导电桥半导体器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种导电桥半导体器件及其制备方法。该导电桥半导体器件自下而上包括：下电极、阻变功能层、离子阻挡层和活性上电极，其中，离子阻挡层上开设有供活性导电离子通过的孔洞。基于此结构可以制备导电桥阻变存储器以及导电桥选择器，通过调控离子阻挡层孔洞的数量、直径及密度，实现对基于导电桥的存储器与选择器的导电通路的精确调控。

Conductive bridge, semiconductor device and method of making the same

The present invention provides a conductive bridge semiconductor device and a method for making the same. The semiconductor device of the conductive bridge from bottom to top comprises a lower electrode, a barrier change function layer, an ion barrier layer and an active upper electrode, wherein, the ion barrier layer is provided with holes for passing through the active conducting ions. This structure can be prepared by conducting bridge RRAM and conductive bridge selector based on through the regulation of ion quantity, hole diameter and density of the barrier layer, to achieve precise control of the conductive path memory and conductive bridge based on the selector.

【技术实现步骤摘要】
导电桥半导体器件及其制备方法
本专利技术涉及微电子行业存储器
，尤其涉及一种导电桥半导体器件及其制备方法。
技术介绍
随着微电子及半导体技术的不断革新，FLASH存储技术正面临一系列的瓶颈问题，如浮栅不可能随技术发展而无限制减薄，数据保持时间有限，操作电压过大等问题。诸多新型存储器中，阻变存储器由于具备较低操作功耗、耐久力(Endurance)好、结构简单、器件面积小等优点而逐渐成为目前新型非易失性存储器中的研究重点。基于导电桥的器件，外加偏压去除后，导电通路依然保持，则该非易失性器件可应用于阻变存储器；外加偏压去除后，导电通路不能保持，则该易失性器件可应用于阻变存储器交叉阵列中的选择器，用以消除交叉阵列中漏电通道引起的读写串扰问题。然而，非易失性阻变存储器导电通路的随机形成，极大的削弱了导电桥阻变存储器的记忆特性，即阻态的保持特性，更不利于实现低限流下器件的低功耗特性。同时，基于交叉阵列架构的阻变存储器，在阵列中的读取操作存在交叉串扰的问题，导致所存储信息的错误读取。对于如何解决交叉串扰问题，最常见的是选择器与阻变存储器集成的解决方案，包括一个晶体管一个RRAM(1T1R)结构，一个单向二极管一个RRAM(1D1R)和一个双向选择器一个RRAM(1S1R)结构。1T1R结构中存储器单元面积主要取决于晶体管的面积，无法发挥RRAM优良的可缩小性优势；1T1R结构中二极管通常仅有单向导通的特性；1S1R结构中的选择器分为两种类型，一种是以电子导电为主导的电子型选择器，该类型选择器通常具有缓变的电学特性，较小的选择比，并且不能给阻变存储器提供较高的操作电流。另外一种是以活性金属导电桥为主导的导电桥选择器，该类型选择器基于导电桥脆弱的保持特性，通常具有突变的电学特性，较高的选择比。然而，该类型选择器在较大操作电流运行时，导电桥保持特性发生变化，不易断裂，变为非挥发的存储特性，无法实现器件的选通。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供了一种导电桥半导体器件及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种导电桥半导体器件。该导电桥半导体器件自下而上包括：下电极、阻变功能层、离子阻挡层和活性上电极，其中，离子阻挡层上开设有供活性导电离子通过的孔洞。优选地，本专利技术导电桥器件为导电桥阻变存储器，离子阻挡层上的孔洞为1个，该孔洞的径向宽度介于5nm～200nm之间。优选地，本专利技术导电桥器件中，孔洞位于离子阻挡层的中央位置。优选地，本专利技术导电桥器件中，离子阻挡层采用石墨烯材料制备，孔洞的径向宽度介于5nm～100nm之间。优选地，本专利技术导电桥器件为导电桥选择器，离子阻挡层上的孔洞的数量大于或等于1个，孔洞的径向宽度小于5nm。优选地，本专利技术导电桥器件中，孔洞在离子阻挡层上随机分布，其面密度介于107/cm2～1014/cm2之间。优选地，本专利技术导电桥器件中，离子阻挡层采用石墨烯材料制备，孔洞的面密度为n×1010/cm2，n为正整数。优选地，本专利技术导电桥器件中，孔洞的形状为长方形、椭圆形、三角形或六边形。优选地，本专利技术导电桥器件中，下电极为以下材料其中的一种或多种制备的层状结构：TaN、TiN、W、Al、Ru、Ti与Pt中的一种或多种材料制备，其厚度介于10nm～200nm之间；阻变功能层为以下材料其中的一种或多种制备的层状结构：TaOx、MgO、HfO2、Al2O3、TiO2、SiO2与ZrO2，其厚度介于3nm～100nm之间；离子阻挡层为以下材料其中的一种或多种制备的层状结构：Ta、TaN、TiN、TiW、单层或多层石墨烯，其厚度小于10nm；活性上电极采用Ag，Cu，Ni等单元素电极或者包含至少其中一种元素的合金电极，其厚度介于10nm～200nm之间。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种如上述导电桥器件的制备方法。该制备方法包括：依次形成下电极、阻变功能层和离子阻挡层；在离子阻挡层上加工孔洞；以及在具有孔洞的离子阻挡层上制备活性上电极。优选地，本专利技术导电桥器件的制备方法中，用光学曝光结合聚焦离子束刻蚀的方式在离子阻挡层上加工孔洞。优选地，本专利技术导电桥器件的制备方法中，离子阻挡层上的孔洞的数量大于1个；通过高能离子轰击离子阻挡层来在离子阻挡层上加工孔洞，所述孔洞在离子阻挡层上随机分布，其面密度介于107/cm2～1014/cm2之间。优选地，本专利技术导电桥器件的制备方法中，用于轰击的高能离子由离子注入机或粒子加速器获得，其能量高于2KeV～200KeV，入射角度介于80°～100°之间，剂量大于105。优选地，本专利技术导电桥器件的制备方法中，离子阻挡层的材料为石墨烯材料，用于轰击的高能离子的剂量介于1012～1014之间。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术导电桥半导体器件及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：(1)通过引入含孔洞的离子阻挡层，提供了一种新颖的包括活性上电极/具有孔洞的离子阻挡层/阻变功能层/下电极的导电桥半导体器件结构；(2)通过调控离子阻挡层孔洞的数量、直径及密度，实现对基于导电桥的存储器与选择器的导电通路的精确调控；(3)对于导电桥阻变存储器，单个纳米级孔洞可促使导电通路集中分布，提高阻态保持特性，在较小的操作电流下仍能实现非易失阻变特性，从而有效降低导电桥阻变存储器的功耗；(4)对于导电桥选择器，离子阻挡层上的孔洞阵列可促使导电通路离散分布，降低导电通路保持特性，在大的工作电流下仍能实现易失性阻变特性，从而提高导电桥选择器的驱动电流和选择比。附图说明图1A为根据本专利技术第一实施例离子阻挡层上单个孔洞的导电桥阻变存储器的结构和导电通路调控的示意图。图1B为图1A所示导电桥阻变存储器中离子阻挡层上单个孔洞的示意图。图2为根据本专利技术实施例制备图1A所示导电桥阻变存储器的流程图。图3和图4分别为传统的Cu/HfO2/Pt器件与根据本专利技术第一实施例制备的Cu/单孔石墨烯/HfO2/Pt器件在1μA时的特征I-V曲线。图5A为根据本专利技术第二实施例离子阻挡层上有孔洞阵列的导电桥选择器的结构和导电通路调控的示意图。图5B为图5A所示导电桥选择器中离子阻挡层上孔洞阵列的示意图。图6为未加工石墨烯与某一条件离子轰击后的石墨烯的拉曼光谱图。图7和图8分别为在离子阻挡层上形成多孔时注入剂量为D1，D2的Ag/多孔石墨烯/SiO2/Pt器件在最大易失性限流100μA时的特征I-V曲线。图9为在离子阻挡层上形成多孔时注入剂量增加到D3后Ag/多孔石墨烯/SiO2/Pt器件在限流100μA时的特征I-V曲线。图10为在离子阻挡层上形成多孔时注入剂量增加到D3后Ag/多孔石墨烯/SiO2/Pt器件在最大易失性限流500μA时的特征I-V曲线。图11为将Ag/多孔石墨烯/SiO2/Pt器件与Cu/HfO2/Pt器件通过外围电路串联后测试得到的特征I-V曲线。【附图中本专利技术实施例主要元件符号说明】10-下电极；20-阻变功能层；40-活性上电极；30-具有单个孔洞的离子阻挡层；31-单个孔洞；30＇-具有孔洞阵列的离子阻挡层；31＇、32＇、33＇-孔洞；CF-单根导电通路；CF1、CF2、CF3-多根导电通路。具体实施方式低功耗的导电桥阻变存储器与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导电桥半导体器件，其特征在于，自下而上包括：下电极、阻变功能层、离子阻挡层和活性上电极，其中，所述离子阻挡层上开设有供活性导电离子通过的孔洞。

