[發明專利]一種阻變存儲器的制備方法

有效

• 申請號: 201310333931.9
• 申請日: 2013-08-02
• 公開（公告）號: CN103441214A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 張啟龍;張劍;楊輝
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及半導體領域，尤其涉及一種阻變存儲器的制備方法。

背景技術

隨著集成電路工藝32nm技術節點的來臨，傳統的Flash存儲器遇到了一系列的問題，其中，最主要的問題是，隨著隧穿氧化層厚度越來越小，電荷的泄流變得越來越嚴重，直接影響Flash存儲器的數據保持性能。近年來，各種新型非易失性存儲器得到迅速發展，如鐵電存儲器、磁存儲器、相變存儲器和阻變存儲器（RRAM），RRAM憑借其結構簡單、功耗低、可快速讀寫和可實現高密度存儲等優點，成為下一代最具競爭力的“通用”型非易失性存儲器。

RRAM是利用阻變層材料在電壓作用下，具有電阻狀態可逆轉變的電阻開關特性，來實現信息的存儲。RRAM的結構包括襯底、底電極、頂電極以及位于底電極和頂電極間的阻變介質層，其中，阻變介質層是RRAM的核心，厚度通常只有幾十納米。RRAM實現電阻轉變的微觀機制是阻變介質層中納米導電絲的生成和斷裂。由于納米導電絲通常只有幾納米，可以滿足存儲器件小型化的要求；此外，阻變介質層通常為簡單金屬氧化物，制備工藝與微電子工藝完全兼容。

RRAM的制備工藝簡單，其中最關鍵的是阻變介質層的制備。目前，阻變介質層的制備技術主要有濺射、化學氣相沉積、脈沖激光沉積、電子束蒸發、原子層沉積（ALD）以及溶膠&凝膠等?；诮惶婷}沖循環方式實現薄膜沉積的ALD技術，可以精確控制薄膜厚度，得到致密、均勻、具有高保形性的大面積薄膜。隨著納米技術的發展以及半導體集成電路工藝對器件小型化的要求，作為一種新興的超薄薄膜制備技術，ALD技術憑借其在大規模三維集成方面獨特的優勢，已成為阻變存儲器的一種重要制備手段。

ALD技術中，薄膜的生長以一種循環的方式進行，一個循環包括四個階段：（1）第一種前驅體以氣體脈沖的方式進入反應腔，并化學吸附在襯底表面；（2）待表面吸附飽和后，用惰性氣體將多余的前驅體吹出反應腔；（3）第二種前驅體以氣體脈沖的方式進入反應腔，并與上一次吸附在表面上的第一種前驅體發生反應；（4）待反應完全后，再用惰性氣體將多余的第二種前驅體及其副產物吹出反應腔。一個循環生長一層超薄材料，沉積速率為每循環得到薄膜厚度約為重復循環直至所需的薄膜厚度。

現有研究中制備阻變存儲器的原子層沉積技術主要為熱原子層沉積技術和等離子體增強原子層沉積（PEALD）技術，兩種技術的制備過程均以ALD的周期性循環沉積為基礎：熱原子層沉積技術是以水蒸氣作為第二種前驅體與第一種前驅體發生反應，例如，J.Zhang等人（Structural,optical,electrical?and?resistive?switching?properties?of?ZnO?thin?films?deposited?by?thermal?and?plasma-enhanced?atomic?layer?deposition,Appl.Surf.Sci.282,395（2013））使用熱原子層沉積技術制備氧化鋅薄膜，該薄膜顯示出良好的導電性，電阻率可以達到10^-3Ω.cm量級，但該方法制備的氧化鋅薄膜不具備電阻開關特性；等離子體增強原子層沉積技術是以等離子體作為第二種前驅體與第一種前驅體發生反應，例如，J.Zhang等人（Bipolar?resistive?switching?characteristics?of?low?temperature?grown?ZnO?thin?films?by?plasma-enhanced?atomic?layer?deposition,Appl.Phys.Lett,102,012113(2013)）使用等離子體增強原子層沉積技術制備氧化鋅薄膜，以該薄膜制備的Al/PEALD-ZnO/Pt阻變存儲器，其高阻態與低阻態間的電阻比值大于10³，但也存在阻變穩定性差，高阻態阻值變化范圍大的問題。

使用ALD技術制備的其它薄膜（如氧化鋁、氧化鈦等），也存在阻變穩定性差，擦寫電壓較大，高阻態阻值變化范圍大等問題，這些都限制了ALD技術在阻變存儲器領域的廣泛應用。

發明內容

本發明提供了一種阻變存儲器的制備方法，在阻變存儲器的阻變介質層的制備過程中引入了一種全新的原位等離子體增強熱原子層沉積技術。制備得到的阻變存儲器，可以實現對器件電阻開關特性的精確控制，最終達到對器件開關比、擦寫電壓的可調，并具有極佳的阻變穩定性。