阻变式存储元件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种阻变式存储元件及其制备方法。所述阻变式存储元件包括上下依次层叠的下极板层、阻变层、上极板层及上电极结构层，其中，所述上电极结构层包括上下依次堆叠的两个及以上含氮金属层，两个及以上含氮金属层中的含氮量沿远离上极板层的方向逐渐降低。本发明专利技术经改善的结构设计，使得上电极结构层在具有良好的阻挡能力的同时容易控制其阻值，有助于提升器件可靠性。本发明专利技术提供的阻变式存储元件结构简洁，便于制备，有助于其制造成本的降低。有助于其制造成本的降低。有助于其制造成本的降低。

【技术实现步骤摘要】
阻变式存储元件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件
，特别是涉及一种阻变式存储元件及其制备方法。

技术介绍

[0002]阻变式存储元件(resistive random access memory，简称RRAM)是利用非导性材料的电阻在外加电场作用下，能够在高阻态和低阻态之间实现可逆转换特性而制备的非易失性存储器。相较于其它非易失性存储技术，RRAM具有读取速度快等优点，被认为有望取代现有主流Flash存储器的潜力，因而成为目前新型存储器的一个重要研究方向。
[0003]阻变式存储元件电阻变化的原因在于导电丝的产生(高阻态转换成低阻态)和擦除(低阻态转换成高阻态)。现有的结构下，存储器的上极板金属/金属氮化物为阻变层提供导电的金属原子，而导电丝的产生和擦除会逐渐消耗金属原子，且金属原子还可能向外扩散，导致可供形成导电丝的金属原子变少，器件可靠性变差。
[0004]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种阻变式存储元件及其制备方法，用于解决现有结构的阻变式存储元件因导电丝的产生和擦除会逐渐消耗金属原子，且金属原子还可能向外扩散，导致可供形成导电丝的金属原子变少，器件可靠性变差等问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种阻变式存储元件，所述阻变式存储元件包括上下依次层叠的下极板层、阻变层、上极板层及上电极结构层，其中，所述上电极结构层包括上下依次堆叠的两个及以上含氮金属层，两个及以上含氮金属层中的含氮量沿远离上极板层的方向逐渐降低。
[0007]可选地，所述下极板层和上极板层的材质包括Cu、Pt、Ag、Fe、Co、Ni、W、Ti、Ta、Hf、Zr、Nb、Y、Zn、Al、石墨烯和n
‑
Si中的一种或一种以上。
[0008]可选地，所述阻变层的材质包括二元以上金属氧化物、石墨烯氧化物和金属氮化物中的一种或一种以上。
[0009]可选地，所述阻变层的材质包括NiOx、TiOx、ZnOx、ZrOx、HfOx、TaOx，PrCaMnO3，SrTiO3、ALN、ZnTe和ZnS中的一种或一种以上。
[0010]可选地，所述上极板层和上电极结构层之间还设置有粘附金属层。
[0011]可选地，所述上电极结构层的含氮金属层至少为3层，各含氮金属层中的含氮量梯度降低或渐变式降低。
[0012]可选地，所述上电极结构层的各含氮金属层中含有的金属元素相同。
[0013]本专利技术还提供一种阻变式存储元件的制备方法，所述制备方法包括采用物理气相沉积工艺形成如上述任一方案中所述的阻变式存储元件。
[0014]可选地，所述制备方法包括在制备上电极结构层的过程中采用如下方式中的一种或一种以上，以使得上电极结构层的两个及以上含氮金属层中的含氮量沿远离上极板层的方向逐渐降低：调整氮气流量、调整电流大小和调整负偏压。
[0015]可选地，所述制备方法包括对上极板层进行表面氮化处理以获得上电极结构层的底层的含氮金属层的步骤。
[0016]如上所述，本专利技术的阻变式存储元件及其制备方法，具有以下有益效果：本专利技术经改善的结构设计，使得上电极结构层在具有良好的阻挡能力的同时容易控制其阻值，有助于提升器件可靠性。本专利技术提供的阻变式存储元件结构简洁，便于制备，有助于其制造成本的降低。
附图说明
[0017]图1显示为本专利技术实施例一提供的阻变式存储元件的例示性截面结构示意图。
[0018]图2显示为本专利技术实施例二提供的阻变式存储元件的例示性截面结构示意图。
具体实施方式
[0019]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本专利技术实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本专利技术保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0020]为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
[0021]在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0022]需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
[0023]实施例一
[0024]如图1所示，本专利技术提供一种阻变式存储元件，所述阻变式存储元件包括上下依次层叠的下极板层12、阻变层13、上极板层14及上电极结构层15，其中，所述上电极结构层15包括上下依次堆叠的两个及以上含氮金属层，两个及以上含氮金属层中的含氮量沿远离上
极板层14的方向逐渐降低。
[0025]所述阻变式存储元件通常还包括衬底11，前述的下极板层12、阻变层13、上极板层14及上电极结构层15依次形成于衬底11上。衬底11可以为裸晶圆，例如为硅晶圆、锗晶圆、锗硅晶圆、绝缘体上硅(SOI)晶圆等。也可以是已经制作有相关器件的晶圆，例如表面制作有晶体管等器件结构。下极板层12(bottom electrode，简称BE)由导电材料制成，用于将阻变式存储元件与晶圆上的晶体管等器件电连接。阻变层13(resistive switching layer，简称RSL)顾名思义为电阻会发生变化的材料层。在外加偏压的作用下，阻变层13会在高低阻态之间发生转换，从而实现“0”和“1”的存储。上极板层14(top electrode，简称TE)同样由导电材料制成，其为阻变层13提供金属原子以形成电阻丝。上极板层14可以为纯金属材料或为金属氮化物材料，因为有些金属经氮化处理之后会有更好的热稳定性和导电性。上电极结构层15同样由导电材料制成，其不仅作为电性引出层，同时作为上极板互连的刻蚀停止层。阻变层13中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阻变式存储元件，其特征在于，所述阻变式存储元件包括上下依次层叠的下极板层、阻变层、上极板层及上电极结构层，其中，所述上电极结构层包括上下依次堆叠的两个及以上含氮金属层，两个及以上含氮金属层中的含氮量沿远离上极板层的方向逐渐降低。2.根据权利要求1所述的阻变式存储元件，其特征在于，所述下极板层和上极板层的材质包括Cu、Ag、Pt、Fe、Co、Ni、W、Ti、Ta、Hf、Zr、Nb、Y、Zn、Al、石墨烯和n
‑
Si中的一种或一种以上。3.根据权利要求1所述的阻变式存储元件，其特征在于，所述阻变层的材质包括二元以上金属氧化物、石墨烯氧化物和金属氮化物中的一种或一种以上。4.根据权利要求3所述的阻变式存储元件，其特征在于，所述阻变层的材质包括NiOx、TiOx、ZnOx、ZrOx、HfOx、TaOx，PrCaMnO3，SrTiO3、ALN、ZnTe和ZnS中的一种或一种以上。5.根据权利要求1所述的阻变式存储元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴威锋，
申请(专利权)人：昕原半导体杭州有限公司昕原半导体深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：