[发明专利]一种忆阻器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种忆阻器及其制备方法，属于半导体器件微纳加工技术领域，方法包括将电阻率满足第一阈值条件、晶向为100的低阻硅片作为低阻硅衬底；在所述低阻硅衬底上制备具有孔阵列的掩膜层；刻蚀所述低阻硅衬底得到具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底，所述具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底作为第一电极层；去除所述掩膜层，在所述具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底上依次沉积介质层和金属层，所述金属层作为第二电极层。本发明在低阻硅衬底和金属层均引入三维锥形结构阵列，使忆阻器的开和关状态更明显、更容易受控，且采用低阻硅衬底直接作为下电极，减少了忆阻器膜层，降低忆阻器漏电的概率，同时可增大忆阻器阵列面积。

技术领域

本发明涉及半导体器件微纳加工技术领域，尤其涉及一种可用于快速制作大面积忆阻器阵列的方法及忆阻器。

背景技术

信息是当今社会重要的资源，存储设备作为信息的存储载体，是各类电子设备的核心部件之一。但现在的存储器件遇到了前所未有的挑战：一方面，半导体晶体管的体积缩小、存储容量和读写速度已将要达到它的物理极限，并伴有芯片发热等现象，稳定性随使用时间下降；另一方面，密集光刻成本的增加以及器件本身存在的缺陷等，都阻碍了集成电路技术的发展。所以，亟需探索一种高速度、低功耗、低成本、性能稳定的新型存储器件。

随着信息量的增加，电子设备对存储器的读写速度及容量要求越来越高，目前人们使用最多的非易失存储器是基于硅材料的闪存(Flash)存储器，它具有较高的存储密度和较低的制造成本。但是，由于其读写速度较慢、忍耐性能较差，需要在较高的电压下进行“写”操作，并且Flash器件的可缩小程度己经到达物理极限，这一系列的缺陷限制了Flash存储器在如今科技发展中的应用。为此，人们开始转寻其它新型的非易失性存储器，其中，具有忆阻行为的阻变存储器(RRAM)得到了广泛的关注，目前忆阻器的研究已成为物理、电子、材料、纳米等领域的前沿和热点，并呈现出多学科交叉相融的特征。研究具有忆阻效应的材料基础性能，已成为当今忆阻器发展浪潮中必不可少的环节。相较其他的非易失存储器，忆阻器所具有操作速度快、耐受性好、数据保留时间长、结构简单等优势，已成为下一代高密度非易失存储器的替代品。

忆阻器通过施加不同的电激励，使材料电阻在高阻与低阻之间发生切换，从而实现数据存储。然而现目前使用的忆阻器结构大多都是平面结构，加载偏置电压后忆阻器的高低阻变化量级不明显，使得不容易对忆阻器的开和关状态进行良好控制。进一步地，现有制备忆阻器的方法中，想要实际形成合适的忆阻器结构并进行薄膜沉积会有一些问题，例如在某些三维结构上会出现沉积薄膜不连续，介质层的绝缘性差而导致加载电压后顶底层容易直接短路等问题，本发明一种制备大面积的高性能忆阻器的方法旨在解决改善上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中在忆阻器上加载偏置电压后忆阻器的高低阻态变化量级不明显，制备较大面积覆盖的多膜层且具有百纳米级三维结构单元阵列的器件成本高且困难，提供一种忆阻器及其制备方法：通过在衬底和金属层引入三维锥形锥形阵列，在相对小的外电压作用下使电化学反应锥形阵列尖端区域发生，忆阻器高低阻变化量级明显，使忆阻器的开、关状态更明显，忆阻器更易受控；进一步地，利用湿法异性刻蚀刻蚀100晶向的低阻基片，由于刻蚀液对单晶硅的100及111晶面上刻蚀速度不同，可以得到角度约54°的锥形结构，在这样有适度倾角的情况下，沉积薄膜时是可以被覆盖的，但如果是盘或柱状的结构，因为倾斜角度大，导致侧面是无法被覆盖做到薄膜连续的；采用磁控溅射法等方法在具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底上沉积二氧化硅等材料能够进一步忆阻器的绝缘效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种忆阻器制备方法，包括以下步骤：

S01：将电阻率满足第一阈值条件、晶向为100的低阻硅片作为低阻硅衬底；

S02：在低阻硅衬底上制备具有孔阵列的掩膜层；

S03：刻蚀低阻硅衬底得到具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底，所述低阻硅衬底作为第一电极层；