示，在絕緣襯底11上形成下導(dǎo)電電極12。提供絕緣襯底11，其可以為Si襯底上的氧化硅、SOI襯底的埋氧層、藍(lán)寶石(氧化鋁)、氮化鋁、玻璃、石英等硬質(zhì)襯底，還可以是樹脂、塑料等柔性襯底。采用電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積(包括PECVD、HDPCVD、M0CVD等)、脈沖激光沉積、原子層沉積(ALD)或磁控濺射方法，在絕緣襯底11上沉積下導(dǎo)電電極12。電極12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(例如以合金形式或疊層方式)，其厚度為5nm?500nm、優(yōu)選為10?300nm并最佳50?lOOnm，例如80nm。優(yōu)選地，采用掩模板或者周期性控制沉積工藝參數(shù)、或者沉積之后刻蝕，在下電極12的表面形成周期性圖形(未示出)，以增大下電極12與其上的阻變功能層之間的接觸面積，從而提高編程、擦除效率。
[0028]隨后，如圖2B所示，在下電極12上形成阻變功能層13。阻變功能層13也可以稱作阻變存儲(chǔ)介質(zhì)層，在上下電極之間起到絕緣隔離作用，并且能夠允許下電極12的金屬離子在電場作用下穿過阻變功能層13而到達(dá)上電極15。阻變功能層13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。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，具體為 CuS、AgS、AgGeSe, CuIxSy, ZrO2, HfO2, T12, S12, W0X、Ni0、Cu0x、Zn0、Ta0x、Y203的任意一種或其組合(包括混合、層疊、摻雜改性等多種形式)，厚度為2nm?200nm、優(yōu)選5nm?lOOnm、最佳1nm?60nm，最佳40nm。優(yōu)選地，阻變功能層13具有平坦的頂表面。
[0029]接著，如圖2C所示，在阻變功能層13上形成金屬離子阻擋層14。采用電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或磁控濺射方法，形成金屬離子阻擋層14，其厚度為2nm?20nm、優(yōu)選5nm?15nm、最佳10nm。金屬離子阻擋層14要足夠致密以防止下電極12的金屬離子穿透到達(dá)上電極15的晶格間隙，還要具有足夠的導(dǎo)電率以利于導(dǎo)電橋的形成。具體地，金屬離子阻擋層14的材質(zhì)包括Ta、TaN、T1、TiN、T1N、TaON、WN的任意一種或其組合。
[0030]最后，如圖2D所示，在金屬離子阻擋層14上形成上導(dǎo)電電極15。采用電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或磁控濺射方法，形成由惰性金屬材料構(gòu)成的上導(dǎo)電電極15，例如為Pt、W、Au、Pd的任意一種或其組合；其厚度例如5nm?500nm、優(yōu)選為10?350nm并最佳30?lOOnm，例如70nm。優(yōu)選地，控制沉積、派射工藝溫度，或者形成電極15之后執(zhí)行額外的快速退火(RTA)或激光退火(退火溫度、時(shí)間不超過阻變功能層13的承受溫度)，將多晶結(jié)構(gòu)(受制于阻變存儲(chǔ)器中阻變功能層的溫度敏感性，通常電極15為多晶)的電極15轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Щ蛘咴龃缶М牎Ｔ诖诉^程中，由于金屬離子阻擋層14還進(jìn)一步起到了隔離保護(hù)的作用，減小了傳導(dǎo)至阻變功能層的熱量或者激光能量，由此能夠使得在不改變阻變功能層固態(tài)電解質(zhì)特性的前提下減小了電極15表面的縫隙缺陷，進(jìn)一步避免了在大電場下從下電極12穿過金屬離子阻擋層14的極少部分金屬離子進(jìn)入上電極15，完全避免了誤編程，顯著提高了器件可靠性。
[0031]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，首先，利用電子束蒸發(fā)工藝，在帶有10nm厚S12的絕緣層的Si襯底上，蒸發(fā)10nm的Ag薄膜作為下導(dǎo)電電極層；然后，采用原子沉積的方法，淀積一層5nm的HfO2介質(zhì)層；然后利用磁控派射工藝，在HfO 2薄膜上生長5nm厚的Ta ;最后磁控濺射50nm的Pt作為上電極材料完成整個(gè)器件的基本結(jié)構(gòu)。圖2給出了該實(shí)施例的工藝流程示意圖。通過對(duì)比不含Ta離子阻擋層的相同工藝條件下生長的電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器件的電學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)增加這層Ta離子阻擋層能夠顯著減小器件在擦除過程中出現(xiàn)誤編程的現(xiàn)象，改善了器件的可靠性。
[0032]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，消除器件擦除過程中出現(xiàn)的誤編程現(xiàn)象，提高器件的可靠性。
[0033]盡管已參照一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對(duì)器件結(jié)構(gòu)或方法流程做出各種合適的改變和等價(jià)方式。此外，由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開的特定實(shí)施例，而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非揮發(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。
2.如權(quán)利要求1的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，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。
3.如權(quán)利要求1的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，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(^、485、486656、(:111!^，21'02、!1?)2、1102、5102、W0X、N1, CuOx, ZnO、TaOx, Y2O3的任意一種或其組合；可選地，其厚度為2nm?200nm。
4.如權(quán)利要求1的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，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?500nm。
5.如權(quán)利要求1的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，其中，金屬離子阻擋層的材料為Ta、TaN、T1、TiN、T1N、TaON、WN的任意一種或其組合；可選地，其厚度為2nm?20nm。
6.一種非揮發(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。
7.如權(quán)利要求6的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，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。
8.如權(quán)利要求6的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，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。
9.如權(quán)利要求6的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，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。
10.如權(quán)利要求6的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，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,ZrO2, HfO2, T12, S12, TOX、N1、CuOx, ZnO、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Ta、TaN, Ti, TiN, T1N, TaON, WN的任意一種或其組合。
【專利摘要】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。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，消除器件擦除過程中出現(xiàn)的誤編程現(xiàn)象，提高器件的可靠性。
【IPC分類】H01L45-00
【公開號(hào)】CN104659208
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510061731
【發(fā)明人】劉琦, 劉明, 孫海濤, 張科科, 呂杭炳, 龍世兵, 張康瑋
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院微電子研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年2月5日