专利名称：一种二元金属氧化物阻变存储器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种存储器及其制作方法，尤其涉及一种二元金属氧化物阻变存储器及其制 作方法，属于信息存储技术领域。
背景技术：
随着手机、MP3、 MP4以及笔记本电脑等便携式个人设备的逐渐流行，非挥发性存储器在 半导体市场中占有的地位越来越高。目前市场上的非挥发性存储器仍以闪存(Flash)为主流 。随着器件尺寸的不断縮小，Flash存储器器件存在操作电压过大、操作速度慢、耐久力不 够好、保持时间不够长等缺点。这些缺点在一定程度上限制了传统Flash存储器的进一步发 展。因此，急需开发一种全新的信息存取技术来解决以上问题。
目前已研制出的新型非挥发性存储器包括铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM) 、相变存储器(PRAM)以及阻变存储器(RRAM)。在这些存储器当中，阻变存储器由于具有 简单的器件结构、较高的器件密度、较低的功耗、较快的读写速度、与传统CMOS工艺兼容性 好等优势，因此倍受关注。阻变存储器作为一种新型的非挥发性存储器，是以二元金属氧化 物薄膜的电阻可在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间实现可逆转换为基本工作原理并作为 记忆的方式。
图l为现有技术阻变存储器的基本结构示意图。如图1所示，在上电极101和下电极103之 间，设置有电阻转变存储层102。电阻转变存储层102的电阻值在外加电压作用下可以具有两 种不同的状态，即高阻态和低阻态，其可以分别用来表征"0"和"1"两种状态。在不同外 加电压的作用下，电阻转变型存储器的电阻值在高阻态和低阻态之间可实现可逆转换，以此 来实现信息存储的功能。
阻变存储器的材料主要包括PrCaMn03，锆酸锶(SrZr03)、钛酸锶(SrTi03)等钙钛矿复杂 氧化物，高分子有机材料以及二元金属氧化物如Al203、 Ti02、 NiO、 Zr02、 Hf02等。与其它 材料相比，二元金属氧化物由于具有结构简单，制作成本低，以及和现有CMOS工艺兼容的优 点受到格外的关注。通常情况下，对于二元金属氧化物构成的阻变存储器在第一次由高阻态 向低阻态转变时，需要一个高于存储器正常操作电压的电压来激活器件，然后才可以进入到 正常的存储状态，即所谓的Forming过程。由于Forming电压较大，会高于器件正常工作的电压，在Forming过程中产生的大电流就会对电阻转变存储层产生一定的破坏，导致器件的性 能下降。此外，大的Forming电压意味着器件初始的功耗较高，从而不利于器件在实际中的 应用。
发明内容
本发明针对现有二元金属氧化物阻变存储器由于在Forming过程中Forming电压高于器件 正常工作的电压，而产生对电阻转变存储层具有一定的破坏的大电流，导致器件的性能下降 ，而且Forming电压较大，还会使器件初始的功耗较高的不足，提供一种二元金属氧化物阻 变存储器及其制作方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下 一种二元金属氧化物阻变存储器的制作方法 ，包括以下步骤
步骤一在衬底上形成下电极；
步骤二在所述下电极上形成金属掺杂的二元金属氧化物薄膜作为电阻转变存储层；
步骤三在惰性气体的环境下并于iocrc ioo(rc下对所述电阻转变存储层进行退火处
理；
步骤四在所述电阻转变存储层上形成上电极。
所述步骤二包括以下步骤在所述下电极上形成第一金属氧化物薄膜；在所述第一金属 氧化物薄膜上形成金属薄膜；在所述金属薄膜上形成第二金属氧化物薄膜。
进一步，所述第一金属氧化物薄膜或者第二金属氧化物薄膜的材料为氧化锆、氧化铜、 氧化铪、氧化镍、氧化铝或者氧化锌。
进一步，所述金属薄膜由Cu、 Au、 Ag、 Fe、 Co、 Ni、 Cr和Ti中的一种或者几种组合制成
进一步，所述下电极或者上电极由金属材料、金属合金材料和导电金属化合物中的一种 或者几种制成。
进一步，所述金属材料为Cu、 Au、 Ag或者Pt。
进一步，所述金属合金材料为Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr或者Cu/Al。
进一步，所述导电金属化合物为TiN、 TaN、 IT0或者IZ0。
