專利名稱：阻變存儲(chǔ)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，涉及一種阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
阻變存儲(chǔ)器(RRAM，RESISTANCERANDOM ACCESS MEMORY)是一種新型存儲(chǔ)器件，由于阻變存儲(chǔ)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，COMPLEMENTARYMETALOXIDE SEMICONDUCTOR)工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。常見的阻變存儲(chǔ)器一般為MM (金屬電極-阻變材料-金屬電極)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由位于襯底11之上層疊設(shè)置的底電極12、阻變材料13和頂電極14組成。阻變存儲(chǔ)器是通過外加不同極性及大小的電壓，改變阻變材料的電阻大小，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的。如圖1所示，當(dāng)在阻變存儲(chǔ)器的底電極12與頂電極14加電壓時(shí)，在外加電場(chǎng)作用下，阻變材料13的氧空位發(fā)生遷移以及發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電阻變化。但是產(chǎn)生電阻變化的同時(shí)會(huì)有相應(yīng)的操作電流產(chǎn)生，操作電流會(huì)對(duì)阻變存儲(chǔ)器器件帶來一定的功耗，從而降低阻變存儲(chǔ)器器件的性能。為了降低阻變存儲(chǔ)器的功耗，提高阻變存儲(chǔ)器器件的性能，需要減小阻變存儲(chǔ)器在外加電壓時(shí)產(chǎn)生的操作電流
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，能夠減小操作電流，降低阻變存儲(chǔ)器器件的功耗，提高阻變存儲(chǔ)器器件的性能。一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種阻變存儲(chǔ)器，所述阻變存儲(chǔ)器形成于襯底上，所述阻變存儲(chǔ)器包括第一電極、阻變材料和第二電極，所述第一電極、阻變材料和第二電極均生長(zhǎng)在所述襯底表面，所述第一電極和所述第二電極相對(duì)設(shè)置，所述阻變材料位于所述第一電極和所述第二電極之間，且同時(shí)與所述第一電極和所述第二電極接觸；所述第一電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第一電極與所述阻變材料相接觸的第一接觸面的面積，和/或所述第二電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第二電極與所述阻變材料相接觸的第二接觸面的面積。另一方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種阻變存儲(chǔ)器的制備方法，包括在襯底之上淀積電極材料；刻蝕所述電極材料，形成相互分離且相對(duì)設(shè)置的第一電極和第二電極；在所述第一電極和第二電極之間淀積阻變材料；以所述第一電極和所述第二電極作為停止層，對(duì)所述阻變材料進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光處理，形成阻變存儲(chǔ)器，其中，所述阻變材料同時(shí)與所述第一電極和所述第二電極接觸；所述第一電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第一電極與所述阻變材料相接觸的第一接觸面的面積，和/或所述第二電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第二電極與所述阻變材料相接觸的第二接觸面的面積。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(chǔ)器，將傳統(tǒng)的形成于襯底上垂直方向?qū)盈B設(shè)置的阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，改為形成于襯底表面上水平方向設(shè)置的阻變存儲(chǔ)器，大大減小了電極與阻變材料的接觸面積，在外加電場(chǎng)作用下，形成的氧空位的面積減小，從而在很大程度上減小了操作電流。同時(shí)，在制備方法上，使用傳統(tǒng)的制作工藝即可完成，無須增加制作成本，而且，與制作傳統(tǒng)的阻變存儲(chǔ)器相比，更加簡(jiǎn)化了制作的工藝步驟。


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(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)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(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。