CN101577311A - 一次编程存储器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一次编程存储器及其制造方法，属于微电子技术领域。该一次编程存储器包括下电极、上电极以及位于上电极和下电极之间的功能层薄膜；上电极或下电极与功能层薄膜之间接触形成整流特性。该一次编程存储器的制造方法包括：形成作为下电极的衬底；在衬底上形成功能层薄膜；在功能层薄膜上进行光刻并淀积导电材料，剥离后形成上电极；上电极或下电极与功能层薄膜之间接触形成整流特性。本发明降低了存储器的制作成本，有利于存储器的集成和使用；存储器器件能够采用交叉阵列结构集成，提高了存储器密度；存储器本身具有整流作用，无需外加的整流器件，消除外加整流器件对存储器的影响，抑制读串扰。

Description

一次编程存储器及其制造方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种一次编程存储器及其制造方法。

背景技术

存储器在微电子技术领域占有非常重要的作用。存储器一般可以分为挥发性和非挥发性存储器。挥发性存储器是指存储器的信息必须在加电的时候才能保持，掉电时存储的信息丢失；而非挥发性存储器，它的主要特点是在不加电的情况下也能够长期保持存储的信息，它既有ROM的特点，又有很高的存取速度。随着多媒体应用、移动通信等对大容量、低功耗存储的需要，非挥发性存储器所占半导体器件的市场份额变得越来越大，也越来越成为一种相当重要的存储器类型。

一次编程存储器是一种非常重要的非挥发性存储器，由于其结构简单，功耗低的特点被广泛的应用于代码存储、校准表、设置参数等一旦编程后一般不需改变的领域。目前一次编程存储器一般都是基于晶体管的结构，单元尺寸能够做到和一个晶体管一样大小。

一次编程存储器的一个重要特点就是需要成本低廉，性能好。利用阻变材料制备的存储器单元能够很好的满足一次编程存储器的这个应用特点。作为下一代非挥发存储器的强有力竞争者，阻变存储器由于具备操作电压低、结构简单、非破坏性读取、操作速度快、记忆时间长、器件面积小、耐久力好、能进行三维堆叠等特点受到广泛深入的研究。如图1所示，在外加偏压的作用下，器件的电阻会在高低阻态之间发生转换从而实现“0”和“1”的存储。

交叉阵列结构被认为有希望用于阻变存储器的集成，但是目前遇到严重的读串扰问题。如图2所示，相邻的四个器件，若A1为高阻态而其他三个存储单元为低阻态，在读取A1的阻态时，希望的电流通路如图2中实线所示，但实际上的电流通路却如图2中虚线所示，使得读出来的电阻值不是A1的真实电阻值，即读串扰现象。由此可见，采用具有如图1所示电学特性的基于1R结构的集成方案具有严重的读串扰问题，如果通过精心设计的外围电路来避免读串扰，势必会要增大设计的复杂度和成本，这会使得图1所示的对称转变特性的1R结构的集成受到限制。

发明内容

为了采用交叉整列结构提高一次编程存储器的密度，解决一次编程存储器的读串扰问题，本发明提供了一种一次编程存储器，包括下电极、上电极以及位于所述上电极和下电极之间的功能层薄膜；所述上电极或下电极与功能层薄膜之间接触形成整流特性。

所述上电极或下电极采用Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、IZO、YBCO、LaAlO₃、SrRuO₃和多晶硅中的任一种材料。

所述功能层薄膜采用NiO、TiO_x、CuO_x、ZrO_x、TaO_x、AlO_x、CoO、HfO_x、MoO_x、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃、SrZrO和非晶硅中的任一种材料。

所述功能层薄膜采用NiO、TiO_x、CuO_x、ZrO_x、TaO_x、AlO_x、CoO、HfO_x、MoO_x、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃、SrZrO和非晶硅中的任一种材料经过掺杂改性后形成的材料。

所述功能层薄膜的厚度为10nm至200nm。

本发明还提供了一种一次编程存储器的制造方法，包括：

步骤1：形成作为下电极的衬底；

步骤2：在所述衬底上形成功能层薄膜；

步骤3：在所述功能层薄膜上进行光刻并淀积导电材料，剥离后形成上电极；

其中，所述上电极或下电极与功能层薄膜之间接触形成整流特性。

所述上电极或下电极采用Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、IZO、YBCO、LaAlO₃、SrRuO₃和多晶硅中的任一种材料。

所述功能层薄膜采用NiO、TiO_x、CuO_x、ZrO_x、TaO_x、AlO_x、CoO、HfO_x、MoO_x、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃、SrZrO和非晶硅中的任一种材料。

所述功能层薄膜采用NiO、TiO_x、CuO_x、ZrO_x、TaO_x、AlO_x、CoO、HfO_x、MoO_x、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃、SrZrO和非晶硅中的任一种材料经过掺杂改性后形成的材料。

