[發(fā)明專利]一種小電極結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210107418.3
• 申請(qǐng)日: 2012-04-12
• 公開（公告）號(hào): CN102664235A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡一茂;毛俊;黃如;譚勝虎;黃英龍;潘越
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L45/00
• 分類號(hào): H01L45/00;G11C13/00
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長(zhǎng)江

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(lái)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(floatinggate)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(lái)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(lái)越為世人所關(guān)注。阻變存儲(chǔ)器是一種通過(guò)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1所示。如今，越來(lái)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(lái)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(wú)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。現(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(wèn)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(guò)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，鉑是底電極，氧化鉿是阻變材料；Al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(guò)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(guò)SiO₂層滲下來(lái)的Al周圍，Si都溶解入Al中，Si溶解后的空位由滲下來(lái)的Al補(bǔ)充。慢慢Al就如小尖刺一般插入Si中。通過(guò)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(lái)，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(guò)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：

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。