[發(fā)明專利]具有肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)單元及其形成方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310209915.9
• 申請(qǐng)日: 2013-05-30
• 公開（公告）號(hào): CN103296051A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳華強(qiáng);吳明昊;白越;錢鶴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/24
• 分類號(hào): H01L27/24;G11C13/00
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體涉及一種具有肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)單元及其形成方法。

背景技術(shù)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展和電子設(shè)備在社會(huì)中的進(jìn)一步普及，特別是手機(jī)等便攜電子的普及和特殊電子設(shè)備如醫(yī)療儀器等的發(fā)展，微電子尺寸在不斷地進(jìn)行縮小過程。同時(shí)影音娛樂等的發(fā)展導(dǎo)致數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增大，進(jìn)而導(dǎo)致存儲(chǔ)器，特別是非易失性存儲(chǔ)器的應(yīng)用變得越來越重要。當(dāng)今社會(huì)的非易失性存儲(chǔ)器中FLASH存儲(chǔ)器占據(jù)著絕對(duì)主流，但是隨著微電子尺寸進(jìn)入深納米以下，傳統(tǒng)的FLASH存儲(chǔ)器出現(xiàn)了大量的缺陷。而新型阻變存儲(chǔ)器（RRAM）有著眾多的優(yōu)勢(shì)，包括良好的可縮小性能、方便進(jìn)行3D堆疊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)密度高、操作電壓低、操作電流小、讀寫速度快、功耗低、且與傳統(tǒng)CMOS兼容等。新型阻變存儲(chǔ)器RRAM結(jié)構(gòu)為上下電極間填充一元或多元金屬氧化物的三明治結(jié)構(gòu)，其中填充的一元或多元金屬氧化物層為阻變層。其工作機(jī)理是根據(jù)施加在此結(jié)構(gòu)上的電壓的不同，阻變層的電阻在高阻態(tài)和低阻態(tài)間發(fā)生相應(yīng)變化，從而開啟或阻斷電流流動(dòng)通道，利用高阻和低阻狀態(tài)的顯著差別儲(chǔ)存信息。

在操作中，由高阻到低阻的過程通常稱為Set過程，由低阻到高阻的過程通常稱為Reset過程。在Set過程中，由于器件由高阻變?yōu)榈妥瑁ㄟ^器件的電流不斷增大，器件在低阻狀態(tài)時(shí)很容易被高電流直接擊穿，導(dǎo)致器件毀壞。因此，新型阻變存儲(chǔ)器的研究過程中通常使用儀器等裝置對(duì)操作電流進(jìn)行最大值的限制。而在應(yīng)用過程中，由于存儲(chǔ)密度等的要求，研究中使用的外接限流設(shè)備無法使用，因此阻變存儲(chǔ)器需要在器件內(nèi)部每一個(gè)阻變單元集成限流結(jié)構(gòu)。在Reset過程中，由于電阻由低到高，通過器件的電流值逐漸減小；同時(shí)，Reset過程中的電流值要高于Set過程中的電流值，因此Set過程中的限流結(jié)構(gòu)在Reset過程中需要停止工作，即上文提到的限流結(jié)構(gòu)需為單向限流。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種能夠單向限流的具有肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)單元。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種能夠單向限流的具有肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)單元的形成方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)單元，包括：下電極；形成在所述下電極之上的阻變層；形成在所述阻變層之上的中間金屬層；形成在所述中間金屬層之上的半導(dǎo)體材料層；以及形成在所述半導(dǎo)體材料層上的上電極，其中，所述中間金屬層與所述半導(dǎo)體材料層形成肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述阻變存儲(chǔ)單元包括多級(jí)肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，即，所述阻變層之上具有多層交替出現(xiàn)的中間金屬層和半導(dǎo)體材料層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述下電極的材料為鎢、鉑或鋁，所述阻變層的材料為氧化鎢、氧化鋁、氧化鈦中的至少兩種的組合，所述上電極的材料為硅化鈦或氮化鈦。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述中間金屬層的材料為鋁、鉬或鉻。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體材料層的材料為摻雜的半導(dǎo)體硅或砷化鎵。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體材料層具有N型漸變摻雜，靠近所述上電極的一側(cè)為重?fù)诫s，靠近所述中間金屬層的一側(cè)為輕摻雜。

由上可知，本發(fā)明實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)單元具有肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，該肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)在不影響存儲(chǔ)密度和工藝要求的情況下完成限流的作用，為新型阻變存儲(chǔ)器在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了巨大幫助。Set過程時(shí)，金屬上電極500施加正電壓，金屬鋁層和半導(dǎo)體硅層形成的肖特基勢(shì)壘反偏，通過肖特基勢(shì)壘的反向漏電流來限制電流最大值。Reset過程時(shí)，金屬上電極500施加負(fù)電壓，金屬鋁層和半導(dǎo)體硅層形成的肖特基勢(shì)壘正偏，肖特基勢(shì)壘沒有限流作用。因此，金屬鋁層和半導(dǎo)體硅層形成的肖特基勢(shì)壘完成了Set過程的限流，同時(shí)在Reset過程中不起作用。本發(fā)明實(shí)施例的具有肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)單元具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，限流效果好的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)單元的形成方法，其特征在于，包括：形成下電極；在所述下電極之上形成阻變層；在所述阻變層之上形成中間金屬層；在所述中間金屬層之上形成半導(dǎo)體材料層；以及在所述半導(dǎo)體材料層上形成上電極，其中，所述中間金屬層與所述半導(dǎo)體材料層形成肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，形成多級(jí)肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，即，在所述阻變層之上交替形成多層中間金屬層和多層半導(dǎo)體材料層。