專利名稱：一種摻雜ZrO₂阻變存儲器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲器及其制作方法，尤其涉及一種摻雜Zr02阻變存儲 器及其制作方法，屬于信息存儲技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
阻變存儲器(RRAM)技術(shù)是以薄膜材料的電阻可在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間 實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換為基本工作原理的。早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始了電阻轉(zhuǎn) 變特性的研究，但由于材料技術(shù)和器件制造技術(shù)的限制未能引起關(guān)注。近年 來隨著材料制備技術(shù)和器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，阻變存儲器與目前市場上 主流的Flash存儲器器件相比，具有密度高、功^/f氐、耐久力好、保持時間 長、可縮小性好等優(yōu)點，因此再次引起廣大公司和研究人員的關(guān)注。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，在上電極 101和下電極103之間，設(shè)置有電阻轉(zhuǎn)變存儲層102。電阻轉(zhuǎn)變存儲層102 的電阻值在外加電壓作用下可以具有兩種不同的狀態(tài)，即高阻態(tài)和j氐阻態(tài)， 其可以分別用來表征"0"和'T，兩種狀態(tài)。在不同外加電壓的作用下，電 阻轉(zhuǎn)變型存儲器的電阻值在高阻態(tài)(HRS)和低阻態(tài)(LRS)之間可實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn) 換，以此來實現(xiàn)信息存儲的功能。，
構(gòu)成阻變存儲器的材料體系多種多樣，主要包括PrxCa1-xMn03(PCMO)、 LaxCal-xMn03(LCMO)、 Lai-xSrxM03 (LSMO)等復(fù)雜氧化物，鋯酸鍶(SrZr03)、 鈦酸鍶(SrTi03)等三元鈣鈥礦氧化物，高分子有機材料以及二元金屬氧化物 如人1203、 Ti02、 ZnO、 NiO、 Zr02等。與其它復(fù)雜氧化物相比，二元金屬氧化 物由于具有結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，以及和現(xiàn)有CMOS工藝兼容的優(yōu)點受到更多的關(guān)注。最近，人們通過向具有阻變特性的氧化物薄膜中引入摻雜來改 善器件的性能，并且取得一定的效果，這種引入摻雜的方法不但可以增長器 件的保持時間、提高器件的耐久力并且使得器件的成品率得到很大的提高。
在構(gòu)成阻變存儲器的二元金屬氧化物材料中，Zr02作為high-k介質(zhì)材 料在近年來格外受關(guān)注。以Zr02作為存儲介質(zhì)的阻變存儲器，其主要的電阻 轉(zhuǎn)變機制為導(dǎo)電細絲，其中導(dǎo)電細絲的組成主要包括材料本身存在的缺陷、 擴散進入存儲層中的電極金屬離子以及氧空位，在這些成分中氧空位更加顯 著。在傳統(tǒng)工藝條件中，通常情況下，對于Zr02作為存儲介質(zhì)的阻變存儲器 在第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時，需要一個高于存儲器正常操作電壓的電 壓來激活器件，然后才可以進入到正常的存儲狀態(tài)，即所謂的Forming過程。 由于Forming電壓較大，會高于器件正常工作的電壓，在Forming過程中產(chǎn) 生的大電流就會對電阻轉(zhuǎn)變存儲層產(chǎn)生一定的破壞，導(dǎo)致器件的性能下降。 此外，大的Forming電壓意^^未著器件初始的功耗4交高，A^而不利于器件在實 際中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有以Zr02作為存儲介質(zhì)的阻變存儲器由于在Forming過程 中Forming電壓高于器件正常工作的電壓，而產(chǎn)生對電阻轉(zhuǎn)變存儲層具有一 定的破壞的大電流，導(dǎo)致器件的性能下降，而且Forming電壓較大，還會使 器件初始的功耗較高的不足，提供一種摻雜Zr02阻變存儲器及其制作方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下 一種摻雜Zr(h阻變存儲器，
所述下電極由Al制成，所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層由Cu摻雜Zr02制成。
所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層包括第一金屬氧化物薄膜、金屬薄膜和第二金屬氧 化物薄膜，所述金屬薄膜設(shè)置于所述第 一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物
5薄膜之間，所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物薄膜均為由Zr02制成
的薄膜，所述金屬薄膜為由Cu制成的薄膜。
進一步，所述金屬薄膜的厚度為1納米~ 10納米。
進一步，所述上電極由金屬材料、金屬合金材料和導(dǎo)電金屬化合物中的
一種或者幾種制成。
進一步，所述金屬材料為Cu、 Au、 Ag或者Pt。
進一步，所述金屬合金材料為Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr或者Cu/Al。
進一步，所述導(dǎo)電金屬化合物為TiN、 TaN、 IT0或者IZ0。
進一步，所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層的厚度為20納米 200納米。
本發(fā)明還提供一種解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下 一種摻雜Zr02
阻變存儲器的制作方法包括以下步驟
步驟一在襯底上形成Al電極作為下電極；
步驟二在所述下電極上形成以Cu摻雜Zr02制成的薄膜作為電阻轉(zhuǎn)變 存儲層；
步驟三在所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層上形成上電極。
所述步驟二包括以下步驟在所述下電極上形成第一金屬氧化物薄膜； 在所述第一金屬氧化物薄膜上形成金屬薄膜；在所述金屬薄膜上形成第二金 屬氧化物薄膜，其中，所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物薄膜均為 由Zr02制成的薄膜，所述金屬薄膜為由Cu制成的薄膜。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的摻雜Zr02阻變存儲器的結(jié)構(gòu)簡單，采用 金屬活性較強的Al作為下電極，可以吸收電阻轉(zhuǎn)變存儲層內(nèi)Zr02中的氧離 子，在Zr02中形成大量的氧空位，當(dāng)器件第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時， 不再需要一個高的操作電壓來激活器件，從而消除阻變存儲器第一次由高阻 態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時所需要的Forming過程。本發(fā)明摻雜Zr02阻變存儲器的制 作方法簡單、成本低并且與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容性好。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例1摻雜Zr02阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明實施例2摻雜Zr02阻變存儲器制作方法流程圖； 圖4為本發(fā)明實施例分別以Pt和Al作為下電才及，Au作為上電才及的阻變 存儲器的電流-電壓特性曲線示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本 發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。 實施例1
圖2為本發(fā)明實施例摻雜Zr02阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所 示，所述摻雜ZrO2阻變存儲器包括襯底201，設(shè)置于襯底201上的下電極202， 設(shè)置于下電極202上的電阻轉(zhuǎn)變存儲層，以及設(shè)置于電阻轉(zhuǎn)變存儲層上的上 電極206。所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層由第一金屬氧化物薄膜203、金屬薄膜204 和第二金屬氧化物薄膜205組成。所述金屬薄膜204設(shè)置于所述第一金屬氧 化物薄膜203和第二金屬氧化物薄膜205之間，所述第一金屬氧化物薄膜203 和第二金屬氧化物薄膜205均為由Zr02制成的薄膜，所述金屬薄膜204為由 Cu制成的薄膜。
所述襯底201 —般由二氧化硅、摻雜二氧化硅或者其他絕緣材料制成。 所述下電極202由Al制成。所述上電極206可為Cu、 Au、 Ag或者Pt 等金屬形成的單層金屬電極，也可以為Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr或者Cu/Al等 金屬合金形成的雙層金屬電極，同時也可以由TiN、 TaN、 ITO或者IZO等導(dǎo) 電金屬化合物制成。所述上電極206還可以是金屬、金屬合金和導(dǎo)電金屬化 合物中任意兩種或三種形成的合金。所述下電極202和上電極206的厚度各為10納米 300納米?？梢岳斫?，所述下電4及202和上電才及206的厚度可以 相同，也可以不同，只要在10納米~ 300納米之間即可。
所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層的厚度為20納米~ 200納米。所述金屬薄膜204 的厚度為1納米~ 10納米。所述第一金屬氧化物薄膜203和第二金屬氧化物 薄膜205的厚度范圍分別為10納米~100納米，所述第一金屬氧化物薄膜 203和第二金屬氧化物薄膜205的厚度可以相同，也可以不相同。
本發(fā)明的摻雜Zr02阻變存儲器的結(jié)構(gòu)簡單，采用金屬活性較強的Al作 為下電極，可以吸收電阻轉(zhuǎn)變存儲層內(nèi)Zr02中的氧離子，在Zr02中形成大量 的氧空位，當(dāng)器件第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時，不再需要一個高的操作 電壓來激活器件，從而消除阻變存儲器第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時所需 要的Forming過程。
實施例2
圖3為本發(fā)明實施例摻雜Zr02阻變存儲器制作方法流程圖。如圖3所示， 所述制作方法包括以下步驟
步驟301:在村底上形成Al電極作為下電才及。
所述下電極可以采用電子束蒸發(fā)、濺射等物理汽相沉積或者化學(xué)汽相沉 積的方法形成。
步驟302:在所述下電極上形成以Cu摻雜Zr02制成的薄膜作為電阻轉(zhuǎn) 變存儲層。
在具體生產(chǎn)實踐中，首先，在所述下電極上形成第一金屬氧化物薄膜； 接著，在所述第一金屬氧化物薄膜上形成金屬薄膜；最后，在所述金屬薄膜 上形成第二金屬氧化物薄膜，其中，所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧 化物薄膜均為由Zr02制成的薄膜，所述金屬薄膜為由Cu制成的薄膜。
所述第 一金屬氧化物薄膜、第二金屬氧化物薄膜和金屬薄膜均可以采用 電子束蒸發(fā)、等離子體增強化學(xué)汽相淀積(PECVD)或者原子層淀積(ALD)等方法形成。
步驟303:在所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層上形成上電極。
所述上電極可以釆用電子束蒸發(fā)、濺射等物理汽相沉積或者化學(xué)汽相沉 積的方法形成。
通過電子束蒸發(fā)工藝，分別以Pt和Al作為下電極構(gòu)造阻變存儲器器件。 首先在絕緣村底Si02上分別沉積金屬活性不同的Pt和Al作為下電極，再在 下電極上沉積一層20nm的氧化鋯層，然后沉積一層3nm的金屬Cu薄膜層， 之后再沉積一層20nm的氧化鋯層，最后沉積Au上電極完成整個器件的基本 結(jié)構(gòu)。圖4為本發(fā)明實施例分別以Pt和Al作為下電極，Au作為上電極的阻 變存儲器的電流-電壓特性曲線示意圖。如圖4所示，在分別采用金屬活性 穩(wěn)定的Pt以及金屬活性較強的Al作為阻變型存儲器的下電極的情況下，與 金屬活性穩(wěn)定的Pt下電極器件相比，采用金屬活性較強的Al作為下電極， 可以吸收Zr02中的氧離子，在Zr02中形成大量的氧空位，不再需要一個高的 操作電壓來激活器件，較低的操作電壓就可實現(xiàn)電阻的轉(zhuǎn)變，從而消除阻變 存儲器第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時所需要的Forming過程。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明 的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā) 明的保護范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
1.一種摻雜ZrO2阻變存儲器，包括上電極、下電極以及位于所述上電極和下電極之間的電阻轉(zhuǎn)變存儲層，其特征在于，所述下電極由Al制成，所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層由Cu摻雜ZrO2制成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜ZrOJ且變存儲器，其特征在于，所述電 阻轉(zhuǎn)變存儲層包括第一金屬氧化物薄膜、金屬薄膜和第二金屬氧化物薄膜， 所述金屬薄膜設(shè)置于所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物薄膜之間， 所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物薄膜均為由Zr02制成的薄膜，所 述金屬薄膜為由Cu制成的薄膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻雜Zr02阻變存儲器，其特征在于，所述金 屬薄膜的厚度為1納米~ 10納米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜Zr02阻變存儲器，其特征在于，所述上 電極由金屬材料、金屬合金材料和導(dǎo)電金屬化合物中的一種或者幾種制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的摻雜Zr02阻變存儲器，其特征在于，所述金 屬材料為Cu、 Au、 Ag或者Pt。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的摻雜Zr02阻變存儲器，其特征在于，所述金 屬合金材料為Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr或者Cu/Al。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的摻雜Zr02阻變存儲器，其特征在于，所述導(dǎo) 電金屬化合物為TiN、 TaN、 ITO或者IZO。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的摻雜Zr02阻變存儲器，其特征在于， 所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層的厚度為20納米~ 200納米。
9. 一種摻雜Zr02阻變存儲器的制作方法，其特征在于，該制作方法包 括以下步驟步驟一在襯底上形成Al電極作為下電極；步驟二在所述下電極上形成以Cu摻雜Zr02制成的薄膜作為電阻轉(zhuǎn)變 存儲層；步驟三在所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層上形成上電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的摻雜Zr02阻變存儲器的制作方法，其特征在 于，所述步驟二包括以下步驟在所述下電極上形成第一金屬氧化物薄膜； 在所述第一金屬氧化物薄膜上形成金屬薄膜；在所述金屬薄膜上形成第二金 屬氧化物薄膜，其中，所述第一金屬氧化物薄膜和第二金屬氧化物薄膜均為 由Zr02制成的薄膜，所述金屬薄膜為由Cu制成的薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻雜ZrO₂阻變存儲器及其制作方法，屬于信息存儲技術(shù)領(lǐng)域。所述存儲器包括上電極、下電極以及位于所述上電極和下電極之間的電阻轉(zhuǎn)變存儲層，所述下電極由Al制成，所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層由Cu摻雜ZrO₂制成。本發(fā)明的摻雜ZrO₂阻變存儲器的結(jié)構(gòu)簡單，采用金屬活性較強的Al作為下電極，可以吸收電阻轉(zhuǎn)變存儲層內(nèi)ZrO₂中的氧離子，在ZrO₂中形成大量的氧空位，當(dāng)器件第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時，不再需要一個高的操作電壓來激活器件，從而消除阻變存儲器第一次由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變時所需要的Forming過程。
文檔編號H01L45/00GK101577308SQ20091008655
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者明 劉, 琦 劉, 左青云, 森 張, 李穎弢, 琴 王, 艷 王, 龍世兵 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所