阻變存儲器及其製備方法與流程

2023-05-17 17:28:46

本發明涉及存儲器領域，進一步的涉及一種阻變存儲器，還涉及一種阻變存儲器的製備方法。

背景技術：

阻變存儲器(rram)是一種新型的不揮發存儲器技術，存儲單元結構簡單、工作速度快、功耗低且信息保持穩定，在嵌入式應用和獨立式應用裡具有廣泛的用途。rram利用材料電阻率的可逆轉換實現二進位信息的存儲。但目前主要在可靠性上還存在若干問題，如保持特性、良率還需進一步提高，而激活電壓需要進一步降低。

現有技術中，taox基類阻變存儲器，其編程過程類似於介質的擊穿，在ta2o5薄膜內部產生氧空位鏈(即導電通道)，但是該技術存在激活電壓高以及開關比較低的問題。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種阻變式存儲器，以解決以上所述的至少一項技術問題。

(二)技術方案

根據本發明的一方面，提供一種阻變存儲器，包括：

下電極；

含下電極金屬的氧化物層，位於下電極之上；

電阻轉變層，位於含下電極金屬的氧化物層之上，其中，所述電阻轉變層材料為含氮的鉭氧化物；

插層，位於電阻轉變層之上，其中所述插層材料為金屬或半導體；

上電極，位於插層之上。

進一步的，所述下電極材料為鎢，含下電極金屬的氧化物層材料為wox，x介於1和3之間。

進一步的，所述含下電極金屬的氧化物層厚度介於1nm和30nm之間。

進一步的，所述含氮的鉭氧化物中氮的原子含量介於0.05％和30％之間。

進一步的，所述電阻轉變層厚度介於1nm和20nm之間。

進一步的，所述插層材料為插層材料為以下的一種類型：

ta，tan，ti，tin，ru或ir；ta，tan，ti，tin，ru和ir中兩種或兩種以上金屬；含ta，tan，ti，tin，ru或ir的金屬氧化物；ta，tan，ti，tin，ru和ir中兩種或兩種以上金屬的氧化物；非晶矽；非晶碳；或者石墨烯。

根據本發明的另一方面，提供一種阻變存儲器的製備方法，包括：形成下電極；

在下電極之上形成含下電極金屬的氧化物層；

含下電極金屬的氧化物層之上形成電阻轉變層，其中，所述電阻轉變層材料為含氮的鉭氧化物；

在電阻轉變層之上形成插層，其中所述插層材料為金屬或半導體；

在插層之上形成上電極。

進一步的，通過濺射或者熱氧化方式形成所述含下電極金屬的氧化物層。

進一步的，所述電阻轉變層的形成方式為：通過反應濺射於含下電極金屬的氧化物層上形成含氮的鉭氧化物層；或者，通過熱氧化方式在含氧或氧等離子體氛圍中在含下電極金屬的氧化物層上形成含氮的鉭氧化物層；或者，通過熱氧化方式在含氧和氮氛圍中於含下電極金屬的氧化物層上形成含氮的鉭氧化物層。

進一步的，所述插層材料為ta，插層厚度介於0.1nm和10nm之間。

(三)有益效果

(1)通過設置含下電極金屬的氧化物層，可以作為蓄氧層，在存儲單元做擦寫操作的時候提供足夠的氧，避免氧耗盡的情況，提高器件的疲勞特性，還可以通過熱氧化形成，消除經化學機械研磨形成鎢塞時的縫隙問題；

(2)通過設置含氮的鉭氧化物電阻轉變層，其與ta2o5相比，具有較低的激活電壓，高開關比的特點，還可以增加氧空位數量對器件電阻的調控能力，少量氧空位的產生即可導致器件電阻的大幅度變化，降低激活電壓的同時，增加開關比；

(3)通過設置插層，能夠在表面保存操作過程中產生的氧離子，提高器件的疲勞特性，同時使上電極的選取不受限制。

附圖說明

圖1是本發明實施例的阻變存儲器結構示意圖。

圖2是本發明實施例的阻變存儲器的製備方法工藝流程圖。

圖3是圖2的工藝過程中結構示意圖。

圖4a和圖4b分別是含本發明實施例的阻變存儲器的存儲單元等效電路圖和截面示意圖。

圖5是ta2o5基阻變存儲器電流-電壓曲線圖。

圖6是採用本發明實施例的阻變存儲器電流-電壓曲線圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。在此說明所附附圖簡化過且做為例示用。附圖中所示的各層數量、形狀及尺寸可依據實際情況而進行修改，且組件的配置可能更為複雜。本發明中也可進行其他方面的實踐或應用，且不偏離本發明所定義的精神及範疇的條件下，可進行各種變化以及調整。

本發明中，「位於…之上」、「在……上形成」、「於……上形成」和「設置在……上」包括與單一或多個層間的接觸與非接觸。可以表示一層直接形成或設置在另一層上，也可以表示一層間接形成或設置在另一層上，即兩層之間還可以存在其它的層。

根據本發明的基本構思，提供一種阻變存儲器，該阻變存儲器在原有的金屬-介質層-金屬(mim)結構基礎上，在氧化鉭介質層中加入氮元素，能夠降低激活電壓，提高開關比。

圖1是本發明實施例的阻變存儲器結構示意圖。圖1中所示，本發明實施例一方面，提供一種阻變存儲器，包括：

下電極101；

含下電極金屬的氧化物層102，其位於下電極101之上；

電阻轉變層103，其位於含下電極金屬的氧化物層102之上，其中，電阻轉變層103材料為含氮的鉭氧化物；

插層104，位於電阻轉變層103之上，其中插層材料為金屬氧化物、導電碳材料；

上電極105，位於插層104之上。

其中，對於下電極101，其可以形成於襯底上，襯底可以為半導體或者化合物半導體，襯底還可以為mos電路，下電極101可以通過插塞與mos電路電性連接。下電極101的材料包括金屬材料，可以為在電場下惰性的金屬或金屬化合物，包括但不限於：鎢、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、等，本發明實施例優選的採用鎢作為下電極。下電極101的厚度可以選擇為1-100nm。

其中，對於含下電極金屬的氧化物層102，其形成於下電極101上。含下電極金屬的氧化物層102作用在於：可以作為蓄氧層，在存儲單元做擦寫操作的時候提供足夠的氧，避免氧耗盡的情況，提高器件的疲勞特性；還可以消除cmp形成w塞是的seam問題(即中間空洞問題)。

含下電極金屬的氧化物層102依據下電極101材料確定，如下電極101材料為鎢，則該含下電極金屬的氧化物層102材料則為鎢的氧化物，該含該鎢的氧化物化學式wox，其可以是完全化學組分比的wo3，也可以是非完全化學組分比的wox，x介於1和3之間。含下電極金屬的氧化物層102的厚度介於1nm和30nm之間，進一步優選的，該厚度介於5nm和10nm之間。

其中，對於電阻轉變層103，其形成於含下電極金屬的氧化物層102上。其在於對已有的鉭基電阻轉變層進行改進，可以通過在鉭氧化物中加入其它元素，能夠相比於ta2o5，具有較低的激活電壓，高開關比的特性。本發明實施例提供所述電阻轉變層103材料為含氮的鉭氧化物，目的是由於n離子中心存在，一方面可以提高o離子的激活能，另一方面，可以增加氧空位數量對器件電阻的調控能力。

含氮的鉭氧化物中，氮的添加含量0.05％～30％，進一步優選的添加含量介於1％～10％之間。

對於電阻轉變層103的厚度，可以介於1nm至20nm之間，進一步優選的，介於3nm至10nm之間。

其中，對於插層104，其形成於電阻轉變層之上。該插層104材料可以為金屬，包括但不限於ta、tan、ti、tin、ir、al或ru，也可以為半導體材料，包括但不限於金屬氧化物，非晶矽，非晶碳或者石墨烯。優選的，可以為ta插層，ta插層的作用在於在表面保存操作過程中產生的氧離子，提高器件的疲勞特性，同時使上電極的選取不受限制。

對於插層104的厚度，可以介於0.1nm和10nm之間，進一步優選的，介於0.5nm和5nm之間。

圖2是本發明實施例阻變存儲器的製備方法工藝流程圖。圖2中所示，本發明實施例的另一方面，還提供一種阻變存儲器的製備方法，包括步驟：

s201：在下電極之上形成含下電極金屬的氧化物層；

s202：含下電極金屬的氧化物層之上形成電阻轉變層，其中，所述電阻轉變層材料為含氮的鉭氧化物；

s203：在電阻轉變層之上形成插層，其中所述插層材料為金屬或半導體；

s204：在插層之上形成上電極。

在步驟s201之前，還可包括形成下電極的步驟，而且下電極可以形成於一襯底上，襯底可以為半導體或者化合物半導體，襯底還可以為mos電路，下電極可以通過插塞與mos電路電性連接。本發明實施例優選的採用鎢作為下電極。下電極的厚度可以選擇為1-100nm。可以採用原子層沉積、濺射、氣相蒸發或者化學氣相沉積工藝形成下電極，下電極的材料包括金屬材料，可以為在電場下惰性的金屬或金屬化合物，包括但不限於：鎢、氧化鉭、鉑或者金。

對於步驟s201，如圖2和圖3所示，其中圖3是圖2的工藝過程中結構示意圖，在下電極301之上形成含下電極金屬的氧化物層302。含下電極金屬的氧化物層302依據下電極301材料確定，如下電極301材料為鎢，則在下電極301鎢上形成鎢氧化物。

