專利名稱：一種低電壓阻變存儲器及其制備方法
技術領域：
本發明屬于超大規模集成電路技術領域，具體涉及一種非揮發型阻變存儲器，通 過阻值的改變實現數據0和1存儲的目的。
背景技術：
隨著集成電路技術節點不斷推進，基于傳統浮柵結構的FLASH技術將面臨無法等 比縮小的技術挑戰。近年來，基于MIMWetal-Insulator-Metal)結構的阻變存儲器(RRAM) 由于其結構簡單、易于制備、尺寸小、集成度高、擦寫速度快和功耗低等優點，具有取代傳統 存儲器的潛力，因而備受學術界和工業界的關注。與傳統浮柵結構的FLASH依靠電荷量來 存儲信息0和1不同，阻變存儲器利用其在不同電致條件下分別出現高阻和低阻來存儲信 息0和1。阻變存儲器分為單級阻變存儲器和雙極阻變存儲器。對于單級阻變存儲器，當其 處于高阻態時，施加在其頂電極的直流電壓從0V掃描到開啟電壓v。n時，電阻會發生突變， 從原來的高阻態轉變到低阻態。但由于對被測試阻變存儲器施加了限流，所以，該存儲器阻 值處在一個數值，使得其剛好處在低阻態同時又不被擊穿。此時，阻變存儲器處在低阻態， 當施加在頂電極的直流電壓從0V掃描到關閉電壓v。ff時，阻變存儲器的阻值又會發生突 變，從低阻態回到高阻態。對于雙極阻變存儲器，當其處于高阻態時，施加在其頂電極的直 流電壓從0V掃描到開啟電壓￥。 時，電阻會發生突變，從原來的高阻態轉變到低阻態。但由 于對被測試阻變存儲器施加了限流，所以，該存儲器阻值處在一個數值，使得剛好處在低阻 態同時又不被擊穿。當施加在頂電極的直流掃描電壓從0V負向掃描到關閉電壓v。ff時，電 阻發生突變，從低阻態又回到高阻態。單級阻變存儲器和雙極阻變存儲器的不同主要在于 關閉電壓v。ff同開啟電壓v。n的極性不同，單極阻變存儲器開啟電壓和關閉電壓同為正向或 同為負向，而雙極阻變存儲器開啟電壓和關閉電壓極性相反。目前，阻變存儲器的阻變材料層的研究主要集中在NiO、Ti02、A1203、Ta205等過渡 金屬氧化物。此類物質大體上可以和CMOS工藝兼容，能夠表現出較好的阻變特性，但是，相 對常規工藝來說，往往需要增加一些工藝步驟。Si02作為和傳統CMOS工藝完全兼容的材 料，在一定條件下也表現出了較好的阻變特性，但是需要作高溫處理，從而給其在實際應用 中帶來了困難。申請人經過研究發現通過往Si02中引入Si，從而達到引入缺陷、控制缺陷 的目的，成功的在低溫工藝下實現了阻變存儲器，制備的基于SiO的阻變存儲器有較好的 阻變特性，但是其開啟電壓和關閉電壓都較高，與實際應用仍存在一定的差距。
發明內容
本發明客服了現有技術的不足，提供了一種基于氮氧硅(Six0yNz)阻變材料的阻變 存儲器及其制備方法。本發明的技術方案如下—種阻變存儲器，包括頂電極，阻變材料層，底電極和襯底，其特征在于，阻變材料層為氮氧硅(Six0yNz)。所述Six0yNj々x y z 介于 1 0. 4 0. 4 和 1 1 0.6 之間。所述Six0yNz的厚度不超過50nm。所述底電極可為Pt電極或者W電極。所述頂電極可為Cu電極或者Ag電極。所述頂電極上面加有保護電極，保護電極為鉬、鈦或者金。一種阻變存儲器的制備方法，其包括如下步驟1)在襯底制備底電極；2)采用PECVD方法，通過調整N20和SiH4參數制備Six0yNz，作為阻變材料層；3)在上述阻變材料層上制備頂電極。其中，步驟1)或步驟3)中，電極是采用PVD方法或其它IC工藝中的成膜方法制備。和現有技術相比，本發明的積極技術效果在于本發明通過對標準CMOS工藝中后端的等離子體化學氣相沉積(PECVD)工藝進行 參數調節，制備出和標準CMOS工藝完全兼容的氮氧硅單極阻變存儲器，其可以在低溫工藝 下實現，同時達到了人為控制缺陷濃度的目的，從而得到了較低的阻變電壓和阻變電流。本 發明制得的氮氧硅阻變存儲器開啟電壓V。n在IV左右，關閉電壓V。ff在0. 4V左右，當編程 限流為100 y A時，器件由低阻轉變到高阻時的關閉電流為400 y A左右。同一氧化硅阻變 存儲器相比，開啟電壓、關閉電壓、關閉電流都得到了優化；同二氧化硅阻變存儲器相比，其 不需要進行高溫處理，完全在低溫工藝下就可以實現。本發明在未來的低壓低功耗存儲器 和嵌入式系統方面具有較大的應用前景。
