专利名称：阻变存储器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件领域，具体来说，涉及一种阻变存储器及其制备方法。
背景技术：
阻变存储器(RRAM，RESISTANCERANDOM 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，COMPLEMENTARYMETALOXIDE 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MM (金属电极-阻变材料-金属电极)结构，如图1所示，由位于衬底11之上层叠设置的底电极12、阻变材料13和顶电极14组成。阻变存储器是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，来实现数据存储的。如图1所示，当在阻变存储器的底电极12与顶电极14加电压时，在外加电场作用下，阻变材料13的氧空位发生迁移以及发生电化学反应，从而产生电阻变化。但是产生电阻变化的同时会有相应的操作电流产生，操作电流会对阻变存储器器件带来一定的功耗，从而降低阻变存储器器件的性能。为了降低阻变存储器的功耗，提高阻变存储器器件的性能，需要减小阻变存储器在外加电压时产生的操作电流
发明内容
本发明实施例提供了一种阻变存储器及其制备方法，能够减小操作电流，降低阻变存储器器件的功耗，提高阻变存储器器件的性能。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，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生长在所述衬底表面，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，包括在衬底之上淀积电极材料；刻蚀所述电极材料，形成相互分离且相对设置的第一电极和第二电极；在所述第一电极和第二电极之间淀积阻变材料；以所述第一电极和所述第二电极作为停止层，对所述阻变材料进行化学机械抛光处理，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，本发明实施例所提供的阻变存储器，将传统的形成于衬底上垂直方向层叠设置的阻变存储器的结构，改为形成于衬底表面上水平方向设置的阻变存储器，大大减小了电极与阻变材料的接触面积，在外加电场作用下，形成的氧空位的面积减小，从而在很大程度上减小了操作电流。同时，在制备方法上，使用传统的制作工艺即可完成，无须增加制作成本，而且，与制作传统的阻变存储器相比，更加简化了制作的工艺步骤。
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为现有技术阻变存储器的结构示意图；图2为本发明一个实施例的阻变存储器的结构示意图；图3为本发明一个实施例的阻变存储器的立体图；图4为制备本发明实施例阻变存储器的方法流程图；图51为制备本发明实施例阻变存储器的示意图。
具体实施例方式为了满足阻变存储器大规模集成应用的要求，阻变存储器的操作电流越小越好，根据阻变存储器的工作原理， 当阻变存储器的有效电极面积(所述有效电极面积，指两电极与阻变材料共同接触，并且在外加电场作用下，阻变材料能够发生作用的部分的面积)越小时，操作电流也相应的越小，因此缩小阻变存储器的有效电极面积，就成为减小阻变存储器操作电流最有效的方法之一。而在现有制作技术中，位于衬底之上，层叠设置的阻变存储器，顶电极和底电极分别与阻变材料的接触面的面积，最小只能达到I μ m*l μ m，若实现更小的面积，制作成本会有所增加，而且在制作工艺上会产生困难。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有效电极面积，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，表示装置结构的示意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2，为本发明一个实施例的阻变存储器的结构示意图。所述阻变存储器包括第一电极22、阻变材料24和第二电极23，所述第一电极22、阻变材料24和第二电极23均生长在衬底21表面，其中，所述衬底21可以是多晶硅衬底也可以是其他半导体衬底。
所述第一电极22和所述第二电极23相对设置，所述阻变材料24位于所述第一电极22和所述第二电极23之间，且同时与所述第一电极22和所述第二电极23接触。其中，所述第一电极22与所述衬底21的接触面221面积大于所述第一电极22与所述阻变材料24相接触的第一接触面222的面积。即，若所述第一电极22为长方体，所述长方体的长和宽所在的底面(即接触面221)与衬底21相接触，宽和高所在的侧面(即第一接触面222)与阻变材料24相接触，该长方体的长大于高。所述第二电极23与所述衬底21的接触面231面积大于所述第二电极23与所述阻变材料24相接触的第二接触面232的面积。即，若所述第二电极23为长方体，所述长方体的长和宽所在的底面(即接触面231)与衬底21相接触，宽和高所在的侧面(即第二接触面232)与阻变材料24相接触，该长方体的长大于高。需要指出的是，本发明实施例仅为示例，第一电极、阻变材料和第二电极的形状不仅限于长方体，还可以为其他任意适合的形状，在此不作限制。该阻变存储器可以同时包括具有上述特征的第一电极和第二电极，也可以只包括具有上述特征的第一电极，而第二电极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，而第一电极的具体特征不做限定，只要阻变存储器的有效电极面积减小即可。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，只要第一电极的侧面面积小于第一电极的下表面面积，或者第二电极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有效电极面积，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沉积的厚度即可，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要工艺上容易的多。
