CN109065712A - 阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器自下而上依次包括下电极层、铁电材料层和上电极层，其中，所述铁电材料层包括经掺杂的HfO2铁电薄膜。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及微电子制造及存储器技术领域，特别涉及一种阻 变存储器及其制备方法。
背景技术
铁电材料在微电子制造及存储器技术领域有着广泛的应用。现有技术 中，铁电材料多用于铁电存储器，在传统的铁电存储器的集成架构中，需 要集成一个晶体管和一个铁电电容，这种1T1C的结构不利于大规模集成， 并且是破坏性读取。并且，传统的铁电材料与CMOS工艺不兼容，例如， 钙钛矿结构的铁电薄膜应用于硅基铁电器件时存在铁电尺寸效应、较小的 能带间隙、与硅界面不匹配、结晶过程因热处理导致性能退化等问题。此 外，基于铁电材料的存储器一般厚度较大，使得电流密度较小，限制了器 件的性能及小型化发展。
因此，有必要研究一种改进结构和性能的基于铁电材料的存储器。
发明内容
本发明的实施例旨在提出一种基于铁电材料的阻变存储器及其制备 方法。
根据本发明的一个方面，提出一种阻变存储器，其特征在于，所述阻 变存储器自下而上依次包括下电极层、铁电材料层和上电极层，其中，所 述铁电材料层包括经掺杂的HfO2铁电薄膜。
根据一些实施方式，所述铁电材料层包括掺杂Zr、Al、Si、La中至少 一种元素的HfO2铁电薄膜。
根据一些实施方式，掺杂元素的摩尔百分比为0.1-50mol％。
根据一些实施方式，所述下电极层包括单质W、Al、Ti、Ta、Ni、Hf， 以及导电金属化合物TiN、TaN中的一种或多种。
根据一些实施方式，所述上电极层包括单质W、Al、Cu、Ru、Ti、 Ta，以及导电金属化合物TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中的一种或多种。
根据本发明的另一方面，提出一种制备阻变存储器的方法，包括：在 衬底上形成下电极层；在所述下电极层上形成铁电材料层，所述铁电材料 层包括经掺杂的HfO2铁电薄膜；在所述铁电材料层上形成上电极层。
根据一些实施方式，所述铁电材料层包括掺杂Zr、Al、Si、La中至少 一种元素的HfO2铁电薄膜。
根据一些实施方式，掺杂的方法包括原子层沉积法(ALD)或共溅射法 (co-sputtered)。
根据一些实施方式，在下电极层上形成铁电材料层之后，进行退火处 理，退火温度为400～1000℃，退火时间为30～300s。
在根据本发明的实施例的阻变存储器中，通过将经掺杂的HfO2铁电 薄膜应用于金属-绝缘层-金属(MIM)的电阻型存储器的结构中，可得到 一种结合铁电存储器的高速、高耐受性的特性以及阻变存储器的易于集成 的特性的存储器。经掺杂的HfO2铁电薄膜由于具有多晶结构，可与衬底 较好地兼容，保证了器件结构的稳定性；本发明的阻变存储器不需要设置 额外的晶体管，可大大减小器件面积，更有利于三维集成；并且，采用非 破坏性读取，不需要额外的写回操作，提高了读取效率；此外，HfO2铁电 薄膜在较小厚度时依然可以保持良好的铁电特性，能够大幅提高电流密度， 并进一步改善存储器的微缩性。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点 将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的阻变存储器的结构示意 图；
图2示出了制备图1的阻变存储器的方法的流程图；以及
图3示出了图1的阻变存储器在直流扫描模式下的电流-电压特性曲线 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，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或 说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描 述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然 本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应 的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例 中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅 是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发 明的保护范围。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的阻变存储器的结构示意 图，如图1所示，阻变存储器自下而上依次包括下电极层101、铁电材料 层201和上电极层301，其中，铁电材料层201包括经掺杂的HfO2铁电薄 膜。在根据本发明的实施例的阻变存储器中，通过将经掺杂的HfO2铁电 薄膜应用于金属-绝缘层-金属(MIM)的电阻型存储器的结构中，可得到 一种结合铁电存储器的高速、高耐受性的特性以及阻变存储器的易于集成 的特性的存储器。经掺杂的HfO2铁电薄膜由于具有多晶结构，可与衬底 较好地兼容，保证了器件结构的稳定性；本发明的阻变存储器不需要设置 额外的晶体管，可大大减小器件面积，更有利于三维集成；并且，采用非 破坏性读取，不需要额外的写回操作，提高了读取效率；此外，HfO2铁电 薄膜在较小厚度时依然可以保持良好的铁电特性，能够大幅提高电流密度， 并进一步改善存储器的微缩性。
下电极层101可包括单质W、Al、Ti、Ta、Ni、Hf，以及导电金属化 合物TiN、TaN中的一种或多种，并可通过电子束蒸发、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。在本发明的实 施例中，下电极层101的厚度及形状不受限制。
上电极层301可包括单质W、Al、Cu、Ru、Ti、Ta，以及导电金属化 合物TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中的一种或多种，并可通过电子束蒸发、 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。 在本发明的实施例中，上电极层301的厚度及形状不受限制。