本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下 一种二元金属氧化物阻变存储器 ，包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的电阻转变存储层，所述电阻转变 存储层包括第一金属氧化物薄膜、第二金属氧化物薄膜以及设置于所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜之间的金属薄膜，所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜内 具有金属缺陷。
所述电阻转变存储层的厚度为20纳米 200纳米，所述金属薄膜的厚度为1纳米 10纳米
本发明的有益效果是本发明二元金属氧化物阻变存储器的制作方法简单、成本低并且 与传统CMOS工艺兼容，在电极上形成金属掺杂的二元金属氧化物作为电阻转变存储层，再对 电阻转变存储层进行退火处理， 一方面可以使二元金属氧化物薄膜结晶，另外还可以在二元 金属氧化物中形成大量的金属缺陷，在器件第一次由高阻态向低阻态转变时，不再需要一个 高的操作电压来激活器件，从而可以消除Forming现象。
图l为现有技术阻变存储器的基本结构示意图2为本发明实施例1 二元金属氧化物阻变存储器的制作方法流程图; 图3为本发明实施例2二元金属氧化物阻变存储器的基本结构示意图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于 限定本发明的范围。 实施例l
图2为本发明实施例二元金属氧化物阻变存储器的制作方法流程图。如图2所示，该制作 方法包括以下步骤
步骤201:在衬底上形成下电极。
所述衬底一般由二氧化硅、掺杂二氧化硅或者其他绝缘材料制成。所述下电极由金属材 料、金属合金材料和导电金属化合物中的一种或者几种制成。所述下电极可为Cu、 Au、 Ag或 者Pt等金属形成的单层金属电极，也可以为Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr或者Cu/Al等金属合金形成 的双层金属电极，同时也可以由TiN、 TaN、 ITO或者IZO等导电金属化合物制成。所述下电极 还可以是金属、金属合金和导电金属化合物中任意两种或三种形成的合金。可以理解，所述 下电极还可以由其他导电材料制成。
所述下电极可以采用电子束蒸发、溅射等物理汽相沉积或者化学汽相沉积的方法形成。
步骤202:在所述下电极上形成金属掺杂的二元金属氧化物薄膜作为电阻转变存储层。在具体生产实践中，首先，在所述下电极上形成第一金属氧化物薄膜；接着，在所述第 一金属氧化物薄膜上形成金属薄膜；最后，在所述金属薄膜上形成第二金属氧化物薄膜。
所述第一金属氧化物薄膜或者第二金属氧化物薄膜的材料为氧化锆、氧化铜、氧化铪、 氧化镍、氧化铝或者氧化锌。所述金属薄膜由Cu、 Au、 Ag、 Fe、 Co、 Ni、 Cr和Ti中的一种或 者几种组合制成。
所述第一金属氧化物薄膜、第二金属氧化物薄膜和金属薄膜均可以采用电子束蒸发、等 离子体增强化学汽相淀积(PECVD)或者原子层淀积(ALD)等方法形成。
步骤203:在惰性气体的环境下并于iocrc ioo(rc下对所述电阻转变存储层进行退火处理。
所述惰性气体可以是N2，也可以是其它的惰性气体。 步骤204:在所述电阻转变存储层上形成上电极。
所述上电极由金属材料、金属合金材料和导电金属化合物中的一种或者几种制成。所述
上电极可为Cu、 Au、 Ag或者Pt等金属形成的单层金属电极，也可以为Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr 或者Cu/Al等金属合金形成的双层金属电极，同时也可以由TiN、 TaN、 ITO或者IZO等导电金 属化合物制成。所述上电极还可以是金属、金属合金和导电金属化合物中任意两种或三种形 成的合金。可以理解，所述上电极还可以由其他导电材料制成。
所述上电极可以采用电子束蒸发、溅射等物理汽相沉积或者化学汽相沉积的方法形成。 本发明二元金属氧化物阻变存储器的制作方法简单、成本低并且与传统CMOS工艺兼容， 在电极上形成金属掺杂的二元金属氧化物作为电阻转变存储层，再对电阻转变存储层进行退 火处理， 一方面可以使二元金属氧化物薄膜结晶，另外还可以在二元金属氧化物中形成大量 的金属缺陷，在器件第一次由高阻态向低阻态转变时，不再需要一个高的操作电压来激活器 件，从而可以消除Forming现象。 实施例2
