CN105185902A - 一种电阻型存储单元 - Google Patents

Abstract

一种电阻型存储单元，涉及非易失性存储器件技术领域，包括基板、下电极层、功能层、上电极层和绝缘介质层，下电极层覆盖在基板上，绝缘介质层覆盖在下电极层上，绝缘介质层上设有槽底通至下电极层的沟槽，沟槽内自上而下依次设有上电极层和功能层，功能层与下电极层直接接触，上电极层与绝缘介质层表面平齐设置。所述功能层为电阻变化型存储层，该功能层为上、下两层的叠层结构，其由非晶态的SnO_x层和氮氧化物MnO_xN_y层叠层构成，其中，非晶态的SnO_x中x的取值范围为0<x<2，氮氧化物MnO_xN_y中的x和y的取值范围分别为1<x<2，0.001<y<2。本发明的电阻型存储单元能够稳定地实现多值存储，能够提高存储单元的存储密度和稳定性。

Description

一种电阻型存储单元

技术领域

本发明涉及非易失性存储器件技术领域，具体涉及一种高密度薄膜结构的阻变式存储单元。

背景技术

近年来随着计算机技术、互联网技术的飞速发展，非易失性存储器件在半导体行业中扮演越来越重要的角色。在非易失性存储器件中，即使当电源被切断，器件的基本单元仍保持基本单元中存储的数据。电阻型随机存储器（ResistiveRandomAccessMemory，RRAM）是一种新型非易失性存储器，其工作的机理是在外电场触发可逆电阻转变效应，即在外加电压的作用下，器件的电阻在低阻态（“0”）和高阻态（“1”）之间可逆转变，并且所得到的电阻在外电场去除后可以保持下来。电阻型存储器由于具有高的读写速度、高集成度和多值存储能力等特点，而成为现阶段研究的热点。

电阻型存储器件通常为金属-氧化物-金属三明治结构，可以通过常规的制膜工艺如溅射、气相沉积等工艺制备；同时，电阻型存储器件存在多水平电阻转变现象，在不改变单元体积的条件下可以实现更多信息的存储，并且其与半导体工艺兼容性好，可以利用现有的半导体工艺技术生产，可以大大缩减开发成本。

在保证性能的前提下，如何提高存储密度是现有研究的热点，提高存储密度才能降低成本提高市场竞争力。一般来说，提高存储器的存储密度主要有以下两种方式：第一种是通过工艺或器件结构来减小单元面积的尺寸，通常是采用交叉阵列结构以实现理论上的最小单元面积；第二种是采用多值存储单元，可以在不增大存储面积的情况下提高存储面积，减低位/面积的成本，多值存储是指在存储器的一个节点上记录多于一比特的二进制数据，从而增大存储器的存储密度，提高存储容量。

目前，研究人员获得多值存储主要是通过改善单层阻变层来获得，比如施加不同的reset电压获得不同的高阻态的阻值，或者通过对一次性编程存储器施加不同的编程电压或不同的电流强度的编程电流，使一次编程存储器从高阻态编程不同的低阻态，以实现多值存储。但是由于单层阻变层的结构决定了在reset过程中，没有稳定的一个中间态，就导致单层阻变层结构的多值存储的一致性很难保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种阻变性能好、稳定性好的薄膜结构的电阻型存储单元。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种电阻型存储单元，其功能层为电阻变化型存储层，该功能层为上、下两层的叠层结构，其由非晶态的SnO_x层和氮氧化物MnO_xN_y层叠层构成，其中，非晶态的SnO_x中x的取值范围为0<x<2，氮氧化物MnO_xN_y中的x和y的取值范围分别为1<x<2，0.001<y<2。

所述电阻型存储单元包括基板、下电极层、功能层、上电极层和绝缘介质层，下电极层覆盖在基板上，绝缘介质层覆盖在下电极层上，绝缘介质层上设有槽底通至下电极层的沟槽，沟槽内自上而下依次设有上电极层和功能层，功能层与下电极层直接接触，上电极层与绝缘介质层表面平齐设置。

所述下电极层和上电极层均为导电金属、导电金属合金或导电金属化合物，其中的导电金属为Cu、Ag、Ti、Pt或Ni，导电金属合金为Pt/Ti、Cu/Ti或者Cu/Au，导电金属化合物为TiN、TaN或ITO。

所述绝缘介质层的材料为SiO₂或者SiN。

所述下电极层和上电极层的厚度均为80-150nm，功能层中非晶态的SnO_x层的厚度为20-45nm，氮氧化物MnO_xN_y层的厚度为50-80nm，绝缘介质层的厚度为300nm~5000nm。

