[发明专利]一种非极性阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于存储器领域，尤其涉及一种非极性阻变存储器及其制备方法。

背景技术

信息科技的飞速发展对存储器的性能提出了更高要求，广泛应用于手机、MP3播放器、数码相机等移动设备的Flash存储器，在过去二十年的发展中紧跟CMOS等比例缩放步伐。然而，当半导体产业进入22nm技术节点后，Flash存储器的进一步发展受到了严峻挑战。Flash存储基于电荷存储机制随着器件尺寸不断缩小Flash的发展受到限制，随着隧穿层厚度的不断减小，电荷的泄露将会变得越来越严重，这将直接影响Flash存储器的性能。半导体业界普遍预计，Flash存储器将止步45nm技术节点。因此寻找一种可行的非基于电荷存储机制的新型存储器替代Flash存储器成为必然的选择。在这种形势下，各类新型存储技术应运而生，作为非挥发性存储器的代表，闪速存储器存在读写速度慢、存储密度低等技术障碍，同时还面临严重的缩放问题。随着传统存储单元结构发展已逼近尺寸极限，多种新型非易失性存储器已被广泛研究和开发，其中最具开发潜力的包括：电致阻变存储器（RRAM）、磁存储器（MRAM）、铁电存储器（FRAM）和相变存储器（PRAM）。

RRAM是利用阻变介质材料的电阻在电场作用下发生高电阻和低电阻的转换来实现数字信息“0”和“1”的存储。因其具有结构简单、可缩小性好、存储密度高、功耗低、读写速度快、反复操作耐受力强、数据保持时间长、与Si集成工艺兼容等优点，引起了国际社会的广泛关注，极有可能成为传统Flash非挥发存储器的替代者。

在RRAM研发中，高性能电致阻变材料的开发和单元器件结构的设计最为引人关注。近十来，在多种材料体系中均发现了电致阻变效应，如：稀土锰氧化物材料（Pr_0.7Ca_0.3MnO₃等）、过渡金属钙钛矿型结构材料（SrZrTiO₃、SrTiO₃等）、二元过渡金属氧化物材料（NiO、TiO₂、Cu_xO、Cu-MoOx、ZnO及其掺杂物、Fe₂O₃、ZrO₂等）、有机高分子半导体材料（PI、PEI、PS等）以及硫化物材料。为达到RRAM实用化的目标，提高阻变材料高、低阻态的电阻比值及性能稳定性，减小设置电压（Vset）和复位电压（Vreset）、降低材料的制备成本等都是非常必要的。目前，获得具有稳定电阻转变及良好抗疲劳特性的材料体系是推动RRAM存储器进一步发展的关键。

在这些氧化物作为阻变介质薄膜的阻变存储器中，其阻变行为要么为双极性跳变，要么为单极性跳变，在一种结构同时存在两种极性跳变行为的存储器非常的少。J.M. Luo报道了用Mn掺杂BiFeO₃制作阻变存储器呈现出非极性存储性能。两种存储极性的存在（称其为非极性），可方便选择其中一种跳变极性来满足存储器对存储性能的要求，通过发挥不同跳变极性的阻变存储器的优点，在半导体工艺应用中将具有非常重要的实际意义和潜在的经济价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时具备双极性和单极性的阻变存储器及其制备方法，该存储器可以根据存储要求使用其中一种极性转变行为。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种非极性阻变存储器，包括从下至上叠在一起的导电衬底兼下电极、阻变存储介质及在存储介质上的金属上电极，与现有技术不同的是：

（1）阻变存储介质为同时具备双极性和单极性的阻变行为的ZnMn₂O₄及其掺杂物；

（2）导电衬底材料为p⁺型硅片衬底，其生长方向为（100）方向，p⁺型硅片同时也作为存储器的下电极；

（3）金属上电极材料包括Al、Ag、Au、Cu、Ni、Pt和Ti，其厚度为50nm到200nm。

所述的阻变存储介质的掺杂物包括Y、Sc、Mg、Si、Sn和In，其形态为薄膜，厚度为20nm到1200nm。

所述的阻变存储器的结构为金属/绝缘体/半导体（MIS）结构，具体来说是金属/阻变存储介质/p⁺型硅的结构。

一种非极性阻变存储器的制备方法，包括如下步骤：

（1）用标准的RCA清洗工艺清洗硅片，并进行烘干处理；