[发明专利]一种高可靠性非挥发存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及阻变存储器（RRAM），具体涉及一种高可靠性高一致性的存储器结构及其制备方法，属于CMOS超大规模集成电路（ULSI）中的非挥发存储器（Nonvolatile memory）性能优化及其制造技术领域。

背景技术

半导体存储器是半导体技术发展的核心支柱之一，在各个IT领域都具有不可替代的地位。目前主流的半导体存储器主要包括挥发性的动态随机存储器（DRAM）和静态随机存储器（SRAM），以及非挥发性的快闪存储器（Flash）。但是随着技术进步，当特征尺寸不断缩小，集成密度不断提高，尤其是进入纳米尺寸节点后，DRAM、SRAM和Flash的缩小能力都将达到极限。尤其是非挥发性存储器的性能等参数随机涨落显著增加，可靠性问题日益严峻。为此，人们通过研究新材料、新结构和新功能等多种技术解决方案，提出了新型非挥发性存储器技术，包括电荷陷阱存储器（CTM）、铁电存储器（FeRAM）、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)，阻变存储器（RRAM）等。其中，阻变存储器凭借其各方面的优异性能，获得了人们的广泛关注，并成为下一代主流存储器的研究热点。

阻变存储器是基于存储介质的阻变特性实现信息存储的，阻变特性即某些电介质材料在外加电场作用下电阻发生高低阻态间可逆变化的性质。阻变存储器根据其阻变材料的不同又可分为无机阻变存储器和有机阻变存储器，其中，在现有技术中无机阻变存储器中基于过度金属氧化物（TMO）制作而成的存储器因为其工艺简单、成本低等优势而占据主流，TMO-RRAM结构如图1所示。两极板间电压为V，初始状态下，阻变存储器呈高阻态，当电压增加到一定值时，器件状态由高阻态变为低阻态，该过程被称为forming，对应的电压V为Vform；该低阻态在断电后能长期保持，直到当继续施加电压并达到某一值后，器件又变回高阻态，该过程为reset，对应的电压V为Vreset;同样，其高阻态在断电后能长期保持，直到当再施加电压V达某一值后，阻变材料又变回低阻，该过程为set，对应的电压V为Vset，

目前，主流观点认为，金属氧化物阻变存储器的阻变原因主要为细丝导电机制。即器件的高阻态和低阻态分别对应导电细丝的形成和断裂过程。当V=V_set时，电场作用使金属离子或者氧空位定向移动，从而在局部区域内形成了连接上下电极的导电通道，对应器件的低阻态；当电压为V_reset时，由于电场和热的综合作用，使通道熔断，器件变为高阻。

由于阻变存储器中导电通道的形成位置、长度、粗细都是随机的，所以相对应器件表现出来的各项参数都会在不同器件或者不同开关过程中有所波动，即存在器件的一致性问题；另外，由于通道由金属离子或者氧空位移动形成，在反复的读写操作时，金属离子或者氧空位有可能扩散到周围环境中而使器件特性退化，产生可靠性问题。本发明即主要针对以上两方面问题提出解决方案。

发明内容

基于以上问题，本发明目的在于提高器件的一致性以及解决阻变存储器中存在的可靠性问题，采用掺杂技术和双层阻变材料相结合的方法，能有效提高器件一致性和可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种高可靠性非挥发存储器，包括上电极、下电极和位于上下电极之间的阻变材料，其中，上电极位于器件顶部，下电极位于衬底上，在阻变材料的金属氧化物中掺杂金属，在上电极和阻变材料之间有增设一金属储氧层。

进一步的，所述阻变材料中金属氧化物对应的金属M1和掺杂金属M2，满足如下条件的任意一种：

M1与氧反应生成氧化物的吉布斯自由能ΔM1低于M2对应的吉布斯自由能ΔM2；

或者M2在对应氧化物中的价态低于M1在相应氧化物中的价态。

进一步的，金属储氧层相应金属M3满足如下条件：

M1与氧反应生成氧化物的吉布斯自由能ΔM1高于M3对应的ΔM3。

进一步的，对电极进行图形化，在衬底和金属储氧层表面形成一系列平行排列的条状锯齿结构，其截面为“^”形。

可选的，所述衬底采用Si作为支撑性衬底，所述上、下电极材料选用导电金属或金属氮化物，可选择Pt、Al、Ti和TiN中的一种或多种，所述阻变材料选用过渡金属氧化物，可选择HfOx，TaOx，ZrOx，WOx中的一种或多种。

本发明还提出一种高可靠性非挥发存储器制备方法，其步骤包括：

1）在衬底上溅射金属，通过工艺图形化形成下电极；

2）通过溅射方法先制备金属氧化物阻变材料覆盖于底层电极，再将相应的金属杂质掺杂到阻变材料中；