專利名稱：一種小電極結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超大集成規(guī)模中半導(dǎo)體阻變存儲(chǔ)器領(lǐng)域，具體涉及一種能夠縮小存儲(chǔ)器電極面積的阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是各種電子設(shè)備系統(tǒng)不可缺少的組成部分，廣泛運(yùn)用于各種移動(dòng)，便攜式設(shè)備，如手機(jī)，筆記本，掌上電腦等。而由于近些年便攜式，移動(dòng)式電子設(shè)備的快速發(fā)展，各種性能的存儲(chǔ)器在市場(chǎng)上占據(jù)的地位也越來越高，這也進(jìn)一步促進(jìn)了人們對(duì)于存儲(chǔ)器領(lǐng)域的研究和思考。目前，市場(chǎng)上的存儲(chǔ)器有一部分是基于摻雜(如硼，磷)的多晶硅柵做浮置柵極(fIoatinggate)與控制柵極(control gate)的浮柵閃存(Floating Gate Flash Memory)。 閃存在最近二十年得到迅猛發(fā)展，但是隨著閃存單元尺寸的急劇縮小，閃存的等比例縮小面臨巨大挑戰(zhàn)，特別是進(jìn)入45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以后，閃存單元之間的距離縮小，導(dǎo)致單元之間的干擾加重，對(duì)存儲(chǔ)器的可靠性帶來嚴(yán)重影響。相比之下，阻變存儲(chǔ)器以其穩(wěn)定性好，可靠性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，越來越為世人所關(guān)注。阻變存儲(chǔ)器是一種通過外加不同極性、大小的電壓，改變阻變材料的電阻值，從而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的新型存儲(chǔ)器件。結(jié)構(gòu)上主要由上電極阻變材料和下電極組成，如圖
I所示。如今，越來越多的科研人員已經(jīng)投入到阻變存儲(chǔ)器的研究中。為了適應(yīng)越來越高的要求，人們希望阻變存儲(chǔ)器的操作電流，尤其是從低阻到高阻(reset操作)的電流越小越好。減小其操作電流有很多種方法，而縮小實(shí)際電極面積就是其中之一現(xiàn)有的阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)一般為MIM結(jié)構(gòu)或者十字交叉結(jié)構(gòu)，MIM結(jié)構(gòu)就是指上下電極中間夾著阻變材料的結(jié)構(gòu)，類似于電容。十字交叉結(jié)構(gòu)就是上下兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)電極相互垂直交叉，在交叉的重合面積之間填充阻變材料。無論是哪種結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上都是MIM(金屬電極-阻變材料-金屬電極)的類似于電容的形式?，F(xiàn)在的阻變存儲(chǔ)器(下文用RRAM代指)需要低的操作電流，方法之一就是減小電極面積。電極面積越小，加載在阻變材料上電場(chǎng)的有效面積就小，形成的導(dǎo)電細(xì)絲更加集中更少，操作電流就小，同時(shí)還使RRAm的性能參數(shù)更加集中，減小波動(dòng)。現(xiàn)有的技術(shù)遇到的瓶頸就是難以把電極做得更小，尤其是達(dá)到百納米和十納米級(jí)別，需要花的代價(jià)很大且不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種小電極結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，通過縮小頂電極與阻變材料的接觸面積，從而實(shí)現(xiàn)操作電流的縮小。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖2所示，此阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)從上到下依次是Al電極，SiO2層，Si層，氧化鉿阻變層，Pt電極。其中Al是頂電極，鉬是底電極，氧化鉿是阻變材料;A1電極、SiO2層、Si層作為本結(jié)構(gòu)的上電極，氧化鉿為本結(jié)構(gòu)的阻變材料層。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖3所示，其利用了 Si在Al中有較大的溶解度，而Al在Si中的溶解度相當(dāng)小，以致可以忽略這一點(diǎn)。在傳統(tǒng)的MOS工藝中，柵電極用Al的時(shí)候，因?yàn)镾iO2柵氧化層有缺陷，某些局部Al可以通過SiO2的缺陷滲入到下面的硅層。而Si極易溶解于Al中，導(dǎo)致了通過SiO2層滲下來的Al周圍，Si都溶解入Al中，Si溶解后的空位由滲下來的Al補(bǔ)充。慢慢Al就如小尖刺一般插入Si中。通過設(shè)計(jì)合適的Si層厚度，工藝條件(退火溫度等)，使得Al小尖刺能扎穿Si層，又不至于整面的吸走Si，這樣一來，頂電極Al就如尖針一般扎穿了 SiO2和Si層，扎到了阻變材料氧化鉭上面，從而實(shí)現(xiàn)阻變存儲(chǔ)器的小電極，減小實(shí)際電極面積，降低電流功耗。優(yōu)化性能。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種小電極結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器，其特征在于依次包括Al電極層、SiO2層、Si層，阻變層和下電極層；其中，Al電極層與阻變層通過一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電通道電連接，所述導(dǎo)電通道為Al經(jīng)SiO2層缺陷滲入到Si層而使Si溶解于Al形成的。
