專利名稱：一種基于soi材料的具有自整流效應(yīng)的阻變存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于SOI材料的具有自整流效應(yīng)的阻變存儲(chǔ)器，涉及存儲(chǔ)器及微電子領(lǐng)域，特別涉及于非易失性存儲(chǔ)器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著對(duì)高密度、高速度、低功耗的非易失性存儲(chǔ)器的追求，阻變存儲(chǔ)器的概念已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，已經(jīng)成為了半導(dǎo)體行業(yè)的研究重點(diǎn)之一。閃存作為傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器一直存在著可擦寫壽命不高以及擦除電壓過(guò)高等缺點(diǎn)。而由于其存儲(chǔ)機(jī)制的限制，閃存要進(jìn)一步小型化以獲得高密度存儲(chǔ)器的難度已經(jīng)越來(lái)越大。正是因?yàn)殚W存的這一瓶頸，全世界對(duì)于新型非易失性存儲(chǔ)器的研究才變得越來(lái)越火熱。阻變存儲(chǔ)器被認(rèn)為是很有希望取代閃存的一種新型非易失性存儲(chǔ)器，它具有高密度、響應(yīng)速度快、擦寫電壓低、多值存儲(chǔ)和三維存儲(chǔ)等諸多突出的優(yōu)點(diǎn)，尤其是它在器件小型化方面具有廣闊的前景。因此，許多國(guó)際著名的存儲(chǔ)器制造商如惠普、三星和IBM等都對(duì)阻變存儲(chǔ)器表現(xiàn)出濃厚的興趣，并投入大量資金進(jìn)行阻變存儲(chǔ)器相關(guān)的材料和器件研究。阻變存儲(chǔ)器具有極高的小型化的潛力是因?yàn)樽枳兇鎯?chǔ)器可以做成十字交叉陣列的形式，即底電極和上電極呈十字交叉排列，而把阻變層置于兩電極之間。十字交叉結(jié)構(gòu)中每一個(gè)單元只需要4F2的面積(F為制造工藝的特征尺寸)。但是十字交叉陣列在實(shí)際應(yīng)用中有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是在讀取信息時(shí)，不同存儲(chǔ)點(diǎn)之間的串?dāng)_(Sneak current)。比如當(dāng)讀取一個(gè)選定的高阻態(tài)的存儲(chǔ)點(diǎn)的信息時(shí)，電流可能從其它的處于低阻態(tài)的存儲(chǔ)點(diǎn)繞過(guò)來(lái)。因此，系統(tǒng)無(wú)法分辨電流是從選擇的存儲(chǔ)點(diǎn)流過(guò)還是從其它存儲(chǔ)點(diǎn)流過(guò)。因此，解決十字交叉陣列的串?dāng)_問(wèn)題是阻變存儲(chǔ)器領(lǐng)域亟待解決的一大問(wèn)題。解決串?dāng)_的方法通常是限制電流的流向，即讓電流只能從一個(gè)方向流經(jīng)阻變層， 反方向的電流則是不允許的。為了使電流能單相流經(jīng)阻變存儲(chǔ)器，通常有兩種方法。第一種選擇是在每一個(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)處嵌入一個(gè)單極性的二極管；第二種選擇就是開發(fā)具有自整流效應(yīng)的阻變存儲(chǔ)器。顯然第一種方法加大了器件制造的復(fù)雜性，同時(shí)也是的器件的小型化優(yōu)勢(shì)受到影響。因此，開發(fā)出具有自整流效應(yīng)的阻變存儲(chǔ)器是能夠保持其所有優(yōu)點(diǎn)的一種方法，對(duì)于阻變存儲(chǔ)器的應(yīng)用前景有著至關(guān)重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于SOI材料的具有自整流效應(yīng)的阻變存儲(chǔ)器。