形成于下电极层101和上电极层301之间的铁电材料层201具体可包 括掺杂Zr、Al、Si、La中至少一种元素的HfO2铁电薄膜。二元氧化物HfO2 具有高的介电常数、宽的能带间隙以及与CMOS工艺具有较好的兼容性。 HfO2薄膜经掺杂后具有较好的铁电性，并与下电极层101和上电极层301 组成金属-绝缘层-金属(MIM)结构。这种基于铁电材料的结构具备方向 可调节的二极管特性，通过电畴翻转调制二极管电流(简称铁电二极管现 象)，实现阻变存储器的功能，并且由于采用铁电翻转的机理，理论上速 度可以达到ns级，可以用于内存的应用。进一步地，经掺杂的HfO2铁电 薄膜与传统铁电薄膜相比，其多晶结构降低了对衬底的要求，除此之外凭 借和硅基结合的成熟工艺，器件的可靠性和稳定性也能得到保证。另外， HfO2铁电薄膜在厚度很小(10nm)时依然可以保持良好的铁电特性，比 较而言，传统铁电材料的厚度一般在200nm左右，由此，本发明的阻变存 储器可大大减小器件的厚度，有利于实现存储器的小型化。并且，传统铁 电材料的厚度限制了存储器的电流密度，一般只能维持在20mA/cm2左右， 然而，为使存储器读出电路中的放大器能够有效读取电流，器件的电流密 度需要尽可能大。本发明的阻变存储器可将电流密度保持在较高水平(200A/cm2)，使得存储器读出电路的读取更加准确。
在本发明的实施例中，HfO2铁电薄膜中掺杂元素的摩尔百分比可以为 0.1-50mol％，掺杂的方法可以包括原子层沉积法(ALD)或共溅射法 (co-sputtered)。
图2示出了制备图1的阻变存储器的方法的流程图。如图2所示，阻 变存储器的制备方法可包括以下步骤：
S1，在衬底上形成下电极层101；
S2，在下电极层101上形成铁电材料层201，铁电材料层201可包括 经掺杂的HfO2铁电薄膜，具体地，铁电材料层201可包括掺杂Zr、Al、 Si、La中至少一种元素的HfO2铁电薄膜；
S3，在铁电材料层201上形成上电极层301。
进一步地，在下电极层101上形成铁电材料层201之后，进行退火处 理，退火温度为400～1000℃，退火时间为30～300s。
图3示出了图1的阻变存储器在直流扫描模式下的电流-电压特性曲线 图，其中，虚线部分表示6V扫描电压扫描后的曲线，实线部分表示-6V 扫描电压扫描后的曲线。如图3所示，当外加扫描电压0到6V之后，器 件表现为正向开启的二极管特性；当外加偏扫描电压0到-6V之后，器件 表现为反向开启的二极管特性。在2V的读取电压下，电流密度可以达到200A/cm2。
下面根据具体的实施例进行说明。
实施例1
制备基于Hf0.5Zr0.5O2铁电层的阻变传感器，制备过程如下：
步骤一，采用溅射的方法形成TiN下电极层，工艺条件为：功率25W～ 500W；压强0.1Pa～100Pa；Ar气流量0.5sccm～100sccm；制得TiN下电 极层的厚度为10nm～500nm；
步骤二，采用ALD在TiN下电极层上循环生长HfO2和ZrO2以得到 Hf0.5Zr0.5O2铁电层，工艺条件为：功率25W～500W；压强0.1Pa～100Pa； 气流量60sccm；温度250℃～300℃；速率约0.07nm/cycle；生长一个循环 (cycle)HfO2后，紧接着生长一个循环ZrO2，如此往复，两种材料按1∶1 的摩尔数比混合沉积；
步骤三，进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为30s；
步骤四，采用溅射的方法在Hf0.5Zr0.5O2铁电层上形成TiN上电极层， 工艺条件为：功率25W～500W；压强0.1Pa～100Pa；Ar气流量0.5sccm～ 100sccm；制得TiN上电极层的厚度为10nm～500nm。
由此，实施例1的阻变存储器制备完成。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对 本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神 的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的 等同物限定。
Claims (9)
1.一种阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器自下而上依次包括下电极层、铁电材料层和上电极层，其中，所述铁电材料层包括经掺杂的HfO2铁电薄膜。
2.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述铁电材料层包括掺杂Zr、Al、Si、La中至少一种元素的HfO2铁电薄膜。
3.根据权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于，掺杂元素的摩尔百分比为0.1-50mol％。
4.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述下电极层包括单质W、Al、Ti、Ta、Ni、Hf，以及导电金属化合物TiN、TaN中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述上电极层包括单质W、Al、Cu、Ru、Ti、Ta，以及导电金属化合物TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中的一种或多种。
6.一种制备阻变存储器的方法，包括：
在衬底上形成下电极层；
在所述下电极层上形成铁电材料层，所述铁电材料层包括经掺杂的HfO2铁电薄膜；
在所述铁电材料层上形成上电极层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述铁电材料层包括掺杂Zr、Al、Si、La中至少一种元素的HfO2铁电薄膜。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，掺杂的方法包括原子层沉积法(ALD)或共溅射法(co-sputtered)。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在下电极层上形成铁电材料层之后，进行退火处理，退火温度为400～1000℃，退火时间为30～300s。
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