專利名稱：一種自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的p／n型疊層阻變存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子器件中非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的制備工藝，特別是一種自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P/N 型疊層阻變存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)的發(fā)展，信息存儲(chǔ)器件在生活中體現(xiàn)出越來越重要的地位，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器如SRAM、DRAM、FLASH正面臨著難以克服的尺寸極限的挑戰(zhàn)，同時(shí)，另一種新生的存儲(chǔ)概念被逐漸的認(rèn)為是未來存儲(chǔ)器件的發(fā)展方向-RRAM。RRAM是一種以電阻狀態(tài)代表二進(jìn)制的新型存儲(chǔ)理念，具有非揮發(fā)性、器件單元小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、擦寫速度快、可重復(fù)擦寫周期多以及與傳統(tǒng)CMOS制造工藝兼容性高等優(yōu)點(diǎn)，目前正被廣泛的研究。這種存儲(chǔ)理念是基于電激發(fā)下，某些材料會(huì)發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象為前提，通過施加適當(dāng)?shù)碾妷簽槭侄?，改變?dāng)前材料電阻阻值為目的，最終達(dá)到儲(chǔ)存信息的一種方式。細(xì)絲阻變的原理在于導(dǎo)電細(xì)絲的產(chǎn)生和斷裂。在初始情況下，介質(zhì)層內(nèi)并無導(dǎo)電細(xì)絲的存在，所以為了使導(dǎo)電細(xì)絲形成，則需要一個(gè)初始化的細(xì)絲形成過程(electroforming)。根據(jù)目前文獻(xiàn)研究報(bào)道,細(xì)絲形成的原理主要是電極金屬離子或是介質(zhì)層內(nèi)的氧空位在介質(zhì)層中由于電場(chǎng)作用而遷移，從而形成導(dǎo)電通道，這樣的通道能在另一電壓作用下被破壞。文獻(xiàn)研究表明，在電極端凸起部位的電場(chǎng)強(qiáng)度要高于平坦部位的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此目前有人為加入金屬納米晶的方式增強(qiáng)器件性能。具體方式為在電極層之間通過電子束蒸發(fā)產(chǎn)生一層幾個(gè)納米的金屬層，然后通過快速熱退火處理形成金屬納米晶，目的是在發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變的時(shí)候能夠通過控制金屬納米晶的數(shù)量以及大小來控制導(dǎo)電通道產(chǎn)生的位置以及數(shù)量，從而達(dá)到對(duì)阻變的可控性。但是目前仍存在一些問題，首先這種方式制備的納米晶隨機(jī)性很大，納米晶的數(shù)量以及尺寸很難控制，這就導(dǎo)致導(dǎo)電通道在大小、數(shù)量上的不穩(wěn)定性；其次，目前制備金屬納米晶的工藝條件復(fù)雜，形成穩(wěn)定金屬納米晶的參數(shù)尚未完全掌握；最后，基于導(dǎo)電橋理論或者氧空位理論的阻變存儲(chǔ)器能夠降低功耗，特別是加入金屬納米晶的阻變存儲(chǔ)器能進(jìn)一步降低功耗，提聞擦與速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在問題，提供一種自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P / N型疊層阻變存儲(chǔ)器，該阻變存儲(chǔ)器為嵌入式金屬納米晶阻變存儲(chǔ)器，能夠滿足低功耗、高讀寫速度、穩(wěn)定性能好的要求，且工藝簡(jiǎn)單、制造成本低。本發(fā)明的技術(shù)方案一種自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P / N型疊層阻變存儲(chǔ)器，利用金屬納米晶作為導(dǎo)電通道的誘導(dǎo)因素，由下電極、誘導(dǎo)層I、誘導(dǎo)層II和上電極依次疊層構(gòu)成，下電極為在正向電場(chǎng)作用下易于被氧化為金屬離子的金屬，誘導(dǎo)層I為N型氧化物，誘導(dǎo)層II為P型氧化物，上電極為在電場(chǎng)作用下性質(zhì)穩(wěn)定的金屬或?qū)щ娀衔?，下電極、誘導(dǎo)層I、誘導(dǎo)層II和上電極的厚度分別為5-200nm。所述在正向電場(chǎng)作用下易于被氧化為金屬離子的金屬為銅、銀、鐵、鋅或鎳。所述N型氧化物功率為50-300W下制備的氧化鈦或摻雜質(zhì)量為1_10%磷的二氧化
