一种基于柔性衬底的具有CRS行为的阻变存储器及其制备方法

摘要

本发明属于半导体器件存储技术领域，具体为一种基于柔性衬底的具有CRS行为的阻变存储器及其制备方法。本发明依托于原有的阻变存储器三明治结构，即底部电极/阻变功能层/顶部电极结构，利用柔性衬底作为基底，采用低温原子层淀积以及物理气相淀积技术方面的获得堆栈功能层结构。具体制备步骤为：先采用低温原子层淀积技术在柔性衬底上淀积介质层，再利用物理气相淀积活性金属作为顶部电极，再在其上淀积Al电极避免顶部电极被氧化。本发明制备氧组分不同的缺氧/富氧型堆栈功能层，实现RRAM器件的CRS行为。可以有效地克服交叉点阵集成结构中漏电流引起的串扰问题，为未来柔性电子器件提供了一种切实可靠的方案。

权利要求

1. 一种基于柔性衬底的具有CRS行为的阻变存储器，其特征在于，包括：由柔性材料组成的衬底；

位于上述衬底之上的底部电极层；

位于底部电极层之上的阻变功能层；

位于阻变功能层之上的顶部电极层。

2. 一种如权利要求1所述的基于柔性衬底的具有CRS行为的阻变存储器的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）在柔性衬底上悬涂一层底部电极；

（2）采用低温原子层淀积方法在低反应温度下，生长介质层；

（3）在上述步骤形成的结构上，采用物理气相淀积方法制备活跃的顶部电极，自然构造堆栈功能层；

（4）然后用物理气相淀积方法生长惰性顶部电极。

3. 根据权利要求2 所述的制备方法，其特征在于，所述的衬底材料为聚乙烯对苯二酸脂、聚酰亚胺、硅橡胶、聚对苯二甲酸乙二醇脂或硅树脂有机聚合物材料，或者金属陶瓷材料。

4. 根据权利要求2 所述的制备方法，其特征在于，所述的顶部活跃电极材料为Ni或Ti，顶部惰性电极材料为Pt、Al、Au或者Pd。

5. 根据权利要求2 所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述介质层的生长采用低温原子层淀积方法，其步骤包括多个循环生长周期，对于每个生长周期，交替脉冲式地通入金属有机源和另一种气体或者液体源，并进行两次吹洗以保证自限制生长，通过控制生长不同的循环周期数，最终获得所需厚度薄膜。

6. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述介质层材料为Al2O3、HfO2、ZrO2或TiO2金属氧化物。

7. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述堆栈功能层材料为Al2O3-x/NiOx，HfO2-x/NiOx，ZrO2-x/NiOx，或TiO2-x/NiOx。

说明书

一种基于柔性衬底的具有CRS行为的阻变存储器及其制备

方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体器件存储技术领域，具体涉及一种具有CRS行为的柔性阻变存储器及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着集成电路的发展，人们对于半导体器件的需求不仅仅局限于性能的增加，而是扩展到更多的方面。比如柔性器件，可以折叠卷曲。这种特性使得复杂环境下的应用变得可能。

[0003] 目前柔性电子器件发展遇到的难题之一就是柔性有机衬底不能耐受高温，所以器件制造过程中所必须的热预算必须降低。所以隧穿层，电荷陷阱层，阻止层必须采用合适的较低温度生长。虽然全部采用有机材料可以解决部分问题，但是有机材料性能不稳定，容易受到环境的影响。这样器件的性能必然受到严重影响。

[0004] 阻变存储器的应用主要面向高集成密度和嵌入式两大方向。在面向高集成密度应用的无源交叉点阵集成结构中，RRAM常常会遇到由于串扰（cross talk）造成的错误读取。为了克服这一弊端，当前业界研究者采用了诸如外接选通晶体管，选用具备自整流的功能层等。2010年，德国亚琛工业大学的Eike Linn在nature上发表了关于利用互补的阻变器件结构（CRS），其在不牺牲集成密度的前提下，有效了解决漏电流问题。当前实现RRAM的CRS行为的方法多是在硅基等硬衬底上增加中间电极，采用对称堆栈金属氧化物功能层，采用无定型碳作功能层等来实现。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于低温原子层淀积技术在柔性衬底上简单实现具备CRS行为的阻变存储器的方法。

[0006] 本发明提供的基于柔性衬底的具有CRS行为的阻变存储器，包括：由柔性材料组成的衬底；
位于上述衬底之上的底部电极层；
位于底部电极层之上的阻变功能层；
位于阻变功能层之上的顶部电极层。

[0007] 本发明还提供上述基于柔性衬底实现CRS行为的阻变存储器的制备方法，具体步骤为：（1）在柔性衬底上悬涂一层底部电极；
（2）采用低温原子层淀积方法在低反应温度下，生长介质层；
（3）在上述步骤形成的结构上，采用物理气相淀积方法制备活跃的顶部电极，自然构造堆栈功能层；
（4）然后用物理气相淀积方法生长惰性顶部电极。

[0008] 本发明中，所述的衬底由聚乙烯对苯二酸脂（PET）、聚酰亚胺、硅橡胶、聚对苯二甲酸乙二醇脂、硅树脂等有机聚合物材料或者金属陶瓷材料形成。所述的顶部活跃电极由Ni或Ti等金属材料形成，顶部惰性电极由Pt，Al，Au或者Pd等金属材料形成。

[0009] 本发明中，步骤（2）所述介质层的生长采用低温原子层淀积方法，其步骤包括多个循环生长周期，对于每个生长周期，交替脉冲式地通入金属有机源和另一种气体或者液体源，并进行两次吹洗以保证自限制生长，通过控制生长不同的循环周期数，最终获得所需厚度薄膜。

[0010] 本发明中，步骤（2）所述介质层材料，由Al2O3、HfO2、ZrO2或TiO2等二元或三元金属氧化物材料形成。

[0011] 本发明中，步骤（3）所述堆栈功能层，由Al2O3-x/NiOx，HfO2-x/NiOx，ZrO2-x/NiOx，或TiO2-x/NiOx等二元或三元金属氧化物堆栈形成。

[0012] 本发明所提出的基于低温原子层淀积技术在柔性衬底上简单实现具备CRS行为的阻变存储器的技术优点为：1、活跃的顶电极会与功能层相互作用自然地形成缺氧/富氧型的堆栈阻变功能层结构。这有利于形成比较大的存储窗口。

[0013] 2、采用低温原子层淀积工艺生长的薄膜作为阻变功能层。原子层淀积技术具有薄膜均匀性好，针孔少等优点，能降低热预算的同时，保证了器件性能，使得存储在电荷陷阱层的电荷信息不会严重泄漏。

[0014] 3、缺氧/富氧型的堆栈阻变功能层结构使得柔性衬底上的阻变存储器件具有CRS行为，可以有效地克服交叉点阵集成结构（crossbar array）中漏电流引起的串扰问题，为未来柔性电子器件提供了一种切实可靠的方案。

附图说明

[0015] 图1 为一种基于柔性衬底实现具有CRS行为的阻变存储器单元实例的剖面图。

[0016] 图2～图5是基于图1的存储器的制备工艺流程示意图。

[0017] 图中标号：101为柔性衬底，102为底部ITO电极，103为阻变层，104为活跃电极，105为惰性电极。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图对本发明的一个示例性实施方式作详细说明。在图中，为了方便说明，放大或缩小了层与区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。参考图中的表示是示意性的，但这不应该被认为是限制了本发明的范围。同时在下面的描述中，所使用的术语衬底可以理解为包括正在加工中的衬底，可能包括在其上所制备的其他薄膜层。

[0019] 一种基于柔性衬底实现具有CRS行为的阻变存储器单元实例的剖面图如图1。制备流程如图2-图5所示，低温原子层淀积形成的阻变功能层203、顶部活性电极204，顶部惰性电极205，位于柔性衬底201、底部电极202之上。衬底201优选为聚乙烯对苯二酸脂（PET）。阻变功能层203选择Al2O3，顶部活性电极204选择Ni。

[0020] 本发明所公开的一种基于柔性衬底实现具有CRS行为的阻变存储器可以通过很多方法制造。以下所叙述的是本发明公开的图1所示的一个实施例。

[0021] 尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。

[0022] 首先，室温下旋涂100nm的ITO底部电极202。

[0023] 采用低温原子层淀积（LT-ALD）生长的氧化铝层所需金属源为三甲基铝（TMA），气液源包括CH3COOH、H2O或者H2O2，TMA的LT-ALD脉冲时间为10-15 s，吹洗时间为2-10 s；气液体源脉冲时间为10-15 s，吹洗时间为0.5-5.0 s，载气流量300-400 sccm，反应腔体的o
温度为100~150 C, 反应腔体的工作压强为1~4 Torr。203阻变功能层Al2O3约为5 nm。

[0024] 最后，采用物理气相沉积方法淀积80 nm金属Ni作为活性电极204，淀积20 nm金属Al作为惰性电极205。

[0025] 以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但是这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。