CN103413890B - 超低功耗阻变非挥发性存储器、其制作方法及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低功耗阻变非挥发性存储器，包括：Si衬底；形成在该Si衬底之上的SiO₂层；以及在该SiO₂层表面形成的四端电极结构；其中，该四端电极结构包括第一至第四电极，四个电极呈顺时针方向排列，第一及第三电极相对构成上下电极对，第二及第四电极相对构成左右电极对，两个电极对的中心连线相互垂直。本发明还公开了一种超低功耗阻变非挥发性存储器的制作方法及操作方法。本发明提供的是一种简单的平面结构的电阻转变型存储器件，其特有的四端结构和特殊的器件操作方法可以得到极低的功耗，在有效降低功耗的同时，器件还具有良好的数据保持特性，有效地解决了功耗和数据保持之间的矛盾。

Description

超低功耗阻变非挥发性存储器、其制作方法及操作方法

技术领域

本发明涉及纳米电子器件及纳米加工技术领域，尤其涉及一种超低功耗阻变非挥发性存储器、该超低功耗阻变非挥发性存储器的制作方法及操作方法。

背景技术

近年来，半导体行业迅猛发展，整个半导体行业的市场份额也在急剧增加，存储器作为半导体行业中重要的一部分，其市场份额也在不断扩增。目前的嵌入存储器包括静态随机存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、动态随机存储器(DRAM)和闪存(Flash Memory)。

对于非挥发性存储器，它的主要特点是在不外加电的情况下也能长期保持存储信息，目前市场上的非挥发存储器以闪存(Flash)为主流，但闪存操作电压过大、速度慢、耐久性不够好，更为重要的是：随着集成电路工艺22nm技术节点的来临，一个最主要的问题是：随着隧穿氧化层厚度越来越小，电荷的泄露变得越来越严重，直接影响Flash器件的数据保持能力

而本发明所涉及的下一代新型阻变存储器以其高擦写速度、简易的制备工艺流程、可实现较高的存储密度等优势很好地解决了这一问题。目前已经有很多新型材料和器件类型作为下一代存储器的研究对象，以求适应下一代存储器件的要求，阻变存储器为其中的一种。

如图1所示，为电阻转变存储器件的基本结构示意图。从上到下依次为上电极、阻变功能层(介质层)、下电极。中间阻变功能层薄膜材料可以有两种不同的状态：高电阻态与低电阻态。目前常见的电阻转变型器件单元结构为金属/介质层/金属(MIM)的三明治结构。常用的器件操作方法为：1、在上下电极之间加一个扫描电压，由于电场的作用，在介质层中会产生电阻率相对较低的导电通道，器件达到低阻态，称为set过程；2、加一个反向电压(双极型)或者继续正向电压扫描(单极型)，导电通道断裂，器件回到高阻态，称为reset过程。由此循环往复，器件在两个电阻态之间变换。其典型的电流-电压曲线如图2所示。但是，在过程2中(reset过程)中，由于介质层中已经形成了导电的通路，这是再加扫描电压会产生比较大的电流，由此会产生较大的功耗。

在集成电路中，功耗是一个重要的指标，如何达到低的功耗一直是研究热点。对与阻变存储器来说，研究低功耗的存储器件的努力从未停止，当下研究者主要是通过减小介质层中导电通路的尺寸来抑制reset过程中产生的大电流，但效果不是很理想，并且当导电通路的尺寸被缩小后，其不稳定性就会增强，器件低阻态的数据保持特性就会变差，所以目前来看，运用减小导电通路尺寸来达到低功耗这个办法和器件的数据保持特性之间存在一个矛盾。如何巧妙地解决这个矛盾，成为真正实现低功耗器件的关键。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种超低功耗阻变非挥发性存储器、该超低功耗阻变非挥发性存储器的制作方法及操作方法，在实现超低功耗的同时，器件还有良好的数据保持特性。

(二)技术方案

为达到上述目的一个方面，本发明提供了一种超低功耗阻变非挥发性存储器，该超低功耗阻变非挥发性存储器包括：Si衬底；形成在该Si衬底之上的SiO₂层；以及在该SiO₂层表面形成的四端电极结构；其中，该四端电极结构包括第一至第四电极，四个电极呈顺时针方向排列，第一及第三电极相对构成上下电极对，第二及第四电极相对构成左右电极对，两个电极对的中心连线相互垂直。

上述方案中，所述第一电极采用Ag电极，所述第二至第四电极采用Pt电极。所述上下电极对中的第一及第三电极之间的距离为500纳米，左右电极对中的第二及第四电极之间的距离为1微米。在测试中，上下电极对中的第一电极与对面的第三电极作为“写入”电极对，而左右电极对中的第二及第四电极则作为“擦除”电极。

