一種具有選擇特性的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有選擇特性的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。本發(fā)明的阻變存儲(chǔ)器包括：頂電極、底電極以及二者之間的功能層；其中，功能層包括第一氧化層和第二氧化層；第一氧化層為靠近頂電極的完全配比的氧化層；第二氧化層為靠近底電極的非完全配比的氧化層。本發(fā)明采用分兩次淀積功能層，形成具有氧組分不同的兩層氧化層的功能層，靠近頂電極為完全配比的氧化層，而靠近底電極為非完全配比的氧化層；在頂電極與完全配比的氧化層之間勢(shì)壘會(huì)明顯提高，電子只能靠肖特基發(fā)射實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，低阻態(tài)具有非線性，器件具有選擇特性。本發(fā)明在有效抑制誤讀現(xiàn)象的情況下，無(wú)需串聯(lián)專門的選擇管，工藝簡(jiǎn)單，成本低；并且與現(xiàn)有工藝兼容，有利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】一種具有選擇特性的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及阻變存儲(chǔ)器，具體涉及一種具有選擇特性的阻變存儲(chǔ)器(resistiverandom access memory)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，阻變存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)器領(lǐng)域占據(jù)著越來(lái)越重要的地位，它是一種基于阻值變化來(lái)記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件。目前量產(chǎn)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件主要是閃存(flash memory)o但是隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,讀寫速度過(guò)慢,開(kāi)關(guān)電壓過(guò)大,尺寸無(wú)法繼續(xù)縮小使閃存(flash)無(wú)法取得更大突破。在這種情況下，新型非揮發(fā)存儲(chǔ)器件受到廣泛關(guān)注，阻變存儲(chǔ)器是其中的典型代表。阻變存儲(chǔ)器的工作原理是在電壓或電流的激勵(lì)下發(fā)生阻態(tài)的變化，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。同閃存(flash)相比，阻變存儲(chǔ)器的開(kāi)關(guān)速度、功耗、制造成本都有很大改進(jìn)。但是在實(shí)際的陣列應(yīng)用中，存在著嚴(yán)重的誤讀現(xiàn)象，外圍電路無(wú)法正確分辨器件的阻態(tài)變化。為了防止誤讀現(xiàn)象的發(fā)生，每一個(gè)存儲(chǔ)單元都要串聯(lián)一個(gè)具有選擇特性的二極管或MOS管，這會(huì)大大增加工藝的復(fù)雜性，提高產(chǎn)品成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明一種基于氧化鉭實(shí)現(xiàn)具有選擇特性的存儲(chǔ)器及其制備方法，在有效抑制誤讀現(xiàn)象的情況下，無(wú)需串聯(lián)專門的選擇管，簡(jiǎn)化了工藝步驟，降低了成本。
[0004]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器。
[0005]本發(fā)明的具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器包括:頂電極、底電極以及在二者之間的功能層；其中，功能層包括第一氧化層和第二氧化層；第一氧化層為靠近頂電極的完全配比的氧化層；第二氧化層為靠近底電極的非完全配比的氧化層。
[0006]頂電極和底電極分別采用鉬Pt。功能層采用氧化鉭，靠近頂電極的第一氧化層氧組分充足，形成完全配比的Ta2O5氧化層，靠近底電極的第二氧化層氧組分不足，形成非完全配比的TaOx氧化層；其中X為氧與鉭的原子數(shù)比，X的范圍在I?2之間。
[0007]本發(fā)明的阻變存儲(chǔ)器，制備在襯底上，襯底采用硅，并且在底電極與襯底之間具有絕緣層。器件單元為金屬-絕緣體-金屬M(fèi)M電容結(jié)構(gòu)，采用上下層狀結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明的功能層分兩次淀積，兩次淀積的氬氧比不同，通過(guò)控制氬氧比，實(shí)現(xiàn)組成不同的兩層氧化層，形成具有兩層氧化層的功能層，從而控制器件的電學(xué)特性?？拷旊姌O的氧組分充足，而靠近底電極的氧組分不足，從而在頂電極與完全配比的氧化層之間勢(shì)壘會(huì)明顯提高，電子只能靠肖特基發(fā)射實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，所以低阻態(tài)具有非線性，器件具有選擇特性。在實(shí)際操作中，器件的底電極接地，頂電極接正電壓時(shí)，器件向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變；頂電極接負(fù)電壓時(shí)，器件向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變。
