專利名稱：阻變存儲器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體來說，涉及半導(dǎo)體阻變存儲器及其制造方法，更具體而言，涉及一種具有微電極的阻變存儲器及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)飛速的發(fā)展，半導(dǎo)體存儲器已經(jīng)成為各種電子設(shè)備系統(tǒng)不可缺少的組成部分。目前，市場上的存儲器有一部分是基于混合其他物質(zhì)(如硼，磷)的多晶硅柵做浮置柵極(floating gate)與控制柵極(control gate)的浮柵閃存(Floating Gate FlashMemory)ο但是閃存在最近二十年發(fā)展迅猛，閃存單元尺寸急劇縮小，閃存在等比例縮小方面面臨巨大挑戰(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，對存儲器的可靠性帶來嚴(yán)重影響。

相比之下，阻變存儲器以其穩(wěn)定性好，可靠性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，越來越被廣泛應(yīng)用。阻變存儲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大小從而存儲數(shù)據(jù)的新型存儲器件。結(jié)構(gòu)上主要由上電極，阻變材料和下電極組成。為了適應(yīng)越來越高的要求，希望阻變存儲器的操作電流，尤其是從低阻到高阻的操作電流(reset操作)越小越好?，F(xiàn)有的阻變存儲器結(jié)構(gòu)一般為MIM (金屬電極-阻變材料-金屬電極)結(jié)構(gòu)或者十字交叉結(jié)構(gòu)。MIM結(jié)構(gòu)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)是上下兩個微電極相互垂直交叉，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)，都期望獲得低的操作電流，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的有效面積越小，形成的導(dǎo)電細(xì)絲更加集中，操作電流就越小。目前希望將電極做得更小，尤其是達(dá)到百納米和十納米甚至更小的級別，因而往往通過納米級的工藝來實(shí)現(xiàn)這種微電極(即上述的金屬電極)，制作工藝較為復(fù)雜，成本高且不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)中存在的縮小電極面積工藝復(fù)雜、且成本高的問題，本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種阻變存儲器及其制備方法。一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種阻變存儲器，包括上電極、阻變材料和下電極，所述阻變材料位于下電極之上，所述上電極嵌入在阻變材料之內(nèi)，所述上電極的頂部的寬度大于其底部的寬度。另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種阻變存儲器的制備方法，包括步驟一通過在半導(dǎo)體襯底之上淀積金屬層，形成下電極；步驟二 在下電極上生長用于形成阻變層的材料，并通過各向異性刻蝕在用于形成阻變層的材料中形成凹槽，所述凹槽的上部開口的寬度大于其下端面的寬度；步驟三通過利用金屬材料填充所述凹槽來形成上電極，使得所述上電極的頂部的寬度大于其底部的寬度；步驟四通過氧化所述下電極之上的用于形成阻變層的材料來形成阻變層。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的阻變存儲器及其制備方法，由于上電極以類似于倒梯形的形狀嵌到阻變材料中，上電極上端開口面積大于其底部的面積，該存儲器的有效作用面積為上電極下部端面區(qū)域及下電極與之對應(yīng)的區(qū)域大小，因而可以減小電極的有效作用面積，進(jìn)而可以優(yōu)化器件性能。此外，在制備中，由于可以通過微米級電極制作工藝來實(shí)現(xiàn)了亞微米或納米級的電極的制作，或者通過亞微米級的電極制作工藝實(shí)現(xiàn)納米級電極的制作，制造過程中不需要采用復(fù)雜的更小尺寸的制作工藝，因而，可以簡化制作工藝，節(jié)約成本。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖I為本發(fā)明一個實(shí)施例的具有微電極的阻變存儲器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2、3、4、5、6、7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制作具有微電極的阻變存儲器的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。