非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器(RRAM)的器件單元結(jié)構(gòu)及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著多媒體應(yīng)用、移動(dòng)通信等對(duì)大容量、低功耗存儲(chǔ)的需要，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器、特別是閃存所占的半導(dǎo)體器件市場(chǎng)份額變得越來(lái)越大，也逐漸成為一種相當(dāng)重要的存儲(chǔ)器。非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的主要特點(diǎn)是在不加電的情況下也能夠長(zhǎng)期保存所存儲(chǔ)的信息，其既有只讀存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，又有很高的存取速度。
[0003]當(dāng)前市場(chǎng)上的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器以閃存為主流，但是閃存器件存在操作電壓過(guò)大、操作速度慢、耐久力不夠好以及由于在尺寸微縮化過(guò)程中過(guò)薄的隧穿氧化層將導(dǎo)致記憶時(shí)間不過(guò)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。理想的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器應(yīng)具備操作電壓低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非破壞性讀取、操作速度快、記憶時(shí)間長(zhǎng)、器件面積小、耐久性好等條件。目前已經(jīng)對(duì)多種新型材料和器件進(jìn)行了研宄，試圖來(lái)達(dá)到上述的目標(biāo)，其中有相當(dāng)部分的新型存儲(chǔ)器器件都采用電阻值的改變來(lái)作為記憶的方式，包括阻變存儲(chǔ)器(RRAM，resistive switching memory) ο
[0004]基于易氧化金屬/固態(tài)電解液/惰性金屬的三明治結(jié)構(gòu)，能夠構(gòu)成一類(lèi)重要的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，通常被稱(chēng)為固態(tài)電解液基RRAM，可編程金屬化器件(PMC:Programmable Metallizat1n Cell Memory)或?qū)щ姌螂S機(jī)存儲(chǔ)器(CBRAM:ConductiveBridging Random Access Memory) o這類(lèi)存儲(chǔ)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，倍受產(chǎn)業(yè)界的重視，成為下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。
[0005]其工作原理是:在外加電激勵(lì)的作用下，金屬上電極A的陽(yáng)極易氧化金屬(如，Cu、Ag和Ni等)在電場(chǎng)作用下氧化成為金屬離子A+，金屬離子A+在電場(chǎng)的作用下在固態(tài)電解液B中進(jìn)行傳輸，向陰極移動(dòng)并最終達(dá)到惰性下電極C，在下電極C處金屬離子A+被還原成為金屬A。隨著金屬不斷在下電極C處沉積，最終達(dá)到上電極A，形成連通上下電極的細(xì)絲狀的金屬導(dǎo)電橋，器件電阻處于低阻狀態(tài)；在反向電場(chǎng)作用下，該金屬導(dǎo)電橋斷開(kāi)，器件恢復(fù)到高阻狀態(tài)。這兩種電阻狀態(tài)可以在外加電場(chǎng)的作用相互轉(zhuǎn)換。
[0006]然而，由于常用的惰性金屬電極材料(如Pt、Au、Pd和W等)為多晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致金屬原子/離子容易進(jìn)入惰性電極材料內(nèi)形成易氧化金屬與惰性金屬的合金結(jié)構(gòu)(文獻(xiàn) 1，Y.C.Yang, F.Pan, Q.Liu, M.Liu, and F.Zeng, Nano Lett.9, 1636, 2009)，金屬原子/離子也可能會(huì)通過(guò)惰性電極材料迀移到惰性電極材料的表面，形成易氧化金屬的納米結(jié)構(gòu)(文獻(xiàn) 2，J.J.Yang, J.P.Strachanm, Q.Xia, D.A.A.0hlberg, P.J.Kuekes, R.D.Kelley, W.F.Stickle, D.R.Stewart, G.Medeiros-Ribeiroj and R.S.Williams, Adv.Mater.22，4034, 2010)。金屬原子/離子進(jìn)入惰性材料相當(dāng)于在惰性電極處也會(huì)形成易氧化金屬源，造成這類(lèi)RRAM器件在反向擦除的過(guò)程中(導(dǎo)電細(xì)絲斷裂)會(huì)出現(xiàn)誤編程的現(xiàn)象(反向電壓下，形成金屬性導(dǎo)電細(xì)絲)，對(duì)器件的可靠性造成顯著的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]由上所述，本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)困難，克服基于固態(tài)電解液材料的RRAM存儲(chǔ)器件存在的活性電極形成的金屬導(dǎo)電細(xì)絲在編程過(guò)程中進(jìn)入到惰性電極材料中的問(wèn)題，提供了一種通過(guò)在惰性電極和固態(tài)電解液層之間增加金屬離子阻擋層的新器件結(jié)構(gòu)，提高了器件的可靠性。
