一种平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器及制备方法
阅读说明：本技术 一种平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器及制备方法 (Resistive random access memory with planar cross array structure and preparation method ) 是由 孙堂友 宁涛华 刘云 石卉 李海鸥 傅涛 刘兴鹏 王阳培华 肖功利 张法碧 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器及制备方法,将所述底电极、所述第一电阻转变层和第二电阻转变层置于所述绝缘基底的所述凹槽中,解决了采用普通的十字交叉阵列的阻变器存在的边缘效应问题。通过对所述底电极图案化修饰,并凭借所述第一电阻转变层和所述第二电阻转变层,相比于单层阻变层,能有效改善器件的电学性能,开/关阈值电压明显减小、电压的数值分布显著集中,并且数据保持能力以及电阻切换速度相对提升,提高了可靠性。(The invention discloses a resistive random access memory with a planar cross array structure and a preparation method thereof. Through patterned modification of the bottom electrode and by means of the first resistance conversion layer and the second resistance conversion layer, compared with a single-layer resistance conversion layer, the electrical performance of a device can be effectively improved, the on/off threshold voltage is obviously reduced, the numerical distribution of voltage is obviously concentrated, the data retention capacity and the resistance switching speed are relatively improved, and the reliability is improved.)
技术领域
本发明涉及忆阻器技术领域，尤其涉及一种平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器及制备方法。
背景技术
21世纪，随着大数据时代的到来，科技的进步和应用产生了人类社会中常人无法想象的数据量。与此同时，人类社会当中的数据量与日俱增，不断激增的数据存储需求与当前有限的存储设备能力存在矛盾，因此科学家们开始寻求新材料、新机制、新结构的存储技术来化解当前的这一矛盾。在这一社会背景下，铁电随机存储器，相变随机存储器，磁阻随机存储器以及阻变随机存储器等半导体存储器件应运而生。
阻变存储器作为下一代存储器的有力竞争者，相对于其他存储器，RRAM具有更低的功耗和小型化潜力，采用十字交叉阵列集成的方式可以将存储单元面积做到4F2(F为特征尺寸)，会极大地提升阻变存储器的集成密度并降低成本。同时，采用十字交叉阵列结构还可以进一步地实现三维的多层堆叠集成，这样每个存储单元的面积可以减小到4F2/N(N为十字交叉阵列的层数)。
然而，采用普通十字交叉阵列在实际应用中会不可避免的存在边缘效应问题。普通的十字交叉阵列的制备是先在平整的绝缘基底上沉积条状底电极，然后镀上中间介质薄膜层，最后再沉积与底电极垂直交叉的条状顶电极。所谓边缘效应：利用上述这种方法制备的十字交叉阵列中底电极的边缘具有更强的电场集中效应，那么底电极边缘和角上的介质材料会优先于底电极上方的介质发生电阻转变，还可能会带来热量集中等危害。因此，边缘效应是实现高密度阻变存储器所面临的问题之一。
为了解决普通十字交叉阵列在实际应用中会不可避免的存在边缘效应问题，本发明所制备的一种平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器将底电极镀到基片的槽中，同时将双层存储介质层也置于槽中得到平整表面，因此也不存在边缘效应。并对底电极做图案化修饰，有助于改善器件各性能参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器及制备方法，旨在解决现有技术中的采用普通十字交叉阵列的阻变器存在的边缘效应的问题。
