專利名稱：阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種阻變存儲(chǔ)器及其制造方法，更具體而言，涉及一種多值阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
存儲(chǔ)器是各種電子設(shè)備系統(tǒng)不可缺少的組成部分，廣泛運(yùn)用于各種移動(dòng)設(shè)備中，如手機(jī)，筆記本，掌上電腦等。一般來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)器就是通過(guò)高電平和低電平來(lái)分別表征I和0，以此實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。目前，市場(chǎng)上的存儲(chǔ)器有一部分是基于混合其他物質(zhì)(如硼，磷)的多晶硅柵做浮置柵極與控制柵極的浮柵閃存。但是閃存在最近二十年發(fā)展迅猛，閃存單元尺寸急劇縮小，閃存在等比例縮小方面面臨巨大挑戰(zhàn)，特別是進(jìn)入45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以后，閃存單元之間的距 離縮小，導(dǎo)致單元之間的干擾加重，對(duì)存儲(chǔ)器的可靠性帶來(lái)嚴(yán)重影響。同時(shí)，閃2存因?yàn)槠湎忍斓奈锢硖匦詫?dǎo)致了很難實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)。相比之下，阻變存儲(chǔ)器以其穩(wěn)定性好，可靠性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。阻變存儲(chǔ)器是一種通過(guò)外加不同極性、大小的電壓，改變阻變材料的電阻大小從而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的新型存儲(chǔ)器件。結(jié)構(gòu)上來(lái)看，每個(gè)存儲(chǔ)單元主要由上電極，阻變材料和下電極組成。為了滿足人們對(duì)存儲(chǔ)容量的需求，科研工作者一方面利用新結(jié)構(gòu)新工藝把存儲(chǔ)單元做的越來(lái)越小，以增大存儲(chǔ)密度；另一方面期望能實(shí)現(xiàn)一個(gè)存儲(chǔ)單元能夠擁有多個(gè)存儲(chǔ)值，而不僅僅是高電平和低電平，這樣一來(lái)，更多穩(wěn)定的中間態(tài)也可以作為存儲(chǔ)信息使用，從而實(shí)現(xiàn)了多值存儲(chǔ)，增加了存儲(chǔ)密度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述技術(shù)中存在的多值存儲(chǔ)不易實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種阻變存儲(chǔ)器及其制備方法?！矫妫景l(fā)明的實(shí)施例提供了一種阻變存儲(chǔ)器，包括襯底以及襯底之上的多個(gè)相互間隔的存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括下電極、阻變層和上電極，其中，所述下電極位于所述襯底之上，所述阻變層位于所述下電極之上，所述上電極位于所述阻變層之上，所述阻變層包括阻變材料部分和摻有用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素的至少一個(gè)摻雜阻變部分。另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例還提供了一種阻變存儲(chǔ)器的制備方法，包括步驟一在半導(dǎo)體襯底之上形成多個(gè)下電極；步驟二 在所述多個(gè)下電極之上生長(zhǎng)阻變材料，并在所述阻變材料之上形成上電極；步驟三通過(guò)刻蝕工藝來(lái)將兩相鄰下電極之間的阻變材料及上電極去除，形成多個(gè)存儲(chǔ)單元；步驟四針對(duì)阻變材料執(zhí)行離子注入，以使得所述阻變材料摻入用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素，阻變材料部分和摻有用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素的至少一個(gè)摻雜阻變部分構(gòu)成阻變層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例所提供的阻變存儲(chǔ)器，阻變層包括阻變材料部分和至少一個(gè)摻雜阻變部分，由于摻雜阻變部分注入有用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素，所以阻變材料部分和摻雜阻變部分電阻狀態(tài)不同，發(fā)生阻變所需要的電壓大小也不相同，所以，在阻變存儲(chǔ)器設(shè)置(set)操作中，隨著電壓變化，阻變存儲(chǔ)器可以達(dá)到多個(gè)穩(wěn)定的阻態(tài)，因而，阻變存儲(chǔ)器可以達(dá)到多個(gè)不同的存儲(chǔ)穩(wěn)態(tài)，從而，使得阻變存儲(chǔ)器不僅僅限于O和I兩種存儲(chǔ)穩(wěn)態(tài)，增加了阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度。此外，本發(fā)明實(shí)施例所提供的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，無(wú)需增大阻變層的體積，因而可以在增加阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度的同時(shí)，保持阻變層體積不變。