[发明专利]一种自发生长金属纳米晶颗粒的P／N型叠层阻变存储器

说明书

技术领域

本发明涉及微电子器件中非挥发性存储器的制备工艺，特别是一种自发生长金属纳米晶颗粒的P／N型叠层阻变存储器。

背景技术

随着技术的发展，信息存储器件在生活中体现出越来越重要的地位，传统的存储器如SRAM、DRAM、FLASH正面临着难以克服的尺寸极限的挑战，同时，另一种新生的存储概念被逐渐的认为是未来存储器件的发展方向-RRAM。

RRAM是一种以电阻状态代表二进制的新型存储理念，具有非挥发性、器件单元小、结构简单、功耗低、擦写速度快、可重复擦写周期多以及与传统CMOS制造工艺兼容性高等优点，目前正被广泛的研究。这种存储理念是基于电激发下，某些材料会发生电阻转变的现象为前提，通过施加适当的电压为手段，改变当前材料电阻阻值为目的，最终达到储存信息的一种方式。

细丝阻变的原理在于导电细丝的产生和断裂。在初始情况下，介质层内并无导电细丝的存在，所以为了使导电细丝形成，则需要一个初始化的细丝形成过程（electroforming）。根据目前文献研究报道，细丝形成的原理主要是电极金属离子或是介质层内的氧空位在介质层中由于电场作用而迁移，从而形成导电通道，这样的通道能在另一电压作用下被破坏。文献研究表明，在电极端凸起部位的电场强度要高于平坦部位的电场强度，因此目前有人为加入金属纳米晶的方式增强器件性能。具体方式为在电极层之间通过电子束蒸发产生一层几个纳米的金属层，然后通过快速热退火处理形成金属纳米晶，目的是在发生电阻转变的时候能够通过控制金属纳米晶的数量以及大小来控制导电通道产生的位置以及数量，从而达到对阻变的可控性。

但是目前仍存在一些问题，首先这种方式制备的纳米晶随机性很大，纳米晶的数量以及尺寸很难控制，这就导致导电通道在大小、数量上的不稳定性；其次，目前制备金属纳米晶的工艺条件复杂，形成稳定金属纳米晶的参数尚未完全掌握；最后，基于导电桥理论或者氧空位理论的阻变存储器能够降低功耗，特别是加入金属纳米晶的阻变存储器能进一步降低功耗，提高擦写速度。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种自发生长金属纳米晶颗粒的P／N型叠层阻变存储器，该阻变存储器为嵌入式金属纳米晶阻变存储器，能够满足低功耗、高读写速度、稳定性能好的要求，且工艺简单、制造成本低。

本发明的技术方案：

一种自发生长金属纳米晶颗粒的P／N型叠层阻变存储器，利用金属纳米晶作为导电通道的诱导因素，由下电极、诱导层I、诱导层II和上电极依次叠层构成，下电极为在正向电场作用下易于被氧化为金属离子的金属，诱导层I为N型氧化物，诱导层II为P型氧化物，上电极为在电场作用下性质稳定的金属或导电化合物，下电极、诱导层I、诱导层II和上电极的厚度分别为5-200nm。

所述在正向电场作用下易于被氧化为金属离子的金属为铜、银、铁、锌或镍。

所述N型氧化物功率为50-300W下制备的氧化钛或掺杂质量为1-10%磷的二氧化硅。

所述P型氧化物为5-15%氧气分压下制备的氧化镍或掺杂质量为1-10%硼的二氧化硅。

所述在电场作用下性质稳定的金属为铂、铱或钌，导电化合物为氮化钛或氧化铟锡。

所述下电极在电场强度为5-500M V/m的正向电场作用下在诱导层I中自发生长金属纳米晶颗粒，在对下电极加反向负偏压时变成低电阻从而进行存储数据“1”的操作，在对下电极加正向或反向偏压时变成高电阻从而进行存储数据“0”的操作。

本发明的工作机理：

在通常的嵌入金属纳米晶的阻变器件中，往往用工艺的方式人为的加入金属纳米晶，在电极或者阻变层中加入一层几个纳米厚度的金属颗粒，然后通过退火或者是氧化再还原的方式制备金属纳米晶颗粒。但是这种方式制备的纳米晶随机性很大，纳米晶的数量以及尺寸很难控制，导致导电通道在大小和数量上的不稳定性，从而导致器件的性能很不稳定。基于以上考虑，本发明采用P型与N型的叠层结构，利用金属纳米晶作为导电通道的诱导因素，在下电极上加正向偏压，于是会在N型区形成金属离子A＋的富集区域，由于N型区域中存在多数载流子电子e-，金属离子A＋与电子发生还原反应还原成金属A，金属A富集成为金属A的纳米晶颗粒，此时PN结两端反向偏压，在N区与耗尽区有不能移动的带正电的空穴，抑制A＋的扩散，使纳米晶颗粒只在N区的非耗尽区和底电极之间生长，存在金属A的纳米晶颗粒的电极能够显著改善器件稳定性与功耗。

本发明的有益效果：