一種小電極結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器制備方法，其步驟為I)在沉底上依次制備一下電極層、一阻變層；2)在所述阻變層上依次制備一 Si層、一 SiO2層；3)在所述SiO2層上制備一 Al電極層；4)對(duì)上述所得結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，使Al電極層與阻變層之間形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電通道；所述導(dǎo)電通道為Al經(jīng)SiO2層缺陷滲入到Si層而使Si溶解于Al形成。進(jìn)一步的，所述步驟2)中，首先在所述阻變層上制備一 Si層，然后對(duì)Si層表面進(jìn)行氧化制備所述SiO2層。進(jìn)一步的，根據(jù)V/A的值選取Si層的厚度大??；其中，V為Si在Al中擴(kuò)散距離，A為導(dǎo)電通道中的Al與Si層的接觸面積。進(jìn)一步的，Si層的厚度大于IOOnm ；Si02層的厚度為lOOnm。進(jìn)一步的，采用化學(xué)汽相淀積方法制備所述下電極層和所述阻變層；采用物理汽相淀積制備所述Si層；先化學(xué)汽相淀積一層Si，然后采用擴(kuò)散工藝氧化Si層的表面，形成一層SiO2 ;米用原子層淀積制備所述Al電極層。進(jìn)一步的，所述阻變層的材料為氧化鉿；所述下電極層為Pt。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為本方法使用常規(guī)的技術(shù)工藝成本，就可以得到很小的實(shí)際電極，降低了成本，優(yōu)化了器件。，本設(shè)計(jì)方法可以用較低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)更小的實(shí)際電極面積。在本結(jié)構(gòu)中，Al的面積可能是亞微米級(jí)或者微米級(jí)，但是因?yàn)锳l以尖刺的形式扎到阻變材料表面，實(shí)際的電極面積就僅僅是扎上去的尖刺尖端的面積，這樣相當(dāng)于做微米級(jí)別的成本實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)別的效果。


圖I為現(xiàn)有阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明小電極結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理(a)頂電極滲人SiO2層示意圖，(b)頂電極滲人Si層示意圖，圖4(a) (f)為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。制作步驟流程如圖4所示步驟一形成底電極，如圖4(a)所示；在Si片上CVD化學(xué)汽相淀積淀積50-200nmPt (根據(jù)實(shí)際工藝要求而定)作為底電極。步驟二形成阻變層，如圖4(b)所示；在Pt上CVD淀積50nm氧化鉿形成阻變層，阻變層厚度根據(jù)實(shí)際器件特性設(shè)計(jì)，從幾納米到上百納米均可。步驟三淀積Si層,如圖4 (C)所示；在氧化鉿表面PVD物理汽相淀積形成Si (IOOnm左右)層。Si的厚度不可以太薄，否則Al會(huì)將其全吸走，達(dá)不到本設(shè)計(jì)要求。一般來說Si的厚度至少應(yīng)在百納米級(jí)別，即大于 lOOnm。步驟四化學(xué)汽相淀積Si形成SiO2(IOOnm)層,如圖4(d)所示；通過擴(kuò)散工藝,氧化表面的Si,形成一層Si02。步驟五ALD原子層淀積形成Al (IOOnm)電極,如圖4 (e)所示；步驟六退火(500°C，IOmin)，如圖4(f)所示。退火形成Al的尖刺結(jié)構(gòu)。制造技術(shù)需注意的幾點(diǎn)I本設(shè)計(jì)中主要利用了 Si在Al中有客觀的溶解度這一點(diǎn)，假設(shè)有一條寬度為W、厚度為d的Al線，與下面Si的接觸面積為A，在一定溫度下退火t時(shí)間后，Si在Al中擴(kuò)散距離為V =S ^t1ai/
/ nSi其中，t是退火時(shí)間，D應(yīng)該是擴(kuò)散系數(shù)，nA1和nSi分別是Al和Si的密度，S是該溫度下Si在Al中的溶解度，Si在Al膜的晶粒間隙快速擴(kuò)散的同時(shí)，Al溶解于Si中，填充因?yàn)镾i離開而留下的空間。消耗掉Si的厚度為Z = (^)=V/A，具體的Si的厚度可以參考這個(gè)公式的計(jì)算值，
Ans,