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。 圖I示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多值阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2、3、4、5、6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制作多值阻變存儲(chǔ)器的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。參見(jiàn)圖1，圖I示出了本發(fā)明實(shí)施例的多值阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多值阻變存儲(chǔ)器包括襯底4以及襯底之上的多個(gè)相互間隔的存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括下電極3、阻變層2和上電極I，其中，所述下電極位于所述襯底之上，所述阻變層位于所述下電極之上，所述上電極位于所述阻變層之上，所述阻變層包括阻變材料部分21和摻有用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素的至少一個(gè)摻雜阻變部分22。需要指出的是，盡管在圖I中僅示出一個(gè)摻雜阻變部分22，但圖I僅為示例，摻雜阻變部分的數(shù)目也可以是兩個(gè)或更多。其中，所述阻變材料部分可以由任意已知的或?qū)?lái)可能出現(xiàn)的適合用作阻變材料的材料形成。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中所述阻變材料部分可以由氧化硅SiOx、氧化鍺材料GeOx、氧化鉭材料TaOx,氧化鉿材料HfOx中的一種形成。此外，所述用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素可以是任意已知或?qū)?lái)可能出現(xiàn)的適用摻入阻變材料中的材料。例如，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，摻入的用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素可以是N元素、O元素、P元素、B元素或S元素。通過(guò)在由金屬氧化物材料中摻入上述的用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素，一方面可以保證化學(xué)成鍵的匹配性，另一方面也還可以通過(guò)替位式摻雜來(lái)保證晶體質(zhì)量。此外，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器中，可以利用上電極來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)下方結(jié)構(gòu)的保護(hù)，因而可以將上電極形成為具有合適的厚度。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，上電極的厚度可以大于等于50nm。
在根據(jù)圖I所示實(shí)施例的多值阻變存儲(chǔ)器中，可以通過(guò)改變電壓的大小來(lái)改變阻變材料的電阻狀態(tài)，從而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。例如，在所述阻變材料為SiO、所述摻入的用于改變電阻狀態(tài)的元素為N元素的情況下，阻變層包括SiO阻變材料部分和SiON摻雜阻變部分。若SiO材料的高低阻態(tài)分別為Rhighl和Rlowl，SiON材料高低阻態(tài)分別為Rhigh2和Rlow2 ；SiO的發(fā)生阻變的電壓為Vsetl，SiON的發(fā)生阻變的電壓為Vset2，其中，Vsetl>Vset2 (金屬鍵能越大，破壞該化學(xué)結(jié)構(gòu)所需的電壓越大，Si元素與O元素之間的鍵能大于Si元素與N元素之間的鍵能)。初始狀態(tài)時(shí)，阻變層兩部分均為低阻態(tài)Rlowl和Rlo 2，則每個(gè)存儲(chǔ)單元中阻態(tài)相當(dāng)于Rlowl和Rlow2兩個(gè)低阻態(tài)并聯(lián)的結(jié)果；阻變存儲(chǔ)器set操作中，外力口正電壓V，當(dāng)Vset2〈V〈Vsetl時(shí)，SiON摻雜阻變部分發(fā)生阻變，由低阻態(tài)Rlow2變?yōu)楦咦钁B(tài)Rhigh2，SiO阻變材料部分保持低阻態(tài)，即為Rlowl，這樣一來(lái)，每個(gè)存儲(chǔ)單元的阻態(tài)就相當(dāng)于一個(gè)低阻態(tài)Rlowl和一個(gè)高阻態(tài)Rhigh2并聯(lián)的結(jié)果；隨著set電壓繼續(xù)增大，當(dāng)V>Vsetl時(shí)，SiO摻雜阻變部分發(fā)生阻變，由低阻態(tài)Rlowl變?yōu)楦咦钁B(tài)Rhighl，則此時(shí)的存儲(chǔ)單元阻 態(tài)相當(dāng)于Rhighl和Rhigh2兩個(gè)高阻態(tài)并聯(lián)的結(jié)果。由此可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例的多值阻變存儲(chǔ)器，使每個(gè)存儲(chǔ)單元可以有效地存儲(chǔ)三個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)，有效的增加了阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度。 