[发明专利]一种采用电场增强层的阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于不挥发存储器技术领域，具体涉及一种阻变存储器及其制造方法。

背景技术

随着集成电路工艺技术节点的不断缩小，传统的闪存（Flash）非挥发性存储器由于其浮栅不能随着集成电路工艺的发展而无限制地减薄，闪存也就很难突破45纳米的工艺瓶颈，此外，动、静态存储器断电后易丢失数据。近年来，各种新型的非挥发性存储器得到了迅速发展,如铁电存储器 (FRAM)、磁存储器(MRAM) 、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)。

在这些存储器当中，阻变存储器的信息读写是依靠读取或者改变阻变材料的电阻来实现的。通常的阻变材料具有高阻和低阻两种状态。阻变存储器就是依靠材料本身高阻和低阻两种状态的改变来存储信息的。图1为一个典型阻变存储器单元的剖面图，在该阻变存储器单元100中，电阻转变存储层102位于顶电极101和底电极103之间。顶电极101和底电极103通常使用Pt和Ti等化学性质较稳定的金属材料，电阻转变存储层102通常为TiO₂、ZrO、Cu₂O和SrTiO₃等二元或三元金属氧化物。电阻转变存储层102的电阻值在外加电压作用下可以具有高阻态和低阻态两种不用的状态，其可以分别用来表征“0”和 “1”两种状态。在不同的外加电压条件下，阻变存储器的电阻值在高阻态和低阻态之间可以实现可逆转换，以此来实现信息的存储。

随着集成电路技术的进一步发展，大量具有阻变特性的材料相继被报道，例如SiO₂、NiO、Cu_xO、TiO₂、HfO_x、ZrO_x。阻变存储器因为其具有制备简单、存储密度高、操作电压低、读写速度快、保持时间长、非破坏性读取、低功耗、与传统CMOS工艺兼容性好等优势而得到了很大的重视，被认为是成为下一代“ 通用” 存储器的强有力候选者之一。

在电阻式存储器件中，工作性能的稳定性，包括写入、擦除电压稳定性、高低阻的信号比值的稳定性是电阻式存储器实用化的关键问题，因此寻求性能可优化的高稳定性电阻式存储器的制备方法成为阻变存储器件走向工业应用的关键性课题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种性能可优化的高稳定性阻变存储器及其制造方法，从而解决阻变存储器器件走向工业应用中出现的问题。

本发明提出的阻变存储器，采用不同介电常数的阻变功能材料组成叠层作为电阻转变存储层，具体包括顶电极、底电极以及位于所述顶电极与所述底电极之间的一层阻变功能介质层和一层电场增强层；所述的电场增强层和阻变功能介质层相邻，并且，电场增强层的介电常数低于阻变功能介质层的介电常数。

本发明中，所述电场增强层可采用较低介电常数材料，如SiO₂、Al₂O₃等，阻变功能介质层可采用较高介电常数材料，如HfO₂、ZrO₂或Nb₂O₅，或者其三元混合的介质材料等。

同时，本发明还提出了上述阻变存储器的制造方法，具体步骤包括：

在基底上形成阻变存储器的底电极；

在所述底电极上形成一层阻变功能介质层；

在所述阻变功能介质层上形成形成作为增强所述阻变功能介质层内电场的电场增强层；

在所述电场增强层上形成阻变存储器的顶电极。

进一步地，所述的底电极为Pt/Ti、Au/Ti、TiN、Ru或Cu等金属材料。所述的阻变功能介质层由HfO₂、ZrO₂或Nb₂O₅，或者其三元混合介质材料等高介电常数材料形成。所述的电场增强层（第二层阻变功能介质层）由SiO₂、Al₂O₃等低介电常数材料形成。所述的顶电极为Al、Pt、Ru、TiN、TaN等金属材料。

在传统的阻变存储器通常包括上电极、阻变层和下电极。在本发明中，在上电极和下电极中还加入了一层电场增强层来增强阻变层内的电场。