CN101630719B - 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造方法，属于集成电路技术领域。该阻变存储器，为MIM结构，该MIM结构的底层和顶层分别为金属电极，该MIM结构的中间层为，依次叠加的第一层聚对二甲苯聚合物膜、金属或金属氧化物纳米层和第二层聚对二甲苯聚合物膜。本发明利用聚对二甲苯聚合物和金属/金属氧化物的组合作为阻变材料，可制备出有较好的阻变特性和工艺兼容性的阻变存储器。聚对二甲苯聚合物的制备方法采用无副产品和无溶剂污染的室温汽相化学淀积工艺，与CMOS其他模块兼容。且聚对二甲苯耐标准光刻工艺中使用的溶液和溶剂，可以使用CMOS标准光刻技术工艺制备该阻变存储器，从而提高了存储器的存储密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种非挥发性(Nonvolatile memory)阻变存储器(RRAM：Resistive RandomAccess Memory)及制造方法，属于柔性电子学，聚合物和CMOS混合集成电路技术领域。
背景技术
21世纪是信息数字化的高科技时代，信息的爆炸式增长及电子器件持续微型化的发展对存储技术提出了更高的要求，并迫切需要在存储器材料和技术方面取得突破。研究和开发更高存储密度、更低功耗、更快响应速度及可反复读写的存储器已经成为电子领域的热点。目前应用最广泛、发展最成熟的非挥发性存储器为闪存(flash memory)，但其写入速度慢、功耗大等缺点已经成为阻碍其继续发展和等比例缩小的限制性因素。因此，半导体产业界正在探索更高存储密度、更快响应速度、更低操作电压的非挥发性存储器。阻变存储器由于具备上述特性引起了广泛关注，目前已经成为存储器研究的前沿领域，具有取代现有主流Flash存储器成为下一代新型存储器的潜力。
在众多阻变存储器材料中，基于有机材料的阻变存储器凭借其制备成本低廉、制备工艺简单、柔韧性高和材料多样性等优点，已经成为未来新一代存储器的一个发展方向。不过，有机阻变存储器的研究还处在起步阶段，很多有机材料在电压和电流的激励下发生电阻的改变，包括有机小分子材料及聚合物材料和金属纳米颗粒的混合材料。但目前报道的有机RRAM材料大多数不能防御光刻工艺过程中所用到的溶剂，所以不能小型化和高密度应用。文献报道的有机阻变存储器的制备一般采用旋涂工艺(spin-coating)和硬掩膜板(hard mask)技术，器件单元尺寸一般比较大(平方毫米量级)，限制了其存储密度。而且旋涂工艺容易存在溶剂挥发后残留污染问题以及与其他模块的兼容问题。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种基于聚对二甲苯和纳米金属薄层的阻变存储器及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种阻变存储器，为MIM结构，该MIM结构的底层和顶层分别为金属电极，其特征在于，该MIM结构的中间层结构为，依次叠加的第一层聚对二甲苯聚合物膜、金属或金属氧化物纳米层和第二层聚对二甲苯聚合物膜。
所述第一层聚对二甲苯聚合物膜和第二层聚对二甲苯聚合物膜的厚度为50-150nm。
金属或金属氧化物纳米层材料为Au、Al或MoO3，厚度为6-20nm。
所述顶层电极为Al、Cu、Ag或Ti，200nm和500nm之间。
所述底层电极为W或Pt，厚度在100nm和250nm之间。
所述聚对二甲苯聚合物为聚对二甲苯C型、聚对二甲苯N型或聚对二甲苯D型。
一种阻变存储器的制备方法，其步骤包括：
1)在硅衬底上溅射一金属层，作为底层电极；
2)淀积第一层聚对二甲苯聚合物膜；
3)溅射或电子束蒸发一金属或金属氧化物纳米层；
4)淀积第二层聚对二甲苯聚合物膜；
5)溅射一金属层，光刻、剥离定义顶层电极。
所述步骤2)和步骤4)具体为：采用Polymer CVD淀积聚对二甲苯聚合物膜，为真空淀积，淀积速度在1nm/min和10nm/min之间。
所述步骤3)之后，通过光刻，湿法腐蚀金属或金属氧化物纳米层、RIE刻蚀第一层聚对二甲苯聚合物膜，定义出底电极的引出孔，随后在步骤4)之后，通过光刻、RIE刻蚀引出孔上的第二层聚对二甲苯聚合物膜，定义出底电极的引出通孔，通过填充顶层电极金属材料引出底层电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用依次叠加的聚对二甲苯聚合物膜、金属或金属氧化物纳米层和聚对二甲苯聚合物膜作为阻变存储器的阻变材料，可制备出有较好的阻变特性和工艺兼容性的阻变存储器。
本发明聚对二甲苯的制备方法是无副产品和无溶剂污染的室温汽相化学淀积工艺，与CMOS其他模块兼容，且聚对二甲苯耐标准光刻工艺中使用的溶液和溶剂，可以使用CMOS标准光刻技术工艺制备该阻变存储器，可提高存储器的存储密度。
附图说明
图1为本发明实施例阻变存储器的工艺流程图；
图2为本发明阻变存储器的阻变特性测试结果.
