专利名称：一种芯片及其制备方法
技术领域：
本发明属于存储技术领域，尤其涉及一种用于高密度非易失性存储的芯片及其制备方法。
背景技术：
近年来，人们一直在追求一种通用的信息存储技术，这种技术要结合闪存的非易失性(即断电后数据可保持的特性)和内存的高速读写特性，同时还应具有低功耗，能实现高密度存储的特征。阻变器件是一种基于纳米离子效应的新型存储器件。在这种器件中， 材料中的离子在电场作用下发生迁移从而改变器件电阻。简单来说，离子移动改变器件电阻的方式可以分为两种，一种是由于离子迁移在绝缘材料中形成导电通道，通道的断裂和恢复引起器件电阻变化，这种器件被称为灯丝型阻变器件；另外一种是离子的移动改变了金属/绝缘体界面势垒引起器件电阻变化，这种器件被称为界面型阻变器件。阻变器件很有潜力，成为人们追求的一种通用存储技术，因为阻变效应具有高速度和非易失的特点，而且在纳米尺度下更加显著，展现出可用于高密度、低功耗存储的巨大潜力。目前，基于阻变器件的电路结构可分为两种，一种是无源架构，一种是有源架构。 两者的区别在于，有源架构中每个阻变存储单元与一个控制晶体管相连，而无源架构中的存储单元没有连接其他器件。无源架构使用的是一种被称为交叉阵列的结构，这种结构中， 底电极是相互平行的带状金属电极，顶电极也是相互平行的带状金属电极，底电极与顶电极相互垂直。在顶电极和底电极之间的是阻变材料，一般为各种氧化物。通常利用各种刻蚀方法使得只在上下金属带电极交叉的地方保留阻变材料，从而在交叉点处形成一个结构为金属/氧化物/金属的基本存储单元。无源的交叉阵列由于结构简单，制备容易，阵列中不包含晶体管等因素非常有希望成为实际应用的高密度阻变存储架构。目前一些演示性芯片已经被制备出来。然而无源的交叉阵列仍然有一些问题需要解决，其中一个就是旁路电流的问题。 图1展示了交叉阵列中的旁路电流问题。旁路电流不仅增加了芯片的功耗，制约了芯片容量的增大，更重要的是旁路电流可以引起误读。如图1所示，一个需要读取的存储单元处于高阻态，如果在它周围有一条全由低阻单元组成的旁路，在读取的过程中旁路流过的电流可能远大于高阻单元的电流。旁路电流最终与来自高阻单元的电流汇合在一起从而使外围电路误以为读取的是一个低阻单元，这样就造成了误读。在大容量芯片中，旁路的数量可能不止一条，这样误读的问题就更严重了。目前已经有人提出采用存储单元串联可兼容的整流二极管或者阀值开关(一种只在一定电压区间导通的开关)来解决单级阻变器件(器件电阻变化由电压大小控制的阻变器件)的旁路电流问题。然而解决双极阻变器件(器件电阻变化由电压方向控制的阻变器件)的旁路电流问题的方法仍然不多。
发明内容
针对上述双极阻变器件的旁路电流问题，本发明提供一种芯片，该芯片的基本存储单元是一种阻变存储器件，该阻变存储器件具有一种新的阻变特性，这种特性能使器件在用于无源交叉阵列时可以解决旁路电流的问题，避免误读现象的发生。该芯片的容量大幅度提高，同时降低了器件的写入电流，从而降低芯片功耗。本发明的另一目的为提供上述芯片的制备方法。本发明的技术解决方案为一种芯片，包括基本存储单元，所述基本存储单元为一种阻变存储器件，该阻变存储器件包括导电的掺杂氧化物衬底，在所述掺杂氧化物衬底的相对两侧面分别设有由第一金属材料和第二金属材料制成的金属电极，形成第一金属电极 /掺杂氧化物衬底/第二金属电极的结构形式，其中所述第一金属电极和第二金属电极与掺杂氧化物衬底均形成接触势垒。即所述第一金属材料和第二金属材料的功函数要大于所使用掺杂氧化物的功函数，这样才会形成接触势垒。所述第一金属材料为钼或金，第二金属材料为铜、银、铟、铝或钛，掺杂氧化物衬底为0. 001%-2%铌掺杂的钛酸锶。对上述技术方案的改进为所述第一金属材料为钼或金，第二金属材料为铜或银， 掺杂氧化物衬底为0. 05%-1%铌掺杂的钛酸锶。对上述技术方案的进一步改进为所述掺杂氧化物衬底为0. 1%铌掺杂的钛酸锶。所述掺杂氧化物衬底经过双面抛光处理，形成非常光滑的表面，这样更利于与金属电极之间形成所需势垒。所述第一金属电极和第二金属电极为厚度是20-300纳米，直径为300微米的圆柱型电极。本发明还提供一种芯片的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤
第一步，用丙酮、酒精或去离子水清洗带有二氧化硅层的硅片或其他绝缘基片； 第二步，烘干清洗过的带有二氧化硅层的硅片或其他绝缘基片； 第三步，在上述衬底上沉积第一金属材料；
第四步，将上述沉积的第一金属材料刻蚀成相互平行的条状底电极； 第五步，在上述条状电极上沉积掺杂氧化物并对其进行刻蚀，只保留底电极上面的
部分；
第六步，沉积第二金属材料；
第七步，将上述沉积的第二金属材料刻蚀成与上述条状底电极垂直的相互平行的条状顶电极；
第八步，对掺杂氧化物进行刻蚀，只保留条状顶电极下方的掺杂氧化物。对上述第一金属材料和第二金属材料沉积的顺序可以对调。上述金属材料和掺杂氧化物的沉积使用的是磁控溅射、原子层沉积或热蒸发方式寸。对上述制备方法的进一步改进为在所述第三步和第六步沉积金属材料过程中使用金属掩模板制备相互平行的条状电极，同时减掉第四步和第七步，使制备工艺更加简单。本发明提供的芯片采用具有新的阻变特性的阻变存储器件，其能使器件在用于无源交叉阵列时可以解决旁路电流的问题，避免误读现象的发生，使该芯片容量大幅度提高， 同时降低了器件的写入电流，从而降低芯片功耗。
图1为无源交叉阵列中的旁路电流示意图2为本发明阻变存储器件结构及测试电路示意图； 图3为具有不可读电压窗口的双极阻变器件电流电压回线示意图； 图4为本发明阻变存储器件的电流电压回线图5为正负偏压对阻变存储器件电流电压回线的影响，箭头指示回线扫描开始的方
向；
图6为不同正向电压幅值的回线；
图7为不同负向电压幅值的回线；
图8为脉冲模式下不同读取电压的重复读写结果；
图9为高组态和低阻态下读取电流对读取电压的依赖关系示意图10为阻变存储器件的抗疲劳特性示意图11为阻变存储器件的写入电流的数值示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步的说明。本实施方式的芯片，包括基本存储单元，所述基本存储单元为一种阻变存储器件， 该阻变存储器件包括导电的掺杂氧化物衬底，在所述掺杂氧化物衬底的相对两侧面分别设有由第一金属材料和第二金属材料制成的金属电极，形成第一金属电极/掺杂氧化物衬底 /第二金属电极的结构形式，如图2所示。其中所述第一金属电极和第二金属电极与掺杂氧化物衬底均形成接触势垒。即所述第一金属材料和第二金属材料的功函数要大于所使用掺杂氧化物的功函数，这样才会形成接触势垒。上述存储器件不同于其他器件的地方在于它同时利用两个金属/掺杂氧化物界面产生了一种新的阻变特性。这种特性使得器件在用于无源交叉阵列时可以解决旁路电流的问题，避免误读现象的发生，可以使基于阻变器件的采用无源交叉阵列的非易失性存储芯片的容量大幅度提高。同时新的器件很大程度上降低了器件的写入电流，能够降低芯片功耗。该发明可以使基于无源交叉阵列的高密度非易失性阻变存储技术快速走向实际应用。上述选用的第一金属材料和第二金属材料必须不同以保证两个界面势垒是不同的。以上要求保证器件中的两个金属/掺杂氧化物界面在阻变过程中同时发挥作用，使得器件表现出新颖的阻变特性。电极的尺寸可以根据芯片的要求设计。作为示例，我们制备了厚度为20-300纳米，直径为300微米的圆柱型电极。顶电极为钼或金，底电极为铜或银。 衬底优选的是双抛的0. 1% Nb (铌)掺杂的SrTi03 (钛酸锶)衬底。