[发明专利]一种小电极结构阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超大集成规模中半导体阻变存储器领域，具体涉及一种能够缩小存储器电极面积的阻变存储器及其制备方法。

背景技术

半导体存储器是各种电子设备系统不可缺少的组成部分，广泛运用于各种移动，便携式设备，如手机，笔记本，掌上电脑等。而由于近些年便携式，移动式电子设备的快速发展，各种性能的存储器在市场上占据的地位也越来越高，这也进一步促进了人们对于存储器领域的研究和思考。

目前，市场上的存储器有一部分是基于掺杂(如硼，磷)的多晶硅栅做浮置栅极(floatinggate)与控制栅极(control gate)的浮栅闪存(Floating Gate Flash Memory)。闪存在最近二十年得到迅猛发展，但是随着闪存单元尺寸的急剧缩小，闪存的等比例缩小面临巨大挑战，特别是进入45nm技术节点以后，闪存单元之间的距离缩小，导致单元之间的干扰加重，对存储器的可靠性带来严重影响。

相比之下，阻变存储器以其稳定性好，可靠性强，结构简单，CMOS工艺兼容等特点，越来越为世人所关注。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。结构上主要由上电极阻变材料和下电极组成，如图1所示。如今，越来越多的科研人员已经投入到阻变存储器的研究中。为了适应越来越高的要求，人们希望阻变存储器的操作电流，尤其是从低阻到高阻(reset操作)的电流越小越好。减小其操作电流有很多种方法，而缩小实际电极面积就是其中之一

现有的阻变存储器结构一般为MIM结构或者十字交叉结构，MIM结构就是指上下电极中间夹着阻变材料的结构，类似于电容。十字交叉结构就是上下两个细长电极相互垂直交叉，在交叉的重合面积之间填充阻变材料。无论是哪种结构，本质上都是MIM(金属电极-阻变材料-金属电极)的类似于电容的形式。现在的阻变存储器(下文用RRAM代指)需要低的操作电流，方法之一就是减小电极面积。电极面积越小，加载在阻变材料上电场的有效面积就小，形成的导电细丝更加集中更少，操作电流就小，同时还使RRAm的性能参数更加集中，减小波动。现有的技术遇到的瓶颈就是难以把电极做得更小，尤其是达到百纳米和十纳米级别，需要花的代价很大且不稳定。

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小电极结构阻变存储器及其制备方法，通过缩小顶电极与阻变材料的接触面积，从而实现操作电流的缩小。

本发明的结构如图2所示，此阻变存储器的结构从上到下依次是Al电极，SiO₂层，Si层，氧化铪阻变层，Pt电极。其中Al是顶电极，铂是底电极，氧化铪是阻变材料；Al电极、SiO₂层、Si层作为本结构的上电极，氧化铪为本结构的阻变材料层。本结构设计原理如图3所示，其利用了Si在Al中有较大的溶解度，而Al在Si中的溶解度相当小，以致可以忽略这一点。在传统的MOS工艺中，栅电极用Al的时候，因为SiO₂栅氧化层有缺陷，某些局部Al可以通过SiO₂的缺陷渗入到下面的硅层。而Si极易溶解于Al中，导致了通过SiO₂层渗下来的Al周围，Si都溶解入Al中，Si溶解后的空位由渗下来的Al补充。慢慢Al就如小尖刺一般插入Si中。通过设计合适的Si层厚度，工艺条件(退火温度等)，使得Al小尖刺能扎穿Si层，又不至于整面的吸走Si，这样一来，顶电极Al就如尖针一般扎穿了SiO₂和Si层，扎到了阻变材料氧化钽上面，从而实现阻变存储器的小电极，减小实际电极面积，降低电流功耗。优化性能。

本发明的技术方案为：

一种小电极结构阻变存储器，其特征在于依次包括Al电极层、SiO₂层、Si层，阻变层和下电极层；其中，Al电极层与阻变层通过一个或多个导电通道电连接，所述导电通道为Al经SiO₂层缺陷渗入到Si层而使Si溶解于Al形成的。

一种小电极结构阻变存储器制备方法，其步骤为：

1)在沉底上依次制备一下电极层、一阻变层；

2)在所述阻变层上依次制备一Si层、一SiO₂层；

3)在所述SiO₂层上制备一Al电极层；

4)对上述所得结构进行退火处理，使Al电极层与阻变层之间形成一个或多个导电通道；

所述导电通道为Al经SiO₂层缺陷渗入到Si层而使Si溶解于Al形成。