[0009]頂電極的厚度在170nm?200nm之間。底電極的厚度在170nm?200nm之間。
[0010]第一氧化層的厚度在15nm?20nm之間。第二氧化層的厚度在15nm?20nm之間。[0011]阻變存儲(chǔ)器的尺寸在在2umX 2um?IOumX IOum之間。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器的制備方法。
[0013]本發(fā)明的具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器的制備方法，包括以下步驟:
[0014]I)采用物理氣相淀積方法PVD在襯底上淀積金屬材料，厚度在170nm?200nm之間，并采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)使底電極圖形化，剝離定義底電極；
[0015]2)利用電子束光刻，在底電極上形成光刻膠圖形，利用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)15nm?20nm厚度的氧化層，通過(guò)控制氬氧比，氬與氧的摩爾數(shù)比在2:1?3:2之間，形成缺氧的非完全配比的第二氧化層；
[0016]3)利用反應(yīng)磁控派射技術(shù)生長(zhǎng)15nm?20nm厚度的氧化層,通過(guò)增加氧成分,最后在表面進(jìn)行短時(shí)間的快速熱退火，形成完全配比的第一氧化層；
[0017]4)通過(guò)光刻，反應(yīng)離子刻蝕RIE刻蝕定義底電極的引出通孔；
[0018]5)采用PVD方法淀積金屬材料，厚度在170nm?200nm之間，通過(guò)光刻、剝離定義頂電極，同時(shí)將底電極引出。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0020]本發(fā)明采用分兩次淀積功能層，形成具有氧組分不同的兩層氧化層的功能層，靠近頂電極為完全配比的氧化層，而靠近底電極為非完全配比的氧化層；在頂電極與完全配比的氧化層之間勢(shì)壘會(huì)明顯提高，電子只能靠肖特基發(fā)射實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，所以低阻態(tài)具有非線性，器件具有選擇特性。本發(fā)明基于肖特基發(fā)射理論，通過(guò)調(diào)節(jié)氧的組分，來(lái)控制器件的電學(xué)特性，在有效抑制誤讀現(xiàn)象的情況下，無(wú)需串聯(lián)專門的選擇管，簡(jiǎn)化了工藝步驟，降低了成本；并且與現(xiàn)有工藝兼容，有利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的阻變存儲(chǔ)器的電流-電壓特性曲線圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器的電流-電壓特性曲線圖；
[0023]圖3至圖9為本發(fā)明的具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器的制備方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的阻變存儲(chǔ)器的電流-電壓特性曲線圖，如圖1所示，傳統(tǒng)的阻變存儲(chǔ)器在設(shè)置后，電流隨電壓變化是一條直線，也就是說(shuō)電阻值不變。
[0026]圖2為本發(fā)明的具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器的電流-電壓特性曲線圖，雙層結(jié)構(gòu)在設(shè)置之后，電流隨電壓的曲線是非線性的，也就是說(shuō)電阻值隨電壓變化，具有選擇特性。如圖2所示，a為器件在正向電壓的激勵(lì)下由高阻態(tài)向低阻態(tài)的躍變過(guò)程；b為低阻態(tài)隨電壓的變化過(guò)程，c為器件在負(fù)向電壓的激勵(lì)下由低阻態(tài)向高阻態(tài)的躍變過(guò)程；d為高阻態(tài)隨電壓的變化過(guò)程。在實(shí)際操作中，器件的底電極接地，頂電極接正電壓時(shí)，器件向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變；頂電極接負(fù)電壓時(shí)，器件向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變。
[0027]如圖9所示，本實(shí)施例的具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器包括:頂電極1、底電極4以及二者之間的功能層；其中，功能層包括第一氧化層2和第二氧化層3 ;第一氧化層2為靠近頂電極的完全配比的氧化層；第二氧化層3為靠近底電極的非完全配比的氧化層。其中，兩條虛線之間的部分為功能區(qū)。
[0028]頂電極I和底電極4采用Pt，第一氧化層2為非完全配比的TaOx,第二氧化層3為完全配比的Ta2O5，其中，X為0:Ta的原子數(shù)比，I≤ x≤ 2。本實(shí)施例中，x=l.5。