但不是完全由此決定，因?yàn)檫@只是個(gè)理想公式。退火就是加溫到某一數(shù)值持續(xù)一定時(shí)間促進(jìn)其反應(yīng)。如,退火溫度T為500°C,退火時(shí)間t為30min左右,接觸面積A為44um2,w = 5um,d = lum,則 Z = O. 3um其實(shí)主要影響Al尖刺深度形狀的因素是Al-Si界面氧化層厚度，即SiO2層厚度，SiO2的范圍可以在IOOnm以上到Imm之間。如果SiO2很薄，(例如剛清洗完Si片在大氣中自然形成的氧化層)，Inm左右，Al就會(huì)容易吃掉很薄的SiO2,使得Al和Si的作用面積很大，尖刺又大又淺，相反，如果SiO2比較厚(如Si在大氣中暴露好幾天形成的SiO2膜)，那么Al和Si作用面積僅限于幾個(gè)點(diǎn)，不易擴(kuò)散，但小號(hào)的Si體積沒變，所以 形成的Al刺又尖又細(xì)。
權(quán)利要求
1.一種小電極結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器，其特征在于依次包括Al電極層、SiO2層、Si層，阻變層和下電極層；其中，Al電極層與阻變層通過一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電通道電連接，所述導(dǎo)電通道為Al經(jīng)SiO2層缺陷滲入到Si層而使Si溶解于Al形成的。
2.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于根據(jù)V/A的值選取Si層的厚度大小；其中，V為Si在Al中擴(kuò)散距離，A為導(dǎo)電通道中的Al與Si層的接觸面積。
3.如權(quán)利要求I或2所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于Si層的厚度大于IOOnm；Si02層的厚度為IOOnm。
4.如權(quán)利要求3所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于所述阻變層的材料為氧化鉿；所述下電極層為Pt。
5.一種小電極結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器制備方法，其步驟為 1)在沉底上依次制備一下電極層、一阻變層； 2)在所述阻變層上依次制備一Si層、一 SiO2層； 3)在所述SiO2層上制備一Al電極層； 4)對(duì)上述所得結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，使Al電極層與阻變層之間形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電通道； 所述導(dǎo)電通道為Al經(jīng)SiO2層缺陷滲入到Si層而使Si溶解于Al形成。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述步驟2)中，首先在所述阻變層上制備一Si層，然后對(duì)Si層表面進(jìn)行氧化制備所述SiO2層。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于根據(jù)V/A的值選取Si層的厚度大??；其中，V為Si在Al中擴(kuò)散距離，A為導(dǎo)電通道中的Al與Si層的接觸面積。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于Si層的厚度大于IOOnm;Si02層的厚度為IOOnm0
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于采用化學(xué)汽相淀積方法制備所述下電極層和所述阻變層；采用物理汽相淀積制備所述Si層；先化學(xué)汽相淀積一層Si，然后采用擴(kuò)散工藝氧化Si層的表面，形成一層SiO2 ;采用原子層淀積制備所述Al電極層。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述阻變層的材料為氧化鉿；所述下電極層為Pt。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小電極結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，屬于超大集成規(guī)模中半導(dǎo)體阻變存儲(chǔ)器領(lǐng)域。本發(fā)明的阻變存儲(chǔ)器包括Al電極層、SiO2層、Si層，阻變層和下電極層；其中，Al電極層與阻變層通過一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電通道電連接，所述導(dǎo)電通道為Al經(jīng)SiO2層缺陷滲入到Si層而使Si溶解于Al形成的。本方法為首先在沉底上依次制備一下電極層、一阻變層、一Si層、一SiO2層；然后在所述SiO2層上制備一Al電極層；最后對(duì)上述所得結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理。本方法使用常規(guī)的技術(shù)工藝成本，就可以得到很小的實(shí)際電極，降低了成本，優(yōu)化了器件，用較低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)更小的實(shí)際電極面積。
文檔編號(hào)G11C13/00GK102664235SQ201210107418
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者毛俊, 潘越, 蔡一茂, 譚勝虎, 黃如, 黃英龍 申請(qǐng)人:北京大學(xué)