[发明专利]一种改进的NiO基电阻式随机存储器及其制备方法

说明书

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：