[发明专利]一种阻变层和具有该阻变层的阻变存储器及制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及微电子半导体技术领域，特别是涉及一种改进过渡金属氧化物基电阻式存储器性能的阻变层及具有该阻变层的阻变存储器制备工艺及其结构。

背景技术

目前，半导体工业的发展正推动着存储器技术的不断进步。其中利用电阻变化的新型非挥发性存储器，由于其高存储密度、高速度、低功耗，易于集成等优点，成为了下一代半导体存储器的强有力竞争者。这种阻变存储器一般具有M-I-M(Metal-Insulator-Metal，金属-绝缘体-金属)结构，即在两层金属电极之间加入一层具有阻变特性的介质薄膜材料，其工作原理是利用外加电压大小不同或者电压极性不同，控制阻变材料的电阻值在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除。目前常见的阻变材料许多都是金属氧化物薄膜，例如氧化铪(HfO2)，氧化钛(TiO2)，氧化锆(ZrO2)，氧化镍(NiO)，氧化锌(ZnO)，氧化钨(W₂O₅)等。

研究表明，上述阻变存储器之所以能够在不同阻态之间相互转换，主要与在介质薄膜材料内部形成的细丝导电通道有关，这些细丝导电通道的通断决定了阻变存储器的存储单元是处于高阻态还是低阻态，因此有效控制细丝导电通道的形成是提高存储器性能的关键。由于目前常见的阻变材料中使用的金属氧化物材料体系的性质非常复杂，利用现有的工艺方法和技术方案制备的氧化物介质薄膜中细丝导电通道的形成具有很大的随机性，不能够有效控制细丝导电通道的形成，由此使得所制备的阻变存储器的一致性较差，难以满足技术应用的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可有效控制阻变材料氧化物介质薄膜中细丝导电通道的形成，从而改善金属氧化物基阻变存储器存储单元的一致性的技术方案。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种阻变层和具有该阻变层的阻变存储器及制备工艺......

上述技术方案具有如下优点：通过在底电极上连续淀积三层金属薄膜形成合金层以制备成阻变层，利用该阻变层实现对细丝导电通道产生的有效控制，本发明能与传统的半导体生产工艺相兼容，工艺简单，生产成本低。

附图说明

图1是本发明实施例的阻变存储器的制备工艺流程图；

图2是本发明实施例的阻变存储器的结构示意图；

图3是利用TEM对本发明实施例的阻变存储器的截面进行分析的示意图；

图4是利用EDX对本发明实施例的阻变存储器的截面进行成分分析的示意图；

图5是本发明实施例的阻变存储器与传统氧化铪结构的阻变存储器形成电压的比较示意图；

图6是本发明实施例的阻变存储器与传统氧化铪结构的阻变存储器转变电压的比较示意图；

图7是本发明实施例的阻变存储器与传统氧化铪结构的阻变存储器低阻阻值的比较示意图；

图8是本发明实施例的阻变存储器与传统氧化铪结构的阻变存储器高阻阻值的比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，为本发明实施例的阻变存储器的制备工艺流程图。阻变存储器的制备工艺步骤为：

步骤101，在材料为硅片的衬底上热氧化一层二氧化硅(SiO₂)再利用物理气相淀积的方式淀积一层金属钛(Ti)作为缓冲层，然后利用物理气相淀积的方式淀积底电极，底电极使用阻变存储器常用的电极材料，本实施例中选择Pt。其厚度大于50纳米。

步骤102，在底电极上利用物理气相淀积的方式依次淀积三层金属薄膜，其中，上下两层金属薄膜为Al，上下层Al厚度均选择5纳米；中间层金属薄膜为现有技术中制备阻变层的常规的金属薄膜。本实施例中选择Hf，所淀积的Hf的厚度为20纳米。

步骤103，将上述三层金属薄膜在氮气或者其它惰性气体的气氛中、600℃左右的温度范围内退火20分钟，使得上下两层的Al向中间层的Hf中扩散并相互溶解形成合金薄膜。上述温度和退火时间成反比，即温度高则需要的时间短，温度低则需要的时间长，达到使上下两层的Al向中间层的Hf中扩散并相互溶解的目的即可。

步骤104，将经步骤S2退火后的合金薄膜在氧气的气氛中、600℃左右的温度范围内退火氧化20分钟，使Hf、Al氧化变为Al和Hf混合的氧化物，形成阻变层。上述温度和退火时间成反比，即温度高则需要的时间短，温度低则需要的时间长，达到使Hf、Al被氧化的目的即可。