CN101101960A - 一种可降低复位操作电流的电阻存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明属微电子技术领域，具体是一种可降低复位操作电流的电阻存储器。该电阻存储器在金属氧化物电阻存储薄膜和电极之间，或者两层存储介质之间插入一介质薄膜，该介质薄膜的电阻率在10欧·cm以上，通过所插入介质薄膜产生的热量对电阻存储薄膜加热，从而降低复位操作电流。
Description
技术领域
本发明属微电子技术领域，具体涉及一种可降低复位操作电流的电阻存储器及其实现方法。
背景技术
存储器在半导体市场中占有重要的地位。由于便携式电子设备的不断普及，不挥发存储器在整个存储器市场中的份额也越来越大，其中90％以上的份额被FLASH占据。但是由于串扰(CROSS TALK)、以及隧穿层不能随技术代发展无限制减薄、与嵌入式系统集成等FLASH发展的瓶颈问题，迫使人们寻找性能更为优越的新型不挥发存储器。最近电阻随机存储器(Resistive RandomAccess Memory，简称为RRAM)因为其高密度、低成本、有很强的随技术代发展能力等特点引起高度关注，所使用的材料有相变材料[1]、掺杂的SrZrO3 [2]、铁电材料PbZrTiO3 [3]、铁磁材料Pr1-xCaxMnO3 [4]、二元金属氧化物材料[5]、有机材料[6]等。其中一些二元金属氧化物(如铜的氧化物[7]、钨的氧化物、钛的氧化物、镍的氧化物、铝的氧化物等)由于在组份精确控制、与集成电路工艺兼容性及成本方面的潜在优势格外受关注。
图1是电阻存储单元的I-V特性曲线的示意图[7]，曲线101表示起始态为高阻的IV曲线，电压扫描方向如箭头所示，当电压从0开始向正向逐渐增大到VT1时，电流会突然迅速增大，表明存储电阻从高阻突变成低阻状态，曲线100表示起始态为低阻的状态，当电压由0向负向逐渐增大到VT2时，电流达到最大值，此后电流会突然迅速减小，表明存储电阻从低阻突变成高阻状态。在电信号作用下，器件可在高阻和低阻间可逆转换，从而达到信号存储的作用。通常称从高阻转换为低阻的操作为置位(set)操作，从低阻转换为高阻的为复位(reset)操作。
图2是已报道的基于(a)CuOx [7]和(b)TiO2 [11]的电阻存储单元结构图。其中200是衬底，201是金属下电极，203是电阻存储薄膜，204是绝缘层介质，205是金属上电极。可以看到，都是采用金属电极一电阻存储薄膜一金属电极的三明治结构。虽然目前所报道的电阻存储器所用的电阻存储薄膜和金属电极的材料各不相同，但大部分都是采用这种三明治结构。
也有文献报道在NixO电阻存储薄膜和Pt电极间加入一层导电材料IrO2 [10]，达到改善在多次置位(set)复位(reset)操作中，稳定操作电压、抑制漂移的作用。
根据目前报道的数据，在0.18um工艺下做的器件上复位(reset)电流(即从低阻态变到高阻态的电流)约在10uA左右的量级。有文献研究的结果表明[12]，复位操作过程与电流流过产生的焦耳热有关，是一种热擦除的机制，当产生的焦耳热高时，会对复位操作过程有利。复位操作电流大意味着大的功耗，同时会对外围电路提出特殊的要求，例如相应的晶体管要能承受所需要的大电流等。所以找到一种降低电阻存储器复位操作电流的方法是其实际应用意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可降低复位操作电流的电阻存储器。
本发明提供的电阻存储器，其基本结构与通常的电阻存储器相同，只是在金属氧化物电阻存储薄膜和导电电极之间，或者在两层电阻存储薄膜之间插入有一层介质薄膜，这层介质薄膜可以位于上电极和电阻存储薄膜之间，或者位于下电极和电阻存储薄膜之间，或者插入在两层电阻存储薄膜之间。
所插入的介质薄膜层的电阻大于电阻存储薄膜低阻态的，其电阻率在10欧·cm以上，通过所插入介质薄膜产生的热量对电阻存储薄膜加热，从而降低复位操作电流。
