一种阻变存储器的制造方法和阻变存储器与流程

本发明涉及存储器技术领域，尤其涉及一种阻变存储器的制造方法和阻变存储器。

背景技术：

随着大规模集成电路技术的持续发展，受其自身存储机理的限制使得传统flash存储器技术难以满足摩尔定律的发展，追求单片集成密度，对flash造成成本和技术的压力。为了降低生产成本,同时避免技术节点的物理极限对存储市场的影响，寻求高集成度、更高速读取的存储,进而取代flash的存储器成为了人们研究的热点。

近些年来，基于新的存储机理和技术的新型非挥发性存储器也不断出现。阻变存储器(rram)作为下一代非挥发存储器有力候选者之一，具有结构简单，可微缩性好，存储密度高，与cmos工艺兼容等优点.

但是，目前阻变存储器还存在一些关键性的问题没有解决，其中，功耗高就是其需要解决的技术问题之一。

技术实现要素：

本申请实施例通过提供一种阻变存储器的制造方法和阻变存储器，解决了现有技术中阻变存储器存在的功耗高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了如下技术方案：

一方面，提供一种阻变存储器的制造方法，包括：

提供第一衬底，并在所述第一衬底上刻蚀出孔洞，沿所述第一衬底刻蚀有孔洞的表面往内的方向，所述孔洞的尺寸递减；

在所述表面上沉积第一金属薄膜，所述第一金属薄膜为活性金属薄膜；

在所述第一金属薄膜上生长环氧层和设置第二衬底；

分离所述第一衬底和所述第一金属薄膜，其中，所述第一金属薄膜上形成有与所述孔洞对应的锥状结构；

在所述第一金属薄膜上依次沉积氧化物阻变层材料和第二金属薄膜，以所述第一金属薄膜作为所述存储器的下电极，以所述第二金属薄膜作为所述存储器的上电极。

可选的，所述孔洞为倒置的金字塔形；所述锥状结构为金字塔形结构，所述金字塔形结构的顶部半径为20-30nm。

可选的，所述在所述第一衬底上刻蚀出孔洞，包括：在所述第一衬底上淀积氮化物薄膜；按孔状图形刻蚀所述氮化物薄膜；以所述氮化物薄膜作保护层刻蚀所述第一衬底，形成所述孔洞；剥离所述氮化物薄膜。

可选的，所述在所述第一衬底上刻蚀出孔洞，包括：采用各向异性刻蚀方法，在所述第一衬底上刻蚀出孔洞。

可选的，所述第一金属薄膜的材质为以下任一种或多种的组合：ag，cu，ni；所述第二金属薄膜的材质为以下任一种或多种的组合：ti、cr，pt。

可选的，所述在所述第一金属薄膜上生长环氧层和设置第二衬底，包括：在所述第一金属薄膜上生长环氧层；进行热处理；在所述环氧层上放置所述第二衬底，所述第二衬底为玻璃衬底。

另一方面，提供一种阻变存储器，包括：

第二衬底，所述第二衬底的第一表面上设置有锥状结构；

所述第一表面上，沿远离所述第一表面的方向，依次设置有环氧层、第一金属薄膜、氧化物阻变层材料和第二金属薄膜；所述第一金属薄膜为活性金属薄膜；

其中，以所述第一金属薄膜作为所述存储器的下电极，以所述第二金属薄膜作为所述存储器的上电极。

可选的，所述锥状结构为金字塔形结构；所述金字塔形结构的顶部半径为20-30nm。

可选的，所述第一金属薄膜的材质为以下任一种或多种的组合：ag，cu，ni；所述第二金属薄膜的材质为以下任一种或多种的组合：ti、cr，pt。

可选的，所述第二衬底为玻璃衬底。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的阻变存储器的制造方法和阻变存储器，通过在第一衬底上刻蚀孔洞，在第一金属薄膜表面形成了锥状结构，再分离第一衬底和第一金属薄膜，并在第一金属薄膜上沉积氧化物阻变层材料和第二金属薄膜，形成了锥状结构的上电极和下电极，由于锥状电极处电场局部增强，从而锥状结构处的能量势垒较其他位置低，下电极金属对电子的束缚降低，使得活性金属在锥状结构处更容易被离化并在电场下较容易迁移，从而有效地降低了阻变存储器的操作电压，从而降低功耗。

