CN103066207A - 阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了阻变存储器及其制备方法，所述阻变存储器形成于衬底上，所述阻变存储器包括第一电极、阻变材料和第二电极，所述第一电极、阻变材料和第二电极均位于所述衬底表面，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述阻变材料位于所述第一电极和所述第二电极之间，且同时与所述第一电极和所述第二电极接触；所述第一电极与所述衬底的接触面面积大于所述第一电极与所述阻变材料相接触的第一接触面的面积，和/或所述第二电极与所述衬底的接触面面积大于所述第二电极与所述阻变材料相接触的第二接触面的面积。本发明实施例所提供的阻变存储器具有操作电流小、功耗低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体来说，涉及阻变存储器及其制备方法。
背景技术
阻变存储器(RRAM，RESISTANCE RANDOM ACCESS MEMORY)是一种新型存储器件，由于阻变存储器具有结构简单，与现有互补金属氧化物半导体(CMOS，COMPLEMENTARYMETAL OXIDE SEMICONDUCTOR)工艺兼容等优点，得到越来越广泛的应用。常见的阻变存储器一般为MIM(金属电极-阻变材料-金属电极)结构，由位于衬底之上层叠设置的底电极、阻变材料和顶电极组成，底电极设置在衬底之上，阻变材料设置在底电极之上，顶电极设置在阻变材料之上。
阻变存储器通过外加不同极性及大小的电压，改变阻变材料的电阻大小，来实现数据存储。当在阻变存储器的底电极和顶电极之间加载电压时，在外加电场作用下，阻变材料会发生电化学反应，使得材料中的氧空位发生迁移，从而产生电阻变化，在加载的电压消失后，阻变材料仍然能够保持电阻不发生变化直到再次加载电压。但是现有技术中的阻变存储器在产生电阻变化的同时也会相应产生较大的操作电流，而较大的操作电流直接影响了阻变存储器的性能。
发明内容
本发明实施例提供了阻变存储器及其制备方法，以解决在现有阻变存储器操作电流大，影响阻变存储器性能的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种阻变存储器，所述阻变存储器形成于衬底上，包括:第一电极、阻变材料和第二电极。
其中，所述第一电极、阻变材料和第二电极均位于所述衬底表面，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述阻变材料位于所述第一电极和所述第二电极之间，且同时与所述第一电极和所述第二电极接触；所述第一电极与所述衬底的接触面面积大于所述第一电极与所述阻变材料相接触的第一接触面的面积，和/或所述第二电极与所述衬底的接触面面积大于所述第二电极与所述阻变材料相接触的第二接触面的面积。
另一方面，本发明实施例还提供了一种阻变存储器的制备方法，包括:
在衬底上淀积电极材料；
对所述电极材料进行刻蚀，生成相互分离且相对设置的第一电极及第二电极；
在所述第一电极和第二电极之间淀积阻变材料；
以第一电极或第二电极为停止层对所述阻变材料进行化学机械抛光，形成阻变存储器，其中，所述阻变材料同时与所述第一电极和所述第二电极接触；所述第一电极与所述衬底的接触面面积大于所述第一电极与所述阻变材料相接触的第一接触面的面积，和/或所述第二电极与所述衬底的接触面面积大于所述第二电极与所述阻变材料相接触的第二接触面的面积。
与现有技术相比，本发明实施例通过将阻变存储器的电极和阻变材料都形成在衬底的表面上，并使电极与阻变材料的接触面积小于电极与衬底的接触面积，从而获得了实际电极面积更小的阻变存储器，因此，在阻变存储器外加电压时，可以减小产生的操作电流，进而可以减小阻变存储器的功耗，减小操作电流对阻变存储器性能的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明阻变存储器结构示意图；
图2A为本发明阻变存储器制备方法的一个实施例的流程图；
图2B至图2E为本发明一个实施例制备阻变存储器的示意图。
具体实施方式
根据阻变存储器的工作原理，当阻变存储器的实际电极面积越小时，操作电流也相应的越小，所述实际电极面积是指与阻变材料相接触，并且在加载电压后能够引起阻变材料电阻变化的电极的面积。因此缩小阻变存储器的实际电极面积就成为缩小阻变存储器操作电流最有效的方法之一。由于现有技术中缩小阻变存储器的实际电极面积主要通过缩小底电极、阻变材料、顶电极中某一层或某几层的淀积面积来实现。但是在现有工艺技术条件下，随着淀积面积的缩小生产成本会不断上升，当淀积面积小于1μm*1μm时阻变存储器的生产会非常困难，因此减小阻变存储器的实际电极面积需要通过其他途径来实现。