所述功能层薄膜的厚度为10nm至200nm。

所述步骤1具体为：通过化学气相淀积工艺、溅射工艺、原子层淀积工艺、热蒸发工艺、脉冲激光淀积工艺或电子束蒸发工艺形成作为下电极的衬底。

所述步骤2具体为：在所述衬底上通过溅射工艺、原子层淀积工艺、旋涂工艺、脉冲激光淀积工艺、低压/等离子体增强化学气相淀积工艺或电子束蒸发工艺形成功能层薄膜。

所述步骤3具体包括：

步骤31：在所述功能层薄膜上进行光刻；

步骤32：在所述功能层薄膜上通过化学气相淀积工艺、溅射工艺、原子层淀积工艺、热蒸发工艺、脉冲激光淀积工艺或电子束蒸发工艺淀积导电材料，剥离后形成上电极。

有益效果：本发明的一次编程存储器的制备方法简单，降低了存储器的制作成本，有利于存储器的集成和使用；一次编程存储器采用交叉阵列结构集成，提高了存储器的密度；本发明的一次编程存储器本身具有整流作用，不需要外加整流器件，这样可以消除外加整流器件对存储器的影响；本发明利用一次编程存储器本身的整流特性，能够有效地抑制交叉阵列结构中的读串扰现象，便于存储器和外围电路的集成，简化了器件的制备工艺，降低了成本。

附图说明

图1是现有技术低阻态时阻变存储器件的电学特性曲线示意图；

图2是现有技术电阻转变存储器器件读串扰的电流通道示意图；

图3是本发明实施例1的Pt/ZrO₂/n⁺Si一次编程存储器器件的结构示意图；

图4是本发明实施例1的Pt/ZrO₂/n⁺Si一次编程存储器器件的电流电压特性曲线示意图；

图5是本发明实施例2提供的一次编程存储器的制造方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

参见图3，本发明实施例提出了一种能够采用交叉阵列结构集成的本身具有整流作用的一次编程存储器器件，该一次编程存储器包括：

下电极301；

上电极303；以及

位于上电极303和下电极301之间的功能层薄膜302。

上电极303和下电极301采用Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、IZO、YBCO、LaAlO₃、SrRuO₃和多晶Si中的任一种材料。本实施例中上电极303采用Pt，下电极301采用n⁺Si。

功能层薄膜302采用NiO、TiO_x、CuO_x、ZrO_x、TaO_x、AlO_x、CoO、HfO_x、MoO_x、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃、SrZrO和非晶硅中的任一种材料。本实施例中功能层薄膜302采用ZrO₂。另外，功能层薄膜302还可以采用NiO、TiO_x、CuO_x、ZrO_x、TaO_x、AlO_x、CoO、HfO_x、MoO_x、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃、SrZrO和非晶硅任一种材料经过掺杂改性后形成的材料。功能层薄膜302的厚度可以为10nm至200nm。

上电极303或下电极301与功能层薄膜302之间接触形成整流特性。

在实际应用中，当本实施例提供的一次编程存储器件处于低阻状态时，该一次编程存储器件具有整流作用，通过对其施加一个编程电压使其变成高阻状态，然后该一次编程存储器件一直保持在高阻状态；当该一次编程存储器件处于高阻状态时，通过对其施加一个编程电压使其变成低阻态后具有整流作用，并且之后该一次编程存储器件一直保持在低阻状态。

在具体生产实践中，以重掺杂的n型硅衬底作为下电极，利用电子束蒸发工艺淀积20nm厚的ZrO₂作为功能层薄膜，在功能层薄膜上进行光刻，并用电子束蒸发工艺淀积一层50nm厚的Pt，剥离后得到该一次编程存储器件的上电极。另外，上电极、下电极和功能层薄膜还可以用溅射、原子层淀积、旋涂、脉冲激光淀积、低压/等离子体增强化学气相淀积等工艺来形成。

在实际应用中，功能层薄膜采用目前常用的电阻转变材料。

图4是本实施例采用Pt/ZrO₂/n⁺Si材料制作的一次编程存储器在直流扫描模式测试下得到的电压-电流的编程特性曲线示意图。从图4可以看到，该一次编程存储器件开始处于高阻状态(“0”)，当外加偏压达到-12.8V时，该一次编程存储器件从高阻状态转变成低阻状态(“1”)，从而实现一次编程；此后，该一次编程存储器件保持在低阻状态。在使用0.8V的读取电压时，该一次编程存储器件的高低阻态比高达2.3？0⁵；在±0.8V的读取电压下，正向电流和负向电流比约为10⁴，这样可以有效地抑制交叉阵列结构中的读串扰，避免误读发生。

实施例2

参见图5，本发明实施例还提供了一种一次编程存储器的制造方法，包括以下步骤：

步骤501：形成作为下电极的衬底；

在具体生产实践中，可以通过化学气相淀积工艺、溅射工艺、原子层淀积工艺、热蒸发工艺、脉冲激光淀积工艺或电子束蒸发工艺形成作为下电极的衬底；

步骤502：在衬底上形成功能层薄膜；

在具体生产实践中，可以在衬底上通过溅射工艺、原子层淀积工艺、旋涂工艺、脉冲激光淀积工艺、低压/等离子体增强化学气相淀积工艺或电子束蒸发工艺形成功能层薄膜；

步骤503：在功能层薄膜上进行光刻并淀积导电材料，剥离后形成上电极；

在具体生产实践中，在功能层薄膜上进行光刻，并在功能层薄膜上通过化学气相淀积工艺、溅射工艺、原子层淀积工艺、热蒸发工艺、脉冲激光淀积工艺或电子束蒸发工艺淀积导电材料，剥离后形成上电极。