1-高阻态在扫描电压的激励下向低阻态跃变过程 2-低阻态的保持过程
3-低阻态在-3V脉冲电压的激励下向高阻态转变后，用小电压读取高阻态的过程 4-高阻态在+3V脉冲电压的激励下向低阻态转变后，用小电压读取低阻态的过程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
参考图1，本发明阻变存储器的制备具体为：
1)在硅衬底1上用常规CMOS工艺中的钨金属作为下电极2；下电极采用物理气相淀积(PVD)方法，并可以通过标准光刻和湿法腐蚀技术使钨电极图形化，如图1(a)；
2)利用聚合物化学汽相淀积(Polymer CVD)技术淀积聚对二甲苯C型(Parylene-C薄膜3，厚度为50-150nm，如图1(b)；淀积采用聚对二甲苯Polymer CVD设备，工艺选用设备的标准参数，淀积速度在1nm/min和10nm/min之间；
3)利用物理气相淀积方法淀积6-20nm的金纳米层4，如图1(c)；
4)通过光刻，湿法腐蚀金纳米层、RIE刻蚀第一层聚对二甲苯聚合物膜定义出底电极的大引出孔(约100平方微米)，如图1(d)；
5)利用聚合物化学汽相淀积(Polymer CVD)技术淀积第二层聚对二甲苯C型(Parylene-C薄膜5，厚度为50-150nm，如图1(e)；淀积采用聚对二甲苯PolymerCVD设备，工艺选用设备的标准参数，淀积速度在1nm/min和10nm/min之间；
6)通过光刻和RIE刻蚀第二层聚对二甲苯聚合物膜定义出底电极的小引出孔(约10平方微米)，避免了中间金纳米层与通孔金属的短路连接，第二层聚对二甲苯聚合物膜同时起到了钝化隔离的作用，如图1(f)；
7)利用物理气相淀积方法淀积Al电极作为上电极6，通过常规工艺的光刻剥离定义Al电极，同时引出底层电极。如图1(g)。
测试实施例1制得的阻变存储器的阻变特性测试结果如图2所示。
由图2可知，随着上电极的电压激励的改变(下电极接地)，位于两电极之间的功能层的阻值会发生高阻和低阻之间的转变，即存储器”0”，”1”两个状态之间的转变。
虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明的有机阻变存储器的材料，结构及其制备方法，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，可以对本发明进行各种修改和替换，例如聚对二甲苯C型(Parylene-C)可以换成聚对二甲苯N型(Parylene-N)或聚二氯对二甲苯D型(Parylene-D)。功能层中的金纳米层也可以换成其他金属薄层如Al或金属氧化物纳米薄层如MoO3等。另外，下电极材料也可以换成惰性金属如Pt，上电极材料可以换成Cu或Ti。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的阻变存储器，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
Claims (9)
1.一种阻变存储器，为MIM结构，该MIM结构的底层和顶层分别为金属电极，其特征在于，该MIM结构的中间层结构为，依次叠加的第一层聚对二甲苯聚合物膜、金属纳米层或金属氧化物纳米层和第二层聚对二甲苯聚合物膜。
2.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述第一层聚对二甲苯聚合物膜和第二层的聚对二甲苯聚合物膜厚度分别为50-150nm。
3.如权利要求1或2所述的阻变存储器，其特征在于，金属纳米层或金属氧化物纳米层材料为Au、Al或MoO3，厚度为6-20nm。
4.如权利要求3所述的阻变存储器，其特征在于，所述顶层电极为Al、Cu、Ag或Ti，其厚度为200nm和500nm之间。
5.如权利要求4所述的阻变存储器，其特征在于，所述底层电极为W或Pt，其厚度在100nm和250nm之间。
6.如权利要求1或2所述的阻变存储器，其特征在于，所述聚对二甲苯聚合物为聚对二甲苯C型、聚对二甲苯N型或聚对二甲苯D型。
7.一种阻变存储器的制备方法，其步骤包括：
1)在硅衬底上溅射一金属层，作为底层电极；
2)淀积第一层聚对二甲苯聚合物膜；
3)溅射或电子束蒸发一金属纳米层或金属氧化物纳米层；
4)淀积第二层聚对二甲苯聚合物膜；
5)溅射一金属层，光刻、剥离定义顶层电极。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2)和步骤4)具体为：采用PolymerCVD方法淀积聚对二甲苯聚合物膜，为真空淀积，淀积速度在1nm/min和10nm/min之间。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤3)之后，通过光刻，湿法腐蚀金属纳米层或金属氧化物纳米层、RIE刻蚀第一层聚对二甲苯聚合物膜，定义出底电极的引出孔，随后在步骤4)之后，通过光刻、RIE刻蚀引出孔上的第二层聚对二甲苯聚合物膜，定义出底电极的引出通孔，通过填充顶层电极金属材料引出底层电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Huang Ru Inventor after: Kuang Yongbian Inventor after: Tang Yu Inventor after: Zhang Lijie Inventor before: Kuang Yongbian Inventor before: Huang Ru Inventor before: Tang Yu Inventor before: Zhang Lijie |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: KUANG YONGBIAN HUANG RU TANG YU ZHANG LIJIE TO: HUANG RU KUANG YONGBIAN TANG YU ZHANG LIJIE |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SEMICONDUCTOR MANUFACTURING INTERNATIONAL (BEIJING Free format text: FORMER OWNER: BEIJING UNIV. Effective date: 20130528 Owner name: BEIJING UNIV. Effective date: 20130528 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100871 HAIDIAN, BEIJING TO: 100176 DAXING, BEIJING |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130528 Address after: 100176 No. 18, Wenchang Avenue, Beijing economic and Technological Development Zone Patentee after: Semiconductor Manufacturing International (Beijing) Corporation Patentee after: Peking University Address before: 100871 Haidian District the Summer Palace Road,, No. 5, Peking University Patentee before: Peking University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110126 Termination date: 20200724 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |