非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，包括惰性金屬電極、阻變功能層、易氧化金屬電極，其特征在于：在易氧化金屬電極與阻變功能層之間插入含多個(gè)納米孔的石墨烯阻擋層，能夠控制器件編程過(guò)程中易氧化金屬電極的金屬氧化后，形成的金屬離子只能通過(guò)多個(gè)納米孔的位置進(jìn)入到阻變功能層中。依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法，在易氧化金屬電極與阻變功能層之間增加含有納米孔的石墨烯插層結(jié)構(gòu)，阻擋金屬離子的擴(kuò)散，使得器件在編程過(guò)程中易氧化金屬電極中形成的金屬離子只能通過(guò)納米孔的位置處進(jìn)入到阻變功能層，從而控制導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)位置。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可控制導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)位置的基于納米孔石墨烯插層的阻變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)及制作方法。【背景技術(shù)】
[0002]隨著多媒體應(yīng)用、移動(dòng)通信等對(duì)大容量、低功耗存儲(chǔ)的需要，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器、特別是閃存所占的半導(dǎo)體器件市場(chǎng)份額變得越來(lái)越大，也逐漸成為一種相當(dāng)重要的存儲(chǔ)器。 非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的主要特點(diǎn)是在不加電的情況下也能夠長(zhǎng)期保存所存儲(chǔ)的信息，其既有只讀存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，又有很高的存取速度。
[0003]當(dāng)前市場(chǎng)上的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器以閃存為主流，但是閃存器件存在操作電壓過(guò)大、 操作速度慢、耐久力不夠好以及由于在器件微縮化過(guò)程中過(guò)薄的隧穿氧化層將導(dǎo)致記憶時(shí)間不過(guò)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。理想的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器應(yīng)具備操作電壓低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非破壞性讀取、操作速度快、記憶時(shí)間長(zhǎng)、器件面積小、耐久了好等條件。目前已經(jīng)對(duì)好多新型材料和器件進(jìn)行了研究，試圖來(lái)達(dá)到上述的目標(biāo)，其中有相當(dāng)部分的新型存儲(chǔ)器器件都采用電阻值的改變來(lái)作為記憶的方式，包括阻變存儲(chǔ)器及采用固態(tài)電解液材料的阻變存儲(chǔ)器。
[0004]非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器(RRAM:resistive switching memory)由于具有簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)(金屬_絕緣體-金屬)、高的器件密度、低的功耗、快的編程/擦除速度等優(yōu)點(diǎn)，弓丨起了國(guó)內(nèi)外大公司和科研院所的高度關(guān)注。阻變存儲(chǔ)技術(shù)是以材料的電阻在電壓的控制下可以在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的。有多種類(lèi)型的材料被證明具有電阻轉(zhuǎn)變特性:(1)有機(jī)聚合物，如聚酰亞胺(PI)、AIDCN以及CuTCNQ等；(2)多元金屬氧化物，如磁阻材料 Pra7CaQ.3MnO；^PI La Q.7Caa3Mn03等，摻雜的 SrT1 3和 SrZrO 3等；(3)二元過(guò)渡族金屬氧化物，如 N1、Nb205、CuOx、Zr02、Hf02、Ta205、1102等；(4)固態(tài)電解液材料，如 CuS，AgS， AgGeSe 等。
