一种实现多值存储的阻变存储器的制备方法与流程

本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种实现多值存储的阻变存储器制备方法。

背景技术：

半导体存储器，根据其掉电是否能够保持存储信息，可以分为两类：挥发性存储器和非挥发性存储器。随着便携式电子设备的普及，非挥发存储器在存储器市场中的份额也越来越大。虽然当前FLASH技术是非挥发存储器市场的主流，但随着半导体工艺节点的推进，FLASH技术正遇到一系列的瓶颈问题比如操作电压大，尺寸无法缩小，保持时间不够长等。有报道称FLASH技术的极限在16nm左右，科学界和工业界正在寻找一种可以替代FLASH的下一代非挥发性存储器。阻变存储器(RRAM)由于操作电压低、非破坏性读取、操作速度快和结构简单易于集成等优点成为新型非挥发性存储器的研究重点。其中阻变存储器能在多个电阻态间转变的能力(多值存储)使得存储容量大大增加，使得阻变存储器得到广泛关注。目前实现多值存储的方式主要有两种：一种是在SET(编程使器件转变到低阻态)过程中通过不同限制电流来实现，另一种是在RESET(编程使器件转变到高阻态)过程中通过不同电压幅值或电压持续时间来得到不同阻态。通过调控RESET电压幅值或脉宽的方法得到的多个阻态之间具有更大的窗口，有利于简化外围读写电路。但是，第二种方法要求器件的RESET过程是逐渐改变的，且RESET电压的均一性较好，常规方法制备的RRAM器件很难满足上述要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种实现多值存储的阻变存储器的制备方法，制备的阻变存储器具有均匀缓变的RESET过程，通过控制RESET电压幅值能够在交叉阵列中实现多值存储。

(二)技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种实现多值存储的阻变存储器制备方法，包括以下步骤：

S1：在衬底上形成下电极，并在下电极上形成功能层；

S2：对功能层进行离子注入；

S3：在功能层上形成上电极。

优选地，所述下电极材料包括Pt、W、Ru、Al、TiN、TaN、IrO₂、ITO或IZO。

优选地，所述功能层材料包括SiO₂、HfO₂、Al₂O₃、TaO_x或TiO_x。

优选地，所述步骤S2中采用的离子注入材料包括Ag、Cu、Cr或W。

优选地，采用磁控溅射、脉冲激光沉积或原子层沉积方法在下电极上形成功能层。

优选地，所述上电极材料为Pt、W、Ru、Al、TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO中至少一种。

优选地，在所述步骤S1中，通过光刻、剥离在衬底上沉积下电极。

优选地，在所述步骤S3中，通过光刻、剥离在功能层上沉积上电极。

优选地，所述上电极和下电极通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或溅射方法中的一种制备完成。

优选地，所述衬底为硅片。

(三)有益效果

从上述技术方案来看，本发明有以下有益效果：

1、利用本发明，可以实现缓变的RESET过程，有利于通过调控RESET电压实现单个器件的多值存储，大幅提高存储密度。

2、利用本发明，通过RESET截止电压的控制，获得的多值存储各阻态之间具有较大的存储窗口，有利于简化外围读写电路的设计难度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的阻变存储器的制备方法流程图；

图2是本发明实施例提供的阻变存储器的制备下电极过程示意图；

图3是本发明实施例提供的阻变存储器的制备功能层过程示意图；

图4是本发明实施例提供的阻变存储器的离子注入过程示意图；

图5是本发明实施例提供的阻变存储器的制备上电极过程示意图；

图6是本发明实施例提供的阻变存储器的I-V曲线测量结果图；

图7是本发明实施例提供的阻变存储器使用不同脉冲RESET幅值来实现不同阻态，从而实现多值存储的耐受性实测图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

在下文中结合图示在参考实施例中更完全地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。

在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。图1所示为本发明实施例提供的阻变存储器的制备方法流程图。同时，通过图2至图5示意了该阻变存储器各部分的制备过程，以下结合图2至图5详细说明该阻变存储器的制备方法。

步骤S1：在衬底上形成下电极，并在下电极上形成功能层。

子步骤S11：在衬底上形成下电极。

图2为本发明实施例提供的阻变存储器的制备下电极过程示意图，如图2所示，该步骤具体包括：通过光刻、剥离在硅片上沉积下电极。所述下电极可以采用Pt、W、Ru、Al，导电金属化合物TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO中至少一种构成。所述下电极材料可以通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、溅射方法中的一种制备完成。

子步骤S12：在下电极上表面形成功能层。

图3为本发明实施例提供的阻变存储器的制备功能层过程示意图，如图3所示，在该步骤中，在下电极上沉积功能层，其中功能层可以采用SiO₂、HfO₂、Al₂O₃、TaO_x、TiO_x等。可以通过磁控溅射、脉冲激光沉积、原子层沉积等方法制备功能层。

步骤S2：对功能层进行离子注入。

图4为本发明实施例提供的阻变存储器的离子注入过程示意图，如图4所示，该步骤中，对功能层进行离子注入，注入材料可以采用Ag、Cu、Cr、W等。

步骤S3：在功能层上形成上电极。

图5为本发明实施例提供的阻变存储器的制备上电极过程示意图，如图5所示，该步骤具体包括：通过光刻、剥离在功能层上沉积上电极。所述上电极可以采用Pt、W、Ru、Al，导电金属化合物TiN、TaN、IrO₂、ITO、IZO中至少一种构成。所述上电极材料可以通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、溅射方法中的一种制备完成。

图6展示了该阻变存储器的I-V曲线测量结果。从图中可以看出：电压从零开始增加到V_th，器件一直处于高阻态。继续增大电压(＞V_th)，电流突然急剧增大且随着电压的增大而增大直到V_set。当电压值继续增大超过V_set时，电流随着电压的增大而减小直到V_min，且在该段区间内获得的电阻可以在掉电的情况下仍然保持，从而实现逐渐缓变的RESET过程。该现象的产生是由于离子注入到功能层中形成了一系列不连续的金属颗粒，电子在不同电压下被这些金属颗粒捕获和释放。当电压值大于电子在这些颗粒间隧穿的开启电压V_th时，电子通过隧穿被金属颗粒捕获从而更容易传输，导致电流突然增大。当电压继续增大(＞V_th)，足够大的电压使金属颗粒释放电子导致电流减小从而实现缓变RESET。

图7展示了该阻变存储器使用不同脉冲RESET幅值来实现不同阻态，从而实现多值存储的耐受性实测图。从图中可以看出：(用1V/1ms脉冲将器件Set到低阻态R_on，然后施加不同RESET脉冲(-2V/0.2ms，-3V/0.2ms，-4V/0.2ms)可分别得到不同阻态R_off1，R_off2，R_off3。该器件可以如此施加脉冲转换电阻超过100次。)

至此，图1所示能够实现多值存储的阻变存储器的制备方法过程完成。利用本发明，对功能层进行离子注入从而在其中形成一系列不连续的金属颗粒，可以实现均匀缓变的RESET过程，有利于通过调控RESET电压实现单个器件的多值存储，大幅提高存储密度。通过RESET截止电压的控制，获得的多值存储各阻态之间具有较大的存储窗口，有利于简化外围读写电路的设计难度。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。