所述基板为玻璃基板、半导体基板或者其他合适材质的基板。

本发明电阻型存储单元的制备方法，包括如下步骤：

（1）、在基板上用导电材料形成下电极层；

（2）、在下电极层上沉积或旋涂一层绝缘介质层，然后通过光刻工艺在绝缘介质层上形成沟槽，沟槽的槽底通至下电极层；

（3）、利用磁控溅射或者原子层沉积的方法在沟槽内形成所述电阻型存储单元的功能层，该功能层为上、下两层的叠层结构，其由非晶态的SnO_x层和氮氧化物MnO_xN_y层叠层构成，其中，非晶态的SnO_x中x的取值范围为0<x<2，氮氧化物MnO_xN_y中的x和y的取值范围分别为1<x<2，0.001<y<2；

（4）、在功能层上用导电材料形成上电极层，利用平坦化工艺使上电极层与绝缘介质层的表面平齐，即可。

上述步骤（3）中，双层结构功能层的形成包括非晶态的SnO_x薄膜形成步骤和氮氧化物MnO_xN_y薄膜形成步骤，可以先在沟槽内形成非晶态的SnO_x薄膜层，再在非晶态的SnO_x薄膜层上形成氮氧化物MnO_xN_y薄膜层，也可以先在沟槽内形成氮氧化物MnO_xN_y薄膜层，再在氮氧化物MnO_xN_y薄膜层上形成非晶态的SnO_x薄膜层。

非晶态的SnO_x薄膜形成方法：以金属锡作为靶材，控制磁控溅射镀膜设备的反应腔室内温度为180℃~200℃，向反应腔室内通入O₂和Ar气体，在Ar离子轰击下金属锡靶材发生溅射，并与反应腔室内的O₂碰撞而发生反应，从而形成非晶态的SnO_x薄膜。

氮氧化物MnO_xN_y薄膜层的形成方法：一、两步法：首先，以金属Mn作为靶材，控制反应腔室内温度为100~400℃，向反应腔室内通入O₂和Ar气体，在Ar离子轰击下金属Mn靶材发生溅射，并与反应腔室内的O₂碰撞而发生反应，从而先形成一层MnOx薄膜层；然后，对MnOx层进行氮离子注入以将MnOx层转变为氮氧化物MnO_xN_y层。二、一步法：以金属Mn作为靶材，控制反应腔室内温度为100~400℃，向反应腔室内通入O₂和Ar气体，同时向反应腔室中注入氮离子源，在Ar离子轰击下金属Mn靶材发生溅射，与反应腔室内的O₂碰撞而发生反应生成MnOx，MnOx与注入的氮离子结合，从而形成一层氮氧化物MnO_xN_y薄膜层。两种方法中，通过控制氧和氮离子的通入量来控制x和y的取值，最终使形成的氮氧化物MnO_xN_y的x和y的取值范围分别为1<x<2，0.001<y<2。

在本发明的制备方法中，即使非晶态SnO_x层的表面一部分在通入O₂的过程中吸收氧形成SnO₂，也不会影响该层的存储特性，因为该层的主要成分还是非晶的SnO_x，0<x<2。

有益效果：

1、本发明电阻型存储单元的存储功能层是由非晶态的SnO_x层和氮氧化物MnO_xN_y层叠层形成的双层结构，此双层结构的存储功能层，在电流脉冲的作用下，能够稳定地实现多值存储。

2、本发明的电阻型存储单元具有低阻态，稳定的中间态和高阻态，实现了多阻态的稳定性和一致性，能够提高存储单元的存储密度和稳定性。

3、其中，非晶态的SnO_x在稳定状态时，以一短促的电流脉冲在低电流操作下就可以实现reset过程，在存储过程中可以降低电流功耗。氮氧化物MnO_xN_y中的N+的移动可以实现空位导电通道的形成和断裂，也可以降低存储过程中的阻变电压，减少存储时的电流功耗。

附图说明

附图1为本发明电阻型存储单元的结构示意图；

附图2为本发明电阻型存储单元的电流-电压特性的测试图；

附图3为本发明电阻型存储单元的阻态保持性的测试图。

附图1的附图标号：1、基板，2、下电极层，3、绝缘介质层，4和5分别代表功能层的非晶态SnO_x层和氮氧化物MnO_xN_y层，或者分别代表氮氧化物MnO_xN_y层和非晶态SnO_x层，6、上电极层。

