專利名稱：一種具有金屬納米晶電極的阻變存儲器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無機阻變存儲器及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的非易失性存儲器——FLASH器件面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，這體現(xiàn)在其擦寫速度的不足以及無法進一步等比例縮小尺寸等帶來問題。在這種情況下，阻變存儲器因其結(jié)構(gòu)簡單、擦寫速度快、低功耗和易于大規(guī)模集成的特點受到了廣泛的關(guān)注，成為了下一代非揮發(fā)性存儲器的強有力候選者。阻變存儲器具有兩種可辨別的狀態(tài)高電阻態(tài)(HRS)和低電阻態(tài)(LRS)，這種存儲器的結(jié)構(gòu)單元是一種類似平板電容器的MIM結(jié)構(gòu)，一般是兩層金屬夾著中間的絕緣層，目前研究中該絕緣層多為二元金屬氧化物材料。當RRAM兩端施加一個電脈沖時，根據(jù)電脈沖的高度、寬度和極性，器件絕緣層的電阻可以發(fā)生幾個數(shù)量級的可逆變化，這就是一種電阻開關(guān)特性。RRAM (阻變存儲器)的存儲機制是基于電阻高低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)0和1的存儲，其阻變機制種類繁多，目前比較公認的有細絲(filament)導(dǎo)電理論及積累電荷阻變理論兩大類。其中，基于細絲導(dǎo)電理論的阻變，其穩(wěn)定性受到很多因素的影響，主要有阻變材料本身的構(gòu)成以及穩(wěn)定性，電極材料和阻變層的接觸問題，以及SET和RESET的操作方式。目前阻變存儲器面臨的一個關(guān)鍵性難題是如何解決高阻態(tài)和低阻態(tài)阻值的不穩(wěn)定性。實驗顯示，高低阻態(tài)的統(tǒng)計結(jié)果都表現(xiàn)出一定的離散型。由細絲導(dǎo)電理論，阻態(tài)的轉(zhuǎn)變和阻變層中導(dǎo)電通路的形成和消失有關(guān)，然而導(dǎo)電通路在阻變層中的形成和斷裂具有很大的隨機性。例如，相同的兩次電壓脈沖操作，在同一器件的阻變層中形成的導(dǎo)電通路可能有很大不同，具有很大程度的隨機性。這源于傳統(tǒng)RRAM的平板電容結(jié)構(gòu)，阻變層內(nèi)的電場分布是均勻的，然而導(dǎo)電通路的形成和消失往往是電場相關(guān)的，所以導(dǎo)電通路在電極之間各處出現(xiàn)的概率基本相同，這就導(dǎo)致了阻變層中電流通路分布的隨機性，不利于電阻轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定。因此，如果制備具有尖峰圖形的電極，利用尖峰電極處電場強度高于其他地方的特性，會極大的提高尖峰電極處導(dǎo)電通路形成的概率，從而使器件的重復(fù)性、穩(wěn)定性得到很大的提高。同時，尖峰處高的電場強度使得器件的操作電壓得到降低，一定程度上降低了器件的功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種具有良好重復(fù)性和穩(wěn)定性的無機RRAM器件及其制備方法。本發(fā)明提出的無機RRAM器件，包括依次迭合的襯底、底電極、無機介質(zhì)層和頂電極；其中，底電極上分布有納米金屬晶粒，該納米金屬晶粒尺寸在2 30nm之間，形成底電極的尖峰形狀，該尖峰形狀為球形、橢球形、錐形或圓柱形；頂電極為平整形狀。本發(fā)明提出的具有尖峰狀底電極、平整頂電極的無機RRAM器件，使介質(zhì)層中的電場具有一定的分布，而尖峰處的電場為最大值，使得尖峰處最有利于形成導(dǎo)電細絲，從而增強基于細絲導(dǎo)電的RRAM器件的重復(fù)性、穩(wěn)定性和開關(guān)電流比。本發(fā)明提出的無機RRAM器件的制備方法，具體步驟如下
1、使用已經(jīng)過清洗、烘干的單晶硅作為襯底，采用熱生長法在襯底上生長一層SW2；