其中铌的含量也可以是 0. 05%-1%，甚至可以达到0. 001%- ，在此不做赘述，仅以最优选铌的含量为例说明。图2 展示了器件的基本结构。图3展示了在双极阻变器件的电流-电压回线中具有一个不可读的电压窗口可以解决旁路电流的问题，箭头指示回线的方向。如图1所示，黑色方框的存储单元为待读取的高阻单元，白色方框的存储单元处于低阻态。Iread为流经读取路径的电流，Isneak为流经旁路的电流。容易看出加在待读取单元上的读电压Vk同时加在旁路上，每个旁路单元上的分压在理想情况下为读电压的三分之一。从图1可以看出，用于读取高阻器件的读电压Vk同时也加在旁路上，在旁路电流最严重(即最大)的情况下，旁路上共有三个处于低阻态的单元，在不考虑电极电阻的理想情况下，每个低阻单元上所加电压为^/3。这样的话，如果我们在双极阻变器件的电流电压回线中引入一个不可读的电压窗口，只要我们保证±VK/3刚好落在这个窗口内，旁路电流就可以大大减小，误读就可以被避免。对于其他包含三个以上存储单元的旁路，读电压在每个单元上的分电压绝对值小于I VE/3 I，该不可读窗口完全可以避免这些旁路中产生较大的电流，从而避免误读的发生。实际应用中必须考虑电极电阻，此时每个存储单元上的分压小于理想情况，以上结论仍然是成立的。我们制备的器件正好具有这样的不可读电压窗口。图4展示了器件的电流-电压特性。在器件的电流-电压回线中，具有个不可读电压窗口。在这个窗口中，每一个电压值读取的电流值都很小，换句话说用这个窗口中的电压读取的器件状态始终是高阻态。该器件的不可读电压窗口覆盖了 0伏左右的电压范围， 正如图3示意的一样。因此器件具有避免旁路电流的特性。这个器件的另一个特点是读取的单向性。如图5所示，器件的正向曲线并不因为之前对器件所加偏压而发生变化，无论之前施加正电压还是负电压，正向曲线几乎没有变化。因此不能选用正电压作为读取电压VK。 不同的是负向曲线明显受之前所加偏压的控制，正的偏压之后测得一个巨大的负向回线， 负向偏压之后测得一个高阻的微弱回线。这就是说，只能选用一个负电压作为器件的读电压。确定读电压之后，正向偏压可以将器件设置为低阻态，而负向电压可以将器件设置为高阻态。图6和图7显示器件可以用于多级存储，器件的电阻是连续变化的，具有模拟器件的特性。由于实际应用中，读写操作总是以电脉冲的方式进行的。图8和图9显示了了使用脉冲的方式对器件进行读写操作时，不同读电压的读取结果。我们发现在脉冲读写模式下，小于-0. 3V的读电压可以读取器件的高低组态信息，而大于-0. 3V的读电压则始终读取到同样的高阻状态。这就是说，我们可以选用-0. 9V至-0. 3V之间的电压作为读电压Vk，从而使VK/3大于-0.3V，避免误读的发生。图10显示了在脉冲模式下的重复读写操作，表明器件具有较好的重复读写特性。图11表明器件的写入电流小于1毫安，远小于基于单个金属/氧化物界面的阻变器件的写入电流(约为十几至几十毫安)。本实施方式涉及的一种芯片的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤
第一步，用丙酮、酒精或去离子水清洗带有二氧化硅层的硅片或其他绝缘基片； 第二步，烘干清洗过的带有二氧化硅层的硅片或其他绝缘基片； 第三步，在上述衬底上沉积第一金属材料；
第四步，将上述沉积的第一金属材料刻蚀成相互平行的条状底电极； 第五步，在上述条状电极上沉积掺杂氧化物并对其进行刻蚀，只保留底电极上面的
部分；
第六步，沉积第二金属材料；
第七步，将上述沉积的第二金属材料刻蚀成与上述条状底电极垂直的相互平行的条状顶电极；
第八步，对掺杂氧化物进行刻蚀，只保留条状顶电极下方的掺杂氧化物。对上述第一金属材料和第二金属材料沉积的顺序可以对调。上述金属材料和掺杂氧化物的沉积使用的是磁控溅射、原子层沉积或热蒸发方