本发明提供一种平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器制备方法，包括如下步骤：
在绝缘基底上旋涂光刻胶，得到第一样片；
对所述第一样片采用光刻和刻蚀处理，所述第一样片上形成多个凹槽；
在每个所述凹槽中沉积底电极，得到第二样片；
通过多孔薄膜在第二样片上沉积纳米结构，使得每个底电极图案化，得到第三样片；
使用胶带去除所述第三样片上的所述多孔薄膜版，得到第四样片；
在第四样片上依次沉积第一电阻转变层和第二电阻转变层，得到第五样片；
去除所述第五样片中的所述光刻胶，得到第六样片；
在所述第六样片上沉积顶电极。
其中，在每个所述凹槽中沉积底电极的步骤中：
采用磁控溅射法沉积所述底电极层，所述底电极为Pt、Al、Au、Ti、TiN或Cu，所述底电极的厚度为20nm～300nm。
其中，通过多孔薄膜在第二样片上沉积金属的步骤包括：
在所述第二样片上放置多孔薄膜；
采用倾斜沉积技术，将金属通过磁控溅射倾斜沉积的方式在每个所述底电极表面沉积一层侧壁轮廓为圆锥形的纳米结构。
其中，在第四样片上依次沉积第一电阻转变层和第二电阻转变层的步骤中：
所述第一电阻转变层为金属氧化物、二维材料、硫族固态电解质、氮化物或有机物，所述第一电阻转变层的厚度为5nm～100nm；
所述第二电阻转变层为金属氧化物、二维材料、硫族固态电解质、氮化物或有机物，所述第二电阻转变层的厚度为5nm～100nm；
所述第二电阻转变层的顶部与所述绝缘基片的顶部平齐。
其中，在所述第六样片上沉积顶电极的步骤中：
所述顶电极为Pt、Al、Ag、Zn、Au、Ti、TiN、ITO或Cu，所述底电极的厚度为20nm～300nm。
本发明还提供一种采用上述所述的平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器制备方法制备的阻变存储器，包括所述绝缘基底和多个介质结构，所述绝缘基底具有多个所述凹槽，每个所述介质结构分别与对应的所述凹槽固定连接，并均位于对应的所述凹槽的内部，每个所述介质结构包括所述底电极、纳米结构、第一电阻转变层、第二电阻转变层和所述顶电极，所述底电极与所述凹槽固定连接，并位于所述凹槽的内底壁，所述第一电阻转变层与所述底电极固定连接，并位于所述底电极的顶端，所述第二电阻转变层与所述第一电阻转变层固定连接，并位于所述第一电阻转变层的顶部，所述纳米结构与所述底电级顶部固定连接，并嵌入所述第一电阻转变层中，所述顶电极与所述绝缘基底的顶部固定连接，并位于所述第二电阻转变层的顶部。
本发明的有益效果为：
1、将所述底电极、所述第一电阻转变层和第二电阻转变层置于所述绝缘基底的所述凹槽中，得到平整基片，也不存在边缘效应问题，解决了采用普通的十字交叉阵列的阻变存储器带来的边缘效应问题。
2、而且通过对所述底电极图案化修饰，因其底部圆锥形尖端的存在，阻变层的有效厚度减小，尖端处的电场较强，可以加速氧空位或金属离子的迁移，从而加速导电细丝的形成和断裂，也使得操作电压减小，器件功耗也会降低；同时尖端存在处电场较强，不仅尖端处容易生成导电细丝，也会抑制尖端外导电细丝的随机生成的概率，减小了随机性，提高了可靠性。
3、并凭借所述第一电阻转变层和所述第二电阻转变层，相比于单层阻变层，能有效改善器件的电学性能，操作电压也会减小、电压的数值分布显著集中，并且数据保持能力以及电阻切换速度相对提升，提高了可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器制备方法的步骤流程图。
图2是本发明的平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器制备方法制备的阻变存储器的剖面图。
图3是本发明的第一样片的剖面图。
图4是本发明的第二样片的剖面图。
图5是本发明的第三样片的剖面图。
图6是本发明的第四样片的剖面图。
图7是本发明的第五样片的剖面图。
图8是本发明的第六样片的剖面图。
1-绝缘基底、2-底电极、3-第一电阻转变层、4-第二电阻转变层、5-顶电极、6-凹槽、7-纳米结构、11-介质结构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图8，本发明提供一种平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器制备方法，包括如下步骤：
S1：在绝缘基底上旋涂光刻胶，得到第一样片；
S2：对所述第一样片采用光刻和刻蚀处理，所述第一样片上形成多个凹槽；
S3：在每个所述凹槽中沉积底电极，得到第二样片；
S4：通过多孔薄膜在第二样片上沉积纳米结构，使得每个底电极图案化，得到第三样片；
S5：使用胶带去除所述第三样片上的所述多孔薄膜版，得到第四样片；
S6：在第四样片上依次沉积第一电阻转变层和第二电阻转变层，得到第五样片；
