如圖2所示，該制作 方法包括以下步驟
步驟201:在襯底上形成下電極。
所述襯底一般由二氧化硅、摻雜二氧化硅或者其他絕緣材料制成。所述下電極由金屬材 料、金屬合金材料和導(dǎo)電金屬化合物中的一種或者幾種制成。所述下電極可為Cu、 Au、 Ag或 者Pt等金屬形成的單層金屬電極，也可以為Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr或者Cu/Al等金屬合金形成 的雙層金屬電極，同時也可以由TiN、 TaN、 ITO或者IZO等導(dǎo)電金屬化合物制成。所述下電極 還可以是金屬、金屬合金和導(dǎo)電金屬化合物中任意兩種或三種形成的合金。可以理解，所述 下電極還可以由其他導(dǎo)電材料制成。
所述下電極可以采用電子束蒸發(fā)、濺射等物理汽相沉積或者化學(xué)汽相沉積的方法形成。
步驟202:在所述下電極上形成金屬摻雜的二元金屬氧化物薄膜作為電阻轉(zhuǎn)變存儲層。在具體生產(chǎn)實踐中，首先，在所述下電極上形成第一金屬氧化物薄膜；接著，在所述第 一金屬氧化物薄膜上形成金屬薄膜；最后，在所述金屬薄膜上形成第二金屬氧化物薄膜。
所述第一金屬氧化物薄膜或者第二金屬氧化物薄膜的材料為氧化鋯、氧化銅、氧化鉿、 氧化鎳、氧化鋁或者氧化鋅。所述金屬薄膜由Cu、 Au、 Ag、 Fe、 Co、 Ni、 Cr和Ti中的一種或 者幾種組合制成。
所述第一金屬氧化物薄膜、第二金屬氧化物薄膜和金屬薄膜均可以采用電子束蒸發(fā)、等 離子體增強化學(xué)汽相淀積(PECVD)或者原子層淀積(ALD)等方法形成。
步驟203:在惰性氣體的環(huán)境下并于iocrc ioo(rc下對所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層進行退火處理。
所述惰性氣體可以是N2，也可以是其它的惰性氣體。 步驟204:在所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層上形成上電極。
所述上電極由金屬材料、金屬合金材料和導(dǎo)電金屬化合物中的一種或者幾種制成。所述
上電極可為Cu、 Au、 Ag或者Pt等金屬形成的單層金屬電極，也可以為Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr 或者Cu/Al等金屬合金形成的雙層金屬電極，同時也可以由TiN、 TaN、 ITO或者IZO等導(dǎo)電金 屬化合物制成。所述上電極還可以是金屬、金屬合金和導(dǎo)電金屬化合物中任意兩種或三種形 成的合金?？梢岳斫?，所述上電極還可以由其他導(dǎo)電材料制成。
所述上電極可以采用電子束蒸發(fā)、濺射等物理汽相沉積或者化學(xué)汽相沉積的方法形成。 本發(fā)明二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法簡單、成本低并且與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容， 在電極上形成金屬摻雜的二元金屬氧化物作為電阻轉(zhuǎn)變存儲層，再對電阻轉(zhuǎn)變存儲層進行退 火處理， 一方面可以使二元金屬氧化物薄膜結(jié)晶，另外還可以在二元金屬氧化物中形成大量 的金屬缺陷，在器件第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時，不再需要一個高的操作電壓來激活器 件，從而可以消除Forming現(xiàn)象。 實施例2
圖3為本發(fā)明實施例二元金屬氧化物阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，該二元 金屬氧化物阻變存儲器包括包括襯底301，設(shè)置于襯底301上的下電極302，設(shè)置于下電極302 上的電阻轉(zhuǎn)變存儲層，以及設(shè)置于電阻轉(zhuǎn)變存儲層上的上電極306。所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層包 括第一金屬氧化物薄膜303、第二金屬氧化物薄膜305以及設(shè)置于第一金屬氧化物薄膜303和 第二金屬氧化物薄膜305之間的金屬薄膜304，所述第一金屬氧化物薄膜303和第二金屬氧化 物薄膜305內(nèi)具有金屬缺陷。所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層的厚度為20納米 200納米，所述金屬薄膜 304的厚度為1納米 10納米。所述第一金屬氧化物薄膜303和第二金屬氧化物薄膜305的厚度范圍分別為10納米 100納米，所述第一金屬氧化物薄膜303和第二金屬氧化物薄膜305的厚 度可以相同，也可以不相同。
本發(fā)明二元金屬氧化物阻變存儲器通過所述金屬氧化物薄膜內(nèi)的金屬缺陷即金屬陷阱捕 獲以及釋放電子來完成高低阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換。所述金屬氧化物薄膜上形成金屬薄膜并在經(jīng)過退 火處理后，可以在金屬氧化物薄膜中形成大量陷阱，從而消除阻變存儲器產(chǎn)生的Forming現(xiàn) 象。
