一種電阻型存儲(chǔ)單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非易失性存儲(chǔ)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高密度薄膜結(jié)構(gòu)的阻變式存儲(chǔ)單元。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，非易失性存儲(chǔ)器件在半導(dǎo)體行業(yè)中扮演越來(lái)越重要的角色。在非易失性存儲(chǔ)器件中，即使當(dāng)電源被切斷，器件的基本單元仍保持基本單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器(Resistive Random Access Memory,RRAM)是一種新型非易失性存儲(chǔ)器，其工作的機(jī)理是在外電場(chǎng)觸發(fā)可逆電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)，即在外加電壓的作用下，器件的電阻在低阻態(tài)(“O”)和高阻態(tài)(“ I ”)之間可逆轉(zhuǎn)變，并且所得到的電阻在外電場(chǎng)去除后可以保持下來(lái)。電阻型存儲(chǔ)器由于具有高的讀寫(xiě)速度、高集成度和多值存儲(chǔ)能力等特點(diǎn)，而成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)。
[0003]電阻型存儲(chǔ)器件通常為金屬-氧化物-金屬三明治結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)常規(guī)的制膜工藝如濺射、氣相沉積等工藝制備；同時(shí)，電阻型存儲(chǔ)器件存在多水平電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，在不改變單元體積的條件下可以實(shí)現(xiàn)更多信息的存儲(chǔ)，并且其與半導(dǎo)體工藝兼容性好，可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝技術(shù)生產(chǎn)，可以大大縮減開(kāi)發(fā)成本。
[0004]在保證性能的前提下，如何提高存儲(chǔ)密度是現(xiàn)有研究的熱點(diǎn)，提高存儲(chǔ)密度才能降低成本提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。一般來(lái)說(shuō)，提高存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度主要有以下兩種方式:第一種是通過(guò)工藝或器件結(jié)構(gòu)來(lái)減小單元面積的尺寸，通常是采用交叉陣列結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)理論上的最小單元面積；第二種是采用多值存儲(chǔ)單元，可以在不增大存儲(chǔ)面積的情況下提高存儲(chǔ)面積，減低位/面積的成本，多值存儲(chǔ)是指在存儲(chǔ)器的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上記錄多于一比特的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，從而增大存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度，提高存儲(chǔ)容量。
[0005]目前，研究人員獲得多值存儲(chǔ)主要是通過(guò)改善單層阻變層來(lái)獲得，比如施加不同的reset電壓獲得不同的高阻態(tài)的阻值，或者通過(guò)對(duì)一次性編程存儲(chǔ)器施加不同的編程電壓或不同的電流強(qiáng)度的編程電流，使一次編程存儲(chǔ)器從高阻態(tài)編程不同的低阻態(tài)，以實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)。