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CN102005536A - 一种改进的NiO基电阻式随机存储器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种改进的NiO基电阻式随机存储器及其制备方法。该存储器单元包括衬底和金属-绝缘体-金属结构，其顶电极为铜、铝等可用于互连工艺中的金属薄膜，阻变绝缘体为Al2O3/NiO/Al2O3三种介质的纳米叠层结构介质薄膜。本发明中的MIM结构，在直流电压连续扫描激励下，表现出稳定的双电阻态转变和记忆特性，与只采用NiO一种介质的单一介质层结构介质薄膜的电阻式随机存储器存储单元相比，存储窗口增大，阻值稳定性得到提高。在NiO材料电阻式随机存储器的实际应用中有良好前景。本发明还进一步提供了上述存储单元的制备方法。

Description

一种改进的NiO基电阻式随机存储器及其制备方法
技术领域
本发明属于存储器技术领域，具体涉及一种NiO基电阻式随机存储器及其制备方法。
技术背景
非挥发存储技术是当前在信息存储技术领域中的研究热点，随着半导体器件特征尺寸的进一步缩小，传统的浮栅晶体管存储器所存储的电荷数量降低，写入电压难以下降，可靠性也在变差，所以开发新型非挥发存储器变得十分重要。
近几年一种基于材料电阻变化的电阻随机存储器（RRAM）技术的研究成为关注的焦点。阻变存储器（RRAM）是利用材料的改性而使存储器具有不同电阻态，从而存储数据。图1为现有技术一个阻变存储器器件的等效电路图。如图1所示，存储器件由晶体管13和存储单元14组成，并且晶体管13和存储单元14被串联连接在位线15和源电位12之间，字线11用于晶体管313的开关控制。要存取存储单元14中的储存的数据时，字线11施加电压于晶体管313，且开启晶体管13，同时，位线15施加电压于存储单元14，使得一读取电流经过存储单元14及晶体管13。基于输出电流的大小，储存在存储单元14中的数据得以被读取。
RRAM的基本存储单元包括一个金属—绝缘体—金属(MIM)结构电阻器。通常的阻变材料具有高阻和低阻两种状态。图2是一个典型的阻变存储器单元的剖面图，阻变存储器的的底部电极108和顶部电极106通常使用Pt和Ti等化学性质较稳定的金属材料，置于底部电极108和顶部电极106之间的阻变材料107通常为TiO2、ZrO、Cu2O和SrTiO3等二元或三元金属氧化物。与当前大多数半导体存储器的存储原理相同，阻变存储器并不依靠电容式结构中所存储的电荷量来存储信息，而是依靠材料本身的电阻率的改变来存储信息。由于材料本身的电阻率与材料的尺度无关，因此理论上阻变存储器的存储性能并不会随着器件尺寸的缩小而退化。这就决定了阻变存储器潜在的集成能力远远高于当前主流的Flash浮栅存储器。另一方面，阻变存储器的器件结构简单，可以非常容易地实现与现有的CMOS生产工艺的集成。
在众多的具有阻变特性的材料中，NiO材料的RRAM器件，因其具有组分简单等优点，成为众多材料中的研究热点，NiO材料的电阻型随机存储器也逐步实现大范围工业应用。但在应用中，工业领域对NiO材料的电阻随机存储器的阻值窗口、阻值转变稳定性和持久特性等性能提出更高的要求，NiO材料电阻随机存储器的性能增强方法引起了学术界和工业界的兴趣。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的NiO材料电阻随机存储器及其制备方法。
本发明提出的电阻随机存储器，采用金属/绝缘体/金属（MIM）结构，其中，金属为薄膜，作为上、下电极，绝缘体采用Al2O3/NiO/Al2O3纳米叠层结构的介质薄膜。
其中，上、下电极采用铜、铝、金、钛、氮化钛或者氮化钽金属材料。
Al2O3/NiO/Al2O3纳米叠层结构中，Al2O3层采用原子层淀积法制备而成，NiO层采用物理气相淀积法或者原子层淀积制备而成。
介质薄膜厚度为20~60nm，薄膜厚度通过PVD淀积时间和ALD淀积周期来控制。
本发明提出的MIM结构的RRAM的制备方法如下：
1）在Si衬底上利用热氧化或化学气相沉积的方法生长SiO2介质层，用来降低寄生效应和防止Si与下电极形成合金；
2）采用电镀、蒸发、溅射的方法制备下电极；下电极可以为Pt/Ti、Au/Ti、TiN或Ru；
3）采用原子层淀积法（ALD）制备Al2O3介质层材料；
4）采用物理气相淀积法（PVD）或者原子层淀积制备NiO介质层材料；
5）采用原子层淀积法（ALD）制备Al2O3介质层材料；
6）采用物理气相淀积法，使用硬质掩膜板制备上电极金属薄膜及接触点图形。