为达到上述目的另一个方面，本发明还提供了一种制作超低功耗阻变非挥发性存储器的方法，该方法包括：在清洁硅片上热氧化形成绝缘的二氧化硅作为衬底材料；在二氧化硅表面旋涂电子束光刻胶；对电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，并沉积惰性金属，剥离后形成惰性三端电极；再次旋涂电子束光刻胶，对电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，并沉积活性金属，剥离形成四端结构；旋涂光学光刻胶，对光学光刻胶进行曝光和显影，并沉积惰性金属，剥离后形成接触式大电极。

上述方案中，所述绝缘的二氧化硅的厚度为100纳米。所述在二氧化硅表面旋涂的电子束光刻胶为zep520，旋涂厚度为200纳米。所述对电子束光刻胶进行电子束曝光和显影并沉积惰性金属的步骤中，采用的显影液为N50和异丙醇，时间分别为2分钟和30秒，所沉积的惰性金属为白金(Pt)，采用电子束蒸发，厚度为70纳米。所述再次旋涂电子束光刻胶，对电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，并沉积活性金属的步骤中，所述活性金属为银(Ag)，采用电子束蒸发，厚度为70纳米。所述旋涂光学光刻胶，对光学光刻胶进行曝光和显影，并沉积惰性金属的步骤中，所述光刻胶为9920、5214或者HSQ，旋涂厚度为1.5微米，所沉积的惰性金属为白金，厚度为80纳米。

为达到上述目的再一个方面，本发明还提供了一种操作超低功耗阻变非挥发性存储器的方法，该方法包括：在第一电极和第三电极之间加一个电场，第一电极是活性Ag电极，该电极会在电场作用下离子化且在电场中迁移从而形成连通第一电极与第三电极的金属导电通道，这时候第一电极与第三电极之间处于一个低阻的状态；以及在第二电极和第四电极之间加一个横向的扫描电压，在第二电极和第四电极之间形成横向电场，则之前第一电极与第三电极之间所形成的金属导电通道被横向电场打断。

(三)有益效果

从上述方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供一种简单的平面结构的电阻转变型存储器件，其特有的四端结构和特殊的器件操作方法可以得到极低的功耗。传统两端电阻转变存储器的数据“写入”和“擦除”都是通过同一电极对完成，“写入”数据时，在两个电极之间形成了一个稳定的导电通路使得两电极之间的电阻维持在低阻态，那么在加“擦除”电压激励时，必然会沿着之前形成的导电通路有较大的漏电流存在，而本发明所提供的四端电阻转变存储器“写入”和“擦除”分别采用不同的电极对，因此即便在“写入”后也形成了导电通路，但是由于“擦除”过程使用的电极对不同，并没有较大漏电产生，因此整体功耗较低。

2、本发明的电阻转变型存储器件在有效降低功耗的同时，器件还具有良好的数据保持特性，有效地解决了功耗和数据保持之间的矛盾。这是由于对于传统阻变存储器而言，为了保持良好的数据保持特性，人为地增加“写入”过程中的电流，可以使得低阻态可以更稳定，但是这样一来电流的增加必然带来功耗的提升，因此在良好保持特性和低功耗之前存在矛盾。利用本发明的四端器件，由于可以有效地大幅度降低“擦除”过程中的电流，即便在“写入”过程中增大了电流，整体的功耗也不高。

附图说明

图1是典型电阻转变型存储器“三明治”结构示意图；

图2是典型两端电阻转变型存储器I-V曲线；

图3是本发明提供的超低功耗阻变非挥发性存储器的结构示意图；

图4是本发明提供的制作图3所示超低功耗阻变非挥发性存储器的方法流程图；

图5-1至图5-4是依照本发明实施例的制作图3所示超低功耗阻变非挥发性存储器工艺流程图；

图6是本发明制作的超低功耗阻变非挥发性存储器与常规器件电流对比图；

图7是本发明制作的超低功耗阻变非挥发性存储器的数据保持特性的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的这种超低功耗阻变非挥发性存储器，是平面结构的具有四端电极的电阻转变型存储器件，采用多次光刻、沉积和剥离工艺来制作，如图3所示，该超低功耗阻变非挥发性存储器包括：Si衬底，形成在该Si衬底之上的SiO₂层，以及在该SiO₂层表面形成的四端电极结构，该四端电极结构包括第一电极1、第二电极2、第三电极3和第四电极4，四个电极呈顺时针方向排列，第一电极1及第三电极3相对构成上下电极对，第二电极2及第四电极4相对构成左右电极对，两个电极对的中心连线相互垂直。第一电极采用Ag电极，第二至第四电极采用Pt电极，上下电极对中的第一及第三电极之间的距离在500纳米左右，左右电极对中的第二及第四电极之间的距离在1微米左右。在测试中，上下电极对中的第一电极(Ag电极)与对面的第三电极(Pt电极)作为“写入”电极对，而左右电极对中的第二及第四电极(均为Pt电极)则作为“擦除”电极。

