專利名稱：一種具有穩(wěn)定阻變特性的材料及阻變存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于半導(dǎo)體非揮發(fā)性存儲(chǔ)器阻變材料的制備方法，具體地說，是關(guān)于一種具 有穩(wěn)定阻變特性的材料及阻變存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)性存儲(chǔ)器是能實(shí)現(xiàn)斷電保存信息的一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件。非揮發(fā)性存儲(chǔ)器在當(dāng) 前的電子產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，如手機(jī)、個(gè)人電子助理(PDA) 、 IC卡等。半導(dǎo)體器件 尺寸不斷地縮小，使得集成電路的設(shè)計(jì)朝著片上系統(tǒng)集成(SOC)的方向發(fā)展，而實(shí)現(xiàn)SOC 的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是低功耗、高密度、存取速度快的片上存儲(chǔ)器的集成。非揮發(fā)性存儲(chǔ)器 無需持續(xù)供電的特性使它成為未來SOC大規(guī)模片上集成存儲(chǔ)器的天然候選。由于現(xiàn)在主流 的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器(浮柵閃速存儲(chǔ)器)還無法滿足SOC片上超大規(guī)模集成度的要求，新型 非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的開發(fā)成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在眾多新型的非揮性發(fā)存儲(chǔ)器當(dāng)中，阻變 存儲(chǔ)器的器件尺寸在理論上可以近乎無限制地縮小，因此能達(dá)到很高的集成度高。此外， 阻變存儲(chǔ)器還具有器件制造工藝簡單，工作電壓低等優(yōu)勢(shì)。圖1是典型的阻變存儲(chǔ)器單元剖面圖。阻變存儲(chǔ)器的底電極10和頂電極30通常使用 Pt、 Ti等化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的金屬材料。置于底電極和頂電極之間的阻變材料20有TiO2， ZrO， Cu20, SrTi03等二元或三元金屬氧化物。阻變存儲(chǔ)器的信息讀寫依靠讀取或者改變阻變材料的電阻率實(shí)現(xiàn)。通常的阻變材料具 有高阻和低阻兩種狀態(tài)。與當(dāng)前大多數(shù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理不同，阻變存儲(chǔ)器并不依 靠電容式結(jié)構(gòu)中所存儲(chǔ)的電荷量來存儲(chǔ)信息，而是依靠材料本身的電阻率的改變。由于材 料本身的電阻率與材料的尺度無關(guān)，因此理論上阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)性能并不會(huì)隨著器件尺 寸的縮小而退化。這就決定了阻變存儲(chǔ)器潛在的集成能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前主流的浮柵式閃速 存儲(chǔ)器。另一方面，阻變存儲(chǔ)器的器件結(jié)構(gòu)簡單，可以非常容易地實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的CMOS生 產(chǎn)工藝的集成。在阻變存儲(chǔ)器的讀寫操作當(dāng)中， 一般定義高阻態(tài)存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息0，低阻態(tài)存儲(chǔ) 一位二進(jìn)制信息1。由于阻變材料的初始阻態(tài)為高阻態(tài)，因此將向信息位寫入1的操作(對(duì) 應(yīng)阻變材料由高阻態(tài)轉(zhuǎn)為低阻態(tài))定義為寫入操作，而向信息位寫入0的操作(對(duì)應(yīng)阻變 材料由低阻態(tài)轉(zhuǎn)為高阻態(tài))定義為擦除操作。器件寫入操作， 一般需要在頂電極和底電極之間施加大約l-5V的短電壓脈沖，并設(shè)置適當(dāng)?shù)淖畲箅娏飨拗疲员苊庾枳儾牧嫌筛咦钁B(tài) 轉(zhuǎn)向低阻態(tài)的過程中由于電流突然增大數(shù)個(gè)量級(jí)導(dǎo)致器件失效。器件的擦除操作， 一般需 要施加與寫入電壓同向或反向的大約0.5-1V的短電壓脈沖。用于寫入和擦除的電壓脈沖寬 度從數(shù)十納秒到上百微秒不等，視具體的阻變材料特性而定。擦除電壓寬度一般遠(yuǎn)大于寫 入脈沖寬度。