阻變存儲器及其製造方法
2023-05-31 14:58:26 1
專利名稱：阻變存儲器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件及製造技術，更具體地說，涉及一種阻變存儲器及其製造方法。
背景技術：
隨著可攜式個人設備的流行，非揮發性存儲器由於具有在無電源供應時仍能維持記憶狀態和操作低功耗等優點，逐漸成為半導體工業中的研發重點。目前市場上的非揮發性存儲器仍以快閃記憶體(flash)為主流，但是由於快閃記憶體存在操作電壓過大、操作速度慢、耐久力不夠好以及由於器件尺寸縮小過程中隧穿氧化層不斷減薄導致保持時間不夠長等缺點，現 在的研發重點逐漸轉向了可以取代快閃記憶體的新型非揮發性存儲器，包括鐵電存儲器(FeRAM)、磁存儲器(MRAM)、相變存儲器(PRAM)和阻變存儲器(RRAM)等。自從2000年，美國休斯頓大學的Ignatiev研究小組報導了氧化物薄膜PrxCa1^xMnO3在不同極性的電脈衝作用下電阻值會在相差達10倍以上的兩個狀態間變化，並且這種電阻轉換是非揮發的，之後，關於阻變存儲器(RRAM)的研究受到了美國、日本、歐洲、韓國和臺灣地區多家研究機構、技術開發部門的關注。與其它非揮發存儲器相比，阻變存儲器由於具有寫入操作電壓低、寫入擦除時間短、保持時間長、非破壞性讀取、多值存儲、結構簡單以及所需面積小等優點，逐漸成為目前新型非揮發性存儲器件中的研究重點。阻變存儲器的基本結構為上電極-阻變功能層-下電極的三明治結構，通過阻變功能層中阻變材料的特性，在上下電極所加電壓的作用下，器件的電阻會在高阻態、低阻態之間發生轉換，實現「 0 」和「 I 」的存儲，其電阻轉變特性如圖I所示。對於阻變存儲器的基本結構(IR結構)形成的存儲器陣列，如圖2的等效電路所示，每個存儲單元由相互交叉的字線和位線構成的上下電極所確定，具有較高的存儲密度。然而，這種IR基本結構形成的交叉存儲陣列卻存在著串擾(crosstalk)的問題,如圖3所示，在一個2X2的交叉存儲陣列中，坐標為(1，1)的存儲器件處於高阻狀態，其餘三個相鄰器件(1，2)、(2,2)和(2，I)都處於低阻狀態，這時在(1，I)器件所在的字線(word line)上加讀電壓時，希望的電流通路如圖3中虛線所示，但實際上電流沿著低阻通道(2，1) — (2，2) — (1,2)(圖3中實線所示)進行傳導，形成一個漏電通道，使得這時本處於高阻狀態的(1，D器件被誤讀成低阻態，這就是串擾。這種串擾問題會導致的受訪RRAM單元的誤讀，這種誤讀會大大降低RRAM的可靠性。通常地，由外接三極體的阻變存儲器(1T1R，如圖4的等效電路圖所示)或外接二極體的阻變存儲器(1D1R，如圖5的等效電路圖所示)結構，來解決串擾問題，這類結構的阻變存儲器是通過二極體或三極體的導通特性，來規避低阻通道的漏電流，從而解決串擾問題的。然而，這種外接三極體或二極體的阻變存儲器結構會增加存儲單元的面積，不利於提高存儲密度，降低了器件的集成度
發明內容
本發明實施例提供一種阻變存儲器及其製造方法，抑制了串擾問題，提高了存儲密度和器件的集成度。為實現上述目的，本發明實施例提供了如下技術方案一種阻變存儲器，包括本發明實施例還公開了一種阻變存儲器的製造方法，包括下電極；下電極之上的第一阻變功能層，以及第一阻變功能層之上的第二阻變功能層，所述第一阻變功能層和第二阻變功能層具有相反的多數載流子類型；第二阻變功能層之上的上電極。
可選地，所述第一阻變功能層的多數載流子為電子、第二阻變功能層的多數載流子為空穴，或者第一阻變功能層的多數載流子為空穴、第二阻變功能層的多數載流子為電子。可選地，所述第一阻變功能層包括n型氧化物、所述第二阻變功能層包括p型氧化物，或者所述第一阻變功能層包括P型氧化物、所述第二阻變功能層包括n型氧化物。可選地,所述n 型氧化物包括Ti02、Zr02、Nb205、A1203、SnO2 或 ZnO。可選地，所述p 型氧化物包括Ni0、Cu0、Co0、PCM0、LCM0、SrTiO3 *BaTi03。可選地，所述第一阻變功能層和第二阻變功能層具有相同的轉變極性。此外，本發明還提供了上述阻變存儲器的製造方法，所述方法包括提供襯底； 在所述襯底上形成下電極；在所述下電極上形成第一阻變功能層以及在所述第一阻變功能層上形成第二阻變功能層，其中，所述第一阻變功能層和第二阻變功能層具有相反的多數載流子類型；在所述第二阻變功能層上形成上電極。與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點本發明實施例的阻變存儲器及其製造方法，通過具有相反多數載流子類型的第一阻變功能層和第二阻變功能層，在存儲器的阻變功能層內形成pn結，這樣，使存儲器在實現高低阻態的轉變功能的同時，還具有低阻態整流功能，通過該Pn結整流特性規避不必要的電流，從而有效抑制串擾問題，同時，由於是在阻變功能層形成的pn結，不用外接整流的二極體或三極體，便可實現整流，不會增加存儲單元的面積，從而有效提高存儲密度，進而提高器件的集成度。此外，這種阻變存儲器不會分壓，還易於和外圍電路集成，也簡化了器件的製造過程，降低了成本。
