[发明专利]低漏电流、大阻值比的MgO纳米线RRAM及其制造方法

说明书

本发明涉及集成电路器件技术领域，设计/研究具体为低漏电流、大阻值比的MgO纳米线RRAM及其制造方法，本发明的MgO纳米线RRAM设计具有纳米线结构MgO阻变层，纳米线使MgO带隙提高而更有效抑制漏电流，纳米线结构使得RRAM导电细丝限定在纳米线内，难以在空间上发散、衍生，从而形成导电路径更短，随机性较低，进而提高高、低阻状态阻变参数均匀性，并采用CNTs/石墨烯符合电极进一步降低编程电压。此外，在限定单元区域内生长纳米线使得各RRAM存储单元间的导电路径分布更均匀，进一步降低RRAM的特征参数发散性。从而设计实现一种具有阻变参数均匀的低漏电流、大阻值比MgO纳米线RRAM。

技术领域

本发明涉及集成电路器件技术领域，具体涉及具有低漏电流、大高低阻态比的MgO纳米线电阻式随机存取存储器(RRAM)结构，及形成这样RRAM的方法。

背景技术

RRAM(Resistive Random Access Memory)为电阻式随机存取存储器，简称阻变存储器，属于非易失性存储器，在数据存储方面是一个重要的电子器件，且由于RRAM简单的结构以及与CMOS逻辑的兼容性，其潜在运用前景越来越好[1-2]。RRAM存储单元包括具有可变电阻的介电数据存储层。介电数据存储层的电阻可以在不同电平作用下发生高、低电阻状态之间可逆地切换，每种电阻状态对应于不同数据状态，从而允许RRAM存储单元存储数据。目前，RRAM的研究主要集中在以二元金属氧化物为代表的薄膜型阻变材料的研究，包括HfO₂[3]、TaO_x[4]、SiO₂[5]、NiO[6]、TiO₂[7]、ZnO[8]、AlO_x[9]、MgO[10]等，其中， HfO₂由于低结晶温度(400℃)，使其热稳定性成为问题[11]；TaO_x形成电阻丝的编程电压高，将导致功率消耗大；SiO₂、NiO易于制作双极性NVM，使电源部分复杂化；ZnO、TiO₂带隙小，易造成大的漏电流；AlO_x有单极性，但电阻丝形成电压高。并且，普通的块体薄膜RRAM导电路径在阻变层薄膜材料中的分布及衍生是随机的，这种随机性导致阻变存储器参数离散性大。

采用纳米线结构阻变材料的研究主要集中在TiO₂和CNTs等材料。中国 台湾清华大学采用氢氧化法制作TiO₂纳米棒RRAM阵列[7]，由于晶化和纳米棒尺寸问题，关断电压高于6V；日本中央大学课题组研究CNTs制作RRAM[13]，其阻变层结构需要有中空结构，结合范德华力控制两级间距来控制高、低阻态变化，工艺要求非常高。此外，纳米线的阻变原理多是借用电阻丝原理和氧空位原理，未考虑纳米线导电路径的限制，纳米线特征尺寸的调控对阻变特性的影响等。

综上，RRAM由于薄膜阻变层中的导电路径衍生与分布随机性大，导致漏电流大，阻变参数离散性大，成为影响RRAM进一步缩小尺寸、降低功率，进而产品化的瓶颈问题。

发明内容

为此，提供一种新型MgO纳米线阻变层，根据量子限域效应，纳米线结构有效提高MgO 的带隙，从而使得MgO纳米线阻变膜能够降低、甚至抑制RRAM单元漏电流；定向的纳米线结构能缩短RRAM单元内的导电通道路径，并提高导电通道密度，进而提高RRAM低阻态下存储单元阻变参数均匀性以及高低阻态阻值比；此外，采用高性能复合碳纳米材料电极还能进一步降低RRAM置位电压。所形成的RRAM具有导电路径短而漏电流低、编程电压低、高低阻态参数均匀且阻值比大的优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种低漏电流、大阻值比的MgO纳米线RRAM，其依照次序从硅基底的表面上开始起包括：

SiO₂薄层，通过在硅基底上热氧化生成SiO₂薄层；

底电极M2，采用TiN材料形成底电极M2；

底电极连线区域，通过刻蚀产生底电极连线区域；