參見圖1，圖I示出了本發(fā)明實(shí)施例的具有微電極的阻變存儲器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，阻變存儲器包括上電極I、阻變材料2和下電極3，阻變材料2位于下電極3之上，上電極I嵌入在阻變材料2之內(nèi)，且，使得上電極的頂部的寬度大于其底部的寬度。如圖I所示的實(shí)施例，上電極嵌入在阻變材料之內(nèi)的部分可以呈倒梯形，倒梯形的側(cè)壁與平行于下電極的方向的夾角為a。該角度a取決于刻蝕工藝和阻變材料的類型，例如，在采用濕法刻蝕和用于形成阻變材料的材料是硅的情況下，所述角度a可以是54.74°。上電極與下電極的有效作用面積的區(qū)域?yàn)閳DI中4所示，即上電極底部區(qū)域及下電極中與其所對應(yīng)的部分的區(qū)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的阻變存儲器的結(jié)構(gòu)中，由于上電極頂部寬度大于其底部寬度，而該存儲器有效的電極面積為上電極底部與下電極對應(yīng)部分的面積，因而可以有效地縮小電極面積。圖2、3、4、5、6、7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制作具有微電極的阻變存儲器的流程，包括以下步驟。步驟一通過在半導(dǎo)體襯底31之上淀積金屬層，形成下電極3。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，如圖2所示，可以通過在硅襯底31上淀積一層金屬，來形成下電極3。在一個具體實(shí)施例中，所述金屬可以是鉬、鎢、鎳、鋁、鈀、金、鈦，氮化鈦中的任意一種。步驟二 在下電極上生長用于形成阻變層的材料，并通過各向異性刻蝕在用于形成阻變層的材料中形成凹槽，所述凹槽的上部開口的寬度大于其下端面的寬度。具體來說，上述步驟二可以通過以下處理來實(shí)現(xiàn)。首先，可以在下電極上生長用于形成阻變層的材料。 在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述用于形成阻變層的材料可以包括硅、鍺以及其他已知或即將出現(xiàn)的適用于形成阻變層的材料。如圖3所示，在本發(fā)明的一個具體實(shí)施例中，可以在下電極3上按晶向100來生長單晶硅層22作為用于形成阻變層的材料。接著，可以在所述用于形成阻變層的材料中形成凹槽，所述凹槽的上部開口的寬度大于其下端面的寬度。如圖4所示，在本發(fā)明的一個具體實(shí)施例中，可以在用于形成阻變層的材料(例如，圖4中的單晶硅層22)上涂抹光刻膠21，并預(yù)留出需要刻蝕的窗口尺寸大小，以便進(jìn)行后續(xù)的刻蝕工藝。之后，如圖5所示，可以通過各向異性刻蝕工藝(干法各向異性刻蝕工藝或濕法各向異性刻蝕工藝)在用于形成阻變層的材料(例如，圖4中的單晶硅層22)中形成凹槽?？紤]到硅材料在濕法刻蝕中的各向異性(即單晶硅111面的刻蝕速率與100面的刻蝕速率之比很大)，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，可以采用濕法刻蝕技術(shù)來形成凹槽。例如，可以在100面上進(jìn)行刻蝕，由于刻蝕到111面時(shí)刻蝕速度大為降低，所以可以形成一個凹槽。此外，可以通過控制刻蝕液的濃度和刻蝕時(shí)間就可以控制槽的深度以及底部面積。圖5示出了利用濕法各向異性刻蝕得到的一個倒梯形槽。如圖5所示，所述凹槽的上部開口的寬度大于其下端面的寬度。盡管圖5沒有示出，但在采用濕法刻蝕和用于形成阻變材料的材料是硅的情況下，在所得到的倒梯形槽(即所述凹槽)的斜邊與平行于下電極的方向的夾角a為54. 74°。此外，針對不同的應(yīng)用情形，可通過控制刻蝕液的濃度和刻蝕時(shí)間來調(diào)整刻蝕得到的倒梯形槽的深度。步驟三通過利用金屬材料填充所述凹槽來形成上電極，使得所述上電極的頂部的寬度大于其底部的寬度。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，可以在單晶硅層22上部淀積金屬24，來填充倒梯形槽，由此得到如圖6所示的結(jié)構(gòu)；然后，剝離光刻膠21之上的金屬以及光刻膠21，只留下填充倒梯形槽部分的金屬作為上電極，得到如圖7所示存儲器的結(jié)構(gòu)。其中，在具體實(shí)施例中，所述上電極的金屬層可以為鉬、鎢、鎳、鋁、鈀、金、鈦，氮化鈦中的任意一種。步驟四形成阻變層。在一個實(shí)施例中，可以通過氧化所述用于形成阻變層的材料(例如單晶硅)，來形成氧化硅阻變層。