一種晶片及其製備方法

2023-04-26 14:10:51

專利名稱：一種晶片及其製備方法
技術領域：
本發明屬於存儲技術領域，尤其涉及一種用於高密度非易失性存儲的晶片及其製備方法。
背景技術：
近年來，人們一直在追求一種通用的信息存儲技術，這種技術要結合快閃記憶體的非易失性(即斷電後數據可保持的特性)和內存的高速讀寫特性，同時還應具有低功耗，能實現高密度存儲的特徵。阻變器件是一種基於納米離子效應的新型存儲器件。在這種器件中， 材料中的離子在電場作用下發生遷移從而改變器件電阻。簡單來說，離子移動改變器件電阻的方式可以分為兩種，一種是由於離子遷移在絕緣材料中形成導電通道，通道的斷裂和恢復引起器件電阻變化，這種器件被稱為燈絲型阻變器件；另外一種是離子的移動改變了金屬/絕緣體界面勢壘引起器件電阻變化，這種器件被稱為界面型阻變器件。阻變器件很有潛力，成為人們追求的一種通用存儲技術，因為阻變效應具有高速度和非易失的特點，而且在納米尺度下更加顯著，展現出可用於高密度、低功耗存儲的巨大潛力。目前，基於阻變器件的電路結構可分為兩種，一種是無源架構，一種是有源架構。 兩者的區別在於，有源架構中每個阻變存儲單元與一個控制電晶體相連，而無源架構中的存儲單元沒有連接其他器件。無源架構使用的是一種被稱為交叉陣列的結構，這種結構中， 底電極是相互平行的帶狀金屬電極，頂電極也是相互平行的帶狀金屬電極，底電極與頂電極相互垂直。在頂電極和底電極之間的是阻變材料，一般為各種氧化物。通常利用各種刻蝕方法使得只在上下金屬帶電極交叉的地方保留阻變材料，從而在交叉點處形成一個結構為金屬/氧化物/金屬的基本存儲單元。無源的交叉陣列由於結構簡單，製備容易，陣列中不包含電晶體等因素非常有希望成為實際應用的高密度阻變存儲架構。目前一些演示性晶片已經被製備出來。然而無源的交叉陣列仍然有一些問題需要解決，其中一個就是旁路電流的問題。 圖1展示了交叉陣列中的旁路電流問題。旁路電流不僅增加了晶片的功耗，制約了晶片容量的增大，更重要的是旁路電流可以引起誤讀。如圖1所示，一個需要讀取的存儲單元處於高阻態，如果在它周圍有一條全由低阻單元組成的旁路，在讀取的過程中旁路流過的電流可能遠大於高阻單元的電流。旁路電流最終與來自高阻單元的電流匯合在一起從而使外圍電路誤以為讀取的是一個低阻單元，這樣就造成了誤讀。在大容量晶片中，旁路的數量可能不止一條，這樣誤讀的問題就更嚴重了。目前已經有人提出採用存儲單元串聯可兼容的整流二極體或者閥值開關(一種只在一定電壓區間導通的開關)來解決單級阻變器件(器件電阻變化由電壓大小控制的阻變器件)的旁路電流問題。然而解決雙極阻變器件(器件電阻變化由電壓方向控制的阻變器件)的旁路電流問題的方法仍然不多。

發明內容
針對上述雙極阻變器件的旁路電流問題，本發明提供一種晶片，該晶片的基本存儲單元是一種阻變存儲器件，該阻變存儲器件具有一種新的阻變特性，這種特性能使器件在用於無源交叉陣列時可以解決旁路電流的問題，避免誤讀現象的發生。該晶片的容量大幅度提高，同時降低了器件的寫入電流，從而降低晶片功耗。本發明的另一目的為提供上述晶片的製備方法。本發明的技術解決方案為一種晶片，包括基本存儲單元，所述基本存儲單元為一種阻變存儲器件，該阻變存儲器件包括導電的摻雜氧化物襯底，在所述摻雜氧化物襯底的相對兩側面分別設有由第一金屬材料和第二金屬材料製成的金屬電極，形成第一金屬電極 /摻雜氧化物襯底/第二金屬電極的結構形式，其中所述第一金屬電極和第二金屬電極與摻雜氧化物襯底均形成接觸勢壘。即所述第一金屬材料和第二金屬材料的功函數要大於所使用摻雜氧化物的功函數，這樣才會形成接觸勢壘。