CN109994605A - 一种电极结构复用的阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阻变存储器及其制备方法,该阻变存储器从上到下依次是多个上电极，热导率低的绝缘介质层，阻变层，多个下电极层；其中下电极层与阻变层为欧姆接触，绝缘介质薄膜的热击穿电压ET1小于阻变层薄膜的热击穿电压ET2，阻变层需要施加触发电压ETC将阻变层材料的电阻开关功能触发,使阻变层位于高阻态或低阻值态，其中ETC＜ET2，未触发和疲劳时的阻变层为绝缘介质层，本发明得到很小的实际电极，降低了成本，优化了器件，在操作电流/电压大大减小的同时还使阻变存储器的性能参数更加集中，减小波动。该存储器结构解决了目前的当存储器电极下的阻变材料局部失效时，不能够再次利用该电极的问题。
Description
技术领域
本发明属于超大集成规模中半导体非存储器领域，具体涉及一种电极结构复用的阻变存储器及其制备方法
背景技术
阻变存储器是一种通过外加不同极性、大小的电压，改变阻变材料的电阻值，从而存储数据的新型存储器件。基于阻变过程发生的位置，阻变存储器主要分为两类，一类是界面效应阻变存储器，其阻变过程发生在金属/半导体或半导体/半导体的非欧姆接触层界面处，一类是体效应阻变存储器，其上下电极与阻变材料层为欧姆接触，阻变过程发生于阻变材料层中。结构上主要由上电极、阻变层和下电极组成的MIM结构。在目前现有的阻变存储器阵列，通过光刻电极形成上下电极阵列，由上下位置对应的电极及其中间的阻变层作为一个阻变存储器单元构成阻变存储器阵列，当阻变存储器单元中上下电极间的阻变材料失效时，该电极对于的存储单元随机报废，该上下电极不能再被使用。
但是一般情况下，存储器单元中的阻变材料因超过其擦写的最大次数而失效，并不是上下电极间的阻变材料均失效，而仅仅是其中的一小部分失效。以图1为例，在探针施加电信号的情况下，失效部分仅位于探针正下方的，如图中阴影部分所示。但是基于目前的MIM结构的局限性，即使在该电极上移动探针的位置，该阻变存储单元仍不能够使用，只能够更换电极选择其他阻变存储单元，即目前的存储器当电极下的阻变材料局部失效时，不能够再次利用该电极。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种当电极下的阻变材料局部失效时，不能够再次利用该电极阻变存储器及其制备方法。
本发明的结构如图2所示，阻变存储器的结构从上到下依次是多个上电极，热导率低的绝缘介质层，阻变层，多个下电极层；其中下电极层与阻变层为欧姆接触，绝缘介质薄膜的热击穿电压ET1小于阻变层薄膜的热击穿电压ET2。利用探针接触上电极，探针的针尖面积小于电极面积，施加一定的大小的直流电压ET0,其中ET1≤ET0＜ET2，该电压ET0热击穿绝缘层，而在上电极与阻变层之间形成导电通路。阻变层需要施加触发电压ETC将阻变层材料的电阻开关功能触发,使阻变层位于高阻态或低阻值态，其中ETC小于ET2,未触发时的阻变层的电阻值很高，相当于绝缘介质层。阻变层低阻态的阻值R低＜高阻态的阻值R高＜未触发时阻变层阻值R未。
本发明提供的阻变存储器绝缘介质薄膜被热击穿，阻变层薄膜未被损坏，在上电极与阻变层薄膜之间形成电极通路，该导电通路的横截面积即为上电极的有效面积,热击穿形成的电极通路就如尖针一般扎穿了绝缘介质薄膜，扎到了阻变层薄膜上面，从而实现阻变存储器的小电极，减小实际电极面积，降低RESET电流/电压功耗，优化性能。
与常规的通过选择不同电极选择存储器单元的模型不同，本发明中单个存储器单元的模型如图3所示，一个电极单元上理论上具有N个存储单元，N＝S电极/S探针，其中S电极为单个电极面积，S探针为探针的横截面积。绝缘介质薄膜相当于在上电极与阻变层薄膜之间分别设置了N个断开的开关，相当于形成了N路并联的阻变存储，当施加电压的探针在A位置时，施加的直流电压满足ET1≤ET0＜ET2，热击穿发生在上电极的A位置，其下方绝缘介质薄膜热击穿而导通，相当于该上电极与阻变层薄膜之间开关被闭合。后续施加触发电压ETC将阻变层材料的电阻开关功能触发,使阻变层位于高阻态或低阻值态，其中ETC小于ET2。当A路阻变存储器疲劳而失效时，位于A位置下方的阻变材料恢复为未触发时高电阻值，相当于绝缘介质层，该A路阻变存储其相当于断路。探针移动到B位置，分布施加ET0和ETC继续使用B位置下方的阻变材料，实现存储结构和电极的多次利用。
本发明提供的阻变存储器，其制备方法和使用方法为：
1)在支撑衬底上依次制备多个欧姆接触下电极层、在多个下电极上制备阻变层；
2)在所述阻变层上制备绝缘介质层，其中绝缘介质层的热击穿电压ET1小于阻变层ET2，阻变层需要施加触发电压ETC将阻变层材料的电阻开关功能触发，其中ETC小于ET2,阻变层未触发和疲劳时相当于绝缘层；
3)在所述绝缘介质层上制备多个上电极；