[0008]為此，本發(fā)明提供了一種非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，包括下電極、阻變功能層、上電極，其特征在于:上電極與阻變功能層之間插入金屬離子阻擋層，能夠阻止器件編程過(guò)程中在阻變功能層中形成的金屬導(dǎo)電細(xì)絲進(jìn)入上電極。
[0009]其中，下電極的材料為易氧化的金屬材料，例如為Cu、Ag、N1、Sn、Co、Fe、Mg中的至少一種、或其組合；可選地，其厚度為5nm?500nm。
[0010]其中，阻變功能層的材料為具有電阻轉(zhuǎn)變特性的固態(tài)電解液或二元氧化物材料，例如為 CuS、AgS、AgGeSe, CuIxSy, ZrO2, HfO2, T12, S12, W0X、N1、CuOx, ZnO, TaOx, Y2O3的任意一種或其組合；可選地，其厚度為2nm?200nm。
[0011]其中，上電極的材料為惰性金屬材料，例如為Pt、W、Au、Pd的任意一種或其組合；可選地，其厚度例如5nm?500nmo
[0012]其中，金屬離子阻擋層的材料為T(mén)a、TaN, T1、TiN, T1N, TaON, WN的任意一種或其組合；可選地，其厚度為2nm?20nmo
[0013]本發(fā)明還公開(kāi)了一種非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，包括:在絕緣襯底上形成下電極；在下電極上形成阻變功能層；在阻變功能層上形成金屬離子阻擋層；在金屬離子阻擋層上形成上電極，其中金屬離子阻擋層能夠阻止器件編程過(guò)程中在阻變功能層中形成的金屬導(dǎo)電細(xì)絲進(jìn)入上電極。
[0014]其中，下電極和/或金屬離子阻擋層和/或上電極的形成工藝為電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或磁控濺射。
[0015]其中，阻變功能層的形成工藝為電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、磁控濺射或溶膠一凝膠法。
[0016]其中，下電極和/或上電極的厚度為5nm?500nm ;可選的，阻變功能層的厚度為2nm?200nm ;可選的，金屬離子阻擋層的厚度為2nm?20nm。
[0017]其中，下電極的材料為易氧化的金屬材料，例如為Cu、Ag、N1、Sn、Co、Fe、Mg中的至少一種或其組合；可選的，阻變功能層的材料為具有電阻轉(zhuǎn)變特性的固態(tài)電解液或二元氧化物材料，例如為 CuS、AgS、AgGeSe、CuIxSy, Zr02、Hf02、Ti02、Si02、W0x、Ni0、Cu0x、Zn0、TaOx、Y2O3的任意一種或其組合；可選的，上電極的材料為惰性金屬材料，例如為Pt、W、Au、Pd的任意一種或其組合；可選地，金屬離子阻擋層的材料為T(mén)a、TaN, T1、TiN, T1N, TaON, WN的任意一種或其組合。
[0018]其中，在下電極表面形成周期性結(jié)構(gòu)；可選的，將多晶的上電極轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Щ蛘咴龃缶М牎?br>[0019]依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法，在惰性電極與固態(tài)電解液阻變功能層之間插入金屬離子阻擋層，阻止RRAM器件編程過(guò)程中，阻變層中形成的金屬導(dǎo)電細(xì)絲擴(kuò)散進(jìn)入惰性電極層，消除器件擦除過(guò)程中出現(xiàn)的誤編程現(xiàn)象，提高器件的可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0020]以下參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0021]圖1為依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件的剖視圖；
[0022]圖2A-2D為依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件制造方法的剖視圖；以及
[0023]圖3為依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件制造方法的示意流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開(kāi)了含有金屬離子阻擋層以防止器件擦除過(guò)程中出現(xiàn)的誤編程現(xiàn)象的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法。需要指出的是，類(lèi)似的附圖標(biāo)記表示類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)中所用的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或制造工序。這些修飾除非特別說(shuō)明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或制造工序的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。
[0025]如圖1所示，為依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件的剖視圖，其包括絕緣襯底
11、下導(dǎo)電電極12、阻變功能層13、金屬離子阻擋層14、以及上導(dǎo)電電極15。其中，上電極15為Pt、W、Au、Pd等惰性金屬電極，金屬離子阻擋層14為T(mén)a、TaN, T1、TiN, T1N, TaON, WN等，阻變功能層13為具有電阻轉(zhuǎn)變特性的固態(tài)電解液或二元氧化物材料，下電極層為Cu、Ag、Ni等易氧化金屬。編程過(guò)程中，金屬離子阻擋層將阻止導(dǎo)電細(xì)絲中的金屬離子擴(kuò)散進(jìn)入惰性電極層中，從而消除后續(xù)擦除過(guò)程中出現(xiàn)誤編程的現(xiàn)象，提高器件的可靠性。
[0026]如圖2A-2D以及圖3所示，為依照本發(fā)明的阻變存儲(chǔ)器件制造方法的各個(gè)步驟對(duì)應(yīng)的剖視圖。
[0027]具體地，如圖2A所