所述的金属氧化物电阻存储薄膜，可以是CuxO(1＜x≤2)电阻存储，或者WOx(1≤x≤3)电阻存储薄膜，或者是NiOx(0.66＜x≤1)电阻存储薄膜，或者是TiO2电阻存储薄膜。
所述插入的介质薄膜的电阻高于电阻存储薄膜低阻状态电阻，该介质可以是氧化铝(Al2O3)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铜(CuO)、氮化铜(Cu3N)、氮氧化铜(CuON)。
附图说明
图1电阻存储器的I-V特性曲线。
图2a目前报道的CuxO电阻存储器件结构。
图2b目前报道的TiO2电阻存储器件结构。
图3a为插入介质层位于下电极和存储薄膜之间的电阻存储器的一实施例横截面图。
图3b为插入介质层位于下电极和存储薄膜之间的电阻存储器的又一实施例横截面图。
图4为插入介质层位于上电极和存储薄膜之间的电阻存储器横截面图。
图5为插入介质层位于两层存储薄膜之间的电阻存储器横截面图。
图6到图10为形成图3结构所示实施例的方法示意图。
图中标号：100是初始态为低阻电压扫描曲线，101分别为初始态为高阻的电压扫描曲线，200表示衬底，201下电极，203表示金属氧化物电阻存储薄膜，203a表示电阻存储薄膜，203b表示电阻存储薄膜，204表示绝缘介质层，205表示上电极，206表示插入的介质层，601表示沟槽。
具体实施方式
在下文中结合图示在参考实施例中更完全地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。
在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。例如干法刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本发明实施例图示中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
参考图3是本发明的一个实施例的剖面图的一部分，其所插入的介质薄膜位于下电极和金属氧化物存储介质之间，图3a、图3b的区别在于所插入的介质层的形状不同。电阻存储器可以在集成电路衬底200上形成，衬底200可以使用二氧化硅，掺杂的二氧化硅，氮化硅或其它材料形成。该电阻存储器下电极201在绝缘介质小孔中形成，下电极可以是使用标准大马士革工艺形成的铜下电极；或是用化学气相沉积的方法形成的W下电极；或是其它金属或半金属，其包含但不限于钛、铂、氮化钛(TiN)或氮化铝钛(TiAlN)，电极也可是金属和半金属的复合层，可以用物理溅射、化学反应溅射、物理汽相沉积、化学汽相沉积或电化学沉积(ECP)等方法形成。
电阻存储薄膜203在下电极201上形成，可以是CuxO(1＜x≤2)电阻存储薄膜、或者WOx(1≤x≤3)电阻存储薄膜，或者NiO(0.66＜x≤1)电阻存储薄膜，或者TiO2电阻存储薄膜，可以用热氧化或化学反应溅射或物理汽相沉积或化学汽相沉积或原子层淀积(ALD)等的方法制作。
介质薄膜206插入在电阻存储薄膜203与上电极205之间。介质薄膜206可以是氧化铝(Al2O3)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铜(CuO)、氮化铜(Cu3N)，氮氧化铜(CuON)，电流流过高电阻率的绝缘介质薄膜，产生的热量对电阻存储薄膜加热，有利于复位操作时从低阻到高阻的转变。换而言之，用较小的电流就能产生复位操作所需的热量。介质薄膜206电阻率大于电阻存储薄膜低阻状态的电阻率，其电阻率在10欧·cm以上，为使保证存储器单元的低阻态电阻至少低于70％高阻态存储单元的电阻，插入介质薄膜的电阻范围为：Ron＜R＜2.33Roff(Ron存储薄膜为低阻态电阻，Roff存储薄膜为高阻态电阻)。可以使用物理溅射、化学反应溅射、物理汽相沉积、化学汽相沉积或原子层淀积(ALD)等方法制作。一些介质薄膜层还可以使用直接氧化或氮化的方法形成。