[0029]本實(shí)施例的具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器的制備方法，包括以下步驟:
[0030]I)提供硅片作為襯底5，如圖3所示，在襯底5上生長(zhǎng)SiO2作為絕緣層，再在該絕緣層上濺射5nm的Ti層作為粘附層6，如圖4所示，采用物理氣相淀積PVD方法在襯底上淀積Pt，厚度為200nm，并采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)使底電極4的圖形，如圖5所示；
[0031]2)利用電子束光刻，在底電極上形成光刻膠圖形，利用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)20nm厚度的氧化層，通過(guò)控制氬氧比，氬與氧的摩爾數(shù)比為3.5: 2，形成缺氧的非完全配比的TaOx第二氧化層3，如圖6所示；
[0032]3)利用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)15nm厚度的氧化層，通過(guò)增加氧成分，氬與氧的摩爾數(shù)比為1:1，最后在表面進(jìn)行短時(shí)間的快速熱退火，形成完全配比的Ta2O5第一氧化層2，如圖7所示；
[0033]4)通過(guò)光刻，RIE刻蝕定義底電極的引出通孔，如圖8所示；
[0034]5)采用PVD方法淀積Pt，厚度為200nm，通過(guò)常規(guī)工藝的光刻、剝離定義頂電極1，同時(shí)將底電極引出，如圖9所示。
[0035]最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，·本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變存儲(chǔ)器包括:頂電極(I)、底電極(4)以及在二者之間的功能層；其中，功能層包括第一氧化層(2)和第二氧化層(3);所述第一氧化層(2)為靠近頂電極的完全配比的氧化層；所述第二氧化層(3)為靠近底電極的非完全配比的氧化層；功能層采用氧化鉭，靠近頂電極的第一氧化層(2)氧組分充足，形成完全配比的Ta2O5氧化層，靠近底電極的第二氧化層(3 )氧組分不足，形成非完全配比的TaOx氧化層；其中X為氧與鉭的原子數(shù)比。
2.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述氧與鉭的原子數(shù)比X的范圍在I?2之間。
3.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述頂電極(I)和底電極(4)分別采用鉬Pt。
4.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述頂電極(I)的厚度在170nm?200nm之間；所述底電極(4)的厚度在170nm?200nm之間。
5.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第一氧化層的厚度在15nm?20nm之間；所述第二氧化層的厚度在15nm?20nm之間。
6.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變存儲(chǔ)器的尺寸在在2umX2um ?IOumX IOum 之間。
7.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變存儲(chǔ)器制備在襯底(5)上，襯底采用硅，并且在底電極(4)與襯底之間具有絕緣層。
8.—種權(quán)利要求1所述的具有選擇特性阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)采用物理氣相淀積方法PVD在襯底上淀積金屬材料，厚度在170nm?200nm之間，并采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)使底電極圖形化，剝離定義底電極； 2)利用電子束光刻，在底電極上形成光刻膠圖形，利用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)15nm?20nm厚度的氧化層，通過(guò)控制氬氧比，形成缺氧的非完全配比的第二氧化層； 3 )利用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)15nm?20nm厚度的氧化層，通過(guò)增加氧成分，最后在表面進(jìn)行短時(shí)間的快速熱退火，形成完全配比的第一氧化層； 4)通過(guò)光刻，反應(yīng)離子刻蝕RIE刻蝕定義底電極的引出通孔； 5)采用PVD淀積金屬材料，厚度在170nm?200nm之間，通過(guò)光刻、剝離定義頂電極，同時(shí)將底電極引出。
9.如權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，氬與氧的摩爾數(shù)比在2:1?3:2之間。
【文檔編號(hào)】H01L45/00GK103682095SQ201310717874
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】黃如, 李強(qiáng), 蔡一茂, 劉業(yè)帆, 潘岳, 余牧溪 申請(qǐng)人:北京大學(xué)