进一步，本申请器件结构简单，工艺和操作方法简单，成本低，可靠性高并与传统cmos工艺兼容，有利于广泛推广与应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中阻变存储器的制造方法的流程图；

图2为本申请实施例中阻变存储器的制造方法的工艺剖面结构示意图；

图3为本申请实施例中阻变存储器的剖面结构示意图；

图4为本申请实施例中阻变存储器对比检测结果示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种阻变存储器的制造方法和阻变存储器，解决了现有技术中阻变存储器存在的功耗高的技术问题。实现了降低阻变存储器工作电压和功耗的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：

一种阻变存储器的制造方法，包括：

提供第一衬底，并在所述第一衬底上刻蚀出孔洞，沿所述第一衬底刻蚀有孔洞的表面往内的方向，所述孔洞的尺寸递减；

在所述表面上沉积第一金属薄膜，所述第一金属薄膜为活性金属薄膜；

在所述第一金属薄膜上生长环氧层和设置第二衬底；

分离所述第一衬底和所述第一金属薄膜，其中，所述第一金属薄膜上形成有与所述孔洞对应的锥状结构；

在所述第一金属薄膜上依次沉积氧化物阻变层材料和第二金属薄膜，以所述第一金属薄膜作为所述存储器的下电极，以所述第二金属薄膜作为所述存储器的上电极。

本申请实施例提供的阻变存储器的制造方法和阻变存储器，通过在第一衬底上刻蚀孔洞，在第一金属薄膜表面形成了锥状结构，再分离第一衬底和第一金属薄膜，并在第一金属薄膜上沉积氧化物阻变层材料和第二金属薄膜，形成了锥状结构的上电极和下电极，由于在下电极加正压时，锥状电极处电场局部增强，从而锥状结构处的能量势垒较其他位置低，下电极金属对电子的束缚降低，使得活性金属在锥状结构处更容易被离化并在电场下较容易迁移，从而有效地降低了阻变存储器的操作电压，从而降低功耗。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

在本实施例中，提供一种阻变存储器的制造方法，如图1所示，包括：

步骤s101，提供第一衬底，并在所述第一衬底上刻蚀出孔洞，沿所述第一衬底刻蚀有孔洞的表面往内的方向，所述孔洞的尺寸递减；

步骤s102，在所述表面上沉积第一金属薄膜，所述第一金属薄膜为活性金属薄膜；

步骤s103，在所述第一金属薄膜上生长环氧层和设置第二衬底；

步骤s104，分离所述第一衬底和所述第一金属薄膜，其中，所述第一金属薄膜上形成有与所述孔洞对应的锥状结构；

步骤s105，在所述第一金属薄膜上依次沉积氧化物阻变层材料和第二金属薄膜，以所述第一金属薄膜作为所述存储器的下电极，以所述第二金属薄膜作为所述存储器的上电极。

下面，结合图1和图2来详细介绍本申请提供的阻变存储器的制造方法的详细工艺步骤：

首先，执行步骤s101，提供第一衬底，并在所述第一衬底上刻蚀出孔洞，沿所述第一衬底刻蚀有孔洞的表面往内的方向，所述孔洞的尺寸递减。

较优的，所述孔洞为倒金字塔形。当然所述孔洞也可以为倒圆锥型，在此不作限制。

在本申请实施例中，所述在所述第一衬底上刻蚀出孔洞，包括：

在所述第一衬底上淀积氮化物薄膜；

按孔状图形刻蚀所述氮化物薄膜；

以所述氮化物薄膜作保护层刻蚀所述第一衬底，形成所述孔洞；

剥离所述氮化物薄膜。

具体来讲，即如图2中(a)所示，在所述第一衬底100上淀积一层氮化物薄膜200；再如图2中(b)所示，光刻膜图形化后，如(c)所示，反应离子刻蚀(rie)刻蚀所述氮化物薄膜200，具体可以采用沿<100>晶向刻蚀的方法；再如(d)所示，以所述氮化物薄膜200作保护层刻蚀所述第一衬底100，利用所述第一衬底100的各向异性刻蚀出类似倒金字塔结构的孔洞101，并剥离所述氮化物薄膜200。