基于图3所示的超低功耗阻变非挥发性存储器，图4示出了本发明提供的制作超低功耗阻变非挥发性存储器的方法流程图，该方法首先在绝缘衬底上采用电子束曝光的办法形成三端结构，然后沉积惰性电极金属，接着电子束曝光套刻第四端电极，沉积活性电极金属，剥离形成四端结构，最后光刻形成外围接触大电极，以便测试使用，该方法具体包括以下：

步骤401：在清洁硅片上热氧化形成绝缘的二氧化硅作为衬底材料；

步骤402：在二氧化硅表面旋涂电子束光刻胶；

步骤403：电子束曝光、显影和沉积惰性金属，剥离形成惰性三端电极；

步骤404：再次旋涂电子束光刻胶，曝光、显影和沉积活性金属，剥离形成四端结构；

步骤405：旋涂光学光刻胶，曝光、显影和沉积惰性金属，剥离形成接触式大电极。

上述步骤401中所述绝缘的二氧化硅的厚度约为100纳米。

上述步骤402中所述电子束光刻胶为zep520，旋涂厚度约为200纳米。

上述步骤403中所述显影液为N50和异丙醇，时间分别为2分钟和30秒，所沉积惰性金属为白金(Pt)，采用电子束蒸发，厚度为70纳米。

上述步骤404中所述活性金属为银(Ag)，采用电子束蒸发，厚度为70纳米。

上述步骤405中所述光刻胶为9920、5214或者HSQ，旋涂厚度约为1.5微米，所沉积惰性金属为白金，厚度为80纳米。所形成接触式大电极以便后续测试需要。

图5-1至图5-4全面地展示了依照本发明实施例的制作超低功耗阻变非挥发性存储器工艺流程图，在本实施例中，是以P型硅为衬底，具体包括：

如图5-1所示，首先对P型硅衬底做超声清洗处理，然后通过干氧氧化的方法在P型硅衬底之上生长一层二氧化硅作为绝缘衬底。

如图5-2所示，在二氧化硅上旋涂电子束光刻胶zep520，时间1分钟，转速为6000转／分钟，这样形成的光刻胶厚度大约为200纳米，然后利用L-edit软件设计好的图形尺寸与布局在电子束曝光系统中进行电子束曝光，当曝光完成后，用N50显影2分钟，异丙醇定影30秒后，由于图形区域的部分受过电子束辐照，使得原本不溶于N50的光刻胶变得溶于N50了，显影后即可形成三端图形。

如图5-3所示，将整个片子置于电子束蒸发系统中，在片子表面蒸发沉积一层金属Pt，由于图形区是凹下去的，所以蒸发的Pt会填充图形区，当然未被显影掉的光刻胶上也有金属Pt，电子束蒸发金属Pt的厚度为70纳米，用丙酮剥离，再次旋涂zep520，同样的条件曝光(此次曝光所采用的版图为Ag电极一端的图形)、显影、沉积金属银，形成第四端。

如图5-4所示，旋涂光刻胶9920，时间1分钟，转速为3000转／分钟，这样形成的光刻胶厚度在1.2微米左右，然后采用之前设计好的光学版图在光学曝光系统中接受紫外线辐照，时间再3.5秒左右，经过紫外线辐照的光刻胶化学性质发生了改变，可以溶于与光刻胶配套的显影液，经过显影以后，图形区的光刻胶被腐蚀掉，形成了凹陷的图形，然后沉积金属Pt，将整个片子浸没在丙酮溶液中，光刻胶开始与丙酮发生化学反应，慢慢溶解，最后沉积在光刻胶上的金属连同光刻胶一起被剥离掉，而沉积在图形区与衬底直接接触的金属没有任何变化，将片子用去离子水冲洗干净即可形成整个器件。