含下電極金屬的氧化物層302形成方式可以採用反應濺射工藝，在下電極上沉積，例如wox，x介於1和3之間該wox可以是完全化學組分比的wo3，也可以是非完全化學組分比的wox；濺射氧化鎢可以採用wo3合金靶濺射或者w金屬靶反應濺射，化學組分比可以通過調節ar/o2的流量比來控制(不同的濺射機臺對應的流量比不同，此處不受限制)，wox的厚度為1nm～50nm；或者也可以採用在含o氛圍中，或o等離子體中，採用熱氧化的方式將下電極301氧化形成，列舉下電極301為鎢作為實施例，例如氧化溫度為200攝氏度～500攝氏度，形成的wox厚度為1nm～50nm。

對於步驟s202，如圖2和圖3所示，電阻轉變層303形成於含下電極金屬的氧化物層302上。本發明實施例提供所述電阻轉變層103材料為含氮的鉭氧化物，目的是由於n離子中心存在，一方面可以提高o離子的激活能，另一方面，可以增加氧空位數量對器件電阻的調控能力。

含氮的鉭氧化物中，氮的添加含量0.05％～30％，進一步優選的添加含量介於1％～10％之間。電阻轉變層303的厚度為介於1nm至20nm之間，進一步優選的，介於3nm至10nm之間。

所述電阻轉變層303的形成方式可以為：

a：通過反應濺射於含下電極金屬的氧化物層302上形成含氮的鉭氧化物層；或者，

b：通過熱氧化方式在含氧或氧等離子體氛圍中在含下電極金屬的氧化物層302上形成含氮的鉭氧化物層；或者，

c：通過熱氧化方式在含氧和氮氛圍中於含下電極金屬的氧化物層302上形成含氮的鉭氧化物層。

以下列舉含氮的鎢氧化物具體實施例進行說明電阻轉變層的形成工藝：

例如，可以採用反應濺射的方式，在wox上沉積taon阻變材料，器件初始阻態的大小可以通過調節n含量的多少，taon的厚度為1nm～20nm，n/o為0.01～10；也可以通過在含o氛圍中，或o等離子體中，將tan基體通過熱氧化的方式形成，氧化溫度為200攝氏度～500攝氏度，taon的厚度為1nm～20nm；

還可以通過在含o和n的等離子體氛圍中，通過加熱的方式將tan基體或ta基體熱氧化形成氧化溫度為200度～500度，taon的厚度為1nm～20nm。

對於步驟s203，參見圖3和圖2，在電阻轉變層303之上形成插層304，其中插層材料為金屬或半導體。

其中，插層材料可以為金屬，如ta、tan、ti、tin、ir、al，ru等，也可以為半導體材料，如金屬氧化物，如含ta，tan，ti，tin，ru或ir的金屬氧化物；或者是ta，tan，ti，tin，ru和ir中兩種或兩種以上金屬的氧化物。插層材料還可以為非晶矽，非晶c，石墨烯等。

金屬插層的厚度可以為0.1nm～10nm，可以通過熱蒸發、濺射、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積活著物理轉移等方式形成。通過設置ta插層，能表面保存操作過程中產生的氧離子，提高器件的疲勞特性，同時使上電極的選取不受限制。

對於插層304的厚度，可以介於0.1nm和10nm之間，進一步優選的，介於0.5nm和5nm之間。

由於插層的存在，對於步驟s104中上電極的選擇可不受限制，可選擇現有技術中已知工藝和已知材料進行製備。

圖4a和圖4b分別是含本發明實施例的阻變存儲器的存儲單元等效電路圖和截面示意圖。通過上述方法所製備的阻變存儲器的存儲單元如圖4b所示，在電路整體結構中，虛線圈內的為阻變存儲器結構，由下之上依次包括：下電極401；含下電極金屬的氧化物層402，電阻轉變層403，插層404，以及上電極105；阻變存儲器的等效電路圖參見圖4a。

以下選取下電極為鎢，電阻轉變層為含氮的鉭氧化物，插層為鉭進行具體製備以及實驗測試。實際上，本發明可以許多不同形式來實施而不應被解釋為限制到下文中所闡述的實施例。相反地，所提供的具體實施例使得本發明將滿足適用的法律需求。

實施例1：

製備工藝：

步驟1：在鎢上形成鎢氧化物。採用反應濺射的方式，該wox可以是完全化學組分比的wo3；濺射氧化鎢採用wo3合金靶濺射化學組分比可以通過調節ar/o2的流量比來控制，厚度為1nm～50nm；

步驟2：在鎢氧化物上形成taon電阻轉變層。採用反應濺射的方式，在wox上沉積taon阻變材料，器件初始阻態的大小通過調節n含量的多少，taon的厚度為1nm～20nm，n/o為0.01～10；

步驟3：在taon電阻轉變層上方形成插層材料，插層材料為金屬，ta，通過熱蒸發方式形成；

步驟4：在插層材料上形成上電極。

實驗測試：

圖6是採用本發明實施例的阻變存儲器電流-電壓曲線圖，相比於圖5的ta2o5基阻變存儲器電流-電壓曲線，採用本發明製備的taon基阻變存儲器具有操作電壓低、開關比大的特點。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。