【技术特征摘要】
1.一种导电桥半导体器件，其特征在于，自下而上包括：下电极、阻变功能层、离子阻挡层和活性上电极，其中，所述离子阻挡层上开设有供活性导电离子通过的孔洞。2.根据权利要求1所述的导电桥器件，其特征在于，该导电桥器件为导电桥阻变存储器，所述离子阻挡层上的孔洞为1个，该孔洞的径向宽度介于5nm～200nm之间。3.根据权利要求2所述的导电桥器件，其特征在于，所述孔洞位于离子阻挡层的中央位置。4.根据权利要求2所述的导电桥器件，其特征在于，所述离子阻挡层采用石墨烯材料制备，所述孔洞的径向宽度介于5nm～100nm之间。5.根据权利要求1所述的导电桥器件，其特征在于，该导电桥器件为导电桥选择器，所述离子阻挡层上的孔洞的数量大于1个，所述孔洞的径向宽度小于5nm。6.根据权利要求5所述的导电桥器件，其特征在于，所述孔洞在离子阻挡层上随机分布，其面密度介于107/cm2～1014/cm2之间。7.根据权利要求6所述的导电桥器件，其特征在于，所述离子阻挡层采用石墨烯材料制备，所述孔洞的面密度为n×1010/cm2，n为正整数。8.根据权利要求1至7中任一项所述的导电桥半导体器件，其特征在于，所述孔洞的形状为长方形、椭圆形、三角形或六边形。9.根据权利要求1至7中任一项所述的导电桥半导体器件，其特征在于：所述下电极为以下材料其中的一种或多种制备的层状结构：TaN、TiN、W、Al、Ru、Ti与Pt中的一种或多种材料制备，其厚度介于10nm～20...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘琦，赵晓龙，刘森，刘明，吕杭炳，龙世兵，王艳，伍法才，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11