本發(fā)明提供的一種阻變存儲(chǔ)器由SOI基片、沉積于所述SOI基片上的底電極、沉積于所述底電極上的阻變層和沉積于所述阻變層上的上電極組成；所述底電極為條狀的P型硅電極；所述阻變層為η型氧化鋅薄膜；所述上電極為條狀的鋁電極或鈦電極；所述底電極和所述上電極相互垂直設(shè)置。上述的阻變存儲(chǔ)器中，所述SOI基片包括硅襯底、沉積于所述硅襯底上的氧化硅層和沉積于所述氧化硅層上的低電阻硅層；所述底電極通過(guò)刻蝕所述低電阻硅層得到。
上述的阻變存儲(chǔ)器中，所述ρ型硅電極中可摻雜B、A1和( 中任一種元素；所述摻雜的元素的濃度為1012CnT3-1021CnT3，如102°cnT3 (即每立方厘米中含有個(gè)原子)；所述ρ 型硅電極的電阻率可為0. 0001 Ω .cm-Ο.ΙΩ · cm，如0. 02 Ω · cm。上述的阻變存儲(chǔ)器中，所述η型氧化鋅薄膜的厚度可為lOnm-lOOOnm，如50nm ；電阻率可為0. 1Ω · Cm-IO10Q · cm，如IO4 Ω · cm或IO6 Ω · cm，可以通過(guò)反應(yīng)磁控濺射法、溶膠凝膠法或脈沖激光沉積法等制備方法進(jìn)行制備。上述的阻變存儲(chǔ)器中，所述η型氧化鋅薄膜中Si的原子百分?jǐn)?shù)為50% -50.6%, 如50. 2%，余量為O。上述的阻變存儲(chǔ)器中，所述η型氧化鋅薄膜中可摻雜Co、Ni、Mn、Al、Ga、Fe和Cu 中任一種元素；所述摻雜的元素的原子百分?jǐn)?shù)可為0-5%，但不為0，如3. 6%或4. 8%;所述 η型氧化鋅薄膜中鋅的原子百分?jǐn)?shù)可為45% -50. 6%，但不為50. 6%，如45. 2%或46. 4%，
余量為氧。本發(fā)明提供的阻變存儲(chǔ)器的導(dǎo)電機(jī)理為氧空位和氧離子遷移下界面控制的電阻轉(zhuǎn)變機(jī)理。阻變層氧化鋅薄膜是η型的半導(dǎo)體材料，氧空位是氧化鋅薄膜中的本征缺陷。 初始狀態(tài)下，氧空位均勻分布于氧化鋅薄膜內(nèi)并且對(duì)電流的傳導(dǎo)起著重要的作用。當(dāng)在鋁 (或鈦)電極上施加一個(gè)足夠大的正電壓時(shí)，氧空位向著硅電極的一層遷移，也就是說(shuō)氧離子在鋁/氧化鋅(或鈦/氧化鋅)界面富集。過(guò)量的氧離子與界面處的鋁(或鈦)原子結(jié)合得到一個(gè)非常薄的氧化鋁(或氧化鈦)層。由于氧化鋁(或氧化鈦)的形成，因此在鋁 /氧化鋅(或鈦/氧化鋅)的界面形成一個(gè)勢(shì)壘層，使得界面電阻急劇的增加。此時(shí)，該存儲(chǔ)單元處于高阻態(tài)。同理，當(dāng)在鋁電極上施加一個(gè)足夠大的負(fù)電壓的時(shí)候，氧空位向著鋁/ 氧化鋅(或鈦/氧化鋅)界面遷移，該鋁/氧化鋅(或鈦/氧化鋅)界面處的氧化鋁(或氧化鈦)不斷失去氧離子而還原成鋁(或鈦)原子，因而電阻也隨之降低，器件轉(zhuǎn)變到了低阻態(tài)。氧化鋁(或氧化鈦)的薄層可以是在整個(gè)界面上被還原，也可以是在某些比較薄弱的地方優(yōu)先被還原。相對(duì)于導(dǎo)電細(xì)絲控制的阻變存儲(chǔ)器，界面控制型阻變存儲(chǔ)器有著更好的小型化前景。因?yàn)樵趯?dǎo)電細(xì)絲型阻變存儲(chǔ)器中，單個(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)的尺寸不可能小于單根導(dǎo)電細(xì)絲的大小，否則該存儲(chǔ)點(diǎn)因?yàn)閷?dǎo)電細(xì)絲無(wú)法形成而成為一個(gè)無(wú)效的節(jié)點(diǎn)。