基于此，本发明实施例提供了一种阻变存储器及其制备方法，通过改变阻变存储器中顶电极、底电极及阻变材料之间的位置关系，可以减小阻变存储器的实际电极面积，从而可以减小操作电流，降低阻变存储器器件的功耗，提高阻变存储器器件的性能。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
参见图1，为本发明一个实施例阻变存储器结构示意图。
所述阻变存储器包括第一电极121、第二电极122和阻变材料123，所述第一电极121、第二电极122和阻变材料123均位于所述衬底110表面，该衬底110可以是多晶硅衬底也可以是其它半导体衬底。
所述第一电极121和所述第二电极122相对设置，所述阻变材料123位于所述第一电极121和所述第二电极122之间，且同时与所述第一电极121和所述第二电极122接触。
其中，所述第一电极121与所述衬底110的接触面131的面积大于所述第一电极121与所述阻变材料123相接触的第一接触面132的面积。若该第一电极121为长方体，该长方体的长和宽所在的底面与衬底110相接触，宽和高所在的侧面与阻变材料123相接触，则该长方体的长大于高。
所述第二电极122与所述衬底110的接触面133的面积大于所述第二电极122与所述阻变材料123相接触的第二接触面134的面积。若该第二电极122为长方体，该长方体的长和宽所在的底面与衬底110相接触，宽和高所在的侧面与阻变材料123相接触，则该长方体的长大于高。
该阻变存储器可以同时包括具有上述特征的第一电极121和第二电极122，也可以只包括具有上述特征的第一电极121，而第二电极122的具体特征不做限定，或者只包括具有上述特征的第二电极122，而第一电极121的具体特征不做限定，只要阻变存储器的实际电极面积减小即可。
该结构的阻变存储器将现有技术中层叠设置的顶电极、阻变材料和底电极变化为平铺在衬底上的第一电极、阻变材料和第二电极，将阻变存储器的实际电极面积由顶电极的下表面面积和底电极的上表面面积变化为第一电极、第二电极的侧面面积，因此，只要第一电极与阻变材料相接触的侧面面积小于第一电极的下表面面积，或者第二电极与阻变材料相接触的侧面面积小于第二电极的下表面面积，即可减小阻变存储器的实际电极面积，从而在阻变存储器外加电压时，减小产生的操作电流。在实际制备过程中，若要减小第一电极或第二电极的侧面积，只要减小电极材料和阻变材料淀积的厚度即可，相比较现有技术的层叠结构中减小两电极和阻变材料在水平方向的尺寸来说，在工艺上要容易的多。
另外，形成所述第一电极121及所述第二电极122的电极材料可以是Pt、Ti、Al这几种电极材料中的一种，也可以是其他电极材料；所述阻变材料123可以是TaOx、HfOx、AlOx这几种阻变材料中的一种，也可以是其它阻变材料。
所述第一电极121和所述第二电极122的形状和大小可以相同也可以不相同，根据需要可以是规则形状，也可以是不规则形状，所述第一电极121、所述第二电极122及所述阻变材料123可以均为长方体。
第一电极121、第二电极122及阻变材料123的厚度可以根据需要确定。例如，所述第一电极121、第二电极122及阻变材料123在衬底上生长的厚度可以相等，且均小于1μm。
本发明实施例通过将阻变存储器的电极和阻变材料都形成在衬底的表面上，并使电极与阻变材料的接触面积小于电极与衬底的接触面积，从而获得了实际电极面积更小的阻变存储器，因此，在阻变存储器外加电压时，可以减小产生的操作电流，进而可以减小存储器的功耗，减小操作电流对阻变存储器性能的影响。
与本发明阻变存储器结构的实施例相对应，本发明还提供了制备阻变存储器方法的实施例。
参见图2A，为本发明阻变存储器制备方法的流程图，该方法可以包括以下步骤:
步骤201，在衬底上淀积电极材料。
如图2B所示，首先在衬底210上方淀积一层电极材料220。
其中，电极材料220可以是Pt、Ti、Al这几种电极材料中的一种，也可以是其他电极材料。
电极材料220的淀积可以采用物理汽相淀积、化学气相淀积、低能离子束淀积等淀积方法，根据不同的电极材料的性质可以采用不同的淀积方法。
所述电极材料220的淀积厚度可以根据实际需要进行确定，可选的，所述阻变材料的淀积厚度小于1μm。
步骤202，对电极材料层进行刻蚀，生成相互分离且相对设置的第一电极及第二电极。
如图2C所示，对电极材料层210进行刻蚀生成的第一电极221、第二电极222及第电极和第二电极之间的阻变窗口。
其中，对淀积材料220的刻蚀可以采用光刻的方法或其他刻蚀方法。第一电极221和第二电极222的根据实际需要及生产技术工艺，可以是规则形状，也可以是不规则形状，第一电极221和第二电极222形状可以相同也可以不相同。
可选的，第一电极221和第二电极222为形状相同的长方体，两个电极与衬底层210接触的面均为1μm*1μm的正方形。
步骤203，在所述第一电极和第二电极之间淀积阻变材料。
由于所述第一电极221和第二电极222之间的阻变窗口通常较小，将阻变材料的淀积范围控制在所述第一电极221和第二电极222之间的阻变窗口比较困难，因此可以采用先大面积淀积然后再将不需要部分去除的方式来在两个电极之间淀积阻变材料。