圖1為本發明實施例阻變存儲器的截面結構示意圖，其中1-硅襯底；2-底電極；；3-阻變材料層；4-底電極引出孔；5-頂電極；6-頂電極 保護層；圖2為本發明實施例阻變存儲器的阻變特性圖，其中1-高阻態向低阻態轉變過程；2-低阻態向高阻態轉變過程；圖3為本發明實施例阻變存儲器在高溫下的可擦寫特性圖；圖4為本發明實施例阻變存儲器的保持特性圖。
具體實施例方式下面結合附圖通過具體實施例對本發明作進一步描述。實施例一本實施例制得的阻變存儲器的截面結構示意圖如圖1所示，下面結合截面結構示 意圖闡述本實例阻變存儲器的制備過程，1)首先在硅襯底1上采用物理氣相淀積(PVD)方法或其它IC工藝中的成膜方法 制備一層W金屬，并使用標準光刻技術，使底電極圖形化，形成底電極2。2)調節PECVD中N20和SiH4的氣流量比例為SiH4 N20 = 50 100，制備出阻變
4材料層SiOuNd其中PECVD工藝參數如下功率=60W，氣壓=550mtorr，溫度=300°C。3)由光刻、刻蝕定義底電極引出孔；4)同底電極一樣，采用PVD方法或其它IC工藝中的成膜方法制備頂電極及其保護 電極，保護電極為鉬、鈦或者金。本實施例通過PECVD的方法制備出和標準CMOS后端工藝完全兼容的阻變存儲器 W/SiOa4Na4/CU，在制備過程中，沒有采用任何高溫處理。本實施例制得的阻變存儲器W/SiOuNu/Cu的阻變特性測試結果如圖2所示。由圖2可知，隨著施加在頂電極的電壓的改變(底電極接地)，本實施例阻變存儲 器的阻值在高阻和低阻之間轉換，并且在都用正向電壓開啟和關閉的情況下實現了存儲0 和1的目的。另由圖2可知，本實施例阻變存儲器的開啟電壓V。n = IV左右，關閉電壓V。ff = 0.4V左右。同時，在測試中，還發現當編程限流為100 y A時，器件由低阻轉變到高阻時 的阻變電流為400 y A左右，由于擁有較低的阻變電壓和阻變電流，從而其在在未來低壓低 功耗存儲器和嵌入式系統方面具有較大的應用前景。本實施例制得的阻變存儲器在高溫下的可擦除特性測試結果如圖3所示。對本實施例阻變存儲器在80度高溫下采用“直流編程_讀取_直流擦除_讀取” 的模式進行可擦寫特性考察，對其總共進行了 50次考察，由圖可知，無論是高阻態的阻值 還是低阻態的阻值都在某一量級小范圍內波動，但這一小范圍的波動同高阻態阻值與低阻 態阻值的比103比較起來都是可以忽略的，因而本實施例制得的阻變存儲器在高溫下仍然 具備較好的可擦除特性。本實施例制得的阻變存儲器的阻值的保持特性測試結果如圖4所示。由圖4可知，對本發明器件在80度和常溫下分別采用長達10000秒、大小為lOOmV 的stress電壓進行測試，器件在高阻態和低阻態的阻值大小都沒有發生明顯的改變，可知 器件在80度的高溫下和在常溫下都有較好的保持特性。實施例二1)首先在硅襯底1上采用物理氣相淀積(PVD)方法或其它IC工藝中的成膜方法 制備一層w金屬，并使用標準光刻技術，使底電極圖形化，形成底電極2。2)調節PECVD中N20和SiH4的氣流量比例為SiH4 N20 = 30 150，制備出阻變 材料層SiOa凡.5。其中PECVD工藝參數如下功率=60W，氣壓=550mtorr，溫度=300°C。3)由光刻、刻蝕定義底電極引出孔4)采用PVD方法或其它IC工藝中的成膜方法制備頂電極及其保護電極，保護電極 為鉬、鈦或者金。