專利名稱：單極阻變器件、單極阻變存儲器單元及制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路及其制造技術領域，尤其涉及一種單極阻變器件、單極阻變存儲器單元及制備方法。
背景技術：
目前，微電子工業的發展推動著存儲器技術的不斷進步。非揮發性存儲器具有在無電源供應時仍能保持數據信息的優點，在信息存儲領域具有非常重要的地位。其中利用電阻變化的新型非揮發性存儲器具有高速度(< 5ns)、低功耗(< IV)，高存儲密度、易于集成等優點，是下一代半導體存儲器的強有力競爭者。這種阻變存儲器一般具有 M-I-M(Metal-Insulator-Metal，金屬-絕緣體-金屬)結構，即在兩層金屬電極之間加入一層具有阻變特性的介質薄膜材料，這些阻變材料一般是金屬氧化物。阻變存儲器的工作方式包括單極和雙極兩種，前者在器件兩端施加單一極性的電壓，利用外加電壓大小不同控制阻變材料的電阻值在高低電阻態之間轉換，以實現數據的寫入和擦除，常見的材料有氧化鎳(NiO)、氧化鈦(TiO2)、氧化鎢(WO3)等；而后者是利用施加不同極性的電壓控制阻變材料電阻值的轉換，常見的材料有氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋅(ZnO)、五氧化二鉭 (Ta2O5)等。習慣上稱阻變材料表現出的兩個穩定的狀態為高阻態和低阻態，由高阻態到低阻態的轉變為SET，由低阻態到高阻態的轉變為RESET。在阻變存儲器電路應用方面，一般采用ITlR或IDlR的結構。ITlR指的是一個存儲單元由一個選通晶體管和一個阻變電阻組成，要向指定的單元寫入或擦除數據，需要依靠相應的晶體管控制。IDlR結構指的是一個存儲單元由一個二極管和一個阻變電阻組成， 這種結構一般用于高密度的交叉陣列結構，二極管用于防止旁路的串擾影響，在每條陣列的終端仍然需要一個選通晶體管控制。傳統的阻變存儲器制造工藝都較為復雜，而現有的CMOS制造工藝經過多年發展， 具有技術成熟、通用性好、成品率高等優點，可用于阻變存儲器的制造，但傳統的阻變存儲器的制造過程中常使用鉬(Pt)等與CMOS工藝兼容性不好的材料。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種結構簡單、制備方法可兼容現有的CMOS工藝的單極阻變器件、單極阻變存儲器單元及制備方法。( 二 )技術方案為解決上述問題，本發明提供了一種單極阻變器件，該器件包括下電極、上電極、 以及所述下電極和上電極之間的阻變介質層，所述下電極為摻雜硅層，所述阻變介質層為電介質材料層，所述上電極包括形成于所述阻變介質層之上的界面層、以及所述界面層之上的導電材料層。其中，所述阻變介質層為氧化鉿。
其中，所述氧化鉿中摻雜三價離子。其中，所述導電材料層為鎳。其中，所述界面層為氧化鎳。其中，所述阻變介質層厚度為5-20nm。其中，所述導電材料層厚度為lO-lOOnm。本發明還提供了一種基于上述單極阻變器件的單極阻變存儲器單元，其特征在于，所述單極阻變存儲器單元包括一個所述單極阻變器件以及一個金屬-氧化物-半導體 MOS場效應晶體管，所述晶體管的漏極為所述單極阻變器件的下電極。本發明還提供了一種基于上述單極阻變器件的單極阻變存儲器單元，所述單極阻變存儲器單元包括一個所述單極阻變器件以及一個多晶硅二極管，所述多晶硅二極管為所述單極阻變器件的下電極。本發明還提供了一種單極阻變器件的制備方法，該方法包括步驟Si.向硅中注入硼或磷，形成ρ型或η型硅層下電極；S2.在所述下電極上淀積厚度為5-20nm的氧化鉿阻變介質層；S3.利用物理氣相淀積的方法在所述阻變介質層上生成厚度為IO-IOOnm的金屬鎳；S4.在氮氣氣氛下退火30s-30min，退火溫度為400-450°C。其中，步驟S2中在所述下電極上淀積厚度為5-20nm的氧化鉿阻變介質層的方法為利用原子層淀積或物理氣相淀積的方法在所述下電極上淀積氧化鉿阻變介質層，利用擴散或離子注入的方法向所述阻變介質層中摻雜三價離子，并使摻雜后的阻變介質層厚度為5-20nm ；或利用金屬有機化合物化學氣相淀積的方法在所述下電極上淀積摻雜三價離子的氧化鉿，形成厚度為5-20nm的阻變介質層。(三)有益效果本發明的單極阻變器件以及單極阻變存儲器單元以硅作為下電極，鎳作為上電極，利用鎳與高k氧化層之間自然形成的一層氧化鎳協助reset過程的發生。本發明方法可以傳統的CMOS高K/金屬柵工藝為基礎工藝，在現有的擁有高k/金屬柵工藝的CMOS生產線上，通過引入缺陷或改變形貌來制作阻變介質層，只需幾個簡單的工藝流程的調整，就可以進行RRAM產品的工藝制備與生產。因此，方便易行，可與傳統的 CMOS工藝兼容，所有的制備過程利用CMOS的前端工藝即可完成，生產成本低，適用于高密度集成存儲器和大規模生產。
圖1為依照本發明一種實施方式的單極阻變器件的結構圖；圖2為鎳/氧化鉿或鋁摻雜的氧化鉿/p型硅結構的單極阻變器件典型電流-電壓曲線圖；圖3鎳/氧化鉿/p型硅結構的單極阻變器件和鎳/鋁摻雜的氧化鉿/P型硅結構的單極阻變器件的高低阻態阻值分布示意圖；圖4為鎳/氧化鉿/p型硅結構的單極阻變器件和鎳/鋁摻雜的氧化鉿/P型硅結構的單極阻變器件在120°C下的高低阻態阻值隨時間的演化示意圖5為鎳/鋁摻雜的氧化鉿/p型硅結構的單極阻變器件在擦寫106次過程中的阻值演化示意圖；圖6為鎳/鋁摻雜的氧化鉿/p型硅結構的單極阻變器件在200°C時擦寫100次以后的電流-電壓曲線圖；圖7為依照本發明一種實施方式的ITlR型單極阻變存儲器單元的結構示意圖；圖8為依照本發明一種實施方式的IDlR型單極阻變存儲器單元的結構示意圖；圖9為依照本發明一種實施方式的單極阻變器件的制備方法流程圖；圖10(a)-圖10(b)分別為依照本發明一種實施方式的單極阻變器件低阻態和高阻態示意圖。
具體實施例方式本發明提出的單極阻變器件、單極阻變存儲器單元及制備方法，結合附圖及實施例詳細說明如下。如圖1所示，依照本發明一種實施方式的單極阻變器件包括下電極1、上電極3、 以及下電極1和上電極3之間的阻變介質層2，下電極1為摻雜硅層(η型硅或ρ型硅)，阻變介質層2為高介電常數(高k)的電介質材料層，上電極3包括形成于阻變介質層2之上的界面層3-1、以及界面層3-1之上的導電材料層3-2。在本發明中，阻變介質層2優選為摻雜三價離子(例如鋁Al、鑭La)的氧化鉿，導電材料層3-2為鎳，界面層3-1為氧化鎳(NiOx)。圖2示出了鎳/氧化鉿/p型硅結構的單極阻變器件與鎳/鋁摻雜的氧化鉿/P型硅結構的單極阻變器件在外加直流掃描電壓作用下的典型單極轉變過程，其中鎳與氧化鉿界面由于存在界面反應，自然形成了 NiOx界面層。圖3所示為上述兩種器件的阻值分布， 每種結構隨機選擇了 10個不同的器件，每個器件測量100個轉變周期。圖4所示為這兩種器件在120°C下的保持力。圖5所示為鎳/鋁摻雜的氧化鉿/p型硅器件在擦寫IO6次過程中的阻值分布。圖6所示為鎳/鋁摻雜的氧化鉿/p型硅器件在200°C時擦寫100次以后的單極轉變曲線。可見這種結構的器件在性能上(一致性、保持力、耐久性、高溫穩定性等) 比一般的單極阻變器件都有明顯的改善。本發明還提供了一種基于上述單極阻變器件的ITlR型單極阻變存儲器單元，如圖7所示，該單極阻變存儲器單元包括一個單極阻變器件以及一個金屬-氧化物-半導體 MOS場效應晶體管，晶體管的漏極(左斜線所示)即為該單極阻變器件的下電極1。圖7中還示出了源極(右斜線所示)、位線4、字線5、高k介質層6、以及金屬柵7。本發明還提供了一種基于上述單極阻變器件的IDlR型單極阻變存儲器單元，如圖8所示，該單極阻變存儲器單元包括一個單極阻變器件以及一個多晶硅二極管，多晶硅二極管為單極阻變器件的下電極1，以實現IDlR的交叉陣列結構。圖8中還示出了位線4、 以及字線5。如圖9所示為依照本發明一種實施方式的單極阻變器件的制備方法，該方法與傳統CMOS工藝相兼容，包括步驟Si.向硅中注入硼或磷，形成ρ型或η型硅層下電極；S2.在下電極上淀積厚度為5-20nm的氧化鉿阻變介質層；