[0005]基于易氧化金屬/固態(tài)電解液/惰性金屬的三明治結(jié)構(gòu)，能夠構(gòu)成一類(lèi)重要的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器(RRAM，resistive switching memory)存儲(chǔ)器，通常被稱(chēng)為固態(tài)電解液基RRAM，可編程金屬化器件(PMC:Programmable Metallizat1n Cell Memory)或?qū)щ姌螂S機(jī)存儲(chǔ)器(CBRAM:Conductive Bridging Random Access Memory)。這類(lèi)存儲(chǔ)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，被受產(chǎn)業(yè)界的重視，成為下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。其工作原理是:在外加電激勵(lì)的作用下，金屬上電極A的陽(yáng)極易氧化金屬(如， Cu、Ag和Ni等)在電場(chǎng)作用下氧化成為金屬離子A+，金屬離子A+在電場(chǎng)的作用下在固態(tài)電解液B中進(jìn)行傳輸，向陰極移動(dòng)并最終達(dá)到惰性下電極C，在下電極C處金屬離子A+被還原成為金屬A。隨著金屬不斷在下電極C處沉積，最終達(dá)到上電極A，形成連通上下電極的細(xì)絲狀的金屬導(dǎo)電橋，器件電阻處于低阻狀態(tài)；在反向電場(chǎng)作用下，該金屬導(dǎo)電橋斷開(kāi)，器件恢復(fù)到高阻狀態(tài)。這兩種電阻狀態(tài)可以在外加電場(chǎng)的作用相互轉(zhuǎn)換。
[0006]然而，由于導(dǎo)電細(xì)絲成核和生長(zhǎng)過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程，導(dǎo)致器件的相關(guān)電學(xué)特性具有很大的離散性(如編程電壓和高低阻態(tài))。如果能夠?qū)?dǎo)電細(xì)絲的形成過(guò)程進(jìn)行控制，那么器件的電學(xué)參數(shù)的均勻性將會(huì)得到極大的提高。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]由上所述，本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)困難，基于金屬導(dǎo)電細(xì)絲的形成與斷裂原理的阻變存儲(chǔ)器存在的不足，提供了一種能夠控制導(dǎo)電細(xì)絲形成位置、通過(guò)控制導(dǎo)電細(xì)絲形成的過(guò)程來(lái)減小阻變存儲(chǔ)器電學(xué)參數(shù)的離散性的新器件結(jié)構(gòu)及其制造方法，提高了器件的性能以及可靠性。
[0008]為此，本發(fā)明提供了一種非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，包括惰性金屬電極、阻變功能層、 易氧化金屬電極，其特征在于:在易氧化金屬電極與阻變功能層之間插入含納米孔的石墨烯阻擋層，能夠控制器件編程過(guò)程中易氧化金屬電極的金屬氧化后，形成的金屬離子只能通過(guò)納米孔的位置進(jìn)入到阻變功能層中。
[0009]其中，易氧化金屬電極的材料例如為Cu、Ag、N1、Sn、Co、Fe、Mg中的至少一種、或其組合；可選地，其厚度為5nm?500nm〇
[0010]其中，阻變功能層的材料為具有電阻轉(zhuǎn)變特性的固態(tài)電解液或二元氧化物材料， 例如為 CuS、AgS、AgGeSe、CuIxSy，Zr02、Hf02、Ti02、Si02、W0X、N1、CuOx、ZnO、TaOx、Y203的任意一種或其組合；可選地，其厚度為2nm?200nm。
[0011]其中，惰性金屬電極的材料例如為Pt、W、Au、Pd的任意一種或其組合；可選地，其厚度例如5nm?500nm〇
[0012]其中，石墨烯阻擋層為單層或多層石墨烯薄膜的至少一種；可選地，其厚度為 0? 4nm ?20nm〇
[0013]其中，每個(gè)納米孔的直徑為lnm?20nm ;可選地，納米孔為單個(gè)或多個(gè)。
