專利名稱：一種具有自整流效應的阻變存儲器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有自整流效應的阻變存儲器，涉及存儲器及微電子領域，特別涉及于非易失性存儲器領域。
背景技術：
近年來，隨著對高密度、高速度、低功耗的非易失性存儲器的追求，阻變存儲器的概念已經越來越受到人們的關注，已經成為了半導體行業的研究重點之一。閃存作為傳統的非易失性存儲器一直存在著可擦寫壽命不高以及擦除電壓過高等缺點。而由于其存儲機制的限制，閃存要進一步小型化以獲得高密度存儲器的難度已經越來越大。正是因為閃存的這一瓶頸，全世界對于新型非易失性存儲器的研究才變得越來越火熱。阻變存儲器被認為是很有希望取代閃存的一種新型非易失性存儲器，它具有高密度、響應速度快、擦寫電壓低、多值存儲和三維存儲等諸多突出的優點，尤其是它在器件小型化方面具有廣闊的前景。因此，許多國際著名的存儲器制造商如惠普、三星和IBM等都對阻變存儲器表現出濃厚的興趣，并投入大量資金進行阻變存儲器相關的材料和器件研究。阻變存儲器具有極高的小型化的潛力是因為阻變存儲器可以做成十字交叉陣列的形式，即底電極和上電極呈十字交叉排列，而把阻變層置于兩電極之間。十字交叉結構中每一個單元只需要4F2的面積(F為制造工藝的特征尺寸)。但是十字交叉陣列在實際應用中有一個致命的缺點，那就是在讀取信息時，不同存儲點之間的串擾(Sneak current)。比如當讀取一個選定的高阻態的存儲點的信息時，電流可能從其它的處于低阻態的存儲點繞過來。因此，系統無法分辨電流是從選擇的存儲點流過還是從其它存儲點流過。因此，解決十字交叉陣列的串擾問題是阻變存儲器領域亟待解決的一大問題。解決串擾的方法通常是限制電流的流向，即讓電流只能從一個方向流經阻變層， 反方向的電流則是不允許的。為了使電流能單相流經阻變存儲器，通常有兩種方法。第一種選擇是在每一個存儲點處嵌入一個單極性的二極管；第二種選擇就是開發具有自整流效應的阻變存儲器。顯然第一種方法加大了器件制造的復雜性，同時也是的器件的小型化優勢受到影響。因此，開發出具有自整流效應的阻變存儲器是能夠保持其所有優點的一種方法，對于阻變存儲器的應用前景有著至關重要的作用。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有自整流效應的阻變存儲器。本發明提供的一種阻變存儲器由底電極、沉積于所述底電極上的阻變層和沉積于所述阻變層上的上電極組成；所述底電極為條狀的P型硅電極；所述阻變層為η型氧化鋅薄膜；所述上電極為條狀的鋁電極或鈦電極；所述底電極和所述上電極相互垂直設置。上述的阻變存儲器中，所述底電極沉積于氧化硅層上。上述的阻變存儲器中，所述ρ型硅電極中可摻雜Β、Α1和( 中任一種元素；所述摻雜的元素的濃度為1012CnT3-1021CnT3，如102°cnT3 (即每立方厘米中含有個原子)；所述ρ型硅電極的電阻率可為0. 0001 Ω .cm-Ο.ΙΩ · cm，如0. 02 Ω · cm。上述的阻變存儲器中，所述η型氧化鋅薄膜的厚度可為lOnm-lOOOnm，如50nm ；電阻率可為0. 1Ω · Cm-IO10Q · cm，如IO4 Ω · cm或IO6 Ω · cm，可以通過反應磁控濺射法、溶
膠凝膠法或脈沖激光沉積法等制備方法進行制備。上述的阻變存儲器中，所述η型氧化鋅薄膜中Si的原子百分數為50% -50.6%, 如50. 2%，余量為O。上述的阻變存儲器中，所述η型氧化鋅薄膜中可摻雜Co、Ni、Mn、Al、Ga、Fe和Cu 中任一種元素；所述摻雜的元素的原子百分數可為0-5%，但不為0，如3. 6%或4. 8%;所述 η型氧化鋅薄膜中鋅的原子百分數為45% -50. 6%，但不為50. 6%，如45. 2%或46. 4%，余