所述第一金屬材料為鉬或金，第二金屬材料為銅、銀、銦、鋁或鈦，摻雜氧化物襯底為0. 001%-2%鈮摻雜的鈦酸鍶。對上述技術方案的改進為所述第一金屬材料為鉬或金，第二金屬材料為銅或銀， 摻雜氧化物襯底為0. 05%-1%鈮摻雜的鈦酸鍶。對上述技術方案的進一步改進為所述摻雜氧化物襯底為0. 1%鈮摻雜的鈦酸鍶。所述摻雜氧化物襯底經過雙面拋光處理，形成非常光滑的表面，這樣更利於與金屬電極之間形成所需勢壘。所述第一金屬電極和第二金屬電極為厚度是20-300納米，直徑為300微米的圓柱型電極。本發明還提供一種晶片的製備方法，其特徵在於主要包括以下步驟
第一步，用丙酮、酒精或去離子水清洗帶有二氧化矽層的矽片或其他絕緣基片； 第二步，烘乾清洗過的帶有二氧化矽層的矽片或其他絕緣基片； 第三步，在上述襯底上沉積第一金屬材料；
第四步，將上述沉積的第一金屬材料刻蝕成相互平行的條狀底電極； 第五步，在上述條狀電極上沉積摻雜氧化物並對其進行刻蝕，只保留底電極上面的
部分；
第六步，沉積第二金屬材料；
第七步，將上述沉積的第二金屬材料刻蝕成與上述條狀底電極垂直的相互平行的條狀頂電極；
第八步，對摻雜氧化物進行刻蝕，只保留條狀頂電極下方的摻雜氧化物。對上述第一金屬材料和第二金屬材料沉積的順序可以對調。上述金屬材料和摻雜氧化物的沉積使用的是磁控濺射、原子層沉積或熱蒸發方式寸。對上述製備方法的進一步改進為在所述第三步和第六步沉積金屬材料過程中使用金屬掩模板製備相互平行的條狀電極，同時減掉第四步和第七步，使製備工藝更加簡單。本發明提供的晶片採用具有新的阻變特性的阻變存儲器件，其能使器件在用於無源交叉陣列時可以解決旁路電流的問題，避免誤讀現象的發生，使該晶片容量大幅度提高， 同時降低了器件的寫入電流，從而降低晶片功耗。


圖1為無源交叉陣列中的旁路電流示意圖2為本發明阻變存儲器件結構及測試電路示意圖； 圖3為具有不可讀電壓窗口的雙極阻變器件電流電壓回線示意圖； 圖4為本發明阻變存儲器件的電流電壓回線圖5為正負偏壓對阻變存儲器件電流電壓回線的影響，箭頭指示回線掃描開始的方
向；
圖6為不同正向電壓幅值的回線；
圖7為不同負向電壓幅值的回線；
圖8為脈衝模式下不同讀取電壓的重複讀寫結果；
圖9為高組態和低阻態下讀取電流對讀取電壓的依賴關係示意圖10為阻變存儲器件的抗疲勞特性示意圖11為阻變存儲器件的寫入電流的數值示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的說明。本實施方式的晶片，包括基本存儲單元，所述基本存儲單元為一種阻變存儲器件， 該阻變存儲器件包括導電的摻雜氧化物襯底，在所述摻雜氧化物襯底的相對兩側面分別設有由第一金屬材料和第二金屬材料製成的金屬電極，形成第一金屬電極/摻雜氧化物襯底 /第二金屬電極的結構形式，如圖2所示。其中所述第一金屬電極和第二金屬電極與摻雜氧化物襯底均形成接觸勢壘。即所述第一金屬材料和第二金屬材料的功函數要大於所使用摻雜氧化物的功函數，這樣才會形成接觸勢壘。上述存儲器件不同於其他器件的地方在於它同時利用兩個金屬/摻雜氧化物界面產生了一種新的阻變特性。這種特性使得器件在用於無源交叉陣列時可以解決旁路電流的問題，避免誤讀現象的發生，可以使基於阻變器件的採用無源交叉陣列的非易失性存儲晶片的容量大幅度提高。同時新的器件很大程度上降低了器件的寫入電流，能夠降低晶片功耗。該發明可以使基於無源交叉陣列的高密度非易失性阻變存儲技術快速走向實際應用。上述選用的第一金屬材料和第二金屬材料必須不同以保證兩個界面勢壘是不同的。以上要求保證器件中的兩個金屬/摻雜氧化物界面在阻變過程中同時發揮作用，使得器件表現出新穎的阻變特性。