[0014]本發(fā)明還提供了一種非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，包括:在絕緣襯底上形成易氧化金屬電極；在易氧化金屬電極上形成含有納米孔的石墨烯阻擋層；在石墨烯阻擋層上形成阻變功能層；在阻變功能層上形成惰性金屬電極，其中含納米孔的石墨烯層能夠控制器件編程過(guò)程中易氧化電極金屬氧化后，形成的金屬離子只能通過(guò)納米孔的位置進(jìn)入到阻變功能層中。
[0015]其中，惰性金屬電極和/或阻變功能層和/或易氧化金屬電極的形成工藝為電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積、磁控濺射或溶膠一凝膠法。
[0016]其中，石墨烯阻擋層的形成方法為薄膜轉(zhuǎn)移、膠帶剝離或化學(xué)氣相沉積。
[0017]其中，惰性金屬電極和/或易氧化金屬電極的厚度為5nm?500nm ;可選的，阻變功能層的厚度為2nm?200nm ;可選的，石墨稀阻擋層的厚度為0? 4nm?20nm〇
[0018]其中，易氧化金屬電極的材料例如為Cu、Ag、N1、Sn、Co、Fe、Mg中的至少一種、或其組合；可選的，阻變功能層的材料為具有電阻轉(zhuǎn)變特性的固態(tài)電解液或二元氧化物材料，例如為 CuS、AgS、AgGeSe、CuIxSy，Zr02、Hf02、Ti02、Si02、W0X、N1、CuOx、ZnO、TaOx、Y203的任意一種或其組合；可選的，惰性金屬電極的材料例如為Pt、W、Au、Pd的任意一種或其組合。
[0019]其中，采用電子束刻蝕或離子束刻蝕中在石墨烯阻擋層中生成納米孔；可選地，每個(gè)納米孔的直徑為lnm?20nm ;可選地，納米孔為單個(gè)或多個(gè)。
[0020]其中，形成石墨烯阻擋層之后，采用電子束刻蝕或離子束刻蝕中在石墨烯阻擋層中生成納米孔；可選地，每個(gè)納米孔的直徑為lnm?20nm ;可選地，納米孔為單個(gè)或多個(gè)。
[0021]其中，在形成石墨烯阻擋層之前，在易氧化金屬電極上刻蝕或者沉積形成多個(gè)納米突起，之后形成的石墨烯阻擋層在多個(gè)納米突起處斷裂形成多個(gè)納米孔。
[0022]其中，在易氧化金屬電極與阻變功能層之間的界面形成周期性結(jié)構(gòu)。
[0023]其中，石墨烯阻擋層與易氧化金屬電極的投影面積大于阻變功能層和惰性金屬電極，并且在露出的石墨烯阻擋層上形成電極接觸。
[0024]其中，惰性金屬電極為分裂的多個(gè)。
[0025]依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法，在易氧化金屬電極與阻變功能層之間增加含有納米孔的石墨烯插層結(jié)構(gòu)，阻擋金屬離子的擴(kuò)散，使得器件在編程過(guò)程中易氧化金屬電極中形成的金屬離子只能通過(guò)納米孔的位置處進(jìn)入到阻變功能層，從而控制導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)位置?！靖綀D說(shuō)明】
[0026]以下參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0027]圖1為依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件的示意圖；
[0028]圖2A-2E為依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件制造方法的示意圖；以及
[0029]圖3為依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件制造方法的示意流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0030]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開(kāi)了在易氧化金屬電極與阻變功能層之間增加含有納米孔的石墨烯插層結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法。需要指出的是，類(lèi)似的附圖標(biāo)記表示類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)中所用的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或制造工序。 這些修飾除非特別說(shuō)明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或制造工序的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。
