[發明專利]非揮發性阻變存儲器件及其制備方法

在審

• 申請號: 201510061731.1
• 申請日: 2015-02-05
• 公開（公告）號: CN104659208A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 劉琦;劉明;孫海濤;張科科;呂杭炳;龍世兵;張康瑋
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 北京藍智輝煌知識產權代理事務所(普通合伙) 11345
• 代理人: 陳紅

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，尤其涉及一種非揮發性阻變存儲器(RRAM)的器件單元結構及制作方法。

背景技術

隨著多媒體應用、移動通信等對大容量、低功耗存儲的需要，非揮發性存儲器、特別是閃存所占的半導體器件市場份額變得越來越大，也逐漸成為一種相當重要的存儲器。非揮發性存儲器的主要特點是在不加電的情況下也能夠長期保存所存儲的信息，其既有只讀存儲器的特點，又有很高的存取速度。

當前市場上的非揮發性存儲器以閃存為主流，但是閃存器件存在操作電壓過大、操作速度慢、耐久力不夠好以及由于在尺寸微縮化過程中過薄的隧穿氧化層將導致記憶時間不過長等缺點。理想的非揮發性存儲器應具備操作電壓低、結構簡單、非破壞性讀取、操作速度快、記憶時間長、器件面積小、耐久性好等條件。目前已經對多種新型材料和器件進行了研究，試圖來達到上述的目標，其中有相當部分的新型存儲器器件都采用電阻值的改變來作為記憶的方式，包括阻變存儲器(RRAM，resistive?switching?memory)。

基于易氧化金屬/固態電解液/惰性金屬的三明治結構，能夠構成一類重要的非揮發性阻變存儲器，通常被稱為固態電解液基RRAM，可編程金屬化器件(PMC：Programmable?Metallization?Cell?Memory)或導電橋隨機存儲器(CBRAM：Conductive?Bridging?Random?Access?Memory)。這類存儲器具有結構簡單、速度快、功耗低等優點，倍受產業界的重視，成為下一代非揮發性存儲技術的有力競爭者之一。

其工作原理是：在外加電激勵的作用下，金屬上電極A的陽極易氧化金屬(如，Cu、Ag和Ni等)在電場作用下氧化成為金屬離子A+，金屬離子A+在電場的作用下在固態電解液B中進行傳輸，向陰極移動并最終達到惰性下電極C，在下電極C處金屬離子A+被還原成為金屬A。隨著金屬不斷在下電極C處沉積，最終達到上電極A，形成連通上下電極的細絲狀的金屬導電橋，器件電阻處于低阻狀態；在反向電場作用下，該金屬導電橋斷開，器件恢復到高阻狀態。這兩種電阻狀態可以在外加電場的作用相互轉換。

然而，由于常用的惰性金屬電極材料(如Pt、Au、Pd和W等)為多晶結構，導致金屬原子/離子容易進入惰性電極材料內形成易氧化金屬與惰性金屬的合金結構(文獻1，Y.C.Yang,F.Pan,Q.Liu,M.Liu,and?F.Zeng,Nano?Lett.9,1636,2009)，金屬原子/離子也可能會通過惰性電極材料遷移到惰性電極材料的表面，形成易氧化金屬的納米結構(文獻2，J.J.Yang,J.P.Strachanm,Q.Xia,D.A.A.Ohlberg,P.J.Kuekes,R.D.Kelley,W.F.Stickle,D.R.Stewart,G.Medeiros-Ribeiro,and?R.S.Williams,Adv.Mater.22,4034,2010)。金屬原子/離子進入惰性材料相當于在惰性電極處也會形成易氧化金屬源，造成這類RRAM器件在反向擦除的過程中(導電細絲斷裂)會出現誤編程的現象(反向電壓下，形成金屬性導電細絲)，對器件的可靠性造成顯著的影響。

發明內容

由上所述，本發明的目的在于克服上述技術困難，克服基于固態電解液材料的RRAM存儲器件存在的活性電極形成的金屬導電細絲在編程過程中進入到惰性電極材料中的問題，提供了一種通過在惰性電極和固態電解液層之間增加金屬離子阻擋層的新器件結構，提高了器件的可靠性。

為此，本發明提供了一種非揮發性阻變存儲器，包括下電極、阻變功能層、上電極，其特征在于：上電極與阻變功能層之間插入金屬離子阻擋層，能夠阻止器件編程過程中在阻變功能層中形成的金屬導電細絲進入上電極。

其中，下電極的材料為易氧化的金屬材料，例如為Cu、Ag、Ni、Sn、Co、Fe、Mg中的至少一種、或其組合；可選地，其厚度為5nm～500nm。

其中，阻變功能層的材料為具有電阻轉變特性的固態電解液或二元氧化物材料，例如為CuS、AgS、AgGeSe、CuI_xS_y，ZrO₂、HfO₂、TiO₂、SiO₂、WO_x、NiO、CuO_x、ZnO、TaO_x、Y₂O₃的任意一種或其組合；可選地，其厚度為2nm～200nm。