圖1為現(xiàn)有技術(shù)阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器的立體圖；圖4為制備本發(fā)明實(shí)施例阻變存儲(chǔ)器的方法流程圖；圖51為制備本發(fā)明實(shí)施例阻變存儲(chǔ)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式為了滿足阻變存儲(chǔ)器大規(guī)模集成應(yīng)用的要求，阻變存儲(chǔ)器的操作電流越小越好，根據(jù)阻變存儲(chǔ)器的工作原理， 當(dāng)阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積(所述有效電極面積，指兩電極與阻變材料共同接觸，并且在外加電場(chǎng)作用下，阻變材料能夠發(fā)生作用的部分的面積)越小時(shí)，操作電流也相應(yīng)的越小，因此縮小阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積，就成為減小阻變存儲(chǔ)器操作電流最有效的方法之一。而在現(xiàn)有制作技術(shù)中，位于襯底之上，層疊設(shè)置的阻變存儲(chǔ)器，頂電極和底電極分別與阻變材料的接觸面的面積，最小只能達(dá)到I μ m*l μ m，若實(shí)現(xiàn)更小的面積，制作成本會(huì)有所增加，而且在制作工藝上會(huì)產(chǎn)生困難?；诖耍景l(fā)明實(shí)施例提供了一種阻變存儲(chǔ)器及其制備方法，通過改變阻變存儲(chǔ)器中頂電極、底電極及阻變材料之間的位置關(guān)系，可以減小阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積，從而可以減小操作電流，降低阻變存儲(chǔ)器器件的功耗，提高阻變存儲(chǔ)器器件的性能。下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)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(dòng)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。其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，表示裝置結(jié)構(gòu)的示意圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。參見圖2，為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖。所述阻變存儲(chǔ)器包括第一電極22、阻變材料24和第二電極23，所述第一電極22、阻變材料24和第二電極23均生長(zhǎng)在襯底21表面，其中，所述襯底21可以是多晶硅襯底也可以是其他半導(dǎo)體襯底。
所述第一電極22和所述第二電極23相對(duì)設(shè)置，所述阻變材料24位于所述第一電極22和所述第二電極23之間，且同時(shí)與所述第一電極22和所述第二電極23接觸。其中，所述第一電極22與所述襯底21的接觸面221面積大于所述第一電極22與所述阻變材料24相接觸的第一接觸面222的面積。即，若所述第一電極22為長(zhǎng)方體，所述長(zhǎng)方體的長(zhǎng)和寬所在的底面(即接觸面221)與襯底21相接觸，寬和高所在的側(cè)面(即第一接觸面222)與阻變材料24相接觸，該長(zhǎng)方體的長(zhǎng)大于高。所述第二電極23與所述襯底21的接觸面231面積大于所述第二電極23與所述阻變材料24相接觸的第二接觸面232的面積。即，若所述第二電極23為長(zhǎng)方體，所述長(zhǎng)方體的長(zhǎng)和寬所在的底面(即接觸面231)與襯底21相接觸，寬和高所在的側(cè)面(即第二接觸面232)與阻變材料24相接觸，該長(zhǎng)方體的長(zhǎng)大于高。需要指出的是，本發(fā)明實(shí)施例僅為示例，第一電極、阻變材料和第二電極的形狀不僅限于長(zhǎng)方體，還可以為其他任意適合的形狀，在此不作限制。該阻變存儲(chǔ)器可以同時(shí)包括具有上述特征的第一電極和第二電極，也可以只包括具有上述特征的第一電極，而第二電極的具體特征不做限定，或者只包括具有上述特征的第二電極，而第一電極的具體特征不做限定，只要阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積減小即可。該結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器將現(xiàn)有技術(shù)中層疊設(shè)置的頂電極、阻變材料和底電極變化為平鋪在襯底上的第一電極、阻變材料和第二電極，將阻變存儲(chǔ)器的實(shí)際電極面積由頂電極的下表面面積和底電極的上表面面積變化為第一電極、第二電極的側(cè)面面積，因此，只要第一電極的側(cè)面面積小于第一電極的下表面面積，或者第二電極的側(cè)面面積小于第二電極的下表面面積，即可減小阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積，從而在阻變存儲(chǔ)器外加電壓時(shí)，減小產(chǎn)生的操作電流。在實(shí)際制備過程中，若要減小第一電極或第二電極的側(cè)面積，只要減小電極材料和阻變材料沉積的厚度即可，相比較現(xiàn)有技術(shù)的層疊結(jié)構(gòu)中減小兩電極和阻變材料在水平方向的尺寸來說要工藝上容易的多。

