一種阻變存儲器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種阻變存儲器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于電荷存儲機(jī)制的Flash存儲器隨器件尺寸的減小很難突破22納米的工藝瓶頸，無法滿足信息技術(shù)的迅速發(fā)展。于是很多新型的非易失性存儲器件應(yīng)運(yùn)而生，其中“阻變存儲器(ReRAM)”的發(fā)展引人注目，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、功耗低、讀寫速度快，單個器件尺寸可以縮小至數(shù)十納米等特點(diǎn)，是最有希望實現(xiàn)下一代高密度存儲的技術(shù)之一。
[0003]阻變存儲器的信息讀寫是依靠讀取或者改變阻變材料的電阻來實現(xiàn)的，電阻轉(zhuǎn)變功能層的電阻值在外加電壓作用下可以具有高阻態(tài)和低阻態(tài)兩種不同的狀態(tài)，可分別用來表征“O”和“ I ”兩種狀態(tài)，在不同的外加電壓條件下，阻變存儲器的電阻值在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間可以實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換，以此來實現(xiàn)信息的存儲。
[0004]目前，氧化物阻變材料得到了廣泛的研宄，如N1x、T12、ZrO2、Hf02及錳氧化物等，但由于氧化物阻變存儲器中阻變轉(zhuǎn)換參數(shù)主要由薄膜中隨機(jī)形成的局域?qū)щ娂?xì)絲的導(dǎo)通和斷開控制，所以阻變參數(shù)(主要包括開、關(guān)電壓值和開、關(guān)電阻值)分布比較彌散，難以控制，這對器件存儲信息的有效寫入和擦除來說，是個巨大的挑戰(zhàn)。因此，如何有效實現(xiàn)阻變參數(shù)一致性，是氧化物阻變存儲器能否實現(xiàn)實用化的關(guān)鍵。同時，單一的氧化物薄膜研宄中，阻變氧化物薄膜一般表現(xiàn)出較高的開啟電壓和較大的關(guān)閉電流，不利于高密度集成和低功耗操作。在此基礎(chǔ)上，氧化物疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)阻變存儲器表現(xiàn)出很好的發(fā)展?jié)摿?，不僅可以實現(xiàn)阻變轉(zhuǎn)換參數(shù)的有效控制，而且可以在一定程度上降低阻變薄膜的操作電壓，且其一般同時具有讀寫速度快、保持時間長、非破壞性讀取、功耗低等優(yōu)勢而成為阻變電阻領(lǐng)域發(fā)展的新方向。
[0005]原子層沉積(ALD)本質(zhì)上是一種特殊的化學(xué)氣相沉積(CVD)方法，是將氣相前驅(qū)體脈沖交替地通入反應(yīng)室，并在沉積基體上發(fā)生表面化學(xué)吸附反應(yīng)，從而形成薄膜的方法。前驅(qū)體在表面的化學(xué)吸附具有自限制性和自飽和性的特點(diǎn)，因此可通過反應(yīng)的循環(huán)次數(shù)來控制薄膜的厚度。相對于傳統(tǒng)沉積工藝而言，原子層沉積薄膜，可將其厚度控制在原子層量級，并且具有優(yōu)異的三維共形性和大面積均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

針對上述內(nèi)容，本發(fā)明提供一種阻變存儲器結(jié)構(gòu)及其制備方法，該存儲器具有高密度、阻變參數(shù)高可控性和一致性的特性，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
一種阻變存儲器，所述存儲器為依次由下電極、阻變層和上電極組成的疊層結(jié)構(gòu)；所述阻變層依次由上層氧化鋁薄膜、氧化鉿薄膜和下層氧化鋁薄膜構(gòu)成；所述下電極為氮化鈦。
[0006]進(jìn)一步，本發(fā)明中，上電極、上層氧化鋁薄膜、氧化鉿薄膜、下層氧化鋁薄膜和下電極的厚度依次為 50-200nm、6-20nm、6-10nm、3nm 和 30_200nm。
[0007]進(jìn)一步，本發(fā)明中，所述上電極為導(dǎo)電金屬、金屬合金或?qū)щ娊饘倩衔铩?br>[0008]進(jìn)一步，本發(fā)明中，所述導(dǎo)電金屬為Al、T1、N1、Ru、Cu、Ag、W、Au或Pt ;所述金屬合金為Pt/Ti合金、Cu/Ti合金、Cu/Au合金、或Cu/Al合金。
[0009]進(jìn)一步，本發(fā)明中，上電極的厚度為100-150nm，下電極的厚度為30nmo
[0010]如本發(fā)明所述阻變存儲器的制備方法，具體步驟如下:
A)以硅片為襯底，采用等離子體增強(qiáng)原子層沉積形成下電極TiN;
B)采用原子層沉積方法在下電極TiN上依次形成下層A1203薄膜、HfCV薄膜和上層Al2O3薄膜;
C)以直流濺射、物理氣相沉積或者光刻的方法形成上電極；
D)高純氮(99.999%)氛圍下，600°C快速退火30s，即獲得所述阻變存儲器。
[0011]說明書中所說高純氣體是指純度為99.999%的氣體。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于，HfCV薄膜與上電極之間的Al 203薄膜厚度發(fā)生改變時，阻變存儲器具有不同的阻變特性，一般隨厚度增加，高低阻比增大，因此可以通過調(diào)整HfCV薄膜與上電極之間Al2O3薄膜的厚度，使得存儲器具有不同的阻變特性；采用原子層沉積方法生長的Al2O3薄膜與HfO2薄膜均勻性、致密性及共形性較好，而且可以實現(xiàn)高深寬比的臺階覆蓋率；此外采用原子級沉積生長技術(shù)，可以實現(xiàn)阻變存儲器器件的原子層級別的控制制造工藝，并且可以精確控制阻變存儲器器件制備的準(zhǔn)確度，提高工藝的精度。
【附圖說明】
[0013]圖1為實施例一阻變存儲器件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中:1.上電極；2.上層氧化鋁薄膜；3.氧化鉿薄膜；4.下層氧化鋁薄膜；5.下電極。
[0014]圖2為實施例阻變存儲器的電流一電壓特性曲線示意圖。
[0015]圖3為實施例阻變存儲器循環(huán)性的測試圖。
[0016]圖4為實施例阻變存儲器結(jié)構(gòu)保持性的測試圖。
[0017]圖5為實施例阻變存儲器電流一電壓特性曲線。
[0018]圖6為實施例阻變存儲器隨上層氧化鋁厚度變化對開關(guān)比的影響結(jié)果示意圖。
[0019]圖7為實施例阻變存儲器以Pt作為下電極的電流一電壓特性曲線；
圖8為實施例器件的電流一電壓特性曲線。
【具體實施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式做進(jìn)一步說明。
[0021]實施例1
(I)以清潔硅片為襯底，利用等離子增強(qiáng)原子層沉積首先制備下電極TiN，具體步驟如下:
TiN生長溫度為400°C，以TiCl4、NH3的等離子體分別作為Ti和N源，其中TiC14的脈沖時間為0.1秒，載氣為高純氮(99.999%)且同時作為清洗氣，其清洗時間均為4秒；見13等離子體的載氣為高純氬(99.999%)，其脈沖時間為24秒，高純氮作為清洗氣的清洗時間為6秒，TiCl4的源溫為室溫，本實施中下電極TiN厚度為30nm。
[0022]在實際操作過程中，下電極TiN的厚度可在30_200nm之間。
[0023](2)在下電極TiN層上采用原子層沉積技術(shù)依次生長下層氧化鋁薄膜、氧化鉿薄膜、上層氧化鋁薄膜構(gòu)成的阻變層，原子層沉積工藝條件為:功能膜生長溫度為250°C，以四二甲乙胺基鉿、三甲基鋁以及二次去離子水分別作為Hf、A1和O的源，各路源的脈沖時間均為0.1秒，載氣為高純氮(99.999%)且同時作為清洗氣，其清洗時間均為4秒。四二甲乙胺基鉿源溫為150°C，三甲基鋁和H2O源溫皆為室溫。
[0024]本實施例下層Al2O3薄膜厚度為3nm ;Η??2薄膜厚度為6nm ;上層Al 203薄膜為6nm。
[0025]在實際操作過程中，HfCV薄膜厚度可在6-10nm之間，該范圍內(nèi)厚度對存儲器性能基本無影響；上層Al2O3厚度可以在3-20nm之間，所得存儲器隨厚度變化具有不同的阻變特性。
[0026](3)將Pt以直流濺射的方法形成上電極，其厚度為lOOnm。
[0027](4)高純氮(99.999%)氛圍下，用快速熱退火爐1^^-500 (北京東之星應(yīng)用物理研宄所)600°C快速退火30s，通過退火，一方面消除氧化物層殘余有機(jī)物，同時提高電極與金屬氧化物薄膜的歐姆接觸，即獲得阻變電阻器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，1.上電極，2.上層氧化鋁薄膜，3.氧化鉿薄膜，4.下層氧化鋁薄膜，5.下電極。
[0028]在實際的操作過程中，可以使用Au或Ru等導(dǎo)電金屬材料，以直流濺射、物理氣相沉積、或者光刻等工藝形成阻變存儲器上電極。
[0029]通過半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(Keithley4200-SCS Semiconduct