量為氧。本發明提供的阻變存儲器的導電機理為氧空位和氧離子遷移下界面控制的電阻轉變機理。阻變層氧化鋅薄膜是η型的半導體材料，氧空位是氧化鋅薄膜中的本征缺陷。 初始狀態下，氧空位均勻分布于氧化鋅薄膜內并且對電流的傳導起著重要的作用。當在鋁 (或鈦)電極上施加一個足夠大的正電壓時，氧空位向著硅電極的一層遷移，也就是說氧離子在鋁/氧化鋅(或鈦/氧化鋅)界面富集。過量的氧離子與界面處的鋁(或鈦)原子結合得到一個非常薄的氧化鋁(或氧化鈦)層。由于氧化鋁(或氧化鈦)的形成，因此在鋁 /氧化鋅(或鈦/氧化鋅)的界面形成一個勢壘層，使得界面電阻急劇的增加。此時，該存儲單元處于高阻態。同理，當在鋁電極上施加一個足夠大的負電壓的時候，氧空位向著鋁/ 氧化鋅(或鈦/氧化鋅)界面遷移，該鋁/氧化鋅(或鈦/氧化鋅)界面處的氧化鋁(或氧化鈦)不斷失去氧離子而還原成鋁(或鈦)原子，因而電阻也隨之降低，器件轉變到了低阻態。氧化鋁(或氧化鈦)的薄層可以是在整個界面上被還原，也可以是在某些比較薄弱的地方優先被還原。相對于導電細絲控制的阻變存儲器，界面控制型阻變存儲器有著更好的小型化前景。因為在導電細絲型阻變存儲器中，單個存儲點的尺寸不可能小于單根導電細絲的大小，否則該存儲點因為導電細絲無法形成而成為一個無效的節點。而界面控制型的阻變存儲器則不受這一條的限制，無論器件怎樣小型化，也不影響界面處的電阻改變，從而可以制備高密度的存儲器。與現有技術相比，本發明的有益效果為本發明所提供的阻變存儲器還具有自整流效應。本發明的阻變存儲器的電阻轉變由鋁/氧化鋅(或鈦/氧化鋅)界面控制，而氧化鋅/硅界面則可以獲得自整流效應。所述底電極材料為低電阻率的P型硅，而氧化鋅是 η型半導體材料，所以兩者構成一個異質ρ-η結。當在鋁電極上加負電壓時，此ρ-η結處于正偏，電流可以暢通的流過此界面。當在鋁電極上加正電壓時，Ρ-η結反偏，此時是截止的。 把該存儲器做成十字交叉陣列，并選用負向的脈沖來讀取每個存儲單元的阻值時，此界面的Ρ-η結就能夠避免串擾問題，使得十字交叉陣列結構能有效應用于高密度存儲器。此外， 本發明所提供的阻變存儲器的底電極選用的是低電阻的P型硅，與傳統CMOS工藝的兼容性非常高，能夠在不改變現有工藝條件的情況下開發出高密度的非易失性存儲器，具有成本低等特點。
圖1為為本發明實施例1的十字交叉陣列結構的阻變存儲器的結構示意圖(未示出氧化硅層)。圖2為本發明實施例1的十字交叉陣列結構的阻變存儲器的存儲單元的結構示意圖。圖中各標記如下1鋁電極、2η型氧化鋅薄膜、3p型硅電極、4氧化硅。
具體實施例方式下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。下述實施例中所用的光刻膠購自北京科華微電子材料有限公司，光刻膠的型號為 KMP-BP-212-37。實施例1、十字交叉結構的阻變存儲器的制作(1)在硅基片上高溫熱氧化得到一層絕緣的氧化硅，在該氧化硅層上利用脈沖電子束沉積一層重摻雜B元素的ρ型硅，其中B的摻雜濃度為102°cm_3。(2)對ρ型硅利用丙酮、酒精、去離子水依次進行清洗，然后烘干。(3)在上述得到的ρ型硅上涂敷光刻膠，之后曝光，曝光強度為2. 6mW/cm2 ；曝光時間為10秒鐘；顯影，顯影1分鐘，定影30秒鐘；然后利用反應離子刻蝕硅襯底，刻蝕的條件為射頻功率50W，氣壓為5Pa，SF6氣體的流量為40SCCM，刻蝕時間為100秒；最后剝離掉光刻膠得到寬度為1微米的條形P型硅底電極，電阻率為0. 02 Ω · cm。(4)在得到的ρ型硅底電極上涂敷光刻膠，之后曝光，曝光強度為2. 