2、采用PVD技術(shù)或真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)大面積淀積底電極；
3、采用PVD方法淀積另一層金屬薄膜，厚度廣5nm；
4、利用金屬薄膜快速熱退火工藝對金屬薄膜進行氮氣環(huán)境的快速熱退火，使金屬薄膜分散形成具有一定大小和形狀的納米金屬晶粒，從而得到具有尖峰狀的底電極；或者利用拉LB膜的方法或者采用金屬納米顆粒的化學(xué)分散法，使底電極上分布有納米金屬晶粒，從而得到具有尖峰狀的底電極；
5、采用ALD技術(shù)生長一層阻變層材料；
6、采用CMP技術(shù)，將阻變層上表面平整化；
7、利用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，通過蒸發(fā)金屬并借助圓點狀掩膜版，形成圓點狀頂電極，從而最終形成具有尖峰狀底電極、平整頂電極的無機阻變存儲器。本發(fā)明中，底電極材料為多晶硅，或者為金屬Ru、Pd、Ti、Au、Ag、Pt、Ni、Cu或者 TiN,或者為上述金屬材料的合金材料，淀積技術(shù)采用真空鍍膜技術(shù)或者PVD技術(shù)。本發(fā)明中，底電極每個尖峰圖形的尺寸(即納米金屬晶粒的尺寸)在纊30nm之間， 尖峰的形狀為球形，橢球形，錐形，圓柱形，所述阻變層材料的厚度為l(Tl00nm。本發(fā)明中，步驟(3)所述的金屬薄膜材料為Pd、Ru、Ti、Au、Ag、Pt、Ni或Cu。本發(fā)明中，所述阻變存儲器的底電極制備工藝采用金屬薄膜快速熱退火工藝，或者采用LB (Langmuir-Blodgett)法制備單層納米金屬顆粒工藝，和金屬納米顆粒的化學(xué)分散法。本發(fā)明中，RRAM器件頂電極采用金屬Pt、Ti、Pd、Ni、Cu、W或TiN材料，淀積技術(shù)采用借助掩膜的真空鍍膜技術(shù)或者配合光刻的PVD技術(shù)。由于底電極為尖峰狀，施加一定電壓后，尖峰處的電場最高，故而此處介質(zhì)層最容易形成導(dǎo)電通路，可以很大程度上減小導(dǎo)電通路在阻變存儲器中形成的隨機性，從而達到阻變特性穩(wěn)定的目的。具體步驟為
1、采用常規(guī)集成電路工藝獲得無圖形的單晶硅襯底結(jié)構(gòu)樣品，采用熱生長法生長一層 20 IOOnm 的 SiO2 ；
2、采用PVD技術(shù)或真空蒸發(fā)鍍膜大面積淀積底電極，如W，膜厚2(Tl00nm；
3、采用磁控濺射PVD方法淀積一層金屬薄膜，如Pd、Pt等，厚度廣5nm；
4、利用金屬薄膜快速熱退火工藝對淀積的金屬薄膜進行氮氣環(huán)境的快速熱退火，以形成具有一定大小和形狀的金屬納米晶，退火溫度60(Γ900度，退火時間3(T90s，此時完成底電極尖峰結(jié)構(gòu)的制備；
5、采用ALD技術(shù)生長一層阻變層材料，如HfO2,厚度2(Tl00nm，
6、采用化學(xué)機械拋光技術(shù)，使阻變層上表面平整化；
7、利用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，通過蒸發(fā)金屬并借助圓點狀掩膜版，形成圓點狀金屬頂電極(材料如Ni)，電極厚度5(Tl00nm，圓點直徑50nnTlmm。從而最終形成具有尖峰狀底電極、平整頂電極的無機阻變存儲器。


圖1一圖5為工藝流程的示意圖(側(cè)視圖)。其中，圖5為最后工藝步驟形成的器件側(cè)視圖。圖中標號1為Si襯底，2為SiO2, 3為底電極Pt，4為尖峰電極Pd，5為HfO2,6為頂電極Ni，其中3和4共同構(gòu)成RRAM底電極。
具體實施例方式下面通過具體工藝步驟來進一步描述本發(fā)明
1、選取(100)晶向的P型硅片，采用標準RCA工藝對硅片進行清洗，2%的氫氟酸去除自然氧化層。采用熱生長法生長一層IOOnm厚的SiO2，如圖1 ；
2、采用真空蒸發(fā)鍍膜法大面積淀積一層IOOnm厚的Pt底電極，真空度10_5Pa，如圖2；
3、采用磁控濺射法淀積一層Pd金屬薄膜，氬氣流量35sCCm，直流功率10W，工作氣壓 0. 8Pa，襯底轉(zhuǎn)速8rpm，濺射時間5min，Pd薄膜厚度約3nm ；
4、將制備好的薄膜在氮氣環(huán)境下退火60s，退火溫度750度，形成Pd納米晶，直徑7nm 左右，如圖3 ；