器件存儲(chǔ)信息的讀取可以通過施加0.2V左右的小電壓并檢測(cè)相應(yīng)的電流大小 實(shí)現(xiàn)。潛在的超大規(guī)模集成能力，與現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的良好兼容性以及工作電壓低決定了阻變 存儲(chǔ)器具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的商業(yè)價(jià)值。當(dāng)前影響阻變存儲(chǔ)器大規(guī)模應(yīng)用的主要因素在于阻變材料的電阻轉(zhuǎn)變條件具有較大的隨機(jī)性，即使是同一個(gè)器件其兩次轉(zhuǎn)變發(fā)生的 脈沖條件也常常會(huì)有較大的偏差。并且在多次轉(zhuǎn)變的過程中，高低阻態(tài)的阻值常常也不穩(wěn) 定，阻值的分布較離散。這種隨機(jī)離散性使得對(duì)阻變存儲(chǔ)器的精確控制非常困難，阻礙的 阻變存儲(chǔ)器的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，研制新型的能夠發(fā)生穩(wěn)定阻變的材料是阻變存儲(chǔ)器進(jìn)一 步推廣的前提條件。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種阻變存儲(chǔ)器的阻變材料、阻變存儲(chǔ)器及 制備方法，該阻變存儲(chǔ)器的阻變材料具有比較穩(wěn)定的阻變特性，能適用于超大規(guī)模集成電 路中的存儲(chǔ)部件。本發(fā)明的技術(shù)方案是-一種具有穩(wěn)定阻變特性的材料，其特征在于，該材料為摻入了銀的二氧化硅薄膜或摻 入了銀的氮化硅薄膜。上述材料中，銀的質(zhì)量百分比含量在0.1%~10%之間。一種阻變存儲(chǔ)器，包括底電極、頂電極以及位于上述底電極和頂電極之間的阻變材料 層，其特征在于，上述阻變材料層為摻入了銀的二氧化硅薄膜或摻入了銀的氮化硅薄膜。阻變材料層的厚度在10 nm~100 nm之間。所述頂電極和底電極可以采用金屬Pt， Ti， Ni， W, TiN等材料。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是普通的阻變存儲(chǔ)器的導(dǎo)電機(jī)理主要是缺陷導(dǎo)電。即阻變材料中都存在一定量的缺陷 (可能是氧空位)。處于高阻態(tài)的材料中的缺陷零散無規(guī)律地分布在阻變材料當(dāng)中。在寫入 脈沖的作用下，缺陷隨機(jī)產(chǎn)生并移動(dòng)。隨著產(chǎn)生及移動(dòng)的缺陷越來越多，總會(huì)形成一條連通頂電極和底電極的缺陷導(dǎo)電通道，從而使現(xiàn)由高阻態(tài)向低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變具有極 大的隨機(jī)性。若定義實(shí)際使阻變器件由高阻向低阻發(fā)生轉(zhuǎn)變的條件p為外加電壓與實(shí)際轉(zhuǎn)變時(shí)間的乘積，根據(jù)滲流模型，對(duì)同一個(gè)器件，p的隨機(jī)分布滿足規(guī)律F(p"l-exp[-(p/ct/], 其中F(p)為器件的累積轉(zhuǎn)變幾率。^值越小，表示p的隨機(jī)分散度越大，器件發(fā)生轉(zhuǎn)變的 條件越不穩(wěn)定。而^與阻變材料層的薄膜厚度W呈正相關(guān)。這就導(dǎo)致了膜厚越小，轉(zhuǎn)變?cè)?不穩(wěn)定的結(jié)果，從而與小尺寸大規(guī)模集成的要求相違背。與普通阻變存儲(chǔ)器不同，本發(fā)明使用的阻變材料以Ag粒子運(yùn)動(dòng)組合的方式形成導(dǎo)電 通道，電阻轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定性大幅提升。如圖2所示，在外加電壓的作用下，薄膜中的Ag粒 子會(huì)朝著電極的方向運(yùn)動(dòng)并在電極處堆積。只要外加電壓不撤銷，堆積的銀粒子將越來越 多并向另一端的電極延伸。當(dāng)堆積的銀粒子將兩端電極連通的時(shí)候，阻變層就由高阻態(tài)轉(zhuǎn) 向了低阻態(tài)。銀粒子的堆積速度dL/dt可用微分方程dL/dt二anV(Lo-L)描述。其中L是銀粒 子堆的高度，Lo是兩電極之間的距離，也即膜電壓V下Ag粒子導(dǎo)電通道形成的時(shí)間 t=L02(2c^V)。由此可見摻Ag的Si02薄膜導(dǎo)電通道的產(chǎn)生機(jī)制不同于普通的阻變材料，并 且其產(chǎn)生的條件非常確定；也即是說，用摻Ag的S厚；a和p分別是銀粒子在Si02中的 密度和遷移率；V是外加電壓。解微分方程可得在某一i02作阻變層的阻變存儲(chǔ)器性能穩(wěn) 定，可靠性高，適用于超大規(guī)模集成系統(tǒng)的應(yīng)用。