本发明具有以下优点：
首先，在直流电压连续扫描激励下表现出稳定的双稳阻态之间的转变。与采用单一NiO材料介质层作为绝缘层的电阻随机存储器相比，采Al2O3/NiO/Al2O3纳米叠层结构的改良式NiO材料电阻随机存储器，在连续进行重复擦写操作中表现出双稳阻态阻值稳定的优良特性，同时双稳阻态之间发生转变的电压值也稳定在相差1 V左右，有效避免了单极性电阻型存储器在单一电压极性下低电压操作中由于状态转换电压变动范围发生交叠带来的擦写失败。有效的提高了传统NiO材料电阻型存储器的稳定性和可靠性
其次，采用Al2O3/NiO/Al2O3纳米叠层结构的改进的NiO材料电阻随机存储器，在低阻态限制电流为5mA的情况下，双稳阻态的阻值窗口达到103以上，高阻态向低阻态转变的电压在1.7V左右，低阻态向高阻态转变的电压在0.5V左右，高阻态最大电流在15mA左右。这些性能说明该发明在低功耗新型非挥发存储器领域具有极大的应用前景。
附图说明
图1为当前技术中的一个相变存储器器件的等效电路图。
图2为一个典型的单一阻变材料层的阻变存储器单元的剖面图。
图3 本发明电阻随机存储器的电流-电压特性，与所对比的采用单一NiO材料介质层作为绝缘层的电阻随机存储器的电流-电压特性。
图4 本发明电阻随机存储器的存储单元的器件结构示意图。
图5 本发明电阻随机存储器与所对比的采用单一NiO材料介质层作为绝缘层的电阻随机存储器的多次重复擦写特性。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
利用热氧化或化学气相沉积的方法将二氧化硅介质层110生长在单晶硅100层上，作为衬底。氧化温度为1100℃，氧化时间为10分钟，二氧化硅层厚度为100nm-1000nm。利用溅射生长的方法制备下电极金属薄膜201（本实例中采用Pt）。在下电极金属薄膜200和二氧化硅介质层110中间利用溅射生长Ti金属薄膜200作为下电极金属薄膜的粘附层。在下电极金属薄膜200上利用原子层淀积法（ALD）制备第一层Al2O3薄膜310，厚度为2~6nm。在第一层Al2O3薄膜上利用物理气相淀积法（PVD）或原子层淀积法（ALD）（本实例采用物理气相淀积法）制备一层NiO薄膜311，厚度为20~50nm。在NiO薄膜上利用原子层淀积法（ALD）制备第二层Al2O3薄膜312，厚度为2~6nm。在第二层Al2O3薄膜312上，利用物理气相淀积法制备上电极薄膜（本实例采用TiN），使用硬质掩膜板形成接触点图形，图形为直径为100mm~400 mm的原点。见图4。
图3为该器件的电流-电压特性。扫描偏压加在上电极测试探针和下电极上。电流-电压特性测试结果见图1。电压从0V开始扫描时，该器件表现出高阻特性，当电压高于1.5V时器件突然转变为低阻态，此时需设定一个限制电流(本例中为5mA )，以免电流过大损坏器件。电压再从0V开始向扫描，至0.5V时器件电流再次跳变，电阻态由低阻态转为高阻态，重复数次亦然，并且高低阻态转变的电压值稳定。图5中给出了本发明实例和同样工艺方法制备的采用单一NiO材料介质层作为绝缘层的电阻随机存储器重复进行200次擦写操作两者表现出的阻值变化。可以看到本发明实例的器件在重复擦写中表现出优良的阻值稳定性。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种改进的NiO基电阻式随机存储器，其特征在于采用金属/绝缘体/金属结构，其中，金属为薄膜，作为上、下电极，绝缘体层采用Al2O3/NiO/Al2O3纳米叠层结构。
2.根据权利要求1所述的随机存储器，其特征在于上、下电极采用铜、铝、金、钛、氮化钛或者氮化钽金属材料。
3.根据权利要求1所述的随机存储器，其特征在于Al2O3/NiO/Al2O3纳米叠层结构中，Al2O3层采用原子层淀积法制备而成，NiO层采用物理气相淀积法或者原子层淀积制备而成。
4.一种如权利要求1所述的随机存储器的制备方法，其特征在于具体步骤包括：
1）在Si衬底上利用热氧化或化学气相沉积的方法生长SiO2介质层，用来降低寄生效应和防止Si与下电极形成合金；
2）采用电镀、蒸发、溅射的方法制备下电极；
3）采用原子层淀积法制备Al2O3介质层材料；
4）采用物理气相淀积法或者原子层淀积制备NiO介质层材料；
5）采用原子层淀积法制备Al2O3介质层材料；
6）采用物理气相淀积法，使用硬质掩膜板制备上电极金属薄膜及接触点图形。
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