而界面控制型的阻變存儲(chǔ)器則不受這一條的限制，無(wú)論器件怎樣小型化，也不影響界面處的電阻改變，從而可以制備高密度的存儲(chǔ)器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供的阻變存儲(chǔ)器還具有自整流效應(yīng)。本發(fā)明的阻變存儲(chǔ)器的電阻轉(zhuǎn)變由鋁/氧化鋅或鈦/氧化鋅界面控制，而氧化鋅 /硅界面則可以獲得自整流效應(yīng)。所述底電極材料為低電阻率的P型硅，而氧化鋅是η型半導(dǎo)體材料，所以兩者構(gòu)成一個(gè)異質(zhì)ρ-η結(jié)。當(dāng)在鋁電極或鈦電極上加負(fù)電壓時(shí)，此ρ-η結(jié)處于正偏，電流可以暢通的流過(guò)此界面。當(dāng)在鋁電極上加正電壓時(shí)，Ρ-η結(jié)反偏，此時(shí)是截止的。把該存儲(chǔ)器做成十字交叉陣列，并選用負(fù)向的脈沖來(lái)讀取每個(gè)存儲(chǔ)單元的阻值時(shí)，此界面的Ρ-η結(jié)就能夠避免串?dāng)_問(wèn)題，使得十字交叉陣列結(jié)構(gòu)能有效應(yīng)用于高密度存儲(chǔ)器。此外，本發(fā)明所提供的阻變存儲(chǔ)器直接在商業(yè)SOI材料上進(jìn)行刻蝕和沉積，底電極選用的是低電阻的P型硅，與傳統(tǒng)CMOS工藝的兼容性非常高，能夠在不改變現(xiàn)有工藝條件的情況下開發(fā)出高密度的非易失性存儲(chǔ)器，具有成本低等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的十字交叉陣列結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖(未示出氧化硅層和硅襯底)。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的十字交叉陣列結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各標(biāo)記如下1鋁電極、2η型氧化鋅薄膜、3ρ型硅電極、4氧化硅、5硅襯底。
具體實(shí)施例方式下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑得到。下述實(shí)施例中所用的光刻膠購(gòu)自北京科華微電子材料有限公司，光刻膠的型號(hào)為 ΚΜΡ-ΒΡ-212-37。實(shí)施例1、十字交叉結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器的制作(1)選用具有B摻雜濃度為IO2tlCnT3的ρ型硅層的SOI材料(即為依次疊加的硅襯底、氧化硅層和低電阻率硅層)，依次用丙酮、酒精、去離子水進(jìn)行清洗，然后烘干。(2)在ρ型硅層上涂敷光刻膠，之后曝光、顯影，曝光強(qiáng)度為2. 6mff/cm2,曝光時(shí)間為10秒鐘，顯影1分鐘，定影30秒鐘；然后利用反應(yīng)離子刻蝕硅襯底，刻蝕的條件為射頻功率50W，氣壓為5Pa，SF6氣體的流量為40SCCM，刻蝕時(shí)間為100秒；最后剝離掉光刻膠得到寬度為1微米的條形P型硅底電極，電阻率為0. 02 Ω · cm。(3)在得到的ρ型硅底電極上涂敷光刻膠，之后曝光、顯影，曝光時(shí)間為10秒鐘，顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到中間阻變層的圖形和區(qū)域。(4)利用反應(yīng)磁控濺射在上述得到的中間阻變層上鍍上η型氧化鋅薄膜。磁控濺射的反映條件為采用純辦靶作為靶材，濺射功率250W，濺射氣體由0. 35 的氬氣和 0. 45Pa的氧氣混合組成，濺射時(shí)間為20分鐘，得到η型氧化鋅薄膜的厚度為50nm，成分為 Si含量為50.2% (原子百分?jǐn)?shù))，0含量為49. 8% (原子百分?jǐn)?shù))，電阻率為IO6 Ω · cm。