S7：去除所述第五样片中的所述光刻胶，得到第六样片；
S8：在所述第六样片上沉积顶电极。
具体的，在每个所述凹槽中沉积底电极的步骤中：
采用磁控溅射法沉积所述底电极层，所述底电极为Pt、Al、Au、Ti、TiN或Cu，所述底电极的厚度为20nm～300nm。
具体的，通过多孔薄膜在第二样片上沉积金属的步骤包括：
在所述第二样片上放置多孔薄膜；
采用倾斜沉积技术，将金属通过磁控溅射倾斜沉积的方式在每个所述底电极表面沉积一层侧壁轮廓为圆锥形的纳米结构。
具体的，使用胶带去除所述第三样片上的所述多孔薄膜版的步骤中：
使用胶带的同时可以结合湿法刻蚀，可以将所述多孔薄膜去除的更干净。
具体的，在第四样片上依次沉积第一电阻转变层和第二电阻转变层的步骤中：
所述第一电阻转变层为金属氧化物、二维材料、硫族固态电解质、氮化物或有机物，所述第一电阻转变层的厚度为5nm～100nm。
所述第二电阻转变层为金属氧化物、二维材料、硫族固态电解质、氮化物或有机物，所述第二电阻转变层的厚度为5nm～100nm；
所述第二电阻转变层的顶部与所述绝缘基片的顶部平齐。
具体的，在所述第六样片上沉积顶电极的步骤中：
所述顶电极为Pt、Al、Ag、Zn、Au、Ti、TiN、ITO或Cu，所述底电极的厚度为20nm～300nm。
本发明还提供一种采用上述所述的平面型十字交叉阵列结构的阻变存储器制备方法制备的阻变存储器，包括所述绝缘基底1和多个介质结构11，所述底电极2、第一电阻转变层3、第二电阻转变层4和所述顶电极5，所述绝缘基底1具有多个所述凹槽6，每个所述介质结构11分别与对应的所述凹槽6固定连接，并均位于对应的所述凹槽6的内部，每个所述介质结构11包括所述底电极2、纳米结构7、第一电阻转变层3、第二电阻转变层4和所述顶电极5，所述底电极2与所述凹槽6固定连接，并位于所述凹槽6的内底壁，所述第一电阻转变层3与所述底电极2固定连接，并位于所述底电极2的顶端，所述第二电阻转变层4与所述第一电阻转变层3固定连接，并位于所述第一电阻转变层3的顶部，所述纳米结构7与所述底电极2顶部固定连接，并嵌入所述第一电阻转变层3中，所述顶电极5与所述绝缘基底1的顶部固定连接，并位于所述第二电阻转变层4的顶部。
普通的十字交叉阵列的制备是先在平整的绝缘基底上沉积条状底电极，然后镀上中间介质薄膜层，最后再沉积与底电极垂直交叉的条状顶电极。这种方法制备的十字交叉阵列中底电极的边缘具有更强的电场集中效应，底电极边缘和角上的介质材料会优先于底电极上方的介质发生电阻转变，还可能会带来热量集中等危害。而本发明采用的十字交叉阵列结构，是将所述底电极、所述第一电阻转变层和第二电阻转变层置于所述绝缘基底的所述凹槽中，解决了采用普通的十字交叉阵列的阻变器存在的边缘效应问题。通过对所述底电极图案化修饰，并凭借所述第一电阻转变层和所述第二电阻转变层，相比于单层阻变层，能有效改善器件的电学性能，开/关阈值电压明显减小、电压的数值分布显著集中，并且数据保持能力以及电阻切换速度相对提升，提高了可靠性。
具体实施例一：
对硅基底进行加工，利用光刻工艺和刻蚀工艺，在硅基底上形成多个所述凹槽6，所述凹槽6深度为120nm，从而得到第一样片。其中，所述第一样片上保留的光刻胶是为了后续工艺的使用。
在硅基底的所述凹槽6上采用磁控溅射法沉积80nm的条状金属Pt作为所述底电极2，得到所述第二样片。
在所述第二样片上放置所述多孔薄膜，采用倾斜沉积技术，将Au通过磁控溅射倾斜沉积的方式在每个所述底电极2表面沉积一层侧壁轮廓为圆锥形的所述纳米结构7。该结构的高度取决于溅射时间，每个所述纳米结构7不一定是如样片剖面图一般独立分开，也可能底部相连，与溅射时长、倾斜角度、工作气压、基片转动及功率大小等可控参数有关。完成底部电极图案化，得到所述第三样片。
采用胶带将多孔薄膜去除，同时结合湿法刻蚀，将所述多孔薄膜去除干净，得到所述第四样片。
采用射频磁控溅射在所述底电极2上沉积20nm的MoS2作为所述第一电阻转变层3。其中，以氩气作为溅射气体，靶材选择高纯度MoS2靶材(99.99％)，其中溅射功率300W，沉积温度为25℃，沉积压强为1Pa。
采用射频溅射在所述第一电阻转变层3上沉积20nm的ZrO2作为所述第二电阻转变层4，得到所述第五样片。其中，靶材选择纯度为99.99％的ZrO2，溅射功率为80W，氩气与氧气的比率为2:1，工作压力10mTorr。
将所述第五样片浸泡在丙酮中，将所述光刻胶去除，得到第六样片。
最后，采用磁控溅射法，靶材选择纯度为99.99％的Ag，直流溅射功率为10W，环境压力为2×10-4Pa，环境压力为3Pa。在所述第六样片上沉积条状金属Ag作为所述顶电极5，完成制备。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
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