[发明专利]一种改善工作稳定性及存储窗口的阻变存储器及制备方法

说明书

本发明公开了一种改善工作稳定性及存储窗口的阻变存储器及制备方法，存储器单元自下而上分别为底电极、下阻变层、氧化物缓冲介质层、上阻变层，顶电极。制备方法为：在制作底电极之后生长下阻变层对应金属，然后通过化学气相淀积、原子层沉积等方法生长氧化物缓冲介质层如氧化硅，再生长一层上阻变层对应金属，之后通过氧化的方法利用氧气在氧化物缓冲介质层的扩散系数与阻变层的扩散系数不同，氧化之前淀积的两层阻变层金属以获得高氧化态上阻变层和低氧化态下阻变层，最后生长顶电极。本发明可有效改善阻变器件的工作稳定性及存储窗口，制备简单且与标准工艺良好兼容。

技术领域

本发明属于半导体与集成电路技术领域，具体涉及一种改善工作稳定性及存储窗口的阻变存储器及制备方法。

背景技术

随着集成电路、移动通信、物联网的发展，对于非易失性存储器的需求越来越向大容量、低功耗、高密度和低成本的方向转变。金属氧化物阻变器件是一种非常具有应用潜力的新型非易失性存储器，其典型结构为金属电极-氧化物-金属电极。在外电场的激励作用下，器件可在高、低阻态之间发生可逆转变，且其高、低阻态在电场撤销之后仍能够保持。Forming过程是指RRAM第一次从初始的高阻态跳变到低阻态的过程，相反的处于低阻态的RRAM在被施加一定电压激励后可以转换到高阻态，低阻态跳变到高阻态的过程称之为Reset。 经过Reset过程后进入高阻态的RRAM也可以通过施加电压激励转换到低阻态，而这个过程不同于第一次的高阻态跳变低阻态称之为Set过程。传统结构的RRAM器件为了降低操作电压（Forming、Set、Reset电压）一般采用一端为惰性电极一端为活性电极的结构，而这样的结构会导致器件的保持特性很差，无法满足我们对一个非易失存储器的长期存储信息的要求，而且存储器的性能调试很难通过单一的阻变材料层调整来调制各项器件特性，需要改变电极及插层参数来共同调制。图1为RRAM单元结构示意图。

RRAM的转变特性I-V曲线如图2所示，其器件特性包括Forming电压/电流，SetReset电压/电流以及保持特性（Retention）、均一性（Uniformity）、MW（Memory Window）存储窗口、读写速度、擦写次数（Endurance）等。

基于TaOx、NiOx、HfOx、ZnOx等材料的RRAM器件是典型的金属氧化物非导电通道类，其原理是通过晶格氧被激发产生氧空位形成的导电通道的通断来实现不同的阻值状态，如图4所示。在外加电场的情况下，阻变层中的氧离子会移动至界面层（取决于极性）存储起来，在阻变层中出现氧空位形成的导电通道，阻变层的阻值从高阻态（HRS）变为低阻态(LRS)，器件阻值完成转变，后续依次加上极性相反的Reset/Set电压（一般低于Forming电压），可以使得氧空位通道再次断裂和形成，可以让阻变层在HRS和LRS转变，从而形成循环，存储0和1。以下电极为氮化钛、上电极为钽、阻变层为氧化形成的氧化钽为例，如图3所示，其保持特性曲线如图5，从图5中可以发现器件阻值特性在仅仅0.5h后已经发生剧烈漂移，这与非易失存储的存储功能是相背离的。而这种单层金属Ta通过氧化生长的阻变层TaOx由于自上而下x依次减小，氧化梯度过缓，所以氧空位得失较小，导致存储窗口减小（存储窗口的值为高低阻态的比值，与存储器的抗噪声能力联系紧密），此外由于氧气易在TaOx中扩散，导致不易控制氧化条件，易发生过氧化，将下层底电极金属部分氧化，不利于存储器性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种改善工作稳定性及存储窗口的阻变存储器及制备方法，该制备方法简单、成本较低且与标准CMOS后段工艺良好兼容，可在不改变前段工艺的基础上集成。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一方面，本申请提出了一种改善工作稳定性及存储窗口的阻变存储器，该阻变存储器自下而上分别为底电极、下阻变层、氧化物缓冲介质层、上阻变层、顶电极。其中，氧化物缓冲介质层无阻变特性，如氧化硅。