需要注意的是在第一步电子束光刻的时候要在版图中加上两套对准标记，一套给第二次的电子束光刻对准使用，一套给最后的光学光刻对准使用。

图6是本发明制作的超低功耗阻变非挥发性存储器与常规器件电流对比图。可以看出，利用本发明制作的超低功耗阻变非挥发性存储器得到的reset电流要比常规器件低7个数量级，几乎没有reset电流，器件的操作方法也与常规操作不同，在本发明中，利用四端结构，先是在上下电极对(即第一电极和第三电极)之间加一个电场，第一电极是活性Ag电极，该电极会在电场作用下离子化且在电场中迁移从而形成连通第一电极与第三电极的金属导电通道，这时候第一电极与第三电极之间处于一个低阻的状态，之后利用左右电极对，在左右电极对(即第二电极和第四电极)之间加一个横向的扫描电压，在第二电极和第四电极之间形成横向电场，则之前第一电极与第三电极之间所形成的金属导电通道被横向电场打断，传统的阻变存储器只采用一对电极，在擦除过程中会沿着导电通道有较大的漏电，而本发明中擦除过程中所形成的横向电场与之前形成的金属导电通道不重合，所以并不会沿着低电阻的导电通道产生大电流，同时也达到了打断金属导电通道的目的，实现低功耗操作。

图7是本发明制作的超低功耗阻变非挥发性存储器在两个阻态的数据保持特性的示意图，可以看出四端的器件无论是在高阻态还是在低阻态都有较好的数据保持特性，因此可以得出结论，本发明所得的四端电阻转变存储器件在获得较低的功耗的同时兼具良好的数据保持特性。

由上述可知，在本发明的实施例中，制备具有四端的平面电阻转变存储器件确实可以实现低功耗的同时，使得器件具有良好的数据保持特性，很好地解决了功耗和数据保持之间的矛盾。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超低功耗阻变非挥发性存储器，其特征在于，该超低功耗阻变非挥发性存储器包括：

Si衬底；

形成在该Si衬底之上的SiO₂层；以及

在该SiO₂层表面形成的四端电极结构；

其中，该四端电极结构包括第一至第四电极，四个电极呈顺时针方向排列，第一及第三电极相对构成上下电极对，第二及第四电极相对构成左右电极对，两个电极对的中心连线相互垂直；

所述第一电极采用Ag电极，所述第二至第四电极采用Pt电极；

所述上下电极对中的第一及第三电极之间的距离为500纳米，左右电极对中的第二及第四电极之间的距离为1微米；

在测试中，上下电极对中的第一电极与对面的第三电极作为“写入”电极对，而左右电极对中的第二及第四电极则作为“擦除”电极。

2.一种制作权利要求1所述的超低功耗阻变非挥发性存储器的方法，其特征在于，该方法包括：

在清洁硅片上热氧化形成绝缘的二氧化硅作为衬底材料；

在二氧化硅表面旋涂电子束光刻胶；

对电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，并沉积惰性金属，剥离后形成惰性三端电极；

再次旋涂电子束光刻胶，对电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，并沉积活性金属，剥离形成四端结构；

旋涂光学光刻胶，对光学光刻胶进行曝光和显影，并沉积惰性金属，剥离后形成接触式大电极。

3.根据权利要求2所述的制作超低功耗阻变非挥发性存储器的方法，其特征在于，所述绝缘的二氧化硅的厚度为100纳米。

4.根据权利要求2所述的制作超低功耗阻变非挥发性存储器的方法，其特征在于，所述在二氧化硅表面旋涂的电子束光刻胶为zep520，旋涂厚度为200纳米。

5.根据权利要求2所述的制作超低功耗阻变非挥发性存储器的方法，其特征在于，所述对电子束光刻胶进行电子束曝光和显影并沉积惰性金属的步骤中，采用的显影液为N50和异丙醇，时间分别为2分钟和30秒，所沉积的惰性金属为白金(Pt)，采用电子束蒸发，厚度为70纳米。

6.根据权利要求2所述的制作超低功耗阻变非挥发性存储器的方法，其特征在于，所述再次旋涂电子束光刻胶，对电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，并沉积活性金属的步骤中，所述活性金属为银(Ag)，采用电子束蒸发，厚度为70纳米。

7.根据权利要求2所述的制作超低功耗阻变非挥发性存储器的方法，其特征在于，所述旋涂光学光刻胶，对光学光刻胶进行曝光和显影，并沉积惰性金属的步骤中，所述光刻胶为9920、5214或者HSQ，旋涂厚度为1.5微米，所沉积的惰性金属为白金，厚度为80纳米。

8.一种操作权利要求1所述的超低功耗阻变非挥发性存储器的方法，其特征在于，该方法包括：

在第一电极和第三电极之间加一个电场，第一电极是活性Ag电极，该电极会在电场作用下离子化且在电场中迁移从而形成连通第一电极与第三电极的金属导电通道，这时候第一电极与第三电极之间处于一个低阻的状态；以及

在第二电极和第四电极之间加一个横向的扫描电压，在第二电极和第四电极之间形成横向电场，则之前第一电极与第三电极之间所形成的金属导电通道被横向电场打断。