在本申请实施例中，所述第一衬底100可以为平整、洁净的绝缘衬底si；所述的si衬底晶向为<100>；所述氮化物薄膜可以为sin；所述氮化物薄膜的厚度为50-100nm，所述刻蚀气体为cf4与o2；所述的类金字塔开口的半径最小处为20-30nm。

在本申请实施例中，所述的刻蚀为各向异性刻蚀，所述的各向异性刻蚀的溶液为30％-50％浓度的氢氧化钾，刻蚀温度为60-100℃，刻蚀时间为10-15min，所述氮化物薄膜200的剥离可以采用氢氟酸溶液。

然后，执行步骤s102，如图2中(e)所示，在所述表面上沉积第一金属薄膜300，所述第一金属薄膜300为活性金属薄膜。

在本申请实施例中，所述第一金属薄膜300的材质为以下任一种或多种的组合：ag，cu，ni。

进一步所述沉积的方法为磁控溅射、离子束溅射或电子束蒸发，在此不作限制。所述第一金属薄膜300厚度为100-200nm。

接下来，执行步骤s103，如图2中(f)所示，在所述第一金属薄膜300上生长环氧层400和设置第二衬底500。

在本申请实施例中，所述在所述第一金属薄膜300上生长环氧层400和设置第二衬底500，包括：

在所述第一金属薄膜300上生长环氧层400；

进行热处理；

在所述环氧层400上放置所述第二衬底500，所述第二衬底500为玻璃衬底。

进一步，所述环氧层400的热处理温度为150℃，处理时间为1h。

再下来，执行步骤s104，如图2中(g)所示，分离所述第一衬底100和所述第一金属薄膜300，其中，所述第一金属薄膜300上形成有与所述孔洞101对应的锥状结构301。

具体来讲，可以采用刀片将所述第一衬底100与所述第一金属薄膜300分离。

再执行步骤s105，如图2中(h)所示，在所述第一金属薄膜300上依次沉积氧化物阻变层材料600和第二金属薄膜700，以所述第一金属薄膜300作为所述存储器的下电极，以所述第二金属薄膜700作为所述存储器的上电极。

具体来讲，所述沉积氧化物阻变层材料600的方法为原子层沉积(ald)、磁控溅射或离子束溅射，在此不作限制；所述氧化物阻变层材料600的厚度一般为150-250nm。所述原子层沉积温度为100-400℃；所述沉积氧化物阻变层材料600包括二元过渡金属氧化物以及复杂的氧化物，所述二元过渡金属氧化物种类包括taox、hfo2、tio2、nio或zro2中的任一种或多种的组合，所述复杂的氧化物包括srtio3。

进一步，所述沉积第二金属薄膜700的方法为磁控溅射、离子束溅射或电子束蒸发，在此不作限制；所述第二金属薄膜700的厚度为70-100nm；所述第二金属薄膜的材质为以下任一种或多种的组合：ti、cr，pt。

采用上述方法形成了金属-氧化物-金属的阻变存储器，其中，所述阻变存储器上的锥状结构301如图3所示。由于在下电极加正压时，锥状电极处电场局部增强，从而锥状结构处的能量势垒较其他位置低，下电极金属对电子的束缚降低，使得活性金属在锥状结构处更容易被离化并在电场下较容易迁移，从而有效地降低了阻变存储器的操作电压，从而降低功耗。

为了检验本申请提供的方法制造的阻变存储器的性能，在上电极与下电极上加偏压进行扫描，所述扫描可以是恒定电压扫描(cvs)、也可以是斜坡电压扫描(rvs)，还可以是脉冲电压扫描，在此不作限制。进一步，加偏压时，所述上电极始终接地。

