[发明专利]超低功耗阻变非挥发性存储器、其制作方法及操作方法

说明书

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。