[發明專利]一種改善工作穩定性及存儲窗口的阻變存儲器及制備方法

有效

• 申請號: 202010429100.1
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111564555B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 趙毅;沈陽
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種改善工作穩定性及存儲窗口的阻變存儲器及制備方法，存儲器單元自下而上分別為底電極、下阻變層、氧化物緩沖介質層、上阻變層，頂電極。制備方法為：在制作底電極之后生長下阻變層對應金屬，然后通過化學氣相淀積、原子層沉積等方法生長氧化物緩沖介質層如氧化硅，再生長一層上阻變層對應金屬，之后通過氧化的方法利用氧氣在氧化物緩沖介質層的擴散系數與阻變層的擴散系數不同，氧化之前淀積的兩層阻變層金屬以獲得高氧化態上阻變層和低氧化態下阻變層，最后生長頂電極。本發明可有效改善阻變器件的工作穩定性及存儲窗口，制備簡單且與標準工藝良好兼容。

技術領域

本發明屬于半導體與集成電路技術領域，具體涉及一種改善工作穩定性及存儲窗口的阻變存儲器及制備方法。

背景技術

隨著集成電路、移動通信、物聯網的發展，對于非易失性存儲器的需求越來越向大容量、低功耗、高密度和低成本的方向轉變。金屬氧化物阻變器件是一種非常具有應用潛力的新型非易失性存儲器，其典型結構為金屬電極-氧化物-金屬電極。在外電場的激勵作用下，器件可在高、低阻態之間發生可逆轉變，且其高、低阻態在電場撤銷之后仍能夠保持。Forming過程是指RRAM第一次從初始的高阻態跳變到低阻態的過程，相反的處于低阻態的RRAM在被施加一定電壓激勵后可以轉換到高阻態，低阻態跳變到高阻態的過程稱之為Reset。 經過Reset過程后進入高阻態的RRAM也可以通過施加電壓激勵轉換到低阻態，而這個過程不同于第一次的高阻態跳變低阻態稱之為Set過程。傳統結構的RRAM器件為了降低操作電壓（Forming、Set、Reset電壓）一般采用一端為惰性電極一端為活性電極的結構，而這樣的結構會導致器件的保持特性很差，無法滿足我們對一個非易失存儲器的長期存儲信息的要求，而且存儲器的性能調試很難通過單一的阻變材料層調整來調制各項器件特性，需要改變電極及插層參數來共同調制。圖1為RRAM單元結構示意圖。

RRAM的轉變特性I-V曲線如圖2所示，其器件特性包括Forming電壓/電流，SetReset電壓/電流以及保持特性（Retention）、均一性（Uniformity）、MW（Memory Window）存儲窗口、讀寫速度、擦寫次數（Endurance）等。

基于TaOx、NiOx、HfOx、ZnOx等材料的RRAM器件是典型的金屬氧化物非導電通道類，其原理是通過晶格氧被激發產生氧空位形成的導電通道的通斷來實現不同的阻值狀態，如圖4所示。在外加電場的情況下，阻變層中的氧離子會移動至界面層（取決于極性）存儲起來，在阻變層中出現氧空位形成的導電通道，阻變層的阻值從高阻態（HRS）變為低阻態(LRS)，器件阻值完成轉變，后續依次加上極性相反的Reset/Set電壓（一般低于Forming電壓），可以使得氧空位通道再次斷裂和形成，可以讓阻變層在HRS和LRS轉變，從而形成循環，存儲0和1。以下電極為氮化鈦、上電極為鉭、阻變層為氧化形成的氧化鉭為例，如圖3所示，其保持特性曲線如圖5，從圖5中可以發現器件阻值特性在僅僅0.5h后已經發生劇烈漂移，這與非易失存儲的存儲功能是相背離的。而這種單層金屬Ta通過氧化生長的阻變層TaOx由于自上而下x依次減小，氧化梯度過緩，所以氧空位得失較小，導致存儲窗口減小（存儲窗口的值為高低阻態的比值，與存儲器的抗噪聲能力聯系緊密），此外由于氧氣易在TaOx中擴散，導致不易控制氧化條件，易發生過氧化，將下層底電極金屬部分氧化，不利于存儲器性能。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種改善工作穩定性及存儲窗口的阻變存儲器及制備方法，該制備方法簡單、成本較低且與標準CMOS后段工藝良好兼容，可在不改變前段工藝的基礎上集成。

本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的：

一方面，本申請提出了一種改善工作穩定性及存儲窗口的阻變存儲器，該阻變存儲器自下而上分別為底電極、下阻變層、氧化物緩沖介質層、上阻變層、頂電極。其中，氧化物緩沖介質層無阻變特性，如氧化硅。