CN102157688B - 一种阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻变存储器及其制备方法。该阻变存储器包括衬底、上电极、下电极和位于上下电极之间的阻变材料，其中下电极中部向上凸起成尖峰状，而上电极为平板状，尖峰结构的下电极降低了器件功耗。其制备方法是通过腐蚀在衬底表面形成尖峰结构，接着在其上生长下电极，形成尖峰状下电极，然后再淀积阻变材料和上电极。整个制作工艺简单，且可实现器件的高集成度。

Description

一种阻变存储器及其制备方法
技术领域
本发明涉及阻变存储器，具体涉及一种低功耗阻变存储器的结构及其制备方法，属于CMOS超大规模集成电路(ULSI)中的非挥发存储器(Nonvolatile memory)的结构及其制造技术领域。
背景技术
固态存储器件在现代信息社会中扮演着非常重要的角色，我们日常使用的电子产品中大都有它的存在，包括个人电脑、手机、相机、音乐播放器，汽车***、全球定位***等。按断电后能否保存数据分类，存储器主要分为，非挥发性存储器和挥发性存储器两大类。挥发存储器断电后不能保存数据，而非挥发性存储器断电后仍能保存数据。
传统的存储主要是基于磁存储和光存储。基于半导体技术的新型存储器由于其巨大的优势逐渐占据了存储市场的主导地位。尤其是动态随机存储器(DRAM)和闪存(Flash)出现，引起了存储领域的一场革命。然而，随着半导体工业的不断发展，器件尺寸不断地缩小，DRAM和Flash将会缩小到它的物理极限，特别是进入到22nm技术节点以后，这两种器件的缺陷凸显出来，已不能满足存储发展的需求。人们提出了各种新型存储器结构，如：铁电存储器、磁存储器、相变存储器，阻变存储器等。其中，阻变存储器凭借低成本、高速度、低电压等优势已成为目前倍受关注的研究热点。
阻变存储器(RRAM)是一种全新的非易失性存储器，其电阻值在外加电场作用下可在高阻态和低阻态之间进行可逆转换，从而实现信息存储。在RRAM中，阻变材料会在同样的读取电压下呈现出两种完全不同的阻抗状态(低阻和高阻)，并且这两种阻态均可以在擦写电压撤离后长时间保持，因此可以实现数据的非易失性存储。RRAM是在上下两个金属电极中间夹一层阻变材料的平板电容结构，由于其结构简单和性能优异，成为下一代存储器应用的最有潜力竞争者，因此受到人们的广泛关注和研究。
目前对RRAM的研究主要集中在的阻变材料和金属电极的选择和制备方面。阻变材料方面，人们研究了过渡金属氧化物、钙钛矿氧化物、稀有金属氧化物和铁磁材料的阻变特性。电极方面，人们研究了各种电极金属材料对RRAM阻变特性的影响。在RRAM器件方面取得了大的进展。RRAM导通主要是靠阻变材料内部氧空位的移动或者是栅极金属离子的移动而形成导电通道使高阻态的电阻材料变为低阻。
传统的RRAM结构采用金属-阻变材料-金属(MIM)的平板电容结构，如图1所示。其结构主要由上金属电极1，下金属电极3和上下两电极之间的阻变材料2组成。其工作状态如下：初始状态下，阻变材料呈高阻态；当两极板之间的电压增大到一定电压时，两极板之间的电流急剧增大，阻变材料变为低阻，此时的电压称为Vset；当所加电压为某一值后，两极板之间的电流又急剧变小，此时的电压称为Vreset。RRAM器件电流急剧增长主要是由于阻变材料内部形成的导电通道导致的。当电压增加到Vset时，其内部的电场使氧空位或金属带电离子移动，并在上下电极之间局部形成了导电通道，使电流急剧增加。当电压为Vreset时，由于此时电阻很低，电流急剧增大，使通道熔断，阻变材料变为高阻，进而电流又急剧减小。现有RRAM上下电极采用平板结构，电场在两板间均匀分布，由于电极会有局部的不平坦，形成局部较强的电场，从而引起离子的移动，进而形成了导电通道。但是这种导电通道的形成位置是随机的，不利于RRAM性能的稳定，且Vset电压较高，不利于器件功耗的降低。因此，通过合理的结构以定位电场强度的位置是必要的。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于改变了传统RRAM的平板电容结构，提出一种RRAM电极的新结构，以降低器件的功耗。