其中，上电极或下电极与功能层薄膜之间接触形成整流特性。

在实际应用中，上电极或下电极可以采用Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、IZO、YBCO、LaAlO₃、SrRuO₃和多晶硅中的任一种材料；功能层薄膜可以采用NiO、TiO_x、CuO_x、ZrO_x、TaO_x、AlO_x、CoO、HfO_x、MoO_x、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃、SrZrO和非晶硅中的任一种材料；功能层薄膜还可以采用NiO、TiO_x、CuO_x、ZrO_x、TaO_x、AlO_x、CoO、HfO_x、MoO_x、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO₃、BaTiO₃、SrZrO和非晶硅中的任一种材料经过掺杂改性后形成的材料；功能层薄膜的厚度为10nm至200nm。

本发明实施例的一次编程存储器的制备方法简单，降低了存储器的制作成本，有利于存储器的集成和使用；一次编程存储器采用交叉阵列结构集成，提高了存储器的密度；本发明的一次编程存储器本身具有整流作用，不需要外加整流器件，这样可以消除外加整流器件对存储器的影响；本发明利用一次编程存储器本身的整流特性，能够有效地抑制交叉阵列结构中的读串扰现象，便于存储器和外围电路的集成，简化了器件的制备工艺，降低了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一次编程存储器，其特征在于，包括下电极、上电极以及位于所述上电极和下电极之间的功能层薄膜；所述上电极或下电极与功能层薄膜之间接触形成整流特性。

2.如权利要求1所述的一次编程存储器，其特征在于，所述上电极或下电极采用Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、IZO、YBCO、LaAlO3、SrRuO3和多晶硅中的任一种材料。

3.如权利要求1所述的一次编程存储器，其特征在于，所述功能层薄膜采用NiO、TiOx、CuOx、ZrOx、TaOx、AlOx、CoO、HfOx、MoOx、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO3、BaTiO3、SrZrO和非晶硅中的任一种材料。

4.如权利要求1所述的一次编程存储器，其特征在于，所述功能层薄膜采用NiO、TiOx、CuOx、ZrOx、TaOx、AlOx、CoO、HfOx、MoOx、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO3、BaTiO3、SrZrO和非晶硅中的任一种材料经过掺杂改性后形成的材料。

5.如权利要求1所述的一次编程存储器，其特征在于，所述功能层薄膜的厚度为10nm至200nm。

6.一次编程存储器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：形成作为下电极的衬底；

步骤2：在所述衬底上形成功能层薄膜；

步骤3：在所述功能层薄膜上进行光刻并淀积导电材料，剥离后形成上电极；

其中，所述上电极或下电极与功能层薄膜之间接触形成整流特性。

7.

如权利要求6所述的一次编程存储器的制造方法，其特征在于，所述上电极或下电极采用Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、IZO、YBCO、LaAlO3、SrRuO3和多晶硅中的任一种材料。

8.如权利要求6所述的一次编程存储器的制造方法，其特征在于，所述功能层薄膜采用NiO、TiOx、CuOx、ZrOx、TaOx、AlOx、CoO、HfOx、MoOx、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO3、BaTiO3、SrZrO和非晶硅中的任一种材料。

9.如权利要求6所述的一次编程存储器的制造方法，其特征在于，所述功能层薄膜采用NiO、TiOx、CuOx、ZrOx、TaOx、AlOx、CoO、HfOx、MoOx、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO3、BaTiO3、SrZrO和非晶硅中的任一种材料经过掺杂改性后形成的材料。

10.如权利要求6所述的一次编程存储器的制造方法，其特征在于，所述功能层薄膜的厚度为10nm至200nm。

11.如权利要求6所述的一次编程存储器的制造方法，其特征在于，所述步骤1具体为：通过化学气相淀积工艺、溅射工艺、原子层淀积工艺、热蒸发工艺、脉冲激光淀积工艺或电子束蒸发工艺形成作为下电极的衬底。

12.如权利要求6所述的一次编程存储器的制造方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在所述衬底上通过溅射工艺、原子层淀积工艺、旋涂工艺、脉冲激光淀积工艺、低压/等离子体增强化学气相淀积工艺或电子束蒸发工艺形成功能层薄膜。

13.如权利要求6所述的一次编程存储器的制造方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤31：在所述功能层薄膜上进行光刻；

步骤32：在所述功能层薄膜上通过化学气相淀积工艺、溅射工艺、原子层淀积工艺、热蒸发工艺、脉冲激光淀积工艺或电子束蒸发工艺淀积导电材料，剥离后形成上电极。

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