電極的尺寸可以根據晶片的要求設計。作為示例，我們製備了厚度為20-300納米，直徑為300微米的圓柱型電極。頂電極為鉬或金，底電極為銅或銀。 襯底優選的是雙拋的0. 1% Nb (鈮)摻雜的SrTi03 (鈦酸鍶)襯底。其中鈮的含量也可以是 0. 05%-1%，甚至可以達到0. 001%- ，在此不做贅述，僅以最優選鈮的含量為例說明。圖2 展示了器件的基本結構。圖3展示了在雙極阻變器件的電流-電壓回線中具有一個不可讀的電壓窗口可以解決旁路電流的問題，箭頭指示回線的方向。如圖1所示，黑色方框的存儲單元為待讀取的高阻單元，白色方框的存儲單元處於低阻態。Iread為流經讀取路徑的電流，Isneak為流經旁路的電流。容易看出加在待讀取單元上的讀電壓Vk同時加在旁路上，每個旁路單元上的分壓在理想情況下為讀電壓的三分之一。從圖1可以看出，用於讀取高阻器件的讀電壓Vk同時也加在旁路上，在旁路電流最嚴重(即最大)的情況下，旁路上共有三個處於低阻態的單元，在不考慮電極電阻的理想情況下，每個低阻單元上所加電壓為^/3。這樣的話，如果我們在雙極阻變器件的電流電壓回線中引入一個不可讀的電壓窗口，只要我們保證±VK/3剛好落在這個窗口內，旁路電流就可以大大減小，誤讀就可以被避免。對於其他包含三個以上存儲單元的旁路，讀電壓在每個單元上的分電壓絕對值小於I VE/3 I，該不可讀窗口完全可以避免這些旁路中產生較大的電流，從而避免誤讀的發生。實際應用中必須考慮電極電阻，此時每個存儲單元上的分壓小於理想情況，以上結論仍然是成立的。我們製備的器件正好具有這樣的不可讀電壓窗口。圖4展示了器件的電流-電壓特性。在器件的電流-電壓回線中，具有個不可讀電壓窗口。在這個窗口中，每一個電壓值讀取的電流值都很小，換句話說用這個窗口中的電壓讀取的器件狀態始終是高阻態。該器件的不可讀電壓窗口覆蓋了 0伏左右的電壓範圍， 正如圖3示意的一樣。因此器件具有避免旁路電流的特性。這個器件的另一個特點是讀取的單向性。如圖5所示，器件的正向曲線並不因為之前對器件所加偏壓而發生變化，無論之前施加正電壓還是負電壓，正向曲線幾乎沒有變化。因此不能選用正電壓作為讀取電壓VK。 不同的是負向曲線明顯受之前所加偏壓的控制，正的偏壓之後測得一個巨大的負向回線， 負向偏壓之後測得一個高阻的微弱回線。這就是說，只能選用一個負電壓作為器件的讀電壓。確定讀電壓之後，正向偏壓可以將器件設置為低阻態，而負向電壓可以將器件設置為高阻態。圖6和圖7顯示器件可以用於多級存儲，器件的電阻是連續變化的，具有模擬器件的特性。由於實際應用中，讀寫操作總是以電脈衝的方式進行的。圖8和圖9顯示了了使用脈衝的方式對器件進行讀寫操作時，不同讀電壓的讀取結果。我們發現在脈衝讀寫模式下，小於-0. 3V的讀電壓可以讀取器件的高低組態信息，而大於-0. 3V的讀電壓則始終讀取到同樣的高阻狀態。這就是說，我們可以選用-0. 9V至-0. 3V之間的電壓作為讀電壓Vk，從而使VK/3大於-0.3V，避免誤讀的發生。圖10顯示了在脈衝模式下的重複讀寫操作，表明器件具有較好的重複讀寫特性。圖11表明器件的寫入電流小於1毫安，遠小於基於單個金屬/氧化物界面的阻變器件的寫入電流(約為十幾至幾十毫安)。本實施方式涉及的一種晶片的製備方法，其特徵在於主要包括以下步驟
第一步，用丙酮、酒精或去離子水清洗帶有二氧化矽層的矽片或其他絕緣基片； 第二步，烘乾清洗過的帶有二氧化矽層的矽片或其他絕緣基片； 第三步，在上述襯底上沉積第一金屬材料；
第四步，將上述沉積的第一金屬材料刻蝕成相互平行的條狀底電極； 第五步，在上述條狀電極上沉積摻雜氧化物並對其進行刻蝕，只保留底電極上面的