(5)在上述得到的η型氧化鋅薄膜上涂敷光刻膠，之后曝光、顯影，曝光時(shí)間為10 秒鐘，顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到上電極的圖形。(6)在得到的上電極圖形上利用磁控濺射的方法沉積鋁電極，濺射的條件為功率 250W，濺射氣體為0. 4Pa的氬氣，濺射時(shí)間為20分鐘。(7)剝離上電極層的光刻膠，得到寬度為1微米的條形鋁上電極，得到十字交叉陣列的阻變存儲(chǔ)器。實(shí)施例2、十字交叉結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器的制作(1)選用具有Al摻雜濃度為102°cm_3的ρ型硅層的SOI材料(即為依次疊加的硅襯底、氧化硅層和低電阻率硅層)，依次用丙酮、酒精、去離子水進(jìn)行清洗，然后烘干。(2)在ρ型硅層上涂敷光刻膠，之后曝光、顯影，曝光強(qiáng)度為2. 6mW/cm2。曝光時(shí)間為10秒鐘。顯影1分鐘，定影30秒鐘。然后利用反應(yīng)離子刻蝕硅襯底，刻蝕的條件為射頻功率50W，氣壓為5Pa，SF6氣體的流量為40SCCM，刻蝕時(shí)間為100秒；最后剝離掉光刻膠得到寬度為1微米的條形P型硅底電極，電阻率為0. 02 Ω · cm。(3)在得到的ρ型硅底電極上涂敷光刻膠，之后曝光、顯影，曝光強(qiáng)度為2. 6mff/cm2 ；曝光時(shí)間為10秒鐘；顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到中間阻變層的圖形和區(qū)域。(4)利用反應(yīng)磁控濺射在上述得到的中間阻變層上鍍上η型氧化鋅薄膜。磁控濺射的反映條件為濺射功率250W，濺射氣體由0. 35Pa的氬氣和0. 45Pa的氧氣混合組成，濺射時(shí)間為20分鐘，濺射時(shí)采用的靶材為ai-5% Al合金，得到η型氧化鋅薄膜的厚度為50nm，電阻率為104Ω · cm, η型氧化鋅薄膜的組成為Al占4. 8% (原子百分?jǐn)?shù))，Si占 45.2% (原子百分?jǐn)?shù))，其余為0。(5)在上述得到的η型氧化鋅薄膜上涂敷光刻膠，之后曝光、顯影，曝光強(qiáng)度為 2. 6mff/cm2 ；曝光時(shí)間為10秒鐘；顯影1分鐘，定影30秒鐘；得到上電極的圖形。(6)在得到的上電極圖形上利用磁控濺射的方法沉積鈦電極，濺射的條件為功率 250W，濺射氣體為0. 4Pa的氬氣，濺射時(shí)間為20分鐘。(7)剝離上電極層的光刻膠，得到寬度為1微米的條形鈦上電極，得到十字交叉陣列的阻變存儲(chǔ)器。實(shí)施例3、十字交叉結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器的制作(1)選用具有( 摻雜濃度為102°cm_3的ρ型硅層的SOI材料(即為依次疊加的硅襯底、氧化硅層和低電阻率硅層)，依次用丙酮、酒精、去離子水進(jìn)行清洗，然后烘干。(2)在ρ型硅層上涂敷光刻膠，之后曝光、顯影，曝光強(qiáng)度為2. 6mW/cm2。曝光時(shí)間為10秒鐘。顯影1分鐘，定影30秒鐘。然后利用反應(yīng)離子刻蝕硅襯底，刻蝕的條件為射頻功率50W，氣壓為5Pa，SF6氣體的流量為40SCCM，刻蝕時(shí)間為100秒；最后剝離掉光刻膠得到寬度為1微米的條形P型硅底電極，電阻率為0. 02 Ω · cm。(3)在得到的ρ型硅底電極上涂敷光刻膠，之后曝光、顯影，曝光強(qiáng)度為2. 6mff/ cm2。曝光時(shí)間為10秒鐘。顯影1分鐘，定影30秒鐘。得到中間阻變層的圖形和區(qū)域。(4)利用反應(yīng)磁控濺射在上述得到的中間阻變層上鍍上η型氧化鋅薄膜。磁控濺射的反映條件為濺射功率250W，濺射氣體由0. 35Pa的氬氣和0. 