基于非化学剂量比的氮氧硅的双极阻变存储器及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于非化学剂量比即富含硅的氮氧硅（ＳｉＯｘＮｙ）阻变材料的双极阻变存储器及其制备方法，属于超大规模集成电路技术领域。该阻变存储器包括顶电极，阻变材料层，底电极和衬底，其中，阻变材料层为硅的氮氧化物（ＳｉＯｘＮｙ），所述ＳｉＯｘＮｙ的ｘ、ｙ满足条件：２ｘ＋３ｙ＜４，ｘ≥０，ｙ≥０，所述底电极为Ｃｕ、Ｗ、Ｐｔ等金属或者其它导电材料，所述顶电极为Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、ＡｌＣｕ等与硅的氮氧化物发生化学反应的金属或导电材料。本发明专利技术通过控制硅氮氧化物的成分，使其硅含量相对较多，引入更多的缺陷，空位，比如氮空位、氧空位等，从而得到稳定的双极器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超大规模集成电路
，具体涉及一种非挥发型阻变存储器，通 过阻值的改变实现数据0和1存储的目的。
技术介绍
随着集成电路技术节点不断推进，基于传统浮栅结构的FLASH技术将面临无法等 比缩小的技术挑战。基于MIMWetal-Insulator-Metal)结构的阻变存储器(RRAM)由于其 结构简单、易于制备、尺寸小、集成度高、擦写速度快和功耗低等优点，具有取代传统存储器 的潜力，因而备受学术界和工业界的关注。与传统浮栅结构的FLASH依靠电荷量来存储信 息O和1不同，阻变存储器利用其在不同电致条件下分别出现高阻和低阻来存储信息“O” 和 “1”。阻变存储器分为单极阻变存储器和双极阻变存储器。对于单极阻变存储器，当其 处于高阻态时，施加在其顶电极的直流电压从OV扫描到开启电压v。n时，电阻会发生突变， 从原来的高阻态转变到低阻态。但由于对被测试阻变存储器施加了限流，所以，该存储器阻 值处在一个数值，使得其刚好处在低阻态同时又不被击穿。此时，阻变存储器处在低阻态， 当施加在顶电极的直流电压从OV扫描到关闭电压v。ff时，阻变存储器的阻值又会发生突 变，从低阻态回到高阻态。对于双极阻变存储器，当其处于高阻态时，施加在其顶电极的直 流电压从OV扫描到开启电压￥。 时，电阻会发生突变，从原来的高阻态转变到低阻态。但由 于对被测试阻变存储器施加了限流，所以，该存储器阻值处在一个数值，使得刚好处在低阻 态同时又不被击穿。当施加在顶电极的直流扫描电压从OV负向扫描到关闭电压v。ff时，电 阻发生突变，从低阻态又回到高阻态。单极阻变存储器和双极阻变存储器的不同主要在于 关闭电压v。ff同开启电压v。n的极性不同，单极阻变存储器开启电压和关闭电压同为正向或 同为负向，而双极阻变存储器开启电压和关闭电压极性相反。目前，阻变存储器的阻变材料层的研究主要集中在NiO、TiO2, A1203、Ta2O5等过渡 金属氧化物。此类物质大体上可以和CMOS工艺兼容，能够表现出较好的阻变特性，但是，相 对常规工艺来说，往往需要增加一些工艺步骤。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于非化学剂量比即富含硅的氮氧硅(SiOxNy)阻变材料的双 极阻变存储器及其制备方法。本专利技术的技术方案如下—种双极阻变存储器，包括顶电极，阻变材料层，底电极和衬底，阻变材料层为硅 的氮氧化物(SiOxNy)，所述SiOxNy的χ、y满足条件0 < 2x+3y < 4，χ彡0，y彡0，所述底 电极可为Cu、W、Pt或者其它与硅的氮氧化物在< 300°C的温度下不发生反应的金属或者其 它导电材料，所述顶电极可为Ti、TiN, Al、AlCu或者其它与硅的氮氧化物发生化学反应的 金属或导电材料。所述SixOyNz的厚度不超过50nm。一种双极阻变存储器的制备方法，其包括如下步骤1)在衬底制备底电极；2)采用PECVD方法，通过调整N2O和SiH4气体流量制备SiOxNy薄膜，作为阻变材 料层；或者其它镀膜方法，如ALD、PVD、M0CVD等制备SiOxNy薄膜；或者制备出Si薄膜，通过 离子注入或者其它掺杂方法掺入0和N元素，制备出SiOxNy薄膜；或者制备出Si3N4，通过离 子注入注入或者其它掺杂方法掺入Si制备出SiNyy < 4/3 ；或者制备出Si3N4，通过离子注 入注入或者其它掺杂方法掺入0制备出SiOxNy薄膜；或者制备出SiO2,通过离子注入或者其 它掺杂方法掺入Si制备出SiOx薄膜，χ < 2 ；或者制备出SiO2,通过离子注入或者其它掺杂 方法掺入N制备出SiOxNy薄膜。3)在上述阻变材料层上制备顶电极。其中，步骤1)或步骤3)中，电极是采用PVD方法或其它IC工艺中的成膜方法制备。