此外，形成所述第一電極和所述第二電極的材料可以為任意已知的或者即將出現(xiàn)的適合用作電極的材料，例如Pt、Ti或者Al ;所述阻變材料的材料可以為任意已知的或者即將出現(xiàn)的適合用作阻變材料的材料，例如TaO、AlO或者HfO。本發(fā)明實(shí)施例通過將阻變存儲(chǔ)器的電極和阻變材料都形成在襯底的表面上，并使電極與阻變材料的接觸面積小于電極與襯底的接觸面積，從而獲得了有效電極面積更小的阻變存儲(chǔ)器，因此，在阻變存儲(chǔ)器外加電壓時(shí)，可以減小產(chǎn)生的操作電流，進(jìn)而可以減小存儲(chǔ)器的功耗，減小了對(duì)阻變存儲(chǔ)器性能的影響。還請(qǐng)參閱3，為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器的立體圖。本實(shí)施例中，該阻變存儲(chǔ)器的第一電極32、阻變材料34和第二電極33錯(cuò)位排列，其中，所述第一電極32的第一接觸面322的面積小于所述第一電極32的第一側(cè)面面積321，所述第一側(cè)面321為所述第一接觸面322所在的側(cè)面，所述第二電極33的第二接觸面332的面積小于所述第二電極33的第二側(cè)面面積331，所述第二側(cè)面331為所述第二接觸面332所在的側(cè)面。需要指出的，所述第一電極32或所述第二電極33與襯底的接觸面積可以為微米級(jí)，最小面積為I μ m*l μ m，而所述第一電極32的第一側(cè)面321和所述第二電極33的第二側(cè)面331的面積可以為納米級(jí)，而且電極的厚度最小可以為幾納米，本發(fā)明實(shí)施例所提供的形成于襯底31表面上的阻變存儲(chǔ)器，很大程度減小了阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積，而所述第一電極32和第二電極33錯(cuò)位設(shè)置，使得所述阻變材料與兩電極的接觸面積進(jìn)一步減小，進(jìn)一步縮小了有效電極面積，從而使得操作電流更小，減小了功耗，進(jìn)一步提高了阻變存儲(chǔ)器的性能。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(chǔ)器，阻變材料與電極之間的接觸面積為納米級(jí)，同時(shí)，電極之間的錯(cuò)位設(shè)置，更大大減小了阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積，從而很大程度上減小了阻變存儲(chǔ)器的操作電流，減小了功耗，提高了阻變存儲(chǔ)器的器件性倉(cāng)泛。如圖4，為制備本發(fā)明實(shí)施例阻變存儲(chǔ)器的方法流程圖。該方法可以包括以下步驟步驟401，在襯底之上淀積電極材料。如圖5所示，通過化學(xué)氣相沉積法或者物理氣相沉積法，在襯底41之上淀積電極材料。其中，所述電極材料45為任意已知或者即將出現(xiàn)的適合用作電極的材料，例如Pt, Ti或者Al ;所述電極材料淀積在襯底41上的厚度可以從幾個(gè)納米到上百個(gè)納米，本發(fā)明對(duì)此不作限制。步驟402，刻蝕所述電極材料，形成相互分離且相對(duì)設(shè)置第一電極和第二電極。如圖6所示，通過干法刻蝕或者濕法刻蝕刻蝕所述電極材料，形成相互分離的且相對(duì)設(shè)置的第一電極42和第二電極43。本步驟中，進(jìn)一步的，還可以利用掩膜版將第一電極和第二電極的窗口預(yù)留出，然后通過光刻的方式刻蝕所述第一電極和第二電極掩膜版之外的部分，使得刻蝕完成后的第一電極和第二電極形成錯(cuò)位的結(jié)構(gòu)，該錯(cuò)位結(jié)構(gòu)使得第一電極的第一側(cè)面與第二電極的第二側(cè)面部分相對(duì)，從而能進(jìn)一步減小阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積。步驟403，在所述第一電極和第二電極之間淀積阻變材料。該步驟具體可以為在襯底及其上的第一電極和第二電極之上淀積阻變材料。如圖7所示，通過化學(xué)氣相沉積法或者物理氣相沉積法，在所述襯底41及其上的第一電極42和第二電極43之上淀積阻變材料。其中，所述電極材料的材料為任意已知的或者即將出現(xiàn)的適合用作阻變材料的材料，例如:Ta0、A10或者HfO0步驟404，以所述第一電極和所述第二電極作為停止層，對(duì)所述阻變材料進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光處理，形成阻變存儲(chǔ)器。如圖8所示，以所述第一電極42和所述第二電極43為停止層，對(duì)所述阻變材料44進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光處理，使阻變材料44與所述第一電極42和第二電極43在所述襯底41之上的厚度相同。其中，所述阻變材料同時(shí)與所述第一電極和所述第二電極接觸；所述第一電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第一電極與所述阻變材料相接觸的第一接觸面的面積，和/或所述第二電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第二電極與所述阻變材料相接觸的第二接觸面的面積。該阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與前述實(shí)施例中的阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)類似，此處不再贅述。
需要指出的是，若形成的所述第一電極42與所述第二電極43錯(cuò)位設(shè)置，則該阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積為所述第一電極42和所述第二電極43之間重疊部分的面積，淀積在所述重疊部分之外的阻變材料，可以通過干法刻蝕或者濕法刻蝕去除，但是所述淀積在所述重疊部分之外的阻變材料，在阻變存儲(chǔ)器的使用中不會(huì)產(chǎn)生影響，所以也可以保留。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(chǔ)器，將傳統(tǒng)的形成于襯底上垂直方向?qū)盈B設(shè)置的阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，設(shè)置為形成于襯底表面上水平方向設(shè)置的阻變存儲(chǔ)器，減小了電極與阻變材料的接觸面積，在外加電場(chǎng)作用下，形成的氧空位的面積減小，從而在很大程度上減小了操作電流。