本发明的技术方案如下：
一种阻变存储器，包括衬底、上电极、下电极和位于上下电极之间的阻变材料，其中所述下电极位于衬底上，中部向上凸起成尖峰状，而所述上电极位于器件顶部，为平板状。
上述阻变存储器可以是在衬底表面形成尖峰结构，下电极覆盖于衬底表面的尖峰结构上。
进一步的，上述阻变存储器在衬底表面平行排列有m条截面为尖峰状的下电极条，器件顶部平行排列n条平板状上电极带，下电极条和上电极带之间是阻变材料，上电极带与下电极条二者的排列方向呈十字交叉结构，每个交叉点形成一个存储单元，共m×n个存储单元，其中m和n为正整数。
优选的，上述阻变存储器在衬底表面形成一系列平行排列的条状锯齿结构，下电极条覆盖于条状锯齿结构上，其截面为“^”形。
上述衬底是Si(100)衬底，而上述下电极和上电极的材料为导电金属或金属氮化物，例如Pt、Al、Cu和TiN等。阻变材料可以是现有的任何一种阻变材料，包括金属氧化物(如，Al2O3、WOx和SrTiOx等)和硅化物(如SiOx、SiNx和SiOxNy等)。
本发明的阻变存储器可以通过下述方法制备：
1)在衬底表面形成条状锯齿结构；
2)光刻定义下电极图形，再淀积电极材料覆盖衬底表面的锯齿峰，形成尖峰状的下电极；
3)淀积阻变材料完全覆盖下电极，并进行化学机械抛光使其表面平坦；
4)在阻变材料上形成平板状上电极。
进一步的，上述步骤1)在硅衬底上先生长一层掩膜材料(通常是氮化硅，也可以是SiO2)通过光刻定义并刻蚀掩膜材料形成条带状的硬掩膜，然后用KOH腐蚀硅衬底表面，在衬底表面形成一系列平行排列的条状锯齿。
上述步骤2)在具有条状锯齿结构的衬底表面形成一系列平行排列的截面为“^”形的下电极条。
上述步骤4)通过光刻定义上电极图形为一系列平行排列的带状图形，所形成的上电极带与下电极条的排列方向呈十字交叉结构。
本发明提出的RRAM结构改变了传统的平板电容结构，通过腐蚀在衬底表面形成尖峰结构，接着在其上生长RRAM的下电极，形成尖峰状下电极，然后淀积阻变材料和上电极。主要有以下三点优势：
(1)制作工艺容易实现。通过腐蚀衬底和淀积形成尖峰状的下电极。
(2)尖峰结构的下电极降低了RRAM器件的功耗(降低了Vset电压)。下电极尖峰处和上电极之间会形成强电场，在此处会更容易形成离子的导电通道，进而降低了RRAM的Vset电压。电极材料使用导电金属或者金属氮化物，阻变材料可以使用金属氧化物(如Al2O3、WOx和SrTiOx)和硅化物(如SiOx、SiNx和SiOxNy)等形式的阻变材料。
(3)可实现器件的高集成度。可以采用下电极与上电极形成垂直交叉(cross-bar)的结构，每个上电极与下电极的交叉处形成RRAM存储单元，可以有很高的集成度。
附图说明
图1为现有RRAM存储单元的结构示意图，其中：1-金属上电极，2-阻变材料，3-金属下电极，4-硅衬底。
图2为本发明RRAM存储单元的结构示意图，其中：21-上电极，22-阻变材料，23-下电极，24-衬底。
图3～图8是本发明制备RRAM的具体实施流程图，其中：
图3为在硅衬底上淀积形成氮化硅硬掩膜条的结构示意图；
图4为KOH腐蚀过程示意图；
图5为形成锯齿状硅衬底的示意图；
图6为在衬底上光刻并形成下电极后器件的示意图；
图7为淀积阻变材料及化学机械抛光后器件的示意图；
图8为淀积金属上电极后器件的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明