具体实施方式

如图1所示，本发明电阻型存储单元包括基板1、下电极层2、功能层、上电极层6和绝缘介质层3，下电极层2覆盖在基板1上，绝缘介质层3覆盖在下电极层2上，绝缘介质层3上设有槽底通至下电极层2的沟槽，沟槽内自上而下依次设有上电极层6和功能层，功能层与下电极层2直接接触，上电极层6与绝缘介质层3表面平齐设置。其中的功能层为电阻变化型存储层，该功能层为上、下两层的叠层结构，其由非晶态的SnO_x层和氮氧化物MnO_xN_y层叠层构成，其中，非晶态的SnO_x中x的取值范围为0<x<2，氮氧化物MnO_xN_y中的x和y的取值范围分别为1<x<2，0.001<y<2。功能层可以是上层为非晶态的SnO_x层，下层为氮氧化物MnO_xN_y层，也可以是上层为氮氧化物MnO_xN_y层，下层为非晶态的SnO_x层。

利用半导体参数分析测试仪测试本发明基于双层结构阻变存储功能层的电阻型存储单元的电流-电压特性（也就是I-V特性），在电压连续扫描模式下测试了本发明电阻型存储单元的电流-电压特性，电流-电压测试结果如图2所示，可以看出，在一定的电压和电流下，本发明的电阻型存储单元可以稳定地实现擦除和写入的循环，能够实现存储的特性。

附图3为本发明基于双层结构阻变存储功能层的电阻型存储单元的阻态保持性的测试图，从图中可以看出：本发明的电阻型存储单元具有稳定的低阻态、中间态和高阻态，阻态有良好的保持特性。

下面列举两个实施例以说明本发明电阻型存储单元的制备方法，可根据本发明的电阻型存储单元中各层膜物质的不同，对两个实施例制备方法中的相应部分进行改变或者替换就能够制备出本发明保护范围内的不同的电阻型存储单元。

实施例1

一种电阻型存储单元的制备方法，其步骤如下：

（1）、采用磁控溅射镀膜方法在基板上形成下电极层：采用金属Cu靶，以Ar气作为工作气体，在玻璃基板上溅射形成Cu薄膜，其中溅射时的工作压强为5×10^-1Pa~10×10^-1Pa，溅射时间为20~25min，溅射电压为300~380V，溅射电流为120~180mA，最终在玻璃基板上形成厚度约为80-150nm的Cu下电极层；

（2）、在Cu下电极层上形成一层绝缘介质层：形成绝缘介质层的方式可以为原子层沉积方法或旋涂的方式，形成绝缘介质层的厚度为300nm~5000nm，绝缘介质层的材料可以为SiO₂或者SiN，在形成绝缘介质层之后，采用传统的光刻工艺在绝缘介质层上形成沟槽，以用于形成后续的其他层结构；

（3）、在形成的沟槽内形成非晶态的SnO_x薄膜：使用金属锡靶材，在反应腔室内控制温度为180℃~200℃，向反应腔室内通入O₂和Ar气体，控制O₂气体的分压为5×10^-2Pa~1×10^-1Pa，工作压强为5×10^-1Pa~10×10^-1Pa，在Ar离子轰击下金属锡靶材发生溅射，并与反应腔室内的O₂碰撞而发生反应，从而形成非晶态的SnO_x薄膜，其中，反应时间（即溅射时间）为40~100分钟，溅射电流50~200mA，溅射电压为300~380V，形成的非晶态SnO_x薄膜的厚度为20~45nm；

（4）、氮氧化物MnO_xN_y薄膜的制备：氮氧化物MnO_xN_y薄膜分两步制备，首先，采用Mn靶材，保持基板的温度为100~400℃，向反应腔室内通入O₂和Ar气体，控制O₂气体的分压为5×10^-2Pa~1×10^-1Pa，在Ar离子轰击下金属Mn靶材发生溅射，并与反应腔室内的O₂碰撞而发生反应，从而先形成一层MnOx层，其中，反应时间（即溅射时间）为20~150分钟，溅射电流30~400mA，溅射电压为200~380V；然后，对MnOx层进行氮离子注入，离子注入时间为10~80分钟，从而将MnOx层转变为氮氧化物MnO_xN_y层。其中，通过控制氧和氮离子的通入量来控制x和y的取值，最终使形成的氮氧化物MnO_xN_y的x和y的取值范围分别为1<x<2，0.001<y<2，形成的厚度为50-80nm；

（5）、在氮氧化物MnO_xN_y薄膜上通过磁控溅射或者原子层沉积的方法形成Ag金属层作为上电极层，形成Ag金属层之后通过平坦化工艺使作为上电极层的Ag金属层与绝缘介质层表面齐平，即最终形成的双层结构的功能层和上电极层位于绝缘介质层的沟槽内。

