一種電阻型存儲單元的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及非易失性存儲器件技術領域,具體涉及一種高密度薄膜結構的阻變式存儲單元。
【背景技術】
[0002]近年來隨著計算機技術、互聯網技術的飛速發展,非易失性存儲器件在半導體行業中扮演越來越重要的角色。在非易失性存儲器件中,即使當電源被切斷,器件的基本單元仍保持基本單元中存儲的數據。電阻型隨機存儲器(Resistive Random Access Memory,RRAM)是一種新型非易失性存儲器,其工作的機理是在外電場觸發可逆電阻轉變效應,即在外加電壓的作用下,器件的電阻在低阻態(“O”)和高阻態(“ I ”)之間可逆轉變,并且所得到的電阻在外電場去除后可以保持下來。電阻型存儲器由于具有高的讀寫速度、高集成度和多值存儲能力等特點,而成為現階段研究的熱點。
[0003]電阻型存儲器件通常為金屬-氧化物-金屬三明治結構,可以通過常規的制膜工藝如濺射、氣相沉積等工藝制備;同時,電阻型存儲器件存在多水平電阻轉變現象,在不改變單元體積的條件下可以實現更多信息的存儲,并且其與半導體工藝兼容性好,可以利用現有的半導體工藝技術生產,可以大大縮減開發成本。
[0004]在保證性能的前提下,如何提高存儲密度是現有研究的熱點,提高存儲密度才能降低成本提高市場競爭力。一般來說,提高存儲器的存儲密度主要有以下兩種方式:第一種是通過工藝或器件結構來減小單元面積的尺寸,通常是采用交叉陣列結構以實現理論上的最小單元面積;第二種是采用多值存儲單元,可以在不增大存儲面積的情況下提高存儲面積,減低位/面積的成本,多值存儲是指在存儲器的一個節點上記錄多于一比特的二進制數據,從而增大存儲器的存儲密度,提高存儲容量。
[0005]目前,研究人員獲得多值存儲主要是通過改善單層阻變層來獲得,比如施加不同的reset電壓獲得不同的高阻態的阻值,或者通過對一次性編程存儲器施加不同的編程電壓或不同的電流強度的編程電流,使一次編程存儲器從高阻態編程不同的低阻態,以實現多值存儲。但是由于單層阻變層的結構決定了在reset過程中,沒有穩定的一個中間態,就導致單層阻變層結構的多值存儲的一致性很難保證。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種阻變性能好、穩定性好的薄膜結構的電阻型存儲單元。
[0007]為實現上述目的,本發明的技術方案是:一種電阻型存儲單元,其功能層為電阻變化型存儲層,該功能層為上、下兩層的疊層結構,其由非晶態的SnOJl和氮氧化物MnO xNy層疊層構成,其中,非晶態的SnOx* X的取值范圍為0〈x〈2,氮氧化物MnOxNy中的x和y的取值范圍分別為l〈x〈2,0.001<y<2o
[0008]所述電阻型存儲單元包括基板、下電極層、功能層、上電極層和絕緣介質層,下電極層覆蓋在基板上,絕緣介質層覆蓋在下電極層上,絕緣介質層上設有槽底通至下電極層的溝槽,溝槽內自上而下依次設有上電極層和功能層,功能層與下電極層直接接觸,上電極層與絕緣介質層表面平齊設置。
[0009]所述下電極層和上電極層均為導電金屬、導電金屬合金或導電金屬化合物,其中的導電金屬為Cu、Ag、T1、Pt或Ni,導電金屬合金為Pt/T1、Cu/Ti或者Cu/Au,導電金屬化合物為TiN、TaN或ΙΤ0。
[0010]所述絕緣介質層的材料為S12或者SiN。
[0011]所述下電極層和上電極層的厚度均為80-150nm,功能層中非晶態的SnOjg的厚度為20-45nm,氮氧化物MnOxNy層的厚度為50_80nm,絕緣介質層的厚度為300nm~5000nm。
[0012]所述基板為玻璃基板、半導體基板或者其他合適材質的基板。
[0013]本發明電阻型存儲單元的制備方法,包括如下步驟:
(1)、在基板上用導電材料形成下電極層;
(2)、在下電極層上沉積或旋涂一層絕緣介質層,然后通過光刻工藝在絕緣介質層上形成溝槽,溝槽的槽底通至下電極層;
(3)、利用磁控濺射或者原子層沉積的方法在溝槽內形成所述電阻型存儲單元的功能層,該功能層為上、下兩層的疊層結構,其由非晶態的SnOJl和氮氧化物MnOxNy層疊層構成,其中,非晶態的SnOx* X的取值范圍為0〈x〈2,氮氧化物MnOxNy中的X和y的取值范圍分別為 l〈x〈2,0.001<y<2 ;
