[发明专利]一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法

说明书

本发明公开了一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法，属于微电子技术领域。本发明的选通器件从下至上依次包括底电极层、转变层、银插层和顶电极层；其中：所述底电极材料为氮化钛、钛或铂中的任一种，所述转变层材料为氧化铪薄膜，所述顶电极材料为金属钨、钛或铂中的任一种。本发明制备的选通器件展现了十分小的漏电流，达到pA级别；并且其低阻态电流和高阻态电流之比超过10supgt;7/supgt;，展现了非常高的非线性度。另外，本发明的选通器件还展示了明显的双向阈值选通特性，有利于器件的集成。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于氧化铪转变层的银插层选通器件及其制造方法。

背景技术

近年来，随着Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS)工艺不断发展，传统的多晶硅闪存在向20nm技术推进时面临一系列的技术限制，并且接近工艺的理论物理极限。而随着半导体产业的发展，各种应用领域都对存储器件提出了新的要求，急需新型存储器件来满足日益增长的生活和科技需求。新型的RRAM存储器作为一种新兴的非易失性存储器件，因其具有擦写速度快、耐受性强、多值存储、高密度、可扩展、工艺简单等优异特性引起广泛关注。在RRAM器件集成时一般采用最小特征面积的十字交叉结构，但是由于这种结构存在严重串扰问题，会产生存储信息误读，导致信息缺失。基于此，目前提出了以下解决方法：第一种是将器件低阻态的电流电压曲线变成非线性的，这样存储器件在小电压读取的时候均会表现出高阻状态，配合特定的读取方式就能起到抑制反向电流的作用。第二种是设计全新的存储器件和读取方式，如互补型存储器。第三种是制造RRAM单元时集成额外的整流元件(如晶体管、二极管、选通管)，整流器件只允许电流单向通过，可以达到抑制反向电流的作用。考虑到与CMOS工艺的兼容性，采用额外的整流元件即为首要选择。而晶体管集成时的最小特征面积为8F²，二极管只适用于单极性RRAM器件，因此选用既能满足最小特征面积，又可以与双极RRAM器件集成的选通管作为整流元件。关于选通管的一些性能指标有：I-V曲线的非线性度、耐受性和保持特性、高开态电流密度和低关态电流密度、低开启电压以及CMOS工艺兼容性等。

目前已经报道过的选通管有：双向阈值转换选通管(OTS)(ovonic thresholdswitch selector)、绝缘体金属转换选通管(IMT)(insulator metal transitionselector)、混合电子离子传导选通管(MIEC)(mixed ionic electronic conductionselector)和可编程金属化选通管(programming metallization selector)等。

OTS选通管的机理解释主要是热诱导电子转变、碰撞电离和重组等，其优势在于导通状态下具有较高的开态电流密度。但是其材料系统十分复杂，并且其非线性度较低(10³)。

IMT选通管是通过在高阻的绝缘态和低阻的金属态之间转变以实现存储的，而这种转变过程受电压或温度影响。一般都是在NbO₂和VO₂类金属氧化物中观察到的，但是由于这类材料的带隙较窄导致这类选通管的漏电流较大，并且其转变温度较低，不利于实际应用。

MIEC转化一般都是在能同时传导电子电荷和离子的材料中发生的。这种选通管通常都是以铜为基底的，通过铜离子移动来形成导电通道，以实现高的非线性比。MIEC具有非常低的漏电流，但是由于铜离子的不断累积导致器件逐渐失效，因此耐受性和保持特性受到很大影响。

基于电化学金属化机制的可编程金属化选通器件基本工作原理是：在施加足够的阈值电压时，形成金属导电细丝；而在施加偏压移除后，导电丝断裂，器件展现出易失的双向阈值转变特性。该器件具有非常好的微缩性，有利于实现高密度的储存应用。

然而，选通管的非线性度直接决定了存储器件的集成密度，为了满足高密度存储的需求，需要研发具有高非线性比的选通管。因此研究具有高非线性比(10⁷)的可编程金属化器件。