S3.利用物理氣相淀積(Physical Vapor Deposition, PVD)的方法在阻變介質層上生成厚度為IO-IOOnm的金屬鎳；S4.在氮氣氣氛下退火30s_30min，退火溫度為400_450°C。10、如權利要求8所述的豬只群體體溫分布監測方法，其特征在于，步驟S2中在下電極上淀積厚度為5-20nm的氧化鉿阻變介質層的方法為利用原子層淀積(Atomic layer deposition, ALD)或PVD的方法在所述下電極上淀積氧化鉿阻變介質層，利用擴散或離子注入的方法向阻變介質層中摻雜三價離子(Al、La 等)，并使摻雜后的阻變介質層厚度為5-20nm ；或利用金屬有機化合物化學氣相淀積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,M0CVD)的方法在下電極上淀積摻雜三價離子的氧化鉿，形成厚度為5-20nm的阻變介質層。在通過上述方法形成的單極阻變器件的基礎上，還可通過光刻和刻蝕的方法，形成分離的單極阻變存儲器單元。在鎳與氧化鉿(或其它高k氧化物)之間由于界面反應會形成一層氧化鎳。該氧化鎳層材料，在合適的外加偏壓和電流作用下會釋放氧離子，釋放的氧離子會與阻變層 (氧化鉿或其它高k電介質層氧化物)中形成的細絲導電通路中的部分氧空位復合，引起低阻向高阻態的轉變，如圖10(a)-圖10(b)所示。因此本發明提出的單極阻變器件以及依照本發明的方法制備的單極阻變器件，既與傳統的氧化鎳器件中觀察到的單極特性類似，同時又具有氧化鉿等穩定好的阻變材料所擁有的一致性、保持力、耐久性、高溫穩定性好的特性等。以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種單極阻變器件，其特征在于，該器件包括下電極、上電極、以及所述下電極和上電極之間的阻變介質層，所述下電極為摻雜硅層，所述阻變介質層為電介質材料層，所述上電極包括形成于所述阻變介質層之上的界面層、以及所述界面層之上的導電材料層。
2.如權利要求1所述的單極阻變器件，其特征在于，所述阻變介質層為氧化鉿。
3.如權利要求2所述的單極阻變器件，其特征在于，所述氧化鉿中摻雜三價離子。
4.如權利要求1所述的單極阻變器件，其特征在于，所述導電材料層為鎳。
5.如權利要求1所述的單極阻變器件，其特征在于，所述界面層為氧化鎳。
6.如權利要求1所述的單極阻變器件，其特征在于，所述阻變介質層厚度為5-20nm。
7.如權利要求1所述的單極阻變器件，其特征在于，所述導電材料層厚度為lO-lOOnm。
8.一種基于權利要求1-7任一項所述的單極阻變器件的單極阻變存儲器單元，其特征在于，所述單極阻變存儲器單元包括一個所述單極阻變器件以及一個金屬-氧化物-半導體MOS場效應晶體管，所述晶體管的漏極為所述單極阻變器件的下電極。
9.一種基于權利要求1-7任一項所述的單極阻變器件的單極阻變存儲器單元，其特征在于，所述單極阻變存儲器單元包括一個所述單極阻變器件以及一個多晶硅二極管，所述多晶硅二極管為所述單極阻變器件的下電極。
10.一種單極阻變器件的制備方法，其特征在于，該方法包括步驟51.向硅中注入硼或磷，形成ρ型或η型硅層下電極；52.在所述下電極上淀積厚度為5-20nm的氧化鉿阻變介質層；53.利用物理氣相淀積的方法在所述阻變介質層上生成厚度為IO-IOOnm的金屬鎳；54.在氮氣氣氛下退火30s-30min，退火溫度為400-450°C。
11.如權利要求10所述的單極阻變器件的制備方法，其特征在于，步驟S2中在所述下電極上淀積厚度為5-20nm的氧化鉿阻變介質層的方法為利用原子層淀積或物理氣相淀積的方法在所述下電極上淀積氧化鉿阻變介質層，利用擴散或離子注入的方法向所述阻變介質層中摻雜三價離子，并使摻雜后的阻變介質層厚度為 5-20nm ；或利用金屬有機化合物化學氣相淀積的方法在所述下電極上淀積摻雜三價離子的氧化鉿，形成厚度為5-20nm的阻變介質層。
全文摘要
本發明公開了一種單極阻變器件、單極阻變存儲器單元及制備方法，涉及半導體集成電路及其制造技術領域。該單極阻變器件包括下電極、上電極、以及下電極和上電極之間的阻變介質層，下電極為摻雜硅層，阻變介質層為電介質材料層，上電極包括形成于阻變介質層之上的界面層、以及界面層之上的導電材料層。本發明的單極阻變器件以及單極阻變存儲器單元結構簡單，本發明的方法方便易行，可與傳統的CMOS工藝兼容，所有的制備過程利用CMOS的前端工藝即可完成，生產成本低，適用于高密度集成存儲器和大規模生產。
文檔編號G11C13/00GK102280577SQ20111016659
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月20日 優先權日2011年6月20日
發明者高濱 申請人:北京大學