和现有技术相比，本专利技术的积极技术效果在于本专利技术选用了 CMOS工艺兼容的材料制备RRAM，制备过程主要采用了薄膜淀积设 备，无高温工艺，和CMOS后端工艺兼容。通过控制硅氮氧化物的成分，使其硅含量相对较 多，引入更多的缺陷，空位，比如氮空位、氧空位等，从而薄膜可以很容易在电场作用下发生 阻态转变，并采用活性电极可得到稳定的双极器件。附图说明图1为本专利技术实施例阻变存储器的截面结构示意图，其中1-硅衬底；2-底电极；3-隔离层；4-阻变材料层；5-底电极引出孔；6_顶电极；图2为本专利技术实施例阻变存储器的阻变特性图，其中1-高阻态向低阻态转变过程，即开启过程；2-低阻态向高阻态转变过程，即关闭 过程。具体实施例方式下面结合附图通过具体实施例对本专利技术作进一步描述。本专利技术阻变存储器的截面结构示意图如图1所示，下面结合截面结构示意图阐述 本实例阻变存储器的制备过程，1)首先在硅衬底1上采用物理气相淀积(PVD)方法或其它IC工艺中的成膜方法 制备一层W金属，并使用标准光刻技术，通过腐蚀、刻蚀或者剥离工艺使底电极图形化，形 成底电极2。2)利用PECVD或者ALD或者PVD或者MOCVD制备隔离层；3)利用PECVD制备出阻变材料层SiOxNy,其中χ = 0. 4，y = 1。3)由光刻、刻蚀定义底电极引出孔；4)同底电极一样，采用PVD方法或其它IC工艺中的成膜方法制备顶电极TiN制备 工艺和CMOS后端工艺兼容，在制备过程中，没有采用任何高温处理。本实施例制得的阻变存储器W/SiOxNy/TiN的阻变特性测试结果如图2所示。由图2可知，随着施加在顶电极的电压的改变(底电极接地)，本实施例阻变存储 器的阻值在高阻和低阻之间转换，实现了存储“0”和“1”的目的。另由图2可知，本实施例 阻变存储器的开启电压约IV左右，关闭电压约-0. 8V左右。以上通过详细实施例描述了本专利技术所提供的硅的氮氧化物阻变存储器及其制备 方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本专利技术实质的范围内，可以对本专利技术做一定的 变换、修改和改进；不限于实施例中所公开的内容。权利要求一种双极阻变存储器，包括顶电极，阻变材料层，底电极和衬底，其特征在于阻变材料层为硅的氮氧化物SiOxNy，所述SiOxNy的x、y满足条件2x+3y＜4，x≥0，y≥0，所述底电极为Cu、W、Pt，或者其它与硅的氮氧化物在小于300℃的温度下，不发生反应的金属或者其它导电材料，所述顶电极为Ti、TiN、Al、AlCu，或者其它与硅的氮氧化物发生化学反应的金属或导电材料。2.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于所述SiOxNy的厚度不超过50nm。3.一种双极阻变存储器的制备方法，其包括如下步骤1)在衬底制备底电极，所述底电极为Cu、W、Pt，或者其它与硅的氮氧化物在小于300°C 的温度下，不发生反应的金属或者其它导电材料；2)制备出SiOxNy薄膜，所述SiOxNy的χ、y满足条件0< 2x+3y < 4，χ≥0，y≥0 ；3)在上述阻变材料层上制备顶电极，所述顶电极为Ti、TiN、Al、AlCu，或者其它与硅的 氮氧化物发生化学反应的金属或导电材料。4.如权利要求5所述的方法，其特征在于采用PECVD方法，通过调整N2O和SiH4参数 制备SiOxNy薄膜。5.如权利要求5所述的方法，其特征在于采用ALD、PVD、MOCVD等方法制备SiOxNy薄膜。6.如权本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双极阻变存储器，包括顶电极，阻变材料层，底电极和衬底，其特征在于阻变材料层为硅的氮氧化物ＳｉＯ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］，所述ＳｉＯ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］的ｘ、ｙ满足条件：２ｘ＋３ｙ＜４，ｘ≥０，ｙ≥０，所述底电极为Ｃｕ、Ｗ、Ｐｔ，或者其它与硅的氮氧化物在小于３００℃的温度下，不发生反应的金属或者其它导电材料，所述顶电极为Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、ＡｌＣｕ，或者其它与硅的氮氧化物发生化学反应的金属或导电材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽杰，黄如，潘越，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]