本實施例制得的阻變存儲器(W/SiOa7Na5/CU)的阻變特性、在高溫下的可擦除特 性和保持特性與實施例一制得的阻變存儲器類似，具有低電壓阻變存儲器的特性。實施例三1)首先在硅襯底1上采用PVD方法或其它IC工藝中的成膜方法制備一層Pt金 屬，并使用標準光刻技術，使底電極圖形化，形成底電極2。2)調節PECVD中N20和SiH4的比例為SiH4 N20 = 14 150，制備出阻變材料層 SiONQ 6。其中PECVD工藝參數如下功率=60W，氣壓=550mtorr，溫度=300°C。3)由光刻、刻蝕定義底電極引出孔；
4)采用PVD方法或其它IC工藝中的成膜方法制備頂電極及其保護電極，保護電極 為鉬、鈦或者金。本實施例制得的阻變存儲器(Pt/SiONa6/Cu)的阻變特性、在高溫下的可擦除特性 和保持特性與實施例一制得的阻變存儲器類似，具有低電壓阻變存儲器的特性。雖然本說明書通過具體的實施例詳細描述了本發明的氮氧硅阻變存儲器結構，材 料及其制備方法，但是本領域的技術人員應該理解，本發明的實現方式不限于實施例的描 述范圍，例如氮氧硅阻變材料Six0yNz的乂 y z介于1 0. 4 0.4和1 1 0.6之 間，此外，下電極可以換成M0S工藝中常見的惰性金屬。以上通過詳細實施例描述了本發明所提供的低電壓阻變存儲器及其制備方法，本 領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明實質的范圍內，可以對本發明做一定的變換或 修改；不限于實施例中所公開的內容。
權利要求
一種阻變存儲器，包括頂電極，阻變材料層，底電極和襯底，其特征在于，阻變材料層為SixOyNz。
2.如權利要求1所述的阻變存儲器，其特征至于，所述SixOyNzWx y ζ介于 1 0.4 0.4 禾口 1 1 0.6 之間。
3.如權利要求1或2所述的阻變存儲器，其特征至于，所述SixOyNz的厚度不超過50nm。
4.如權利要求1所述的阻變存儲器，其特征至于，所述底電極為Pt電極或者W電極。
5.如權利要求1或4所述的阻變存儲器，其特征至于，所述頂電極為Cu電極或者Ag電極。
6.如權利要求1或4所述的阻變存儲器，其特征至于，所述底電極是由穿過阻變材料層 的通孔引出。
7.如權利要求5所述的阻變存儲器，其特征至于，所述頂電極上面加有保護電極，頂電 極的保護電極為Pt、Ti或者Au。
8.一種阻變存儲器的制備方法，其包括如下步驟1)在襯底制備底電極；2)采用PECVD方法，通過調整N2O和SiH4參數制備SixOyNz，作為阻變材料層；3)在上述阻變材料層上制備頂電極。
9.如權利要求8所述的方法，其特征至于，步驟2)中，所述SixOyNzWx y ζ介于 1 0.4 0.4 禾口 1 1 0.6 之間。
10.如權利要求8或9所述的方法，其特征至于，步驟1)或步驟3)中，電極是采用PVD 方法或其它IC工藝中的成膜方法制備。
全文摘要
本發明提供了一種低電壓阻變存儲器及制備方法，屬于超大規模集成電路技術領域。該阻變存儲器包括頂電極，阻變材料層，底電極和襯底，其中，阻變材料層為氮氧硅(SixOyNz)。本發明通過對標準CMOS工藝中后端的等離子體化學氣相沉積(PECVD)工藝進行參數調節，制備出和標準CMOS工藝完全兼容的氮氧硅單極阻變存儲器，其可以在低溫工藝下實現，同時達到了人為控制缺陷濃度的目的，從而得到了較低的阻變電壓和阻變電流，在低壓低功耗存儲器方面，具有很高的應用價值。
文檔編號H01L45/00GK101853922SQ201010158789
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月28日 優先權日2010年4月28日
發明者于哲, 唐昱, 唐粕人, 張麗杰, 潘越, 鄺永變, 高德金, 黃如 申請人:北京大學