此外，形成所述第一电极和所述第二电极的材料可以为任意已知的或者即将出现的适合用作电极的材料，例如Pt、Ti或者Al ;所述阻变材料的材料可以为任意已知的或者即将出现的适合用作阻变材料的材料，例如TaO、AlO或者HfO。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，从而获得了有效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，减小了对阻变存储器性能的影响。还请参阅3，为本发明一个实施例的阻变存储器的立体图。本实施例中，该阻变存储器的第一电极32、阻变材料34和第二电极33错位排列，其中，所述第一电极32的第一接触面322的面积小于所述第一电极32的第一侧面面积321，所述第一侧面321为所述第一接触面322所在的侧面，所述第二电极33的第二接触面332的面积小于所述第二电极33的第二侧面面积331，所述第二侧面331为所述第二接触面332所在的侧面。需要指出的，所述第一电极32或所述第二电极33与衬底的接触面积可以为微米级，最小面积为I μ m*l μ m，而所述第一电极32的第一侧面321和所述第二电极33的第二侧面331的面积可以为纳米级，而且电极的厚度最小可以为几纳米，本发明实施例所提供的形成于衬底31表面上的阻变存储器，很大程度减小了阻变存储器的有效电极面积，而所述第一电极32和第二电极33错位设置，使得所述阻变材料与两电极的接触面积进一步减小，进一步缩小了有效电极面积，从而使得操作电流更小，减小了功耗，进一步提高了阻变存储器的性能。与现有技术相比，本发明实施例所提供的阻变存储器，阻变材料与电极之间的接触面积为纳米级，同时，电极之间的错位设置，更大大减小了阻变存储器的有效电极面积，从而很大程度上减小了阻变存储器的操作电流，减小了功耗，提高了阻变存储器的器件性倉泛。如图4，为制备本发明实施例阻变存储器的方法流程图。该方法可以包括以下步骤步骤401，在衬底之上淀积电极材料。如图5所示，通过化学气相沉积法或者物理气相沉积法，在衬底41之上淀积电极材料。其中，所述电极材料45为任意已知或者即将出现的适合用作电极的材料，例如Pt, Ti或者Al ;所述电极材料淀积在衬底41上的厚度可以从几个纳米到上百个纳米，本发明对此不作限制。步骤402，刻蚀所述电极材料，形成相互分离且相对设置第一电极和第二电极。如图6所示，通过干法刻蚀或者湿法刻蚀刻蚀所述电极材料，形成相互分离的且相对设置的第一电极42和第二电极43。本步骤中，进一步的，还可以利用掩膜版将第一电极和第二电极的窗口预留出，然后通过光刻的方式刻蚀所述第一电极和第二电极掩膜版之外的部分，使得刻蚀完成后的第一电极和第二电极形成错位的结构，该错位结构使得第一电极的第一侧面与第二电极的第二侧面部分相对，从而能进一步减小阻变存储器的有效电极面积。步骤403，在所述第一电极和第二电极之间淀积阻变材料。该步骤具体可以为在衬底及其上的第一电极和第二电极之上淀积阻变材料。如图7所示，通过化学气相沉积法或者物理气相沉积法，在所述衬底41及其上的第一电极42和第二电极43之上淀积阻变材料。其中，所述电极材料的材料为任意已知的或者即将出现的适合用作阻变材料的材料，例如:Ta0、A10或者HfO0步骤404，以所述第一电极和所述第二电极作为停止层，对所述阻变材料进行化学机械抛光处理，形成阻变存储器。如图8所示，以所述第一电极42和所述第二电极43为停止层，对所述阻变材料44进行化学机械抛光处理，使阻变材料44与所述第一电极42和第二电极43在所述衬底41之上的厚度相同。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。该阻变存储器的结构与前述实施例中的阻变存储器的结构类似，此处不再赘述。
需要指出的是，若形成的所述第一电极42与所述第二电极43错位设置，则该阻变存储器的有效电极面积为所述第一电极42和所述第二电极43之间重叠部分的面积，淀积在所述重叠部分之外的阻变材料，可以通过干法刻蚀或者湿法刻蚀去除，但是所述淀积在所述重叠部分之外的阻变材料，在阻变存储器的使用中不会产生影响，所以也可以保留。与现有技术相比，本发明实施例所提供的阻变存储器，将传统的形成于衬底上垂直方向层叠设置的阻变存储器的结构，设置为形成于衬底表面上水平方向设置的阻变存储器，减小了电极与阻变材料的接触面积，在外加电场作用下，形成的氧空位的面积减小，从而在很大程度上减小了操作电流。而且，通过将两电极相互错位设置，使第一电极和第二电极部分重叠，可以进一步减小阻变存储器的有效电极面积，进一步在外加电场作用下，阻变存储器减小产生的操作电流。同时，在制备方法上，使用传统的制作工艺即可完成，无须增加制作成本，而且，与制作传统的阻变存储器相比，更加简化了制作的工艺步骤。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。
权利要求
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生长在所述衬底表面，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，所述第一电极、阻变材料和第二电极错位排列，其中，所述第一电极的第一接触面的面积小于所述第一电极的第一侧面面积，所述第一侧面为所述第一接触面所在的侧面，所述第二电极的第二接触面的面积小于所述第二电极的第二侧面面积，所述第二侧面为所述第二接触面所在的侧面。
3.如权利要求1或2所述的阻变存储器，其特征在于，所述第一电极、阻变材料和第二电极均为长方体。
4.如权利要求1或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在所述衬底上的生长厚度均相同且均小于I μ m。
5.如权利要求1或2所述的阻变存储器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材料为下列之一Pt,Ti,AL·
6.如权利要求1或2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TaO, A10, HfO0
7.一种阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括在衬底之上淀积电极材料；刻蚀所述电极材料，形成相互分离且相对设置的第一电极和第二电极；在所述第一电极和第二电极之间淀积阻变材料；以所述第一电极和所述第二电极作为停止层，对所述阻变材料进行化学机械抛光处理，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，所述第一电极、阻变材料和第二电极错位排列，其中，所述第一电极的第一接触面的面积小于所述第一电极的第一侧面面积，所述第一侧面为所述第一接触面所在的侧面，所述第二电极的第二接触面的面积小于所述第二电极的第二侧面面积，所述第二侧面为所述第二接触面所在的侧面。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材料为下列之一Pt,Ti,AL·
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阻变材料的材料为下列之一Ta0`A10`Hf0。
全文摘要
本发明实施例公开了一种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生长在所述衬底表面，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，大大减小了电极与阻变材料的接触面积，从而在很大程度上减小了操作电流。
文档编号H01L45/00GK103035839SQ20121055534
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者蔡一茂, 毛俊, 黄如, 王宗巍, 刘业帆, 余牧溪 申请人:北京大学