4)利用针尖面积小于上电极面积的探针，在一个上电极的第一位置施加直流电压ET0,其中ET1≤ET0＜ET2，热击穿绝缘介质薄膜，在上电极与阻变层薄膜之间形成一条导电通路，一条导电通路的截面面积即为上电极的有效面积，施加触发电压ETC将阻变层材料的电阻开关功能触发；
5)当第一位置下方的阻变材料失效时，移动探针到第二位置再次进行绝缘介质层热击穿和阻变性质触发。
进一步的，所述绝缘介质薄膜为热导率低的有机树脂膜，优选为BCB(苯并环丁烯)膜。
进一步的，所述阻变层薄膜的材料为单层或多层；所述下电极层为Pt。
进一步的，所述绝缘介质薄膜为射频溅射制备的私Si3N4或Al2O3,，薄膜厚度为5-10nm。
进一步的，所述绝缘介质薄膜为阳极氧化制备的TiO2,薄膜厚度为5-10nm。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本方法使用常规的技术工艺成本，就可以得到很小的实际电极，降低了成本，优化了器件，在操作电流/电压大大减小的同时还使阻变存储器的性能参数更加集中，减小波动。该存储器结构解决了目前的存储器当电极下的阻变材料局部失效时，不能够再次利用该电极的问题。
附图说明
图1为阻变材料失效位置示意图；
图2为本发明结构图；
图3为本发明单个存储器单元的模型图。
具体实施方式
下面通过实施进一步详细描述本发明，但这并非是对本发明的限制，根据本发明的基本思想，可以做出各种修改和改进，但只要不脱离本发明的基本思想，均在发明的范围之内。
选铜片作为下电极，在其上利用磁控溅射的方法沉积氮化硼薄膜作为阻变层，厚度约为50nm；通过PVD工艺利用掩膜板沉积多个约150nm厚的铝金属上电极。电学特性通过半导体参数分析仪测试，该器件为一种单极性阻变存储器件，可以实现单极性操作，其RESET电压为集中分布在1.3V左右，分布区间为正负0.3V，即RESET电压分布在1-1.6V,其中集中分布在1.3V左右。
在相同的制备工艺条件下，在上电极和阻变层之间利用热氧化工艺制备5nm后的氧化铝绝缘层，该器件为一种单极性阻变存储器件，可以实现单极性操作，其RESET电压为集中分布在0.7V左右，分布区间为正负0.2V，即Reset电压分布在0.9-0.5V,其中分布在0.7V左右。选择一上电极，固定探针位置，当其循环失效后，选择该上电极其他位置固定探针，但仍选择能够实现单极性操作，且数据无大的波动。
Claims (8)
1.一种阻变存储器，其特征在于，从上到下依次是多个上电极，热导率低的绝缘介质层，阻变层，多个下电极层；其中下电极层与阻变层为欧姆接触，绝缘介质薄膜的热击穿电压ET1小于阻变层薄膜的热击穿电压ET2，阻变层需要施加触发电压ETC将阻变层材料的电阻开关功能触发,使阻变层位于高阻态或低阻值态，其中ETC＜ET2，未触发和疲劳时的阻变层的电阻值很高，相当于绝缘介质层。
2.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，利用探针接触上电极，探针的针尖面积小于电极面积，施加一定的大小的直流电压ET0,其中ET1≤ET0＜ET2，该电压ET0热击穿绝缘层，而在上电极与阻变层之间形成导电通路，该导电通路的截面积即为上电极的有效面积。
3.如权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于，阻变层低阻态的阻值R低＜高阻态的阻值R高＜未触时阻变层阻值R未。
4.如权利要求3所述的阻变存储器，其特征在于，绝缘介质薄膜为热导率低的有机树脂膜，优选为BCB(苯并环丁烯)膜。
5.如权利要求4所述的阻变存储器，其特征在于，所述绝缘介质薄膜为射频溅射制备的私Si3N4或Al2O3,薄膜厚度为5-10nm。
6.如权利要求5所述的阻变存储器，其特征在于，所述绝缘介质薄膜为阳极氧化制备的TiO2,薄膜厚度为5-10nm。
7.如权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变层薄膜的材料为单层或多层。
8.一种如权利要求1-7任一所述的阻变存储器的制备方法,其特征在于由以下步骤制备完成，
1)在支撑衬底上依次制备多个欧姆接触下电极层、在多个下电极上制备阻变层；
2)在所述阻变层上制备绝缘介质层，其中绝缘介质层的热击穿电压ET1小于阻变层ET2，阻变层需要施加触发电压ETC将阻变层材料的电阻开关功能触发，其中ETC小于ET2,阻变层未触发和疲劳时相当于绝缘层；
3)在所述绝缘介质层上制备多个上电极；
4)利用针尖面积小于上电极面积的探针，在一个上电极的第一位置施加直流电压ET0,其中ET1≤ET0＜ET2，热击穿绝缘介质薄膜，在上电极与阻变层薄膜之间形成一条导电通路，一条导电通路的截面面积即为上电极的有效面积，施加触发电压ETC将阻变层材料的电阻开关功能触发；
5)当第一位置下方的阻变材料失效时，移动探针到第二位置再次进行绝缘介质层热击穿和阻变性质触发。
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