但是由于單層阻變層的結(jié)構(gòu)決定了在reset過(guò)程中，沒(méi)有穩(wěn)定的一個(gè)中間態(tài)，就導(dǎo)致單層阻變層結(jié)構(gòu)的多值存儲(chǔ)的一致性很難保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種阻變性能好、穩(wěn)定性好的薄膜結(jié)構(gòu)的電阻型存儲(chǔ)單元。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種電阻型存儲(chǔ)單元，其功能層為電阻變化型存儲(chǔ)層，該功能層為上、下兩層的疊層結(jié)構(gòu)，其由非晶態(tài)的SnOJl和氮氧化物MnO xNy層疊層構(gòu)成，其中，非晶態(tài)的SnOx* X的取值范圍為0〈x〈2，氮氧化物MnOxNy中的x和y的取值范圍分別為l〈x〈2，0.001<y<2o
[0008]所述電阻型存儲(chǔ)單元包括基板、下電極層、功能層、上電極層和絕緣介質(zhì)層，下電極層覆蓋在基板上，絕緣介質(zhì)層覆蓋在下電極層上，絕緣介質(zhì)層上設(shè)有槽底通至下電極層的溝槽，溝槽內(nèi)自上而下依次設(shè)有上電極層和功能層，功能層與下電極層直接接觸，上電極層與絕緣介質(zhì)層表面平齊設(shè)置。
[0009]所述下電極層和上電極層均為導(dǎo)電金屬、導(dǎo)電金屬合金或?qū)щ娊饘倩衔?，其中的?dǎo)電金屬為Cu、Ag、T1、Pt或Ni，導(dǎo)電金屬合金為Pt/T1、Cu/Ti或者Cu/Au，導(dǎo)電金屬化合物為T(mén)iN、TaN或ΙΤ0。
[0010]所述絕緣介質(zhì)層的材料為S12或者SiN。
[0011]所述下電極層和上電極層的厚度均為80-150nm，功能層中非晶態(tài)的SnOjg的厚度為20-45nm，氮氧化物MnOxNy層的厚度為50_80nm，絕緣介質(zhì)層的厚度為300nm~5000nm。
[0012]所述基板為玻璃基板、半導(dǎo)體基板或者其他合適材質(zhì)的基板。
[0013]本發(fā)明電阻型存儲(chǔ)單元的制備方法，包括如下步驟:
(1)、在基板上用導(dǎo)電材料形成下電極層；
(2)、在下電極層上沉積或旋涂一層絕緣介質(zhì)層，然后通過(guò)光刻工藝在絕緣介質(zhì)層上形成溝槽，溝槽的槽底通至下電極層；
(3)、利用磁控濺射或者原子層沉積的方法在溝槽內(nèi)形成所述電阻型存儲(chǔ)單元的功能層，該功能層為上、下兩層的疊層結(jié)構(gòu)，其由非晶態(tài)的SnOJl和氮氧化物MnOxNy層疊層構(gòu)成，其中，非晶態(tài)的SnOx* X的取值范圍為0〈x〈2，氮氧化物MnOxNy中的X和y的取值范圍分別為 l〈x〈2，0.001<y<2 ；
(4)、在功能層上用導(dǎo)電材料形成上電極層，利用平坦化工藝使上電極層與絕緣介質(zhì)層的表面平齊，即可。
[0014]上述步驟(3)中，雙層結(jié)構(gòu)功能層的形成包括非晶態(tài)的SnOx薄膜形成步驟和氮氧化物MnOxNy薄膜形成步驟，可以先在溝槽內(nèi)形成非晶態(tài)的SnOx薄膜層，再在非晶態(tài)的SnOx薄膜層上形成氮氧化物MnOxNy薄膜層，也可以先在溝槽內(nèi)形成氮氧化物MnOxNy薄膜層，再在氮氧化物MnOxNy薄膜層上形成非晶態(tài)的SnO )!薄膜層。
[0015]非晶態(tài)的SnOx薄膜形成方法:以金屬錫作為靶材，控制磁控濺射鍍膜設(shè)備的反應(yīng)腔室內(nèi)溫度為180°C ~200°C，向反應(yīng)腔室內(nèi)通入02和Ar氣體，在Ar離子轟擊下金屬錫靶材發(fā)生濺射，并與反應(yīng)腔室內(nèi)的02碰撞而發(fā)生反應(yīng)，從而形成非晶態(tài)的SnOx薄膜。
[0016]氮氧化物MnOxNy薄膜層的形成方法:一、兩步法:首先，以金屬M(fèi)n作為靶材，控制反應(yīng)腔室內(nèi)溫度為100~400°C，向反應(yīng)腔室內(nèi)通入O2和Ar氣體，在Ar離子轟擊下金屬M(fèi)n靶材發(fā)生濺射，并與反應(yīng)腔室內(nèi)的O2碰撞而發(fā)生反應(yīng)，從而先形成一層MnOx薄膜層；然后，對(duì)MnOx層進(jìn)行氮離子注入以將MnOx層轉(zhuǎn)變?yōu)榈趸颩nOxNy層。二、一步法:以金屬M(fèi)n作為靶材，控制反應(yīng)腔室內(nèi)溫度為100~400°C，向反應(yīng)腔室內(nèi)通入02和Ar氣體，同時(shí)向反應(yīng)腔室中注入氮離子源，在Ar離子轟擊下金屬M(fèi)n靶材發(fā)生濺射，與反應(yīng)腔室內(nèi)的02碰撞而發(fā)生反應(yīng)生成MnOx，MnOx與注入的氮離子結(jié)合，從而形成一層氮氧化物MnOxNy薄膜層。兩種方法中，通過(guò)控制氧和氮離子的通入量來(lái)控制X和y的取值，最終使形成的氮氧化物MnOxNy的X和y的取值范圍分別為l〈x〈2，0.001<y<2o