45Pa的氧氣混合組成，濺射時(shí)間為20分鐘，濺射時(shí)采用Si-3. 5% Cu合金靶材，得到η型氧化鋅薄膜的厚度為50nm， 電阻率為104Ω ^m,氧化鋅薄膜的組成為Cu占3. 6% (原子百分?jǐn)?shù))，Si占46. 4% (原子百分?jǐn)?shù))，余量為0。(5)在上述得到的η型氧化鋅薄膜上涂敷光刻膠，之后曝光、顯影，曝光強(qiáng)度為 2. 6mff/cm2 ；曝光時(shí)間為10秒鐘；顯影1分鐘，定影30秒鐘，得到上電極的圖形。(6)在得到的上電極圖形上利用磁控濺射的方法沉積鈦電極，濺射的條件為功率 250W，濺射氣體為0. 4Pa的氬氣，濺射時(shí)間為20分鐘。(7)剝離上電極層的光刻膠，得到寬度為1微米的條形鈦上電極，得到十字交叉陣列的阻變存儲(chǔ)器。
權(quán)利要求
1.一種阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述阻變存儲(chǔ)器由SOI基片、沉積于所述SOI基片上的底電極、沉積于所述底電極上的阻變層和沉積于所述阻變層上的上電極組成；所述底電極為條狀的P型硅電極；所述阻變層為η型氧化鋅薄膜；所述上電極為條狀的鋁電極或鈦電極；所述底電極和所述上電極相互垂直設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述SOI基片包括硅襯底、沉積于所述硅襯底上的氧化硅層和沉積于所述氧化硅層上的硅層；所述底電極通過(guò)刻蝕所述硅層得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述ρ型硅電極中摻雜B、Al 和( 中任一種元素；所述摻雜的元素的濃度為1012cm_3-1021cm_3 ；所述ρ型硅電極的電阻率為 0. 0001 Ω · cm-o. 1 Ω · cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述η型氧化鋅薄膜的厚度為 IOnm-IOOOnm ；電阻率為 0. 1 Ω · cm-IO10 Ω · cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述η型氧化鋅薄膜中鋅的原子百分?jǐn)?shù)為50% -50.6%，余量為氧。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述η型氧化鋅薄膜中摻雜Co、Ni、Mn、ALfeiJe和Cu中任一種元素；所述摻雜的元素的原子百分?jǐn)?shù)為0_5%，但不為0 ；所述η型氧化鋅薄膜中鋅的原子百分?jǐn)?shù)為45% -50. 6%，但不為50. 6 %，余量為氧。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于SOI材料的具有自整流效應(yīng)的阻變存儲(chǔ)器。所述阻變存儲(chǔ)器由SOI基片、沉積于所述SOI基片上的底電極、沉積于所述底電極上的阻變層和沉積于所述阻變層上的上電極組成；所述底電極為條狀的p型硅電極；所述阻變層為n型氧化鋅薄膜；所述上電極為條狀的鋁電極或鈦電極；所述底電極和所述上電極相互垂直設(shè)置。本發(fā)明所提供的阻變存儲(chǔ)器直接在商業(yè)SOI材料上進(jìn)行刻蝕和沉積，底電極選用的是低電阻的p型硅，與傳統(tǒng)CMOS工藝的兼容性非常高，能夠在不改變現(xiàn)有工藝條件的情況下開發(fā)出高密度的非易失性存儲(chǔ)器，具有成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L27/24GK102214674SQ20111015540
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者唐光盛, 曾飛, 潘峰, 羅景庭, 陳超 申請(qǐng)人:清華大學(xué)