在這種情況下，所述阻變層包括氧化硅。此外，以上實(shí)施例僅為示例，本發(fā)明不限于此，也可以通過其他任意合適的材料來形成阻變層，例如可以利用鍺來形成氧化鍺作為阻變層等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例所提供的阻變存儲器制備方法，電極的有效作用面積為金屬材料凹槽底部的面積，本發(fā)明所示實(shí)施例中，凹槽上部的面積為亞微米級，底部為納米級，相當(dāng)于以制作亞微米級別的阻變存儲器的成本實(shí)現(xiàn)的納米級的效果，簡化了制作工藝，同時(shí)大大的降低了制作成本。本發(fā)明實(shí)施例所提供的阻變存儲器及其制備方法，由于上電極呈上寬下窄的結(jié)構(gòu)，電極的有效作用面積為上電極底部的較小的面積，不僅有效的縮小了電極的面積，優(yōu)化了器件，同時(shí)，在制備過程中，通過微米級電極制作工藝得到亞微米級或納米級的電極，或者通過亞微米級電極的制作工藝得到納米 級的電極，簡化了制作工藝，節(jié)省了制作成本。
權(quán)利要求
1.一種阻變存儲器，其特征在于，包括上電極(I)、阻變材料(2)和下電極(3)，所述阻變材料(2)位于下電極(3)之上，所述上電極(I)嵌入在阻變材料(2)之內(nèi)，所述上電極的頂部的寬度大于其底部的寬度。
2.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器，其特征在于，所述上電極嵌入在阻變材料之內(nèi)的部分可以呈倒梯形。
3.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器，其特征在于，所述上電極由鉬、鎢、鎳、鋁、鈀、金、鈦，氮化鈦中的任意一種材料制成。
4.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器，其特征在于，所述下電極由鉬、鎢、鎳、鋁、鈀、金、鈦，氮化鈦之中的任意一種材料制成。
5.一種阻變存儲器的制備方法，其特征在于，包括 步驟一通過在半導(dǎo)體襯底(31)之上淀積金屬層，形成下電極(3)； 步驟二 在下電極上生長用于形成阻變層的材料(22)，并通過各向異性刻蝕在所述用于形成阻變層的材料中形成凹槽，所述凹槽的上部開口的寬度大于其下端面的寬度； 步驟三通過利用金屬材料填充所述凹槽來形成上電極，使得所述上電極的頂部的寬度大于其底部的寬度； 步驟四通過氧化所述下電極之上的用于形成阻變層的材料來形成阻變層。
6.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲器制備方法，其特征在于，所述金屬層包括鉬、鎢、鎳、鋁、鈀、金、鈦，氮化鈦中的任意一種。
7.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲器制備方法，其特征在于，所述通過各向異性刻蝕在用于形成阻變層的材料中形成凹槽的處理包括 在用于形成阻變層的材料的上端面涂抹光刻膠，且預(yù)留出需要刻蝕的窗口尺寸大小； 利用光刻膠作為掩膜，通過各向異性刻蝕所述用于形成阻變層的材料，形成凹槽。
8.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲器制備方法，其特征在于，通過利用金屬材料填充所述凹槽來形成上電極的處理包括 在用于形成阻變層的材料上部淀積金屬以填充凹槽，所述金屬是鉬、鎢、鎳、鋁、鈀、金、鈦，氮化鈦之中的任意一種； 剝離淀積在光刻膠部分之上的金屬，留下填充在用于形成阻變層的材料凹槽部分的金屬形成上電極。
9.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲器制備方法，其特征在于，所述用于形成阻變層的材料是硅或鍺中的一種。
10.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲器制備方法，其特征在于，所述阻變層是氧化硅或氧化鍺。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例公開了一種阻變存儲器及其制備方法。所述阻變存儲器包括上電極、阻變材料和下電極，所述阻變材料位于下電極之上，所述上電極嵌入在阻變材料之內(nèi)，所述上電極的頂部的寬度大于其底部的寬度。本發(fā)明還公開了阻變存儲器的制備方法。本發(fā)明所提供的阻變存儲器及其制備方法，可以有效地縮小電極的作用面積，同時(shí)，可以以制作微米級存儲器的成本來實(shí)現(xiàn)納米級存儲器的效果，簡化了存儲器的制作工藝、同時(shí)節(jié)約了制作成本。
文檔編號H01L45/00GK102891253SQ201210361359
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者蔡一茂, 毛俊, 武慧薇, 黃如 申請人:北京大學(xué)