[0017]在本發(fā)明的制備方法中，即使非晶態(tài)SnOJl的表面一部分在通入O2的過(guò)程中吸收氧形成SnO2，也不會(huì)影響該層的存儲(chǔ)特性，因?yàn)樵搶拥闹饕煞诌€是非晶的Sn0x，0〈x〈2。
[0018]有益效果:
1、本發(fā)明電阻型存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)功能層是由非晶態(tài)的SnOJi和氮氧化物MnOxNy層疊層形成的雙層結(jié)構(gòu)，此雙層結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)功能層，在電流脈沖的作用下，能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)。
[0019]2、本發(fā)明的電阻型存儲(chǔ)單元具有低阻態(tài)，穩(wěn)定的中間態(tài)和高阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)了多阻態(tài)的穩(wěn)定性和一致性，能夠提高存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)密度和穩(wěn)定性。
[0020]3、其中，非晶態(tài)的3110:!在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，以一短促的電流脈沖在低電流操作下就可以實(shí)現(xiàn)reset過(guò)程，在存儲(chǔ)過(guò)程中可以降低電流功耗。氮氧化物MnOxNy中的N+的移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)空位導(dǎo)電通道的形成和斷裂，也可以降低存儲(chǔ)過(guò)程中的阻變電壓，減少存儲(chǔ)時(shí)的電流功耗。
【附圖說(shuō)明】
[0021]附圖1為本發(fā)明電阻型存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明電阻型存儲(chǔ)單元的電流-電壓特性的測(cè)試圖；
附圖3為本發(fā)明電阻型存儲(chǔ)單元的阻態(tài)保持性的測(cè)試圖。
[0022]附圖1的附圖標(biāo)號(hào):1、基板，2、下電極層，3、絕緣介質(zhì)層，4和5分別代表功能層的非晶態(tài)SnOx層和氮氧化物MnO xNy層，或者分別代表氮氧化物MnO xNy層和非晶態(tài)SnO Jl，6、上電極層。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，本發(fā)明電阻型存儲(chǔ)單元包括基板1、下電極層2、功能層、上電極層6和絕緣介質(zhì)層3，下電極層2覆蓋在基板I上，絕緣介質(zhì)層3覆蓋在下電極層2上，絕緣介質(zhì)層3上設(shè)有槽底通至下電極層2的溝槽，溝槽內(nèi)自上而下依次設(shè)有上電極層6和功能層，功能層與下電極層2直接接觸，上電極層6與絕緣介質(zhì)層3表面平齊設(shè)置。其中的功能層為電阻變化型存儲(chǔ)層，該功能層為上、下兩層的疊層結(jié)構(gòu)，其由非晶態(tài)的SnOJl和氮氧化物MnOxNy層疊層構(gòu)成，其中，非晶態(tài)的SnO ,中x的取值范圍為0〈x〈2，氮氧化物MnO xNy中的x和I的取值范圍分別為l〈x〈2，0.001<y<2o功能層可以是上層為非晶態(tài)的SnOjl，下層為氮氧化物MnOxNy層，也可以是上層為氮氧化物MnO xNy層，下層為非晶態(tài)的SnO Jl。
[0024]利用半導(dǎo)體參數(shù)