硅。 所述P型氧化物為5-15%氧氣分壓下制備的氧化鎳或摻雜質(zhì)量為1-10%硼的二氧化硅。所述在電場(chǎng)作用下性質(zhì)穩(wěn)定的金屬為鉬、銥或釕，導(dǎo)電化合物為氮化鈦或氧化銦錫。所述下電極在電場(chǎng)強(qiáng)度為5-500M V/m的正向電場(chǎng)作用下在誘導(dǎo)層I中自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒，在對(duì)下電極加反向負(fù)偏壓時(shí)變成低電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“I”的操作，在對(duì)下電極加正向或反向偏壓時(shí)變成高電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“O”的操作。本發(fā)明的工作機(jī)理在通常的嵌入金屬納米晶的阻變器件中，往往用工藝的方式人為的加入金屬納米晶，在電極或者阻變層中加入一層幾個(gè)納米厚度的金屬顆粒，然后通過退火或者是氧化再還原的方式制備金屬納米晶顆粒。但是這種方式制備的納米晶隨機(jī)性很大，納米晶的數(shù)量以及尺寸很難控制，導(dǎo)致導(dǎo)電通道在大小和數(shù)量上的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致器件的性能很不穩(wěn)定?；谝陨峡紤]，本發(fā)明采用P型與N型的疊層結(jié)構(gòu)，利用金屬納米晶作為導(dǎo)電通道的誘導(dǎo)因素，在下電極上加正向偏壓，于是會(huì)在N型區(qū)形成金屬離子A +的富集區(qū)域，由于N型區(qū)域中存在多數(shù)載流子電子e_，金屬離子A +與電子發(fā)生還原反應(yīng)還原成金屬A，金屬A富集成為金屬A的納米晶顆粒，此時(shí)PN結(jié)兩端反向偏壓，在N區(qū)與耗盡區(qū)有不能移動(dòng)的帶正電的空穴，抑制A +的擴(kuò)散，使納米晶顆粒只在N區(qū)的非耗盡區(qū)和底電極之間生長(zhǎng)，存在金屬A的納米晶顆粒的電極能夠顯著改善器件穩(wěn)定性與功耗。本發(fā)明的有益效果在誘導(dǎo)層I是摻雜質(zhì)量為1-10%磷的二氧化硅或者濺射功率為50-300W的N型氧化物為氧化鈦的情況下，其能夠有效控制電子濃度，從而控制納米晶顆粒形成的數(shù)量；此外由于電子的分布是均勻性的，因而形成的金屬納米晶顆粒的均勻性要比普通人為外加工藝制備的金屬納米晶顆粒更均勻；當(dāng)在下電極表面形成均勻金屬A的納米晶顆粒之后，在對(duì)下電極加反向的負(fù)偏壓時(shí)，有納米晶顆粒的部分由于電場(chǎng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，導(dǎo)電通道首先在這里形成導(dǎo)通，器件此時(shí)處于低阻態(tài)；當(dāng)對(duì)下電極施加另一 1-10V的正向或者負(fù)向電壓時(shí)，導(dǎo)電通道變成斷開狀態(tài)，器件恢復(fù)到高阻態(tài)，導(dǎo)電通道的形成與斷開發(fā)生在有納米晶的部位。因此通過控制金屬納米晶的數(shù)量和直徑，可以有效的控制器件電壓和電流的波動(dòng)，提高存儲(chǔ)器的可控性。


附圖為該阻變存儲(chǔ)器自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒狀態(tài)示意圖。圖中1.下電極2.誘導(dǎo)層I 3.誘導(dǎo)層II 4.上電極5.金屬納米晶顆粒
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I :該阻變存儲(chǔ)器，如附圖所示，包括下電極I、誘導(dǎo)層12、誘導(dǎo)層113、上電極4和誘導(dǎo)層12中自發(fā)形成金屬納米晶顆粒5 ;下電極選用50nm的銅金屬,誘導(dǎo)層I選用IOOnm的摻雜質(zhì)量為3%磷的二氧化硅，誘導(dǎo)層II選用IOOnm的摻雜質(zhì)量為3%硼的二氧化硅；上電極選用50nm鉬金屬。該阻變存儲(chǔ)器的制備步驟如下I)利用PVD(physical vapor deposition)沉積下電極,其為50nm厚的金屬銅；2)利用PVD(physical vapor deposition)沉積誘導(dǎo)層I摻雜質(zhì)量為3%磷的二氧化硅，其厚度為IOOnm;3)利用PVD(physical vapor deposition)沉積誘導(dǎo)層II摻雜質(zhì)量為3%硼的二 氧化硅，其厚度為IOOnm;4)利用電子束蒸發(fā)(electron beam evaporation)沉積上電極,其為50nm厚的金屬鉬。對(duì)上述阻變存儲(chǔ)器銅電極加偏壓，鉬電極接地。先加5V的偏壓，附圖為該阻變存儲(chǔ)器自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒狀態(tài)示意圖，由于PN結(jié)的存在而在誘導(dǎo)層I中自發(fā)形成金屬納米晶顆粒，從而不用人為添加金屬納米晶顆粒，減少了人為因素引起的波動(dòng)性。。然后對(duì)銅電極加一 5V偏壓使其變成低電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“I”的操作，以及對(duì)銅電極加2V或者一 2V的偏壓使其變成高電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“O”的操作。實(shí)施例2 該阻變存儲(chǔ)器，如附圖所示，包括下電極I、誘導(dǎo)層12、誘導(dǎo)層113、上電極4和誘導(dǎo)層12中自發(fā)形成金屬納米晶顆粒5 ;下電極選用50nm的銅金屬,誘導(dǎo)層I選用IOOnm氧化鈦，誘導(dǎo)層II選用IOOnm的氧化鎳；上電極選用50nm鉬金屬。該阻變存儲(chǔ)器的制備步驟如下I)利用PVD(physical vapor deposition)沉積下電極,其為50nm厚的金屬銅；2)利用直流磁控濺射法沉積誘導(dǎo)層I氧化鈦，工藝參數(shù)為100W的功率，工作壓強(qiáng)為IPa，氧分壓為5%，溫度為300K，其厚度為IOOnm ；3)利用直流磁控濺射法沉積誘導(dǎo)層II氧化鎳，工藝參數(shù)為120W的功率，工作壓強(qiáng)為IPa，氧分壓為10%，溫度為300K，其厚度為IOOnm ；4)利用電子束蒸發(fā)(electron beam evaporation)沉積上電極,其為50nm厚的金屬鉬。對(duì)上述阻變存儲(chǔ)器銅電極加偏壓，鉬電極接地。