6mff/cm2 ；曝光時間為10秒鐘；顯影，顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到中間阻變層的圖形和區域。(5)利用反應磁控濺射在上述得到的中間阻變層上鍍上η型氧化鋅薄膜。磁控濺射的反映條件為濺射功率250W，濺射氣體由0. 35Pa的氬氣和0. 45Pa的氧氣混合組成，濺射時間為20分鐘，采用純Si靶作為靶材，得到η型氧化鋅薄膜的成分為Si含量為50. 2% (原子百分數)，0含量為49. 8% (原子百分數)，厚度為50nm，電阻率為IO6 Ω · cm。(6)在上述得到的η型氧化鋅薄膜上涂敷光刻膠，之后曝光，曝光強度為2.6mW/ cm2 ；曝光時間為10秒鐘；顯影，顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到上電極的圖形。(7)在得到的上電極圖形上利用磁控濺射的方法沉積鋁電極，濺射的條件為功率 250W，濺射氣體為0. 4Pa的氬氣，濺射時間為20分鐘。(8)剝離上電極層的光刻膠，得到寬度為1微米的條形鋁上電極，得到十字交叉陣列的阻變存儲器。實施例2、十字交叉結構的阻變存儲器的制作(1)在硅基片上高溫熱氧化得到一層絕緣的氧化硅，在該氧化硅層上利用脈沖電子束沉積一層重摻雜Al的ρ型硅材料，其中Al的摻雜濃度為102°cm_3。(2)對ρ型硅利用丙酮、酒精、去離子水依次進行清洗，然后烘干。(3)在上述得到的ρ型硅上涂敷光刻膠，之后曝光，曝光強度為2. 6mW/cm2 ；曝光時間為10秒鐘；顯影，顯影1分鐘，定影30秒鐘；然后利用反應離子刻蝕硅襯底，刻蝕的條件為射頻功率50W，氣壓為5Pa，SF6氣體的流量為40SCCM，刻蝕時間為100秒；最后剝離掉光刻膠得到寬度為1微米的條形P型硅底電極，電阻率為0. 02 Ω · cm。(4)在得到的ρ型硅底電極上涂敷光刻膠，之后曝光，曝光強度為2. 6mff/cm2 ；曝光時間為10秒鐘；顯影，顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到中間阻變層的圖形和區域。(5)利用反應磁控濺射在上述得到的中間阻變層上鍍上η型氧化鋅薄膜。磁控濺射的反映條件為濺射功率250W，濺射氣體由0. 35Pa的氬氣和0. 45Pa的氧氣混合組成，濺射時間為20分鐘，采用的靶材為ai-5% Al合金，得到η型氧化鋅薄膜的厚度為50nm，電阻率為IO4 Ω - cm, η型氧化鋅薄膜的組成為Al占4. 8% (原子百分數)，Si占45. 2% (原子百分數)，其余為0。(6)在上述得到的η型氧化鋅薄膜上涂敷光刻膠，之后曝光，曝光強度為2.6mW/ cm2 ；曝光時間為10秒鐘；顯影，顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到上電極的圖形。(7)在得到的上電極圖形上利用磁控濺射的方法沉積鈦電極，濺射的條件為功率 250W，濺射氣體為0. 4Pa的氬氣，濺射時間為20分鐘。(8)剝離上電極層的光刻膠，得到寬度為1微米的條形鈦上電極，得到十字交叉陣列的阻變存儲器。實施例3、十字交叉結構的阻變存儲器的制作(1)在硅基片上高溫熱氧化得到一層絕緣的氧化硅，在該氧化硅層上利用脈沖電子束沉積一層重摻雜( 的ρ型硅材料，其中( 的摻雜濃度為102°cm_3。(2)對ρ型硅利用丙酮、酒精、去離子水依次進行清洗，然后烘干。(3)在上述得到的ρ型硅上涂敷光刻膠，之后曝光，曝光強度為2. 