一种阻变存储器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种阻变存储器的制备方法，所述的阻变存储器包括依次组装的底电极、阻变介质层材料及顶电极，所述的阻变介质层材料的制备包括以下步骤：首先按顺序将第一前驱体、第一惰性气体、第二前驱体、第二惰性气体通入反应器中，经过热原子层沉积的一个循环，在底电极上沉积一层单层金属氧化物薄膜；然后对薄膜进行等离子体增强处理；最后循环交替进行上述步骤。本发明专利技术在阻变介质层的制备过程中引入了一种全新的原位等离子体增强热原子层沉积技术，可以大范围地调节金属氧化物薄膜的表面形貌及缺陷；制备得到的阻变存储器，可以实现对器件电阻开关特性的精确控制，达到对器件开关比、擦写电压的可调，并具有极佳的阻变稳定性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，所述的阻变存储器包括依次组装的底电极、阻变介质层材料及顶电极，所述的阻变介质层材料的制备包括以下步骤：首先按顺序将第一前驱体、第一惰性气体、第二前驱体、第二惰性气体通入反应器中，经过热原子层沉积的一个循环，在底电极上沉积一层单层金属氧化物薄膜；然后对薄膜进行等离子体增强处理；最后循环交替进行上述步骤。本专利技术在阻变介质层的制备过程中引入了一种全新的原位等离子体增强热原子层沉积技术，可以大范围地调节金属氧化物薄膜的表面形貌及缺陷；制备得到的阻变存储器，可以实现对器件电阻开关特性的精确控制，达到对器件开关比、擦写电压的可调，并具有极佳的阻变稳定性。【专利说明】—种阻变存储器的制备方法
本专利技术涉及半导体领域，尤其涉及。
技术介绍
随着集成电路工艺32nm技术节点的来临，传统的Flash存储器遇到了一系列的问题，其中，最主要的问题是，随着隧穿氧化层厚度越来越小，电荷的泄流变得越来越严重，直接影响Flash存储器的数据保持性能。近年来，各种新型非易失性存储器得到迅速发展，如铁电存储器、磁存储器、相变存储器和阻变存储器(RRAM)，RRAM凭借其结构简单、功耗低、可快速读写和可实现高密度存储等优点，成为下一代最具竞争力的“通用”型非易失性存储器。RRAM是利用阻变层材料在电压作用下，具有电阻状态可逆转变的电阻开关特性，来实现信息的存储。RRAM的结构包括衬底、底电极、顶电极以及位于底电极和顶电极间的阻变介质层，其中，阻变介质层是RRAM的核心，厚度通常只有几十纳米。RRAM实现电阻转变的微观机制是阻变介质层中纳米导电丝的生成和断裂。由于纳米导电丝通常只有几纳米，可以满足存储器件小型化的要求；此外，阻变介质层通常为简单金属氧化物，制备工艺与微电子工艺完全兼容。RRAM的制备工艺简单，其中最关键的是阻变介质层的制备。目前，阻变介质层的制备技术主要有溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、电子束蒸发、原子层沉积(ALD)以及溶胶&凝胶等。基于交替脉冲循环方式实现薄膜沉积的ALD技术，可以精确控制薄膜厚度，得到致密、均匀、具有高保形性的大面积薄膜。随着纳米技术的发展以及半导体集成电路工艺对器件小型化的要求，作为一种新兴的超薄薄膜制备技术，ALD技术凭借其在大规模三维集成方面独特的优势，已成为阻变存储器的一种重要制备手段。ALD技术中，薄膜的生长以一种循环的方式进行，一个循环包括四个阶段:(I)第一种前驱体以气体脉冲的方式进入反应腔，并化学吸附在衬底表面；(2)待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的前驱体吹出反应腔；(3)第二种前驱体以气体脉冲的方式进入反应腔，并与上一次吸附在表面上的第一种前驱体发生反应；(4)待反应完全后，再用惰性气体将多余的第二种前驱体及其副产物吹出反应腔。一个循环生长一层超薄材料，沉积速率为每循环得到薄膜厚度约为I A重复循环直至所需的薄膜厚度。现有研究中制备阻变存储器的原子层沉积技术主要为热原子层沉积技术和等离子体增强原子层沉积(PEALD)技术，两种技术的制备过程均以ALD的周期性循环沉积为基础:热原子层沉积技术是以水蒸气作为第二种前驱体与第一种前驱体发生反应，例如，J.Zhang 等人(Structural, optical, electrical and resistive switching propertiesof ZnO thin films deposited by thermal and plasma-enhanced atomic layerdeposition, Appl.Surf.Sc1.282，395 (2013))使用热原子层沉积技术制备氧化锌薄膜,该薄膜显示出良好的导电性，电阻率可以达到10_3Q.cm量级，但该方法制备的氧化锌薄膜不具备电阻开关特性；等离子体增强原子层沉积技术是以等离子体作为第二种前驱体与第一种前驱体发生反应，例如，J.Zhang等人(Bipolar resistive switching characteristicsof low temperature grown ZnO thin films by plasma-enhanced atomic layerdeposition, Appl.Phys.Lett, 102, 012113 (2013))使用等离子体增强原子层沉积技术制备氧化锌薄膜，以该薄膜制备的Al/PEALD-ZnO/Pt阻变存储器，其高阻态与低阻态间的电阻比值大于103，但也存在阻变稳定性差，高阻态阻值变化范围大的问题。使用ALD技术制备的其它薄膜(如氧化铝、氧化钛等)，也存在阻变稳定性差，擦写电压较大，高阻态阻值变化范围大等问题，这些都限制了 ALD技术在阻变存储器领域的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术提供了，在阻变存储器的阻变介质层的制备过程中引入了一种全新的原位等离子体增强热原子层沉积技术。制备得到的阻变存储器，可以实现对器件电阻开关特性的精确控制，最终达到对器件开关比、擦写电压的可调，并具有极佳的阻变稳定性。本专利技术所采用的原位等离子体增强处理，是在每个热沉积循环结束后，都对金属氧化物薄膜进行气体等离子体增强处理，金属氧化物薄膜的沉积循环与等离子体处理循环依次交替进行。所述的气体等离子体处理属于后处理技术，气体等离子体不参与薄膜沉积过程，只影响薄膜的表面形貌及缺陷。可以通过控制等离子体发生功率、处理时间及等离子体发生气体组分、流量，定量控制等离子体中离子、电子以及自由基的浓度，进而控制薄膜中的缺陷种类、浓度，实现大范围地调节阻变存储器的电阻开关特性。本专利技术公开了，所述的阻变存储器包括依次组装的底电极、阻变介质层材料及顶电极，所述的阻变介质层材料的制备包括以下步骤:I)依次将第一前驱体、第一惰性气体、第二前驱体、第二惰性气体通入反应器中，经过热原子层沉积的一个循环，在底电极上沉积一层单层金属氧化物薄膜；2)对步骤I)沉积的单层金属氧化物薄膜进行等离子体增强处理；3)循环交替进行上述的步骤I)和2);原子层沉积要求第一前驱体进入反应器时具有良好的挥发性、热稳定性及反应性，所述的第一前驱体为烷基金属或金属醇盐。作为优选，所述的第一前驱体为二乙基锌、三甲基铝或四异丙醇钛，以上三种物质作为前驱体，具有足够高的蒸汽压，可以保证充分地覆盖底电极的表面；同时，在底电极表面形成单分子层的化学吸附层，并在较短的循环时间范围内达到饱和吸附。原子层沉积过程中，在不同前驱体脉冲注入间隔必须要通入惰性气体作为载气和清理反应器，同时隔离不同前驱体脉冲，所述的第一惰性气体和第二惰性气体为同一种气体。作为优选，本专利技术中采用氩气作为清理反应器的惰性气体。作为优选，氩气作为载气的体积流量为20标况毫升/分(sccm)，在该流量下，可以在适宜的时间内将反应器内多余的反应物或副产物清理干净。热原子层沉积法中，均以水作为第二前驱体。阻变介质层材料是RRAM的核心，选择不同的材料，RRAM的阻变特性存在较大差异，目前已报道的具有阻变特性的材料种类繁多。所述的阻变介质层材料为金属氧化物薄膜。金属氧化物具有成分简单、易于制备且与CMOS工艺兼容等优点。作为优选，所述的金属氧化物为Ζη0、Α1203或Ti02。这三种金属氧化物的薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阻变存储器的制备方法，所述的阻变存储器包括依次组装的底电极、阻变介质层材料及顶电极，其特征在于，所述的阻变介质层材料的制备包括以下步骤：1）依次将第一前驱体、第一惰性气体、第二前驱体、第二惰性气体通入反应器中，经过热原子层沉积的一个循环，在底电极上沉积一层单层金属氧化物薄膜；2）对步骤1）沉积的单层金属氧化物薄膜进行等离子体增强处理；3）循环交替进行上述的步骤1）和2）；所述的第一前驱体为烷基金属或金属醇盐；所述等离子体产生的射频源功率为30～1500W；所述等离子体发生气体的流量为5～200标况毫升/分；所述等离子体增强处理时间为3～50s/循环。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张启龙，张剑，杨辉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：