先加5V的偏壓，附圖為該阻變存儲(chǔ)器自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒狀態(tài)示意圖，由于PN結(jié)的存在而在誘導(dǎo)層I中自發(fā)形成金屬納米晶顆粒，從而不用人為添加金屬納米晶顆粒，減少了人為因素引起的波動(dòng)性。。然后對(duì)銅電極加一 5V偏壓使其變成低電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“I”的操作，以及對(duì)銅電極加2V或者一 2V的偏壓使其變成高電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“O”的操作。該阻變存儲(chǔ)器充分利用了上述阻變材料的穩(wěn)定阻變特性、高可靠性。除上述實(shí)施例阻變存儲(chǔ)器外，利用上述阻變特性的材料，還可以構(gòu)造其他器件結(jié)構(gòu)。以上所述僅為發(fā)明的較佳實(shí)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)。
權(quán)利要求
1.一種自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P / N型疊層阻變存儲(chǔ)器，其特征在于由下電極、誘導(dǎo)層I、誘導(dǎo)層II和上電極依次疊層構(gòu)成，下電極為在正向電場(chǎng)作用下易于被氧化為金屬離子的金屬，誘導(dǎo)層I為N型氧化物，誘導(dǎo)層II為P型氧化物，上電極為在電場(chǎng)作用下性質(zhì)穩(wěn)定的金屬或?qū)щ娀衔?，下電極、誘導(dǎo)層I、誘導(dǎo)層II和上電極的厚度分別為5-200nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P/ N型疊層阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述在正向電場(chǎng)作用下易于被氧化為金屬離子的金屬為銅、銀、鐵、鋅或鎳。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P/ N型疊層阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述N型氧化物功率為50-300W下制備的氧化鈦或摻雜質(zhì)量為1-10%磷的二氧化硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P/ N型疊層阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述P型氧化物為5-15%氧氣分壓下制備的氧化鎳或摻雜質(zhì)量為1-10%硼的二氧化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P/ N型疊層阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述在電場(chǎng)作用下性質(zhì)穩(wěn)定的金屬為鉬、銥或釕，導(dǎo)電化合物為氮化鈦或氧化銦錫。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P/ N型疊層阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述下電極在電場(chǎng)強(qiáng)度為5-500M V/m的正向電場(chǎng)作用下在誘導(dǎo)層I中自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒，在對(duì)下電極加反向負(fù)偏壓時(shí)變成低電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“I”的操作，在對(duì)下電極加正向或反向偏壓時(shí)變成高電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“O”的操作。
全文摘要
一種自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒的P／N型疊層阻變存儲(chǔ)器，由下電極、誘導(dǎo)層I、誘導(dǎo)層II和上電極依次疊層構(gòu)成，下電極為在正向電場(chǎng)作用下易于被氧化為金屬離子的金屬，誘導(dǎo)層I為N型氧化物，誘導(dǎo)層II為P型氧化物，上電極為在電場(chǎng)作用下性質(zhì)穩(wěn)定的金屬或?qū)щ娀衔?；所述下電極在正向電場(chǎng)作用下在誘導(dǎo)層I中自發(fā)生長(zhǎng)金屬納米晶顆粒，在對(duì)下電極加反向負(fù)偏壓時(shí)變成低電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“1”的操作，而對(duì)下電極加正向或反向偏壓時(shí)變成高電阻從而進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“0”的操作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該阻變存儲(chǔ)器利用金屬納米晶作為導(dǎo)電通道的誘導(dǎo)因素，通過誘導(dǎo)層I控制納米晶形成的數(shù)量，可有效控制器件電壓和電流的波動(dòng)，提高存儲(chǔ)器的可控性。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102903847SQ20121041061
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者趙金石, 邵興隆 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)