圖1為半導(dǎo)體非揮發(fā)性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明阻變材料實(shí)現(xiàn)阻變的原理示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明阻變存儲(chǔ)器的制備作進(jìn)一步詳細(xì)描述參考圖3，在位于硅襯底50之上的Si02絕緣介質(zhì)40上，用PVD (Physical Vapor Deposition)方法生長Pt底電極10。在底電極之上用PLD(Pulsed Laser Deposition)方法生長 摻入了 Ag粒子的Si02薄膜，具體步驟為，制作用于PLD生長薄膜的靶材，需要將Si02 細(xì)粉末和細(xì)銀粉混合均勻，其制備具體為在0.15 mbar 0.25 mbar的壓力下壓制4 8分鐘 之后，在900-1200攝氏度下高溫?zé)Y(jié)20-30小時(shí)以上即可制成。PLD的激光功率選用250 mW 350 mW之間，淀積時(shí)間約8~12分鐘，生長出摻Ag的&02薄膜，形成阻變材料層20。阻變材料層之上再用PVD方法生長適當(dāng)厚度的Pt頂電極30。最后再利用一步掩模光 刻，將頂電極30和阻變層20刻蝕掉，露出底電極10以便進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明阻變存儲(chǔ)器的阻變材料層還可以是摻入了銀的氮化硅薄膜。另外，阻變材料中銀的質(zhì)量百分比含量在0.1%~10%之間。此外，阻變材料層的厚度在10nm 100nm之間。本發(fā)明阻變存儲(chǔ)器充分利用了上述阻變材料的穩(wěn)定阻變特性，可靠性高。除上述實(shí)施 例阻變存儲(chǔ)器外，利用上述阻變特性的材料，還可以構(gòu)造其他器件結(jié)構(gòu)。以上通過詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的阻變存儲(chǔ)器，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理 解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做一定的變形或修改；其制備方法也不 限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1. 一種具有穩(wěn)定阻變特性的材料，其特征在于，該材料為摻入了銀的二氧化硅薄膜或摻入了銀的氮化硅薄膜。
2、 如權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料中，銀的質(zhì)量百分比含量在 0.1%~10%之間。
3、 一種阻變存儲(chǔ)器，包括底電極、頂電極以及位于上述底電極和頂電極之間的阻變材 料層，其特征在于，所述阻變材料層為摻入了銀的二氧化硅薄膜或摻入了銀的氮化硅薄膜。
4、 如權(quán)利要求3所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，阻變材料層的厚度在10nm 100nm 之間。
5、 如權(quán)利要求3或4所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變材料層中，銀的質(zhì)量 百分比含量在0.1%~10%之間。
6、 如權(quán)利要求3所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述頂電極和底電極采用金屬Pt， Ti， Ni， W或TiN材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有穩(wěn)定阻變特性的材料以及阻變存儲(chǔ)器，屬于半導(dǎo)體非揮發(fā)性存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域。該阻變材料為摻入了銀的二氧化硅薄膜或摻入了銀的氮化硅薄膜。阻變材料的Ag粒子會(huì)朝著電極的方向運(yùn)動(dòng)并在電極處堆積。只要外加電壓不撤銷，堆積的銀粒子將越來越多并向另一端的電極延伸。當(dāng)堆積的銀粒子將兩端電極連通的時(shí)候，阻變層就由高阻態(tài)轉(zhuǎn)向了低阻態(tài)。因此，本發(fā)明阻變材料以Ag粒子運(yùn)動(dòng)組合的方式形成導(dǎo)電通道，使阻變材料的電阻轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定性大幅提升。
文檔編號(hào)G11C11/56GK101281953SQ20081010517
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者劉力鋒, 劉曉彥, 兵 孫, 康晉鋒, 楊競(jìng)峰, 漪 王, 王陽元, 韓汝琦 申請(qǐng)人:北京大學(xué)