一种平面结构的阻变存储器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于阻变存储器技术领域，具体涉及一种平面结构的阻变存储器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体器件特征尺寸的进一步等比例缩小，传统的闪存技术将达到尺寸的极限。为进一步提高器件的性能，技术人员开始对新结构、新材料、新工艺进行积极的探索。近年来，各种新型非挥发性存储器得到了迅速发展。其中，阻变存储器(RRAM)凭借其结构简单、微缩能力强、高密度、数据保持时间长、可三维集成以及与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容等优势，受到业界越来越多的关注，被认为是极有可能替代静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、闪存(Flash)、硬盘驱动器(HDD)，成为下一代“通用”存储器的强有力候选者之一。
[0003]关于阻变存储器的阻变机理的研究是当下的一个研究热点，组变存储器设计成平面结构，有助于比较直观的观测器件导通时导电细丝(filaments)的形成。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种平面结构的阻变存储器及其制备方法，以实现对RRAM器件尺寸的精确控制以及有助于对RRAM的机理研究。
[0005]本发明提供的平面结构的阻变存储器，具备衬底，形成于所述衬底上的阻变功能层，以及形成于所述阻变功能层的两端的石墨烯电极。
[0006]作为优选，分别在石墨烯电极外侧形成接触电极。
[0007]作为优选，石墨烯电极间的距离为20nm。
[0008]作为优选，阻变功能层的材料为Ti02、Ta205、A1203、HfO2、ZnO中的一种，或其中几种的组合。
[0009]本发明提供的阻变存储器制备方法，具有步骤为:
在衬底上形成石墨烯层；
对所述石墨烯层进行图案化形成石墨烯纳米带；
使所述石墨稀纳米带中形成空隙，形成石墨稀电极对；
在所述石墨烯电极之间形成阻变功能层。
[0010]作为优选，在形成所述石墨烯电极之前，在所述石墨烯纳米带两端形成接触电极。[0011 ] 作为优选，在所述接触电极两端施加电压，使所述石墨烯纳米带断开形成空隙。
[0012]作为优选，所形成的石墨烯纳米带中的空隙为20nm。
[0013]作为优选，所述阻变层的材料为Ti02、Ta205、Al203、Hf02、Zn0中的一种，或其中几种的组合。
[0014]作为优选，所述石墨稀纳米带线宽为40?lOOnm。
[0015]作为优选，采用低温原子层沉积技术生长阻变功能层。
[0016]发明效果
本发明中，使用电焦耳热熔断的方法在石墨烯纳米带的中间位置获得几十纳米宽度的空隙，该方法简单、有效、节约原材料成本。基于ALD工艺中阻变功能层在石墨稀上的侧向生长特性，巧妙地制备出RRAM器件的阻变功能层。利用石墨烯材料的高迀移率特性，实现阻变存储器的低功耗运行。此外，RRAM器件的尺寸由石墨烯纳米带的宽度和电焦耳热熔断得到的空隙宽度所决定，因此通过调节以上二者可以实现对RRAM器件尺寸的精确控制。平面结构的RRAM器件可以比较方便的观测到导电细丝的形状，有助于对RRAM的机理研究。
【附图说明】
[0017]图1表示制备本发明的平面结构阻变存储器的流程图。
[0018]图2表示制备/转移石墨烯的流程图。
[0019]图3表示形成石墨烯纳米带的流程图。
[0020]图4表示在墨烯纳米带两端形成接触电极的流程图。
[0021]图5表示形成阻变功能层的流程图。
[0022]图6表示制备本发明的平面结构阻变存储器的过程中各阶段的结构示意图。
[0023]图7是本发明的平面结构阻变存储器俯视图。
[0024]图8是本发明的平面结构阻变存储器沿A-A方向的剖面图。
【具体实施方式】
[0025]以下将参照附图详细描述本发明的实施例，在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。以下所述实施例是示例性的，为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，这些仅仅是示例，旨在解释本发明而不能理解为对本发明的限制。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件的各部分均可采用本领域公知的工艺和材料实现。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括其它的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0026]以下，根据附图1?5所示的流程图以及附图6所示的制备平面结构阻变存储器的过程中各阶段的结构示意图，针对本发明所涉及的阻变存储器的实施方式的一例进行说明。
[0027]如图1所示，在步骤S111中，制备/转移石墨烯。石墨烯的制备方法可以采用目前石墨烯的主要制备方法，如机械剥离法、化学剥离法、SiC外延生长法、化学气相沉积(CVD)法等。本实施例中采用目前获得大面积高质量、层数可控的石墨烯的主要方法即化学气相沉积方法制备石墨烯。化学气相沉积方法制备石墨烯的方法中可以采用N1、Cu、Pt等低碳溶性金属作为衬底，本实施例中以铜箔作为衬底。作为具体的一例，如图2所示，在步骤Sllll中，采用CVD方法在铜箔上生长石墨烯。接下来，将石墨烯转移至目标基底上。石墨烯的主要转移技术有“基体刻蚀”法、“卷对卷(roll-to-roll)”转移技术、“电化学转移”技术、“鼓泡转移”技术、“干法转移”技术、“机械剥离”技术等。衬底可以为本领域常用衬底，如玻璃衬底、蓝宝石衬底、石英衬底、塑料衬底、硅衬底或者聚萘二甲酸乙二醇酯衬底等。优选为硅衬底。本实施例中，采用常规的“基体刻蚀”方法实现将上述在铜箔上生长的石墨烯转移至包括硅基底101和氧化硅层102的衬底上。作为具体的一例，在图2所示的步骤S1112中，在石墨烯上旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在步骤S1113中，烘烤后放置到FeCl3S液或者硫酸铜溶液中溶解掉石墨烯下方的铜箔。在步骤S1114中，将聚甲基丙烯酸甲酯/石墨稀转移至Si02/Si衬底。在步骤S1115中，将PMMA/石墨稀/Si02/Si结构经标准清洗工艺清洗并烘干，依次放入丙酮、酒精中，将聚甲基丙烯酸甲酯溶解掉，得到石墨烯103/氧化硅层102/硅基底101的复合体。在步骤S1116中，采用N2/H2混合气体350°C退火进一步去除残留的丙酮和有机物，得到如图6 (a)所示的结构。但是，本发明不限于此，当然可以采用本领域公知的石墨烯制备和转移方法在目标衬底上形成石墨烯。
[0028]接下来，返回图1，在步骤S112中，形成石墨烯纳米带105。作为具体的一例，如图3所示，在所示的步骤S1121中，在转移完成后的石墨烯103上旋涂负型电子束光刻胶。在步骤S1122中，曝光出50nm线宽的纳米带图形104，得到如图6 (b)所示的结构。在步骤S1123中，采用氧气等离子刻蚀方法刻蚀露出部分的石墨烯。优选地，上述刻蚀工艺中功率设为100W，时间为15s，氧气流量为15SCCm。在步骤S1124中，去胶后得到50nm线宽的石墨稀纳米带105，如图6 (c)所示。但是，本发明不限定于此，石墨稀纳米带105的线宽可