在本申请实施例中，所述的恒定电压扫描是电压恒定的扫描方式；所述的斜坡电压扫描是电压随时间等间隔增长变化的扫描方式；所述的脉冲扫描是给定特定的脉宽(时间)和电压(脉高)的扫描方式。

经扫描所述存储器锥状结构301处下电极的操作电压较平面电极的明显降低，因此，此种方法可以有效地降低阻变存储器的操作电压，从而降低功耗。

最后，列举一具体实例来详细说明本申请提供方法及其效果：

在晶向<100>的si衬底上生长100nm的sin，旋涂正胶曝光剥离后，采用反应离子刻蚀sin。采用各向异性刻蚀衬底si，刻蚀溶液为30％浓度的氢氧化钾，刻蚀温度为60℃，刻蚀时间为10min，形成带有倒金字塔形的衬底si。采用氢氟酸溶液剥离氮化sin。在刻有倒金字塔结构的si衬底上淀积190nm的ag活性金属作为下电极。在ag活性金属上生长环氧层并经过150℃，1h的处理，最后放置一层玻璃衬底。采用刀片将衬底si与活性金属电极ag分离，此时类金字塔的下电极形成。最后在下电极上分别淀积210nm的al2o3和70nm的pt上电极。形成阻变存储器。

在下电极上施加偏压操作，测试器件的电学性能。同时，在平面衬底si上分别淀积190nm的ag下电极、210nm的al2o3和70nm的pt上电极作对比样品。两者的电学性能的对比如图4，图4中(a)为本申请提供方法制备的阻变存储器，图4中(b)为现有的平面结构的阻变存储器。经检测，本申请提供阻变存储器的下电极的操作电压较平面电极的明显降低，因此，此种方法可以有效地降低阻变存储器的操作电压，从而减少功耗。

具体来讲，利用本发明提供的方法大大降低了rram操作的电压，有效地降低了器件的功耗，且工艺简单，能够与传统的cmos工艺兼容，易于集成，非常有利于本发明的广泛推广和应用。

基于同一方面构思，本申请还提供了采用实施例一的方法制备的器件，详见实施例二。

实施例二

在本实施例中提供了一种阻变存储器，如图3所示，包括：

第二衬底500，所述第二衬底500的第一表面上设置有锥状结构；

所述第一表面上，沿远离所述第一表面的方向，依次设置有环氧层400、第一金属薄膜300、氧化物阻变层材料600和第二金属薄膜700；所述第一金属薄膜300为活性金属薄膜；

其中，以所述第一金属薄膜300作为所述存储器的下电极，以所述第二金属薄膜700作为所述存储器的上电极。

在本申请实施例中，所述锥状结构为金字塔形结构；所述金字塔形结构的顶部半径为20-30nm，具体来讲，所述顶部是所述金字塔形结构的最小半径和最小尺寸端。

在本申请实施例中，所述第一金属薄膜300的材质为以下任一种或多种的组合：ag，cu，ni；所述第二金属薄膜700的材质为以下任一种或多种的组合：ti、cr，pt。

在本申请实施例中，所述第二衬底500为玻璃衬底。

由于本发明实施例二所介绍的器件，为实施本发明实施例一的方法的所制备的器件，故而基于本发明实施例一所介绍的方法，本领域所属人员能够了解该器件的具体结构及变形，故而在此不再赘述。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本申请实施例提供的阻变存储器的制造方法和阻变存储器，通过在第一衬底上刻蚀孔洞，在第一金属薄膜表面形成了锥状结构，再分离第一衬底和第一金属薄膜，并在第一金属薄膜上沉积氧化物阻变层材料和第二金属薄膜，形成了锥状结构的上电极和下电极，由于在下电极加正压时，锥状电极处电场局部增强，从而锥状结构处的能量势垒较其他位置低，下电极金属对电子的束缚降低，使得活性金属在锥状结构处更容易被离化并在电场下较容易迁移，从而有效地降低了阻变存储器的操作电压，从而降低功耗。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。