6式。 对上述制备方法的进一步改进为在所述第三步和第六步沉积金属材料过程中使用金属掩模板制备相互平行的条状电极，同时减掉第四步和第七步，使制备工艺更加简单。
权利要求
1.一种芯片，包括基本存储单元，其特征在于所述基本存储单元为一种阻变存储器件，该阻变存储器件包括导电的掺杂氧化物衬底，在所述掺杂氧化物衬底的相对两侧面分别设有由第一金属材料和第二金属材料制成的金属电极，形成第一金属电极/掺杂氧化物衬底/第二金属电极的结构形式，其中所述第一金属电极和第二金属电极均与掺杂氧化物衬底形成接触势垒。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于所述第一金属材料为钼或金，第二金属材料为铜、银、铟、铝或钛，掺杂氧化物衬底为0. 001%- 铌掺杂的钛酸锶。
3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于所述第一金属材料为钼或金，第二金属材料为铜或银，掺杂氧化物衬底为0. 05%-1%铌掺杂的钛酸锶。
4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于所述掺杂氧化物衬底为0.1%铌掺杂的钛酸锶。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的芯片，其特征在于所述掺杂氧化物衬底经过双面抛光处理。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的芯片，其特征在于所述第一金属电极和第二金属电极为厚度是20-300纳米，直径为300微米的圆柱型电极。
7.—种芯片的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤第一步，用丙酮、酒精或去离子水清洗带有二氧化硅层的硅片或其他绝缘基片；第二步，烘干清洗过的带有二氧化硅层的硅片或其他绝缘基片；第三步，在上述衬底上沉积第一金属材料；第四步，将上述沉积的第一金属材料刻蚀成相互平行的条状底电极；第五步，在上述条状电极上沉积掺杂氧化物并对其进行刻蚀，只保留底电极上面的部分；第六步，沉积第二金属材料；第七步，将上述沉积的第二金属材料刻蚀成与上述条状底电极垂直的相互平行的条状顶电极；第八步，对掺杂氧化物进行刻蚀，只保留条状顶电极下方的掺杂氧化物。
8.根据权利要求7所述芯片的制备方法，其特征在于对所述第一金属材料和第二金属材料沉积的顺序可以对调。
9.根据权利要求7所述芯片的制备方法，其特征在于所述金属材料和掺杂氧化物的沉积使用的是磁控溅射、原子层沉积或热蒸发等方式。
10.根据权利要求7所述芯片的制备方法，其特征在于在所述第三步和第六步沉积金属材料过程中使用金属掩模板制备相互平行的条状电极，同时减掉第四步和第七步。
全文摘要
本发明属于存储技术领域，提供一种芯片，包括基本存储单元，所述基本存储单元为一种阻变存储器件，该阻变存储器件包括导电的掺杂氧化物衬底，在所述掺杂氧化物衬底的相对两侧面分别设有由第一金属材料和第二金属材料制成的金属电极，形成第一金属电极/掺杂氧化物衬底/第二金属电极的结构形式，其中所述第一金属电极和第二金属电极与掺杂氧化物衬底形成接触势垒。本发明还提供制备上述芯片的方法。本发明提供的芯片容量大幅度提高，同时降低了器件的写入电流，从而降低芯片功耗。
文档编号H01L27/115GK102208418SQ20111008792
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者李树玮, 杨眉 申请人:中山大学