5、采用ALD(原子層淀積)法生長一層HfO2介質(zhì)層，厚度30nm ；
6、采用CMP(化學(xué)機械拋光)，使阻變層上表面磨平，此時介質(zhì)薄膜厚度約20nm，如圖4 ；
7、采用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，使用金屬掩膜網(wǎng)掩膜，大面積淀積一層M頂電極，薄膜厚度lOOnm，頂電極大小50x50 μ m，真空度10_5Pa，如圖5。
權(quán)利要求
1.一種具有金屬納米晶電極的阻變存儲器，其特征在于包括依次迭合的襯底、底電極、無機介質(zhì)層和頂電極；其中，底電極上分布有納米金屬晶粒，該納米金屬晶粒尺寸在 2 30nm之間，形成底電極的尖峰形狀，該尖峰形狀為球形、橢球形、錐形或圓柱形；頂電極為平整形狀。
2.一種如權(quán)利要求1所述的無機阻變存儲器的制備方法，其特征在于具體步驟為(1)、使用已經(jīng)過清洗、烘干的單晶硅樣品，采用熱生長法生長一層SiO2；(2)、采用PVD技術(shù)或真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，大面積淀積底電極；(3)、采用磁控濺射技術(shù)或者PVD技術(shù)淀積另一層金屬薄膜，厚度為Hnm；(4)、利用金屬薄膜快速熱退火方法，對金屬薄膜進行氮氣環(huán)境的快速熱退火，使金屬薄膜分散形成具有一定大小和形狀的納米金屬晶粒，從而得到具有尖峰狀的底電極；或者利用拉LB膜的方法或者采用金屬納米顆粒的化學(xué)分散法，使底電極上分布有納米金屬晶粒，從而得到具有尖峰狀的底電極；(5)、采用ALD技術(shù)生長一層阻變層材料；(6)、采用CMP技術(shù)，將阻變層上表面平整化；(7)、利用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，形成點狀頂電極，從而最終形成具有尖峰形狀底電極、平整頂電極的無機阻變存儲器。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟(2)所述底電極材料為半導(dǎo)體材料 Si，或者為金屬Ru、Pd、Ti、Au、Ag、Pt、Ni、Cu或者TiN，或者為上述金屬材料中幾種的合金材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟(3)所述的金屬薄膜材料為Pd、 I u、Ti、Au、Ag、Pt、Ni g Cu。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟(4)所述的納米金屬晶粒尺寸在 2 30nm之間，尖峰的形狀為球形、橢球形、錐形或圓柱形。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟(5)所述的阻變層材料為Hf02、 ZnO、A1203、SiO2 或 ZrO2,厚度為 10 100nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟(7)所述頂電極材料采用金屬Pt、 Ti、Pd、Ni、Cu、W 或 TiN。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種具有金屬納米晶電極的阻變存儲器及其制備方法。金屬納米晶底電極的制備采用超薄金屬膜快速熱退火處理法、拉LB膜法或者金屬納米顆粒的化學(xué)分散法制備獲得。底電極制備完成后，依次再淀積阻變介質(zhì)層、頂電極，最終形成具備金屬納米顆粒底電極的無機RRAM器件。該存儲器的典型特征是金屬納米顆粒處的電場得到增強，施加一定電壓后與金屬納米顆粒電極接觸處的介質(zhì)層最容易形成導(dǎo)電通路，可以很大程度上減小導(dǎo)電通路在阻變存儲器中形成的隨機分布，從而達到阻變特性穩(wěn)定的目的。
文檔編號H01L45/00GK102227014SQ20111007529
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者于浩, 屈新萍, 張衛(wèi), 李炳宗, 王井舟, 茹國平, 蔣玉龍 申請人:復(fù)旦大學(xué)