通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。圖I為阻變存儲器電阻轉變特性示意圖；圖2為阻變存儲器IR基本結構的等效電路不意圖；圖3為阻變存儲器IR基本結構交叉存儲陣列中串擾問題的示意圖4為阻變存儲器ITlR結構等效電路不意圖；圖5為阻變存儲器IDlR結構等效電路不意圖；圖6為根據本發明實施例的阻變存儲器的結構示意圖；圖7為根據本發明實施例的阻變存儲器的等效電路示意圖；
圖8為根據本發明實施例的阻變存儲器的阻變特性示意圖；圖9為根據本發明實施例的阻變存儲器在低阻態時整流特性曲線圖；圖10為根據本發明實施例的阻變存儲器的製造方法流程圖；圖11-13為根據本發明實施例的阻變存儲器的各個製造階段的示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。正如背景技術部分所述，外接電晶體的阻變存儲器結構會增加存儲單元的面積，不利於提高存儲密度，為此，本發明提供了一種阻變存儲器，通過具有不同多數載流子類型的第一阻變功能層和第二阻變功能層組成具有Pn結的阻變功能層，實現存儲器阻變功能的同時，還具有整流功能，從而抑制串擾問題，提高存儲密度。參考圖6，圖6示出了根據本發明實施例的阻變存儲器，所述存儲器包括下電極101;下電極101之上的第一阻變功能層202，以及第一阻變功能層202之上的第二阻變功能層203，所述第一阻變功能層202和第二阻變功能層203具有相反的多數載流子類型；第二阻變功能層203之上的上電極304。本發明實施例中，下電極可以形成於襯底上，襯底100可以為Si02/n-Si，在其他實施例中，所述襯底還可以包括但不限於其他半導體或化合物半導體，如碳化矽、砷化鎵、砷化銦或磷化銦。根據現有技術公知的設計要求(例如P型襯底或者n型襯底)，襯底100可以包括各種摻雜配置。此外，襯底中還可以包括MOS電路，通過連接插塞與下電極相連。下電極的材料包括金屬材料，例如Ti/Pt，其中Ti為粘附層，所述Ti材料層的厚度可以為20nm，所述Pt材料層的厚度可以為50nm，在其他實施例中，所述下電極還可以包括其他合適的金屬材料。上電極的材料包括金屬材料，例如Pt，其厚度可以為50nm，在其他實施例中，所述上電極還可以包括其他合適的金屬材料。所述第一阻變功能層的多數載流子可以為電子、第二阻變功能層的多數載流子為空穴，或者第一阻變功能層的多數載流子可以為空穴、第二阻變功能層的多數載流子為電子，這樣，在第一阻變功能層和第二阻變功能層組成的阻變功能層內形成了 pn結。
所述第一阻變功能層和第二阻變功能層選擇具有阻變功能的材料，該阻變材料本身可以具有空穴或電子的多數載流子，或者通過摻雜後具有空穴或電子的多數載流子。在本發明的一些實施例中，所述第一阻變功能層為n型氧化物、所述第二阻變功能層為P型氧化物，或者所述第一阻變功能層為P型氧化物、所述第二阻變功能層為n型氧化物，所述第一阻變功能層和第二阻變功能層的厚度可以為10-100納米，所述n型氧化物例如 TiO2' Zr02、Nb2O5' Al2O3' SnO2, ZnO 等，所述 p 型氧化物例如 NiO, CuO, CoO, PCMO, LCMO,SrTiO3^ BaTiO3等，所述n型或p型氧化物還可以摻雜有不同類型的離子。在本發明實施例中，所述第一阻變功能層和第二阻變功能層可以具有相同的轉變極性，就是在高、低壓下能夠發生相同的電阻轉變，同為單極性轉變或雙極性轉變。以上對本發明的阻變存儲器的結構進行了描述，本發明的存儲器在第一阻變功能層和第二阻變功能層組成的阻變功能層內形成有pn結，該阻變功能層實現阻變功能和整流功能，參考圖8和圖9，圖8為本發明阻變存儲器阻變特性示意圖，圖9為本發明阻變存儲 器低阻狀態時整流特性曲線示意圖，在低阻狀態時，存儲器具有單向導通的特性，從而抑制了串擾問題，同時，參考圖7，由於是在阻變功能層形成的pn結，不用外接整流的二極體或三極體，便可實現整流，不會增加存儲單元的面積，從而有效提高存儲密度，進而提高器件的集成度。以圖3中的交叉存儲陣列為例，說明本發明如何抑制串擾問題，在此實施例中，第一阻變功能層為P型材料、第二阻變功能層為n型材料，坐標為(1，1)的存儲器件處於高阻狀態，其餘三個相鄰器件(1，2)、(2,2)和(2，I)都處於低阻狀態，在(2，I)和(1，1)所在的字線上加一個正的讀電壓Vread( ZnO等,所述p型氧化物例如NiO、CuO、CoO、PCMO、LCMO、SrTiO3、BaTiO3等。