实施例2

一种电阻型存储单元的制备方法，其步骤如下：

（1）、采用金属Pt靶，以Ar气作为工作气体，在半导体基板上溅射形成Pt薄膜，其中的半导体基板可以为Si基板，溅射时的工作压强为5×10^-1Pa~10×10^-1Pa，溅射时间为20~45min，溅射电压为300~380V，溅射电流为120~180mA，形成厚度约为80-150nm的Pt下电极层；

（2）、在Pt下电极层上形成一层绝缘介质层，形成绝缘介质层的方式可以为沉积或旋涂的方式，形成绝缘介质层的厚度为300nm~5000nm，绝缘介质层的材料可以为SiO₂或者SiN材料，在形成绝缘介质层之后，采用传统的光刻工艺在绝缘介质层上形成沟槽以用于形成后续的其他层结构；

（3）、在形成的沟槽内形成氮氧化物MnO_xN_y薄膜：在形成氮氧化物MnO_xN_y薄膜时采用一步形成，采用Mn靶材，保持基板的温度为100~400℃，向反应腔室内通入O₂和Ar气体，同时向反应腔室中注入氮离子源，控制O₂气体的分压为5×10^-2Pa~1×10^-1Pa，溅射电流30~400mA，溅射电压为200~380V，反应时间为50~180分钟，在Ar离子轰击下金属Mn靶材发生溅射，与反应腔室内的O₂碰撞而发生反应生成MnOx，MnOx与注入的氮离子结合，从而形成一层氮氧化物MnO_xN_y薄膜层；其中，通过控制氧和氮离子的通入量来控制x和y的取值，最终使形成的氮氧化物MnO_xN_y的x和y的取值范围分别为1<x<2，0.001<y<2，形成的厚度约为50-80nm；

（4）、在氮氧化物MnO_xN_y薄膜上形成非晶态的SnO_x薄膜：使用金属锡靶材，在反应腔室内控制温度为180℃~200℃，向反应腔室内通入O₂和Ar气体，控制O₂气体的分压为5×10^-2Pa~1×10^-1Pa，工作压强为5×10^-1Pa~10×10^-1Pa，形成非晶态的SnO_x薄膜；其中，反应时间为40~100分钟，溅射电流50~200mA，溅射电压为300~380V，形成的非晶态SnO_x薄膜的厚度为20~45nm；

（5）、在非晶态SnO_x薄膜上通过磁控溅射或者原子层沉积形成Ti金属层作为上电极层，形成Ti金属层之后通过平坦化工艺使作为上电极层的Ti金属层与绝缘介质层表面齐平，最终形成的双层阻变功能层和上电极层位于绝缘介质层的沟槽内。

Claims (6)

1.一种电阻型存储单元，其特征在于：其功能层为电阻变化型存储层，该功能层为上、下两层的叠层结构，其由非晶态的SnO_x层和氮氧化物MnO_xN_y层叠层构成，其中，非晶态的SnO_x中x的取值范围为0<x<2，氮氧化物MnO_xN_y中的x和y的取值范围分别为1<x<2，0.001<y<2。

2.如权利要求1所述的一种电阻型存储单元，其特征在于：包括基板、下电极层、功能层、上电极层和绝缘介质层，下电极层覆盖在基板上，绝缘介质层覆盖在下电极层上，绝缘介质层上设有槽底通至下电极层的沟槽，沟槽内自上而下依次设有上电极层和功能层，功能层与下电极层直接接触，上电极层与绝缘介质层表面平齐设置。

3.如权利要求2所述的一种电阻型存储单元，其特征在于：所述下电极层和上电极层均为导电金属、导电金属合金或导电金属化合物，其中的导电金属为Cu、Ag、Ti、Pt或Ni，导电金属合金为Pt/Ti、Cu/Ti或者Cu/Au，导电金属化合物为TiN、TaN或ITO。

4.如权利要求2所述的一种电阻型存储单元，其特征在于：所述绝缘介质层的材料为SiO₂或者SiN。

5.如权利要求2所述的一种电阻型存储单元，其特征在于：所述下电极层和上电极层的厚度均为80-150nm，功能层中非晶态的SnO_x层的厚度为20-45nm，氮氧化物MnO_xN_y层的厚度为50-80nm，绝缘介质层的厚度为300nm~5000nm。

6.如权利要求2所述的一种电阻型存储单元，其特征在于：所述基板为玻璃基板或者半导体基板。