以上描述的內(nèi)容僅為示例，本發(fā)明不限于此，例如，摻雜阻變部分的數(shù)目也可以是兩個(gè)或更多。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，例如，在阻變層由SiO形成、用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素是N元素的情況下，阻變層可以包括一個(gè)阻變材料部分和兩個(gè)摻雜阻變部分，其中，兩個(gè)摻雜阻變部分分別位于阻變材料部分兩側(cè)，其中一側(cè)摻雜阻變部分所注入的N元素的濃度較低(例如注入的N元素的濃度與阻變材料中O元素的濃度比例接近)，形成SiON阻變材料；另一側(cè)摻雜阻變部分所注入的N元素的濃度較高(例如注入的N元素的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻變材料中O元素的濃度)，形成SiN阻變材料。如此，本實(shí)施例所示出的多值阻變存儲(chǔ)器相當(dāng)于三個(gè)并聯(lián)的阻變存儲(chǔ)器，使得穩(wěn)定阻態(tài)的數(shù)量更多，進(jìn)而可以存儲(chǔ)更多的狀態(tài)。圖2、3、4、5、6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制作多值阻變存儲(chǔ)器的工藝流程，包括以下步驟。步驟一在半導(dǎo)體襯底4之上形成多個(gè)下電極3。在如圖2所示的實(shí)施例中，可以在硅襯底4之上形成下電極3。例如，可以通過(guò)金屬淀積和刻蝕工藝來(lái)在襯底之上形成下電極。所述下電極例如可以由鉬、鎢、鎳、鋁、鈀、金中的任意一種材料制成。步驟二 在所述多個(gè)下電極之上生長(zhǎng)阻變層2，并在所述阻變層之上形成上電極
Io如圖3所示，可以通過(guò)沉積工藝在下電極3上生長(zhǎng)阻變層2。其中，所述阻變材料可以是任意已知的或?qū)?lái)可能出現(xiàn)的適合用作阻變材料的材料。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述阻變材料可以是金屬氧化物材料，例如氧化硅Si Ox、氧化鍺材料GeOx、氧化鉭材料TaOx,氧化鉿材料HfOx中的一種。接著，如圖4實(shí)施例所示，可以在阻變材料之上形成上電極I。例如，可以通過(guò)金屬淀積工藝來(lái)在阻變材料之上形成上電極。所述上電極例如可以由鉬、鎢、鎳、鋁、鈀、金中的任意一種材料制成。步驟三通過(guò)刻蝕工藝來(lái)將兩相鄰下電極之間的阻變層及上電極去除，形成多個(gè)存儲(chǔ)單元。如圖5所示，通過(guò)刻蝕工藝，將硅襯底之上兩相鄰下電極之間的阻變層及上電極去除，形成各個(gè)存儲(chǔ)單元。步驟四針對(duì)阻變層執(zhí)行離子注入，以使得所述阻變層摻入用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素，由此，如圖I所示，離子注入后的阻變層2包括阻變材料部分21和摻有用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素的至少一個(gè)摻雜阻變部分22。其中，所述用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素可以是任意已知或?qū)?lái)可能出現(xiàn)的適用摻入阻變材料中的材料。例如，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，摻入的用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素可以是N元素、O元素、P元素、B元素或S元素。通過(guò)在阻變材料中摻入上述的用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素，一方面可以保證化學(xué)成鍵的匹配性，另一方面也還可以通過(guò)替位式摻雜來(lái)保證晶體質(zhì)量。如圖6所示，可以按照一定角度來(lái)執(zhí)行離子注入。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述注 入用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素的角度，可根據(jù)每?jī)蓚€(gè)相鄰的獨(dú)立存儲(chǔ)單元之間的間距進(jìn)行調(diào)整，只要可以保證有且只有一側(cè)注入能調(diào)節(jié)阻態(tài)的元素即可。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述角度處于20° -60°的范圍之內(nèi)。此外，在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，注入的用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素的劑量可以根據(jù)需要形成的摻雜阻變材料中的元素比例來(lái)確定。此外，注入元素的能量可以根據(jù)阻變材料的厚度而定，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述能量可以為10_40keV。