一种芯片及其制备方法技术

本发明专利技术属于存储技术领域，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。本发明专利技术还提供制备上述芯片的方法。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于存储
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述双极阻变器件的旁路电流问题，本专利技术提供一种芯片，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。本专利技术的另一目的为提供上述芯片的制备方法。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。附图说明图1为无源交叉阵列中的旁路电流示意图2为本专利技术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为本专利技术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专利技术做进一步的说明。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。该专利技术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。电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨眉，李树玮，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81