[发明专利]一种基于氧化锌的极性可控阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是一种基于氧化锌的极性可控阻变存储器的制备方法。

背景技术

现代社会主流存储器都采用基于浮栅结构的闪存（flash）存储器，由于集成度和器件尺寸的不断缩小，浮栅结构本身串扰的影响，几乎达到了尺寸极限，当隧穿氧化层厚度越来越小时，电荷的泄漏变得越来越严重（栅介质漏电）；并且鉴于擦写速度和可靠性之间的矛盾以及其较高的操作电压、复杂的电路结构等限制，特别是当工艺结点进入32nm以下后，无法进一步提高闪存中集成密度，使得新一代的非挥发性存储器越来越吸引人们的眼球，对于大容量的非挥发性的存储器的需求也越来越紧迫。阻变存储器(Resistive Random Access Memory, RRAM)、铁电存储器（FeRAM）、相变存储器（PcRAM）、磁存储器（MRAM）等应运而生，都具有很大的应用潜力，并且都在不断的探索中，而RRAM以其低功耗、非易失性、制备简单、尺寸小且易于集成、存储密度高、操作电压低、与传统CMOS工艺兼容性好，被大多数人所青睐。

阻变存储器是一种基于电致电阻转变效应的器件，是一种新型的非挥发性存储器，以其自身强大的优点而被誉为下一代非挥发性存储器最有力的竞争者。阻变存储器的阻变材料主要有钙钛矿、有机物、二元金属氧化物等作为其阻变转换层，由于二元过渡金属氧化物（Transition Metal Oxide，TMO）薄膜材料自身较优异的电学特性、制备简单、工艺消耗比较低、与传统工艺线兼容性好的特点，成为大家的研究热点。而氧化锌是一种化学稳定性高的材料，宽禁带直接带隙半导体，大气压下稳定性很高，并且内部的氧空位和锌间隙影响氧化锌薄膜氧化物的电阻转变特性。基于氧化锌的阻变存储器具有较低的Reset电流和set电压，取材方便，在实际应用具有很大的前景。

RRAM器件的基本结构，传统采用上电极-阻变转换层-下电极构成的三明治结构。现阶段，虽然RRAM仍有很多问题亟需解决，例如材料体系众多，哪种材料体系存储性能最为优越尚不明确；进一步减小功耗问题仍是作为下一代非挥发性存储器的重点；阻变机制的具体物理机制尚不完全明确，有导电细丝模型、空间电荷限制电流模型、缺陷能级的电荷俘获与释放、肖特基模型、普尔-法兰克模型等。而下电极一般作为外加电压时的接地端。综上所述，阻变存储器的研究重点，关键在于上电极对阻变性能的影响。通过沉积不同的上电极对电阻转变特性的影响，形成具有不同极性的阻变器件，在实际工艺中有很大的应用前景。

现在的研究表明，电阻转变特性主要发生在阻变转换层内部或者是在上电极-阻变转换层的界面处。对于电阻转变特性发生在上电极-阻变转换层的界面，阻变转换层采用氧化锌薄膜，因此上电极对于阻变转换特性具有直接的影响。2009年韩国的Wan-Gee Kim等人，研究了基于上电极/二氧化钛/铂金电极结构中，对于具有不同功函的上电极，比如Pt、Au、Ag、Ni、Al等，对于电阻转变特性的影响。不同金属电极与TiO₂薄膜之间功函的差异，所导致的内在势垒高度对于阻变特性有着重要的影响作用，以Pt和Au作为上电极时，当外加限流（Compliance Current，CC）时，会出现稳定的单极性和双极性转变；当以Ag为上电极时，不加限流时，此时只能发现双极性转变；Ni和Al电极，与Ag有着相似的功函，在很低的限流下，能发现不稳定的双极性和单极性变化，是由于在界面处发生的化学反应；对于Ti电极来说，并没有发现阻变过程，因为Ti的功函比TiO₂和TiO相的功函小。2011年3月台湾的Chun-Chieh Lin, Yi-Peng Chang等人，研究了一种基于新型材料CaCu₃Ti₄O₁₂(CCTO)的阻变特性，主要表征了CCTO材料体系中上电极对于阻变特性的的影响。显示了上电极的功函对于阻变特性具有非常重要的意义。成功的观察到当上电极为Ni，Pd和Pt时的不同极性的阻变转换。

为此，针对在阻变器件中，通过沉积不同上电极对基于氧化锌阻变器件性能的影响，制备出极性可控的阻变存储器，并且通过发挥不同极性阻变器件的特点，在半导体工艺应用中将具有重要的实际意义和潜在的巨大商业价值。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术分析，提供一种基于氧化锌的极性可控的阻变存储器的制备方法，该方法通过沉积不同的上电极，来实现基于氧化锌阻变材料不同极性的阻变存储器的制备，在实际应用中发挥不同极性阻变器件的应用前景。

本发明的技术方案：