本發(fā)明屬于半導(dǎo)體，具體涉及一種氮化鋁基的疊層阻變存儲器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著半導(dǎo)體器件尺寸的不斷縮小，傳統(tǒng)易失性存儲器面臨著工藝?yán)^續(xù)縮放困難、可靠性無法保證與功耗過高等多個(gè)方面的技術(shù)瓶頸，難以滿足高速發(fā)展的存儲需求，具有高性能和低能耗的新型非易失性存儲器有望成為下一代主流半導(dǎo)體存儲器，其中阻變存儲器(rram)作為新興的非易失性存儲器已成為強(qiáng)有力的候選者。

2、rram器件的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的夾層結(jié)構(gòu)(mim)，由上電極、工作層和下電極組成。通常使用pt、au、ti、cu、ag或tin作為電極材料。有機(jī)物、過渡金屬氧化物、氮化物、二維材料均可作為工作層。目前，氮化物阻變材料得到了廣泛的研究，如cun、sin、aln等，其中aln作為rram的工作層具有極快的開關(guān)速度和低功耗等良好的阻性開關(guān)性能。

3、但由于rram器件中阻變轉(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，而導(dǎo)電細(xì)絲受限于制備完成的器件內(nèi)部缺陷狀態(tài)的隨機(jī)性，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(gè)巨大的挑戰(zhàn)。其次，單層氮化鋁器件中只存在一個(gè)金屬-半導(dǎo)體界面，氮離子濃度和氮空位無法調(diào)節(jié)，導(dǎo)致導(dǎo)電通道的形成和斷裂隨機(jī)增加，器件性能不穩(wěn)定，為此研究者們提出了許多提高穩(wěn)定性的方法，如在工作層中引入納米晶體，雜質(zhì)摻雜，以及制備電場集中的錐形上電極。然而，這些解決方案需要額外的微結(jié)構(gòu)處理，犧牲了微小型化的可擴(kuò)展性，增加了生產(chǎn)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種氮化鋁基的疊層阻變存儲器及其制備方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

2、本發(fā)明提供了一種氮化鋁基的疊層阻變存儲器，包括：襯底層、黏附層、底電極層、aln阻變層、頂電極層和保護(hù)層，其中，

3、所述襯底層、所述黏附層、所述底電極層和所述aln阻變層自下而上依次層疊設(shè)置；

4、所述aln阻變層包括自下而上依次層疊設(shè)置的第一aln層、第二aln層和第三aln層，所述第二aln層的氮含量高于所述第一aln層和所述第三aln層的氮含量；

5、所述頂電極層圖形化設(shè)置在所述aln阻變層的上表面，所述保護(hù)層設(shè)置在所述頂電極層的上表面。

6、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述襯底層包括si襯底及其上表面的sio2層，其中，所述si襯底為<1?1?1>晶面的p型si襯底，所述黏附層位于所述sio2層的上表面。

7、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述黏附層為厚度為5-10nm的ti金屬層，所述底電極層為厚度為50-100nm的pt金屬層。

8、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一aln層的氮含量為10％～15％，厚度為8-10nm。

9、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第二aln層的氮含量為40％～45％，厚度為4-6nm。

10、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第三aln層的氮含量為10％～15％，厚度為8-10nm。

11、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述頂電極層為厚度50-100nm的al金屬層，所述保護(hù)層為厚度50-100nm的au金屬層。

12、本發(fā)明提供了一種氮化鋁基的疊層阻變存儲器的制備方法，適用于上述任一項(xiàng)實(shí)施例所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器，所述制備方法包括：

13、步驟1：對si襯底進(jìn)行熱氧化處理，在所述si襯底的上表面形成sio2層，得到襯底層；

14、步驟2：在所述襯底層的sio2層的上表面沉積ti金屬層形成黏附層，在ti金屬層的上表面沉積pt金屬層，形成底電極層；

15、步驟3：在所述底電極層的上表面自下而上依次層疊制備第一aln層、第二aln層和第三aln層形成aln阻變層，其中，所述第二aln層的氮含量高于所述第一aln層和所述第三aln層的氮含量，所述第一aln層、所述第二aln層和所述第三aln層的氮含量通過制備過程中通入氮?dú)馀c氬氣的流量比例進(jìn)行調(diào)控；