與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法所提供的阻變存儲(chǔ)器，阻變層包括阻變材料部分和至少一個(gè)摻雜阻變部分，由于摻雜阻變部分注入有用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素，所以阻變材料部分和摻雜阻變部分電阻狀態(tài)不同，發(fā)生阻變所需要的電壓大小也不相同，所以，在阻變存儲(chǔ)器set操作中，隨著電壓變化，阻變存儲(chǔ)器可以達(dá)到多個(gè)穩(wěn)定的阻態(tài)，因而，阻變存儲(chǔ)器可以達(dá)到多個(gè)不同的存儲(chǔ)穩(wěn)態(tài)，從而，使得阻變存儲(chǔ)器不僅僅限于O和I兩種存儲(chǔ)穩(wěn)態(tài)，增加了阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度。此外，本發(fā)明實(shí)施例所提供的阻變存儲(chǔ)器制備方法，無(wú)需改變阻變層的體積，由此，在提高存儲(chǔ)密度，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的多值存儲(chǔ)的同時(shí)保證了阻變存儲(chǔ)器體積不變。
權(quán)利要求
1.一種阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，包括襯底(4)以及襯底之上的多個(gè)相互間隔的存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括下電極(3)、阻變層(2)和上電極(1)，其中，所述下電極位于所述襯底之上，所述阻變層位于所述下電極之上，所述上電極位于所述阻變層之上，所述阻變層包括阻變材料部分(21)和摻有用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素的至少一個(gè)摻雜阻變部分(22)。
2.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變材料部分由氧化硅SiOx、氧化鍺材料GeOx、氧化鉭材料TaOx、氧化鉿材料HfOx中的一種形成。
3.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素是N元素、O元素、P元素、B元素或S元素。
4.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述上電極厚度大于或等于50nm。
5.一種阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，包括 步驟一在半導(dǎo)體襯底(4)之上形成多個(gè)下電極(3); 步驟二 在所述多個(gè)下電極之上生長(zhǎng)阻變層(2)，并在所述阻變層之上形成上電極(I); 步驟三通過(guò)刻蝕工藝來(lái)將兩相鄰下電極之間的阻變材料及上電極去除，形成多個(gè)存儲(chǔ)單元； 步驟四針對(duì)阻變層執(zhí)行離子注入，以在所述阻變層中摻入用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素，以使得所述阻變層包括阻變材料部分和摻有用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素的至少一個(gè)摻雜阻變部分。
6.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，通過(guò)氧化硅SiOx材料、氧化鍺GeOx材料、氧化鉭TaOx材料、氧化鉿HfOx材料中的一種來(lái)形成所述阻變材料部分。
7.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，所述用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素是N元素、O元素、P元素、B元素或S元素。
8.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，以20°-60°的傾角執(zhí)行所述離子注入。
9.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，以10-40keV的能量執(zhí)行所述離子注入。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。所述阻變存儲(chǔ)器包括襯底以及襯底之上的多個(gè)相互間隔的存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括下電極、阻變層和上電極，其中，所述下電極位于所述襯底之上，所述阻變層位于所述下電極之上，所述上電極位于所述阻變層之上，所述阻變層包括阻變材料部分和摻有用于調(diào)節(jié)電阻狀態(tài)的元素的至少一個(gè)摻雜阻變部分。本發(fā)明還公開(kāi)了阻變存儲(chǔ)器的制備方法。本發(fā)明所提供的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，由于阻變層并非單一的阻變材料，在阻變器set操作過(guò)程中，根據(jù)電壓大小不同，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)穩(wěn)定的阻態(tài)，從而增加了阻變器的存儲(chǔ)密度，同時(shí)，無(wú)需增大阻變器的體積。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102881824SQ201210359880
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者蔡一茂, 毛俊, 武慧薇, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)