[发明专利]一种阻变存储器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种阻变存储器的制备方法。

背景技术

随着集成电路工艺32nm技术节点的来临，传统的Flash存储器遇到了一系列的问题，其中，最主要的问题是，随着隧穿氧化层厚度越来越小，电荷的泄流变得越来越严重，直接影响Flash存储器的数据保持性能。近年来，各种新型非易失性存储器得到迅速发展，如铁电存储器、磁存储器、相变存储器和阻变存储器（RRAM），RRAM凭借其结构简单、功耗低、可快速读写和可实现高密度存储等优点，成为下一代最具竞争力的“通用”型非易失性存储器。

RRAM是利用阻变层材料在电压作用下，具有电阻状态可逆转变的电阻开关特性，来实现信息的存储。RRAM的结构包括衬底、底电极、顶电极以及位于底电极和顶电极间的阻变介质层，其中，阻变介质层是RRAM的核心，厚度通常只有几十纳米。RRAM实现电阻转变的微观机制是阻变介质层中纳米导电丝的生成和断裂。由于纳米导电丝通常只有几纳米，可以满足存储器件小型化的要求；此外，阻变介质层通常为简单金属氧化物，制备工艺与微电子工艺完全兼容。

RRAM的制备工艺简单，其中最关键的是阻变介质层的制备。目前，阻变介质层的制备技术主要有溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、电子束蒸发、原子层沉积（ALD）以及溶胶&凝胶等。基于交替脉冲循环方式实现薄膜沉积的ALD技术，可以精确控制薄膜厚度，得到致密、均匀、具有高保形性的大面积薄膜。随着纳米技术的发展以及半导体集成电路工艺对器件小型化的要求，作为一种新兴的超薄薄膜制备技术，ALD技术凭借其在大规模三维集成方面独特的优势，已成为阻变存储器的一种重要制备手段。

ALD技术中，薄膜的生长以一种循环的方式进行，一个循环包括四个阶段：（1）第一种前驱体以气体脉冲的方式进入反应腔，并化学吸附在衬底表面；（2）待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的前驱体吹出反应腔；（3）第二种前驱体以气体脉冲的方式进入反应腔，并与上一次吸附在表面上的第一种前驱体发生反应；（4）待反应完全后，再用惰性气体将多余的第二种前驱体及其副产物吹出反应腔。一个循环生长一层超薄材料，沉积速率为每循环得到薄膜厚度约为重复循环直至所需的薄膜厚度。

现有研究中制备阻变存储器的原子层沉积技术主要为热原子层沉积技术和等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术，两种技术的制备过程均以ALD的周期性循环沉积为基础：热原子层沉积技术是以水蒸气作为第二种前驱体与第一种前驱体发生反应，例如，J.Zhang等人（Structural,optical,electrical and resistive switching properties of ZnO thin films deposited by thermal and plasma-enhanced atomic layer deposition,Appl.Surf.Sci.282,395（2013））使用热原子层沉积技术制备氧化锌薄膜，该薄膜显示出良好的导电性，电阻率可以达到10^-3Ω.cm量级，但该方法制备的氧化锌薄膜不具备电阻开关特性；等离子体增强原子层沉积技术是以等离子体作为第二种前驱体与第一种前驱体发生反应，例如，J.Zhang等人（Bipolar resistive switching characteristics of low temperature grown ZnO thin films by plasma-enhanced atomic layer deposition,Appl.Phys.Lett,102,012113(2013)）使用等离子体增强原子层沉积技术制备氧化锌薄膜，以该薄膜制备的Al/PEALD-ZnO/Pt阻变存储器，其高阻态与低阻态间的电阻比值大于10³，但也存在阻变稳定性差，高阻态阻值变化范围大的问题。

使用ALD技术制备的其它薄膜（如氧化铝、氧化钛等），也存在阻变稳定性差，擦写电压较大，高阻态阻值变化范围大等问题，这些都限制了ALD技术在阻变存储器领域的广泛应用。

发明内容

本发明提供了一种阻变存储器的制备方法，在阻变存储器的阻变介质层的制备过程中引入了一种全新的原位等离子体增强热原子层沉积技术。制备得到的阻变存储器，可以实现对器件电阻开关特性的精确控制，最终达到对器件开关比、擦写电压的可调，并具有极佳的阻变稳定性。