16、步驟4：對所述aln阻變層進(jìn)行刻蝕處理，露出所述aln阻變層下方的部分底電極層；

17、步驟5：在所述aln阻變層的上表面制備圖形化的頂電極層，在所述頂電極層的上表面制備保護(hù)層。

18、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟3包括：

19、采用磁控濺射工藝在所述底電極層的上表面自下而上依次層疊沉積第一aln層、第二aln層和第三aln層形成aln阻變層，其中，在沉積所述第一aln層和所述第三aln層時(shí)，氬氣和氮?dú)獾牧髁勘壤秊?2.8-3.2):1，在沉積所述第二aln層時(shí)，氬氣和氮?dú)獾牧髁勘壤秊?0.2-0.6):1。

20、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟3包括：

21、采用等離子體增強(qiáng)原子層沉積工藝在所述底電極層的上表面自下而上依次層疊沉積第一aln層、第二aln層和第三aln層形成aln阻變層，其中，在沉積所述第一aln層和所述第三aln層時(shí)，氬氣和氮?dú)浠旌蠚怏w的流量比例為(2-3):1，在沉積所述第二aln層時(shí)，氬氣和氮?dú)浠旌蠚怏w的流量比例為(0.6-1):1。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

23、本發(fā)明的氮化鋁基的疊層阻變存儲器，aln阻變層包括疊層結(jié)構(gòu)的第一aln層、第二aln層和第三aln層，第二aln層的氮含量高于第一aln層和第三aln層的氮含量。疊層結(jié)構(gòu)功能層主體為富氮第二aln層，且三層不同氮元素占比的aln層形成氮化鋁阻變層，能夠限制氮空位在富氮的第二aln層的積累，使得導(dǎo)電細(xì)絲呈沙漏形結(jié)構(gòu)，并在器件復(fù)位過程中穩(wěn)定在中間富氮氮化鋁層斷裂，因此使得器件的阻變參數(shù)，即開、關(guān)電壓值和開、關(guān)電阻值一致性更高，器件整體性能呈現(xiàn)更高的穩(wěn)定性，耐久性也相應(yīng)得到提升。同時(shí)由于富氮氮化鋁層的存在，陷阱中心的減少可以有效的阻擋電荷，從而降低器件的開關(guān)電流，實(shí)現(xiàn)更低功耗的阻變存儲器。

24、上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。

技術(shù)特征：

1.一種氮化鋁基的疊層阻變存儲器，其特征在于，包括：襯底層、黏附層、底電極層、aln阻變層、頂電極層和保護(hù)層，其中，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器，其特征在于，所述襯底層包括si襯底及其上表面的sio2層，其中，所述si襯底為<1?1?1>晶面的p型si襯底，所述黏附層位于所述sio2層的上表面。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器，其特征在于，所述黏附層為厚度為5-10nm的ti金屬層，所述底電極層為厚度為50-100nm的pt金屬層。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器，其特征在于，所述第一aln層的氮含量為10％～15％，厚度為8-10nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器，其特征在于，所述第二aln層的氮含量為40％～45％，厚度為4-6nm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器，其特征在于，所述第三aln層的氮含量為10％～15％，厚度為8-10nm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器，其特征在于，所述頂電極層為厚度50-100nm的al金屬層，所述保護(hù)層為厚度50-100nm的au金屬層。

8.一種氮化鋁基的疊層阻變存儲器的制備方法，其特征在于，適用于權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器，所述制備方法包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器的制備方法，其特征在于，所述步驟3包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鋁基的疊層阻變存儲器的制備方法，其特征在于，所述步驟3包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種氮化鋁基的疊層阻變存儲器及其制備方法，涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，該氮化鋁基的疊層阻變存儲器包括自下而上依次層疊設(shè)置襯底層、黏附層、底電極層、AlN阻變層、頂電極層和保護(hù)層，AlN阻變層包括自下而上依次層疊設(shè)置的第一AlN層、第二AlN層和第三AlN層，第二AlN層的氮含量高于第一AlN層和第三AlN層的氮含量。本發(fā)明通過三層不同氮元素占比的AlN層形成氮化鋁阻變層，能夠限制氮空位在富氮第二AlN層的積累，使得導(dǎo)電細(xì)絲在器件復(fù)位過程中穩(wěn)定在中間富氮氮化鋁層斷裂，使得器件的阻變參數(shù)一致性更高，器件整體性能呈現(xiàn)更高的穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：段小玲,何錦山,王東,張進(jìn)成,武江成,劉志宏,寧靜,郝躍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30