本發(fā)明二元金屬氧化物阻變存儲器的結(jié)構(gòu)簡單，所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧 化物薄膜內(nèi)具有金屬缺陷，可以消除Forming現(xiàn)象。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之 內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法，其特征在于，該制作方法包括以下步驟步驟一在襯底上形成下電極；步驟二在所述下電極上形成金屬摻雜的二元金屬氧化物薄膜作為電阻轉(zhuǎn)變存儲層；步驟三在惰性氣體的環(huán)境下并于100℃～1000℃下對所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層進行退火處理；步驟四在所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層上形成上電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法，其特征在于，所述步驟 二包括以下步驟在所述下電極上形成第一金屬氧化物薄膜；在所述第一金屬氧化物薄膜上 形成金屬薄膜；在所述金屬薄膜上形成第二金屬氧化物薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法，其特征在于，所述第一 金屬氧化物薄膜或者第二金屬氧化物薄膜的材料為氧化鋯、氧化銅、氧化鉿、氧化鎳、氧化 鋁或者氧化鋅。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法，其特征在于，所述金屬 薄膜由Cu、 Au、 Ag、 Fe、 Co、 Ni、 Cr和Ti中的一種或者幾種組合制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法，其特征在于，所述下電 極或者上電極由金屬材料、金屬合金材料和導(dǎo)電金屬化合物中的一種或者幾種制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法，其特征在于，所述金屬材料為Cu、 Au、 Ag或者Pt。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法，其特征在于，所述金屬 合金材料為Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr或者Cu/Al 。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二元金屬氧化物阻變存儲器的制作方法，其特征在于，所述導(dǎo)電 金屬化合物為TiN、 TaN、 IT0或者IZ0。
9.一種二元金屬氧化物阻變存儲器，包括上電極、下電極以及位于所述上電極和下電極 之間的電阻轉(zhuǎn)變存儲層，所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層包括第一金屬氧化物薄膜、第二金屬氧化物薄 膜以及設(shè)置于所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物薄膜之間的金屬薄膜，其特征在于 ，所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物薄膜內(nèi)具有金屬缺陷。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的二元金屬氧化物阻變存儲器，其特征在于，所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層 的厚度為20納米 200納米，所述金屬薄膜的厚度為1納米 10納米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二元金屬氧化物阻變存儲器及其制作方法，屬于信息存儲技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括在襯底上形成下電極；在所述下電極上形成電阻轉(zhuǎn)變存儲層；在惰性氣體的環(huán)境下并于100℃～1000℃下對所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層進行退火處理；在所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層上形成上電極即可。本發(fā)明的制作方法簡單、成本低并且與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，采用金屬摻雜的二元金屬氧化物作為電阻轉(zhuǎn)變存儲層，再經(jīng)過退火處理，不僅可以使二元金屬氧化物薄膜結(jié)晶，而且還可以在二元金屬氧化物中形成大量的金屬缺陷，在器件第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時，不再需要一個高的操作電壓來激活器件，從而可以消除Forming現(xiàn)象。
文檔編號H01L45/00GK101587937SQ200910302938
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者明 劉, 琦 劉, 左青云, 森 張, 李穎弢, 琴 王, 艷 王, 龍世兵 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所