如图2D所示，在第一电极221与第二电极222之上及第一电极221与第二电极222之间的阻变窗口之内淀积阻变材料230。
其中，阻变材料可以TaOx、HfOx、AlOx这几种中的一种，也可以是其它阻变材料，阻变材料的淀积可以采用物理汽相淀积、化学气相淀积、低能离子束淀积或其他的淀积方法进行淀积，可以根据不同的阻变材料采用不同的淀积方法进行淀积。
阻变材料淀积的厚度可以根据需要进行确定，可选的，阻变材料在阻变窗口内的淀积的厚度大于电极材料的厚度。
步骤204，以第一电极或第二电极为停止层对所述阻变材料进行化学机械抛光，形成阻变存储器，其中，所述阻变材料同时与所述第一电极和所述第二电极接触，所述第一电极与所述衬底的接触面面积大于所述第一电极与所述阻变材料相接触的第一接触面的面积，和/或所述第二电极与所述衬底的接触面面积大于所述第二电极与所述阻变材料相接触的第二接触面的面积。
图如2E所示，以第一电极或第二电极为停止层对阻变材料进行化学机械抛光对所述阻变材料103中高于第一电极221或第二电极222上表面的部分进行去除，只保留位于第一电极221和第二电极222之间的阻变材料223，其中，所述阻变材料223同时与所述第一电极221和所述第二电极222接触；所述第一电极221与所述衬底210的接触面231的面积大于所述第一电极221与所述阻变材料223相接触的第一接触面232的面积，和/或所述第二电极与所述衬底的接触面233的面积大于所述第二电极与所述阻变材料相接触的第二接触面234的面积。
可选的，对所述阻变材料230中高于第一电极221或第二电极222上表面的部分进行去除，可以采用化学机械抛光方法，以所述第一电极221或第二电极222的上表面为停止层对阻变材料块进行抛光使被阻变材料覆盖的两个电极露出。
从上述方案可以看出，生产阻变存储器所需的工艺都是先有工艺，通过改变阻变存储器的结构，利用现有的设备条件和生产工艺就可以生产出实际电极面积更小，功耗更低的阻变存储器。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器形成于衬底上，所述阻变存储器包括第一电极、阻变材料和第二电极，所述第一电极、阻变材料和第二电极均位于所述衬底表面，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述阻变材料位于所述第一电极和所述第二电极之间，且同时与所述第一电极和所述第二电极接触；所述第一电极与所述衬底的接触面面积大于所述第一电极与所述阻变材料相接触的第一接触面的面积，和/或所述第二电极与所述衬底的接触面面积大于所述第二电极与所述阻变材料相接触的第二接触面的面积。
2.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料、所述第一电极和所述第二电极在所述衬底上的生长厚度相同。
3.如权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料、所述第一电极和所述第二电极的生长厚度均小于1μm。
4.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料、第一电极及所述第二电极的形状均为长方体。
5.如权利要求1至4中任意一项权利要求所述的阻变存储器，其特征在于，所述第一电极及所述第二电极的材料为下列之一:
Pt、Ti、Al。
6.如权利要求5所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料的材料为下列之一:
TaO、AlO、HfO。
7.一种阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括:
在衬底上淀积电极材料；
对所述电极材料进行刻蚀，生成相互分离且相对设置的第一电极及第二电极；
在所述第一电极和第二电极之间淀积阻变材料；
以第一电极或第二电极为停止层对所述阻变材料进行化学机械抛光，形成阻变存储器，其中，所述阻变材料同时与所述第一电极和所述第二电极接触；所述第一电极与所述衬底的接触面面积大于所述第一电极与所述阻变材料相接触的第一接触面的面积，和/或所述第二电极与所述衬底的接触面面积大于所述第二电极与所述阻变材料相接触的第二接触面的面积。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所述淀积材料进行刻蚀，具体为:
采用光刻法对所述电极材料进行刻蚀。
9.如权利要求7所述的阻变存储器，其特征在于，所述第一电极及所述第二电极的材料为下列之一:
Pt、Ti、Al。
10.如权利要求7至9中任意一项权利要求所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料的材料为下列之一:
TaO、AlO、HfO。
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