上电极205，可以金属或半金属，其包含但不限于铜、钛、铂、氮化钛(TiN)或氮化铝钛(TiAlN)，电极也可是金属和半金属的复合层，可以用物理溅射、化学反应溅射、物理汽相沉积、化学汽相沉积或电化学沉积(ECP)等方法形成。
应当注意的是：电阻存储器的尺寸可以由上电极尺寸，或下电极尺寸，或电阻存储薄膜尺寸限定。如：在图3(包括随后图4、图5)所示的实施例中，电阻存储器的尺寸就是由下电极尺寸限定的；图2所示的结构就是用上电极限定的。本发明的范围不并不限于这些具体的结构。
参考图4是发明的又一个实施例，此实施例中，下电极201在绝缘介质小孔中形成，介质薄膜206插入在存储介质薄膜203与下电极201之间。这种结构中，介质薄膜206可以使用物理溅射、化学反应溅射、物理汽相沉积、化学汽相沉积或原子层淀积(ALD)的方法制作，一些电阻介质层还可以用使用直接氧化或氮化的方法，如：铜下电极上制氧化铜(CuO)电阻介质层，就可以通过对铜下电极的直接热氧化或等离子氧化的方法得到。RRAM介质203在电阻介质层206上形成，可以用化学反应溅射、物理汽相沉积、化学汽相沉积或原子层淀积(ALD)等的方法制作。上下电极材料和制作方法与上个实施例中介绍的相同。
参考图5是发明的再一个实施例，与图4所示实施例的主要区别在于：介质薄膜206插入在两层电阻存储薄膜203a和203b之间。
接下来，将以基于CuxO的电阻随机存储器结合图3实施例结构更完全地描述形成低复位操作电流电阻存储器单元的方法，图6到图10图示了形成本实施例的电阻随机存取器件单元的方法的剖面图。
参考图6，衬底200可以为单晶硅，也可以是铜互连中铜线层，利用化学汽相淀积(CVD)工艺在衬底200上形成SiO2介质层204。
本发明的进一步实施，参考图7，利用光刻工艺形成窗口，再利用如刻蚀工艺在窗口处干法刻蚀去除204的一部分形成沟槽601，然后湿法去除光刻胶。
本发明的进一步实施，参考图8，采用铜互连中大马士革的方法，先形成Ta/TaN阻挡层，形成籽晶层，电镀铜，退火，然后再CMP去除多余铜，下电极201形成。
本发明的进一步实施，参考图9，用等离子体氧化或热氧化的办法在下电极201上形成CuxO电阻存储薄膜203。
本发明的进一步实施，参考图10a，在CuxO电阻存储薄膜203及SiO2介质层204上原子层淀积2nmAl2O3介质层206。
在另一实施例中，参考图10b，在氧气气氛中350度退火5分钟，CuxO电阻存储薄膜203上表面层转变成10nm左右的CuO介质层206。
本发明的进一步实施，参考图3a，在Al2O3介质层206上溅射Al形成上电极205。
在另一实施例中，参考图3b，在CuO介质层206和SiO2介质层204上溅射Al形成上电极205。
至此，本发明电阻存储器单元形成，相比该实施例中不插入介质层206的电阻存储器单元，其复位操作电流降低102-104倍。
参考文献
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[12]Tzu-Ning Fang，Swaroop Kaza，Sameer Haddad，etal.Erase Mechanism for Copper Oxide ResistiveSwitching.IEDM Tech Dig，2006
Claims (3)
1一种可降低复位操作电流的电阻存储器，其特征在于：在金属氧化物电阻存储薄膜和导电电极之间或者在两层金属氧化物电阻存储薄膜之间插入一层介质薄膜，该介质薄膜的电阻率在10欧·cm以上。
2根据权利要求1所述的电阻存储器，其特征在于所述金属氧化物电阻存储薄膜是CuxO，1＜x≤2，或者WOx，1≤x≤3，或者是NiOx，0.66＜x≤1，或者TiO2。
3根据权利要求1所述的电阻存储器，其特征在于所述的介质薄膜是氧化铝、氧化钽、氧化铜、氮化铜、氮氧化铜。
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