而且，通過將兩電極相互錯(cuò)位設(shè)置，使第一電極和第二電極部分重疊，可以進(jìn)一步減小阻變存儲(chǔ)器的有效電極面積，進(jìn)一步在外加電場(chǎng)作用下，阻變存儲(chǔ)器減小產(chǎn)生的操作電流。同時(shí)，在制備方法上，使用傳統(tǒng)的制作工藝即可完成，無須增加制作成本，而且，與制作傳統(tǒng)的阻變存儲(chǔ)器相比，更加簡(jiǎn)化了制作的工藝步驟。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變存儲(chǔ)器形成于襯底上，所述阻變存儲(chǔ)器包括第一電極、阻變材料和第二電極，所述第一電極、阻變材料和第二電極均生長(zhǎng)在所述襯底表面，所述第一電極和所述第二電極相對(duì)設(shè)置，所述阻變材料位于所述第一電極和所述第二電極之間，且同時(shí)與所述第一電極和所述第二電極接觸；所述第一電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第一電極與所述阻變材料相接觸的第一接觸面的面積，和/或所述第二電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第二電極與所述阻變材料相接觸的第二接觸面的面積。
2.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第一電極、阻變材料和第二電極錯(cuò)位排列，其中，所述第一電極的第一接觸面的面積小于所述第一電極的第一側(cè)面面積，所述第一側(cè)面為所述第一接觸面所在的側(cè)面，所述第二電極的第二接觸面的面積小于所述第二電極的第二側(cè)面面積，所述第二側(cè)面為所述第二接觸面所在的側(cè)面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第一電極、阻變材料和第二電極均為長(zhǎng)方體。
4.如權(quán)利要求1或2所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變材料、所述第一電極和所述第二電極在所述襯底上的生長(zhǎng)厚度均相同且均小于I μ m。
5.如權(quán)利要求1或2所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第一電極和所述第二電極的材料為下列之一Pt,Ti,AL·
6.如權(quán)利要求1或2所述的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變材料的材料為下列之TaO, A10, HfO0
7.一種阻變存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，包括在襯底之上淀積電極材料；刻蝕所述電極材料，形成相互分離且相對(duì)設(shè)置的第一電極和第二電極；在所述第一電極和第二電極之間淀積阻變材料；以所述第一電極和所述第二電極作為停止層，對(duì)所述阻變材料進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光處理，形成阻變存儲(chǔ)器，其中，所述阻變材料同時(shí)與所述第一電極和所述第二電極接觸；所述第一電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第一電極與所述阻變材料相接觸的第一接觸面的面積，和/或所述第二電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第二電極與所述阻變材料相接觸的第二接觸面的面積。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一電極、阻變材料和第二電極錯(cuò)位排列，其中，所述第一電極的第一接觸面的面積小于所述第一電極的第一側(cè)面面積，所述第一側(cè)面為所述第一接觸面所在的側(cè)面，所述第二電極的第二接觸面的面積小于所述第二電極的第二側(cè)面面積，所述第二側(cè)面為所述第二接觸面所在的側(cè)面。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一電極和所述第二電極的材料為下列之一Pt,Ti,AL·
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述阻變材料的材料為下列之一Ta0`A10`Hf0。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例公開了一種阻變存儲(chǔ)器及其制備方法。所述阻變存儲(chǔ)器形成于襯底上，所述阻變存儲(chǔ)器包括第一電極、阻變材料和第二電極，所述第一電極、阻變材料和第二電極均生長(zhǎng)在所述襯底表面，所述第一電極和所述第二電極相對(duì)設(shè)置，所述阻變材料位于所述第一電極和所述第二電極之間，且同時(shí)與所述第一電極和所述第二電極接觸；所述第一電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第一電極與所述阻變材料相接觸的第一接觸面的面積，和/或所述第二電極與所述襯底的接觸面面積大于所述第二電極與所述阻變材料相接觸的第二接觸面的面積。本發(fā)明實(shí)施例所提供的阻變存儲(chǔ)器，大大減小了電極與阻變材料的接觸面積，從而在很大程度上減小了操作電流。
文檔編號(hào)H01L45/00GK103035839SQ20121055534
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者蔡一茂, 毛俊, 黃如, 王宗巍, 劉業(yè)帆, 余牧溪 申請(qǐng)人:北京大學(xué)