图3为本发明实施例二元金属氧化物阻变存储器的基本结构示意图。如图3所示，该二元 金属氧化物阻变存储器包括包括衬底301，设置于衬底301上的下电极302，设置于下电极302 上的电阻转变存储层，以及设置于电阻转变存储层上的上电极306。所述电阻转变存储层包 括第一金属氧化物薄膜303、第二金属氧化物薄膜305以及设置于第一金属氧化物薄膜303和 第二金属氧化物薄膜305之间的金属薄膜304，所述第一金属氧化物薄膜303和第二金属氧化 物薄膜305内具有金属缺陷。所述电阻转变存储层的厚度为20纳米 200纳米，所述金属薄膜 304的厚度为1纳米 10纳米。所述第一金属氧化物薄膜303和第二金属氧化物薄膜305的厚度范围分别为10纳米 100纳米，所述第一金属氧化物薄膜303和第二金属氧化物薄膜305的厚 度可以相同，也可以不相同。
本发明二元金属氧化物阻变存储器通过所述金属氧化物薄膜内的金属缺陷即金属陷阱捕 获以及释放电子来完成高低阻态之间转换。所述金属氧化物薄膜上形成金属薄膜并在经过退 火处理后，可以在金属氧化物薄膜中形成大量陷阱，从而消除阻变存储器产生的Forming现 象。
本发明二元金属氧化物阻变存储器的结构简单，所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧 化物薄膜内具有金属缺陷，可以消除Forming现象。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种二元金属氧化物阻变存储器的制作方法，其特征在于，该制作方法包括以下步骤步骤一在衬底上形成下电极；步骤二在所述下电极上形成金属掺杂的二元金属氧化物薄膜作为电阻转变存储层；步骤三在惰性气体的环境下并于100℃～1000℃下对所述电阻转变存储层进行退火处理；步骤四在所述电阻转变存储层上形成上电极。
2. 根据权利要求l所述的二元金属氧化物阻变存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤 二包括以下步骤在所述下电极上形成第一金属氧化物薄膜；在所述第一金属氧化物薄膜上 形成金属薄膜；在所述金属薄膜上形成第二金属氧化物薄膜。
3.根据权利要求2所述的二元金属氧化物阻变存储器的制作方法，其特征在于，所述第一 金属氧化物薄膜或者第二金属氧化物薄膜的材料为氧化锆、氧化铜、氧化铪、氧化镍、氧化 铝或者氧化锌。
4.根据权利要求2所述的二元金属氧化物阻变存储器的制作方法，其特征在于，所述金属 薄膜由Cu、 Au、 Ag、 Fe、 Co、 Ni、 Cr和Ti中的一种或者几种组合制成。
5.根据权利要求l所述的二元金属氧化物阻变存储器的制作方法，其特征在于，所述下电 极或者上电极由金属材料、金属合金材料和导电金属化合物中的一种或者几种制成。
6. 根据权利要求5所述的二元金属氧化物阻变存储器的制作方法，其特征在于，所述金属材料为Cu、 Au、 Ag或者Pt。
7.根据权利要求5所述的二元金属氧化物阻变存储器的制作方法，其特征在于，所述金属 合金材料为Pt/Ti、 Cu/Au、 Au/Cr或者Cu/Al 。
8.根据权利要求5所述的二元金属氧化物阻变存储器的制作方法，其特征在于，所述导电 金属化合物为TiN、 TaN、 IT0或者IZ0。
9.一种二元金属氧化物阻变存储器，包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极 之间的电阻转变存储层，所述电阻转变存储层包括第一金属氧化物薄膜、第二金属氧化物薄 膜以及设置于所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜之间的金属薄膜，其特征在于 ，所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜内具有金属缺陷。
10.根据权利要求9所述的二元金属氧化物阻变存储器，其特征在于，所述电阻转变存储层 的厚度为20纳米 200纳米，所述金属薄膜的厚度为1纳米 10纳米。
全文摘要
本发明涉及一种二元金属氧化物阻变存储器及其制作方法，属于信息存储技术领域。所述方法包括在衬底上形成下电极；在所述下电极上形成电阻转变存储层；在惰性气体的环境下并于100℃～1000℃下对所述电阻转变存储层进行退火处理；在所述电阻转变存储层上形成上电极即可。本发明的制作方法简单、成本低并且与传统CMOS工艺兼容，采用金属掺杂的二元金属氧化物作为电阻转变存储层，再经过退火处理，不仅可以使二元金属氧化物薄膜结晶，而且还可以在二元金属氧化物中形成大量的金属缺陷，在器件第一次由高阻态向低阻态转变时，不再需要一个高的操作电压来激活器件，从而可以消除Forming现象。
文档编号H01L45/00GK101587937SQ200910302938
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者明 刘, 琦 刘, 左青云, 森 张, 李颖弢, 琴 王, 艳 王, 龙世兵 申请人:中国科学院微电子研究所