如图2所示，所制备的RRAM的存储单元包括具有尖峰结构的衬底24，覆盖在衬底尖峰结构上的下电极23和位于顶部的平板结构的上电极21，以及上下电极之间的阻变材料22。根据下述步骤制备所述RRAM：
1.衬底的制备
使用Si(100)衬底24，表面用化学气相淀积(CVD)生长一层300nm的氮化硅，光刻形成条带状氮化硅作为腐蚀硬掩膜25，宽度约为1μm(见图3)，然后用KOH腐蚀Si衬底表面(参见图4)，在衬底表面形成一系列平行排列的条状锯齿，垂直于条状锯齿走向的衬底纵截面如图5所示，衬底表面具有一系列尖峰结构。通过控制掩膜条的宽度和腐蚀时间来控制衬底尖峰的宽度。
2.下电极的制备
在锯齿状衬底表面旋涂光刻胶，光刻胶的厚度要大于衬底尖峰的高度，光刻定义下电极结构图形。用lift-off工艺实现器件下电极金属的淀积，如图6所示，形成尖峰结构的下电极23。下电极金属厚度约为100nm。
3.阻变材料的淀积
下电极23制备完成后，接着在其上用原子层淀积***淀积阻变材料，阻变材料厚度为大于下电极尖峰高度，并进行化学机械抛光(CMP)使其表面平坦。平坦化后阻变材料22的平面到下电极23峰尖的高度控制约为30nm，下电极23尖峰到上电极处的阻变材料是发生阻变的主要部分。
4.上电极的淀积
通过lift-off工艺实现带状金属上电极的淀积。首先在阻变材料22上旋涂光刻胶，光刻定义上电极结构图形，形成一系列与下电极十字交叉的平行排列的带状图形。然后溅射上电极金属，电极厚度为100nm。带状金属上电极21和条状金属下电极23形成十字交叉结构。上下电极每个交叉点形成一个RRAM存储单元。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种阻变存储器，包括衬底、上电极、下电极和位于上下电极之间的阻变材料，其中下电极位于衬底上，上电极位于器件顶部，其特征在于，所述衬底表面形成有平行排列的条状锯齿结构，m条平行排列的下电极条覆盖于条状锯齿结构上，其截面为“^”形；器件顶部平行排列n条平板状上电极带；下电极条和上电极带的排列方向呈十字交叉结构，每个交叉点形成一个存储单元，共m×n个存储单元，其中m和n为正整数。
2.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述衬底材料是Si(100)衬底；所述下电极和上电极材料是导电金属或金属氮化物。
3.如权利要求1任一所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料是金属氧化物阻变材料或硅化物阻变材料
4.一种阻变存储器的制备方法，包括下述步骤：
1)在衬底表面形成条状锯齿结构；
2)光刻定义下电极图形，淀积电极材料覆盖衬底表面的锯齿峰，形成尖峰状的下电极；
3)淀积阻变材料完全覆盖下电极，并进行化学机械抛光使其表面平坦；
4)在阻变材料上形成平板状上电极。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)在硅衬底上先生长一层掩膜材料，通过光刻定义并刻蚀掩膜材料形成条带状的硬掩膜，然后用KOH腐蚀硅衬底表面，在衬底表面形成一系列平行排列的条状锯齿。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)在衬底表面形成一系列平行排列的截面为“^”形的下电极条。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤4)通过光刻定义上电极图形为一系列平行排列的带状图形，形成上电极带，上电极带与下电极条的排列方向呈十字交叉结构。
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