所述p型氧化物可以通過物理汽相沉積和化學汽相沉積形成，所述物理汽相沉積包括電子束蒸發、熱蒸發或者濺射，所述n型氧化物可以通過電子束蒸發、濺射、等離子體增強化學汽相沉積或者原子層沉積形成。S04，在所述第二阻變功能層上形成上電極。在此實施例中，可以利用電子束蒸發的方法澱積Pt形成上電極304，如圖13所示，所述Pt的厚度可以為50nm，從而形成此實施例的阻變存儲器。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。 此外，本發明的應用範圍不局限於說明書中描述的特定實施例的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法及步驟。從本發明的公開內容，作為本領域的普通技術人員將容易地理解，對於目前已存在或者以後即將開發出的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法或步驟，其中它們執行與本發明描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本發明可以對它們進行應用。因此，本發明所附權利要求旨在將這些工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法或步驟包含 在其保護範圍內。
權利要求
1.ー種阻變存儲器，其特徵在於，所述存儲器包括 下電極； 下電極之上的第一阻變功能層，以及第一阻變功能層之上的第二阻變功能層，所述第一阻變功能層和第二阻變功能層具有相反的多數載流子類型； 第二阻變功能層之上的上電極。
2.根據權利要求I所述的存儲器，其特徵在於，所述第一阻變功能層的多數載流子為電子、第二阻變功能層的多數載流子為空穴，或者第一阻變功能層的多數載流子為空穴、第ニ阻變功能層的多數載流子為電子。
3.根據權利要求I所述的存儲器，其特徵在於，所述第一阻變功能層包括η型氧化物、所述第二阻變功能層包括P型氧化物，或者所述第一阻變功能層包括P型氧化物、所述第二阻變功能層包括η型氧化物。
4.根據權利要求3所述的存儲器，其特徵在於，所述η型氧化物包括Ti02、Zr02、Nb205、Al2O3、SnO2 或 ZnO。
5.根據權利要求3所述的存儲器，其特徵在幹，所述P型氧化物包括NiO、CuO、CoO、PCMO、LCMO、SrTiO3 或 BaTi O3。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的存儲器，其特徵在於，所述第一阻變功能層和第ニ阻變功能層具有相同的轉變極性。
7.一種阻變存儲器的製造方法，其特徵在於，所述方法包括 提供襯底； 在所述襯底上形成下電極； 在所述下電極上形成第一阻變功能層以及在所述第一阻變功能層上形成第二阻變功能層，其中，所述第一阻變功能層和第二阻變功能層具有相反的多數載流子類型； 在所述第二阻變功能層上形成上電極。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述第一阻變功能層的多數載流子為電子、第二阻變功能層的多數載流子為空穴，或者第一阻變功能層的多數載流子為空穴、第二阻變功能層的多數載流子為電子。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述第一阻變功能層包括η型氧化物、所述第二阻變功能層包括P型氧化物，或者所述第一阻變功能層包括P型氧化物、所述第二阻變功能層包括η型氧化物。
10.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述第一阻變功能層和第二阻變功能層具有相同的轉變極性。
全文摘要
本發明實施例公開了一種阻變存儲器及其製造方法，所述存儲器包括下電極；下電極之上的第一阻變功能層，以及第一阻變功能層之上的第二阻變功能層，所述第一阻變功能層和第二阻變功能層具有相反的多數載流子類型；第二阻變功能層之上的上電極。通過具有相反多數載流子類型的第一阻變功能層和第二阻變功能層，在存儲器的阻變功能層內形成pn結，由於不用外接整流的二極體或三極體，便可實現阻變和抑制串擾，不會增加存儲單元的面積，從而有效提高存儲密度，進而提高器件的集成度。
文檔編號H01L27/24GK102694118SQ20111006863
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者劉明, 劉琦, 呂杭炳, 張康瑋, 謝常青, 龍世兵 申請人:中國科學院微電子研究所