6mW/cm2 ；曝光時間為10秒鐘；顯影，顯影1分鐘，定影30秒鐘；然后利用反應離子刻蝕硅襯底，刻蝕的條件為射頻功率50W，氣壓為5Pa，SF6氣體的流量為40SCCM，刻蝕時間為100秒；最后剝離掉光刻膠得到寬度為1微米的條形P型硅底電極，電阻率為0. 02 Ω · cm。(4)在得到的ρ型硅底電極上涂敷光刻膠，之后曝光，曝光強度為2. 6mff/cm2 ；曝光時間為10秒鐘；顯影，顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到中間阻變層的圖形和區域。(5)利用反應磁控濺射在上述得到的中間阻變層上鍍上η型氧化鋅薄膜。磁控濺射的反映條件為濺射功率250W，濺射氣體由0. 35Pa的氬氣和0. 45Pa的氧氣混合組成，濺射時間為20分鐘，采用Si-3. 5% Cu合金靶材，得到η型氧化鋅薄膜的厚度為50nm，得到η 型氧化鋅薄膜的電阻率為104Ω · cm，氧化鋅薄膜的組成為Cu占3. 6% (原子百分數)，Si 占46. 4% (原子百分數)，其余為0。(6)在上述得到的η型氧化鋅薄膜上涂敷光刻膠，之后曝光，曝光強度為2.6mW/ cm2 ；曝光時間為10秒鐘；顯影，顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到上電極的圖形。(7)在得到的上電極圖形上利用磁控濺射的方法沉積鋁電極，濺射的條件為功率 250W，濺射氣體為0. 4Pa的氬氣，濺射時間為20分鐘。(8)剝離上電極層的光刻膠，得到寬度為1微米的條形鋁上電極，得到十字交叉陣列的阻變存儲器。
權利要求
1.一種阻變存儲器，其特征在于所述阻變存儲器由底電極、沉積于所述底電極上的阻變層和沉積于所述阻變層上的上電極組成；所述底電極為條狀的P型硅電極；所述阻變層為η型氧化鋅薄膜；所述上電極為條狀的鋁電極或鈦電極；所述底電極和所述上電極相互垂直設置。
2.根據權利要求1所述的阻變存儲器，其特征在于所述底電極沉積于氧化硅層上。
3.根據權利要求1或2所述的阻變存儲器，其特征在于所述ρ型硅電極中摻雜Β、Α1 和( 中任一種元素；所述摻雜的元素的濃度為1012cm_3-1021cm_3 ；所述ρ型硅電極的電阻率為 0. 0001 Ω · cm-o. 1 Ω · cm。
4.根據權利要求1-3中任一所述的阻變存儲器，其特征在于所述η型氧化鋅薄膜的厚度為 IOnm-IOOOnm ；電阻率為 0. 1 Ω · cm-IO10 Ω · cm。
5.根據權利要求1-4中任一所述的阻變存儲器，其特征在于所述η型氧化鋅薄膜中鋅的原子百分數為50% -50.6%，余量為氧。
6.根據權利要求1-4中任一所述的阻變存儲器，其特征在于所述η型氧化鋅薄膜中摻雜Co、Ni、Mn、Al、fei、i^和Cu中任一種元素；所述摻雜的元素的原子百分數為0_5%，但不為0 ；所述η型氧化鋅薄膜中鋅的原子百分數可為45% -50. 6%，但不為50. 6%，余量為氧。
全文摘要
本發明公開了一種阻變存儲器。所述阻變存儲器由底電極、沉積于所述底電極上的阻變層和沉積于所述阻變層上的上電極組成；所述底電極為條狀的p型硅電極；所述阻變層為n型氧化鋅薄膜；所述上電極為條狀的鋁電極或鈦電極；所述底電極和所述上電極相互垂直設置。本發明所提供的阻變存儲器的底電極選用的是低電阻的p型硅，與傳統CMOS工藝的兼容性非常高，能夠在不改變現有工藝條件的情況下開發出高密度的非易失性存儲器，具有成本低等特點。
文檔編號H01L45/00GK102214790SQ20111015529
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月10日 優先權日2011年6月10日
發明者唐光盛, 曾飛, 潘峰, 羅景庭, 陳超 申請人:清華大學