部分；
第六步，沉積第二金屬材料；
第七步，將上述沉積的第二金屬材料刻蝕成與上述條狀底電極垂直的相互平行的條狀頂電極；
第八步，對摻雜氧化物進行刻蝕，只保留條狀頂電極下方的摻雜氧化物。對上述第一金屬材料和第二金屬材料沉積的順序可以對調。上述金屬材料和摻雜氧化物的沉積使用的是磁控濺射、原子層沉積或熱蒸發方
6式。 對上述製備方法的進一步改進為在所述第三步和第六步沉積金屬材料過程中使用金屬掩模板製備相互平行的條狀電極，同時減掉第四步和第七步，使製備工藝更加簡單。
權利要求
1.一種晶片，包括基本存儲單元，其特徵在於所述基本存儲單元為一種阻變存儲器件，該阻變存儲器件包括導電的摻雜氧化物襯底，在所述摻雜氧化物襯底的相對兩側面分別設有由第一金屬材料和第二金屬材料製成的金屬電極，形成第一金屬電極/摻雜氧化物襯底/第二金屬電極的結構形式，其中所述第一金屬電極和第二金屬電極均與摻雜氧化物襯底形成接觸勢壘。
2.根據權利要求1所述的晶片，其特徵在於所述第一金屬材料為鉬或金，第二金屬材料為銅、銀、銦、鋁或鈦，摻雜氧化物襯底為0. 001%- 鈮摻雜的鈦酸鍶。
3.根據權利要求2所述的晶片，其特徵在於所述第一金屬材料為鉬或金，第二金屬材料為銅或銀，摻雜氧化物襯底為0. 05%-1%鈮摻雜的鈦酸鍶。
4.根據權利要求3所述的晶片，其特徵在於所述摻雜氧化物襯底為0.1%鈮摻雜的鈦酸鍶。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的晶片，其特徵在於所述摻雜氧化物襯底經過雙面拋光處理。
6.根據權利要求1-4中任一項所述的晶片，其特徵在於所述第一金屬電極和第二金屬電極為厚度是20-300納米，直徑為300微米的圓柱型電極。
7.—種晶片的製備方法，其特徵在於主要包括以下步驟第一步，用丙酮、酒精或去離子水清洗帶有二氧化矽層的矽片或其他絕緣基片；第二步，烘乾清洗過的帶有二氧化矽層的矽片或其他絕緣基片；第三步，在上述襯底上沉積第一金屬材料；第四步，將上述沉積的第一金屬材料刻蝕成相互平行的條狀底電極；第五步，在上述條狀電極上沉積摻雜氧化物並對其進行刻蝕，只保留底電極上面的部分；第六步，沉積第二金屬材料；第七步，將上述沉積的第二金屬材料刻蝕成與上述條狀底電極垂直的相互平行的條狀頂電極；第八步，對摻雜氧化物進行刻蝕，只保留條狀頂電極下方的摻雜氧化物。
8.根據權利要求7所述晶片的製備方法，其特徵在於對所述第一金屬材料和第二金屬材料沉積的順序可以對調。
9.根據權利要求7所述晶片的製備方法，其特徵在於所述金屬材料和摻雜氧化物的沉積使用的是磁控濺射、原子層沉積或熱蒸發等方式。
10.根據權利要求7所述晶片的製備方法，其特徵在於在所述第三步和第六步沉積金屬材料過程中使用金屬掩模板製備相互平行的條狀電極，同時減掉第四步和第七步。
全文摘要
本發明屬於存儲技術領域，提供一種晶片，包括基本存儲單元，所述基本存儲單元為一種阻變存儲器件，該阻變存儲器件包括導電的摻雜氧化物襯底，在所述摻雜氧化物襯底的相對兩側面分別設有由第一金屬材料和第二金屬材料製成的金屬電極，形成第一金屬電極/摻雜氧化物襯底/第二金屬電極的結構形式，其中所述第一金屬電極和第二金屬電極與摻雜氧化物襯底形成接觸勢壘。本發明還提供製備上述晶片的方法。本發明提供的晶片容量大幅度提高，同時降低了器件的寫入電流，從而降低晶片功耗。
文檔編號H01L27/115GK102208418SQ20111008792
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者李樹瑋, 楊眉 申請人:中山大學