(4)、在功能層上用導電材料形成上電極層,利用平坦化工藝使上電極層與絕緣介質層的表面平齊,即可。
[0014]上述步驟(3)中,雙層結構功能層的形成包括非晶態的SnOx薄膜形成步驟和氮氧化物MnOxNy薄膜形成步驟,可以先在溝槽內形成非晶態的SnOx薄膜層,再在非晶態的SnOx薄膜層上形成氮氧化物MnOxNy薄膜層,也可以先在溝槽內形成氮氧化物MnOxNy薄膜層,再在氮氧化物MnOxNy薄膜層上形成非晶態的SnO )!薄膜層。
[0015]非晶態的SnOx薄膜形成方法:以金屬錫作為靶材,控制磁控濺射鍍膜設備的反應腔室內溫度為180°C ~200°C,向反應腔室內通入02和Ar氣體,在Ar離子轟擊下金屬錫靶材發生濺射,并與反應腔室內的02碰撞而發生反應,從而形成非晶態的SnOx薄膜。
[0016]氮氧化物MnOxNy薄膜層的形成方法:一、兩步法:首先,以金屬Mn作為靶材,控制反應腔室內溫度為100~400°C,向反應腔室內通入O2和Ar氣體,在Ar離子轟擊下金屬Mn靶材發生濺射,并與反應腔室內的O2碰撞而發生反應,從而先形成一層MnOx薄膜層;然后,對MnOx層進行氮離子注入以將MnOx層轉變為氮氧化物MnOxNy層。二、一步法:以金屬Mn作為靶材,控制反應腔室內溫度為100~400°C,向反應腔室內通入02和Ar氣體,同時向反應腔室中注入氮離子源,在Ar離子轟擊下金屬Mn靶材發生濺射,與反應腔室內的02碰撞而發生反應生成MnOx,MnOx與注入的氮離子結合,從而形成一層氮氧化物MnOxNy薄膜層。兩種方法中,通過控制氧和氮離子的通入量來控制X和y的取值,最終使形成的氮氧化物MnOxNy的X和y的取值范圍分別為l〈x〈2,0.001<y<2o
[0017]在本發明的制備方法中,即使非晶態SnOJl的表面一部分在通入O2的過程中吸收氧形成SnO2,也不會影響該層的存儲特性,因為該層的主要成分還是非晶的Sn0x,0〈x〈2。
[0018]有益效果:
1、本發明電阻型存儲單元的存儲功能層是由非晶態的SnOJi和氮氧化物MnOxNy層疊層形成的雙層結構,此雙層結構的存儲功能層,在電流脈沖的作用下,能夠穩定地實現多值存儲。
[0019]2、本發明的電阻型存儲單元具有低阻態,穩定的中間態和高阻態,實現了多阻態的穩定性和一致性,能夠提高存儲單元的存儲密度和穩定性。
[0020]3、其中,非晶態的3110:!在穩定狀態時,以一短促的電流脈沖在低電流操作下就可以實現reset過程,在存儲過程中可以降低電流功耗。氮氧化物MnOxNy中的N+的移動可以實現空位導電通道的形成和斷裂,也可以降低存儲過程中的阻變電壓,減少存儲時的電流功耗。
【附圖說明】
[0021]附圖1為本發明電阻型存儲單元的結構示意圖;
附圖2為本發明電阻型存儲單元的電流-電壓特性的測試圖;
附圖3為本發明電阻型存儲單元的阻態保持性的測試圖。
[0022]附圖1的附圖標號:1、基板,2、下電極層,3、絕緣介質層,4和5分別代表功能層的非晶態SnOx層和氮氧化物MnO xNy層,或者分別代表氮氧化物MnO xNy層和非晶態SnO Jl,6、上電極層。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示,本發明電阻型存儲單元包括基板1、下電極層2、功能層、上電極層6和絕緣介質層3,下電極層2覆蓋在基板I上,絕緣介質層3覆蓋在下電極層2上,絕緣介質層3上設有槽底通至下電極層2的溝槽,溝槽內自上而下依次設有上電極層6和功能層,功能層與下電極層2直接接觸,上電極層6與絕緣介質層3表面平齊設置。其中的功能層為電阻變化型存儲層,該功能層為上、下兩層的疊層結構,其由非晶態的SnOJl和氮氧化物MnOxNy層疊層構成,其中,非晶態的SnO ,中x的取值范圍為0〈x〈2,氮氧化物MnO xNy中的x和I的取值范圍分別為l〈x〈2,0.001<y<2o功能層可以是上層為非晶態的SnOjl,下層為氮氧化物MnOxNy層,也可以是上層為氮氧化物MnO xNy層,下層為非晶態的SnO Jl。
[0024]利用半導體參數