[0031]如圖1所示，為依照本發(fā)明的阻變存儲(chǔ)器件的示意圖，其包括絕緣襯底11、易氧化金屬電極12、石墨烯阻擋層13 (含有多個(gè)納米孔13A)、阻變功能層14、以及惰性金屬電極 15。其中，惰性金屬電極15材料為Pt、W、Au、Pd的至少一種或其組合，阻變功能層14為具有電阻轉(zhuǎn)變特性的固態(tài)電解液或二元氧化物材料，石墨烯阻擋層13為單層或多層石墨烯薄膜，石墨稀層13中具有多個(gè)納米孔13A的陣列，易氧化金屬電極12材料為Cu、Ag、N1、Sn、 Co、Fe、Mg的至少一種或其組合。編程過(guò)程中，采用石墨烯層作為陽(yáng)離子的阻擋層，控制導(dǎo)電細(xì)絲只能從石墨烯層中的納米通孔位置處進(jìn)行生長(zhǎng)，減小了導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)的隨機(jī)性，從而達(dá)到減小器件電學(xué)參數(shù)離散性的目的。
[0032]如圖2A-2E以及圖3所示，為依照本發(fā)明的阻變存儲(chǔ)器件制造方法的各個(gè)步驟對(duì)應(yīng)的示意圖。
[0033]具體地，如圖2A所示，在絕緣襯底11上形成易氧化金屬電極12。提供絕緣襯底 11，其可以為Si襯底上的氧化硅、SOI襯底的埋氧層、藍(lán)寶石(氧化鋁)、氮化鋁、玻璃、石英等硬質(zhì)襯底，還可以是樹(shù)脂、塑料等柔性襯底。采用電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積(包括 PECVD、HDPCVD、M0CVD等)、脈沖激光沉積、原子層沉積(ALD)或磁控濺射方法，在絕緣襯底 12上沉積由易氧化金屬材料構(gòu)成的易氧化金屬電極12，例如為Cu、Ag、N1、Sn、Co、Fe、Mg中的至少一種、或其組合(例如以合金形式或疊層方式)，其厚度為5nm?500nm、優(yōu)選為10?300nm并最佳50?lOOnm，例如80nm。
[0034]隨后，如圖2B所示，在易氧化金屬電極12上形成石墨烯構(gòu)成的金屬離子阻擋層 13。形成石墨烯薄膜層可以是采用薄膜轉(zhuǎn)移的工藝，石墨烯層的制備可以采用機(jī)械剝離 (例如膠帶剝離)或者是化學(xué)氣相沉積的方法。所述石墨烯阻擋層的厚度為〇.4nm至20nm， 優(yōu)選0.8nm?16nm。石墨稀作為一種六邊形網(wǎng)格的二維結(jié)構(gòu)，其六邊形的空洞直徑為65pm， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大部分原子的原子尺寸或離子尺寸，因此是一種非常有效的原子擴(kuò)散阻擋層材料。石墨稀阻擋層13可以是單層石墨稀，也可以是多層石墨稀。與其他例如Ta、T1、TiN、 TaN材質(zhì)的硬質(zhì)阻擋層相比，石墨烯阻擋層13由于可以為單層，或者多層結(jié)構(gòu)中的每一層均為柔性可彎折，因此阻變器件自身厚度可以大大降低，更易于在柔性襯底上制備，也進(jìn)一步降低了整體阻抗，因此可以應(yīng)用于可穿戴式或低功耗電子設(shè)備。優(yōu)選地，石墨烯阻擋層與易氧化金屬電極的投影面積大于后續(xù)要形成的阻變功能層和惰性金屬電極，由此在石墨烯阻擋層上形成電極接觸，如圖2D所示具有臺(tái)階結(jié)構(gòu)，如此可以進(jìn)一步提高石墨烯和易氧化金屬電極的面積從而降低器件自身的電阻，以便用于低功耗器件。
[0035]接著，如圖2C所示，刻蝕石墨烯阻擋層13,形成多個(gè)納米孔洞13A。采用電子束刻蝕或離子束刻蝕，在高強(qiáng)電磁場(chǎng)作用下驅(qū)動(dòng)電子或離子直接轟擊石墨烯薄膜13表面，在選定的器件區(qū)域內(nèi)濺射出單個(gè)或多個(gè)納米級(jí)孔洞13A。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，僅有單個(gè)孔洞13A，其直徑為lnm?20nm，優(yōu)選3nm?15nm，最佳5nm。如此，可以在每個(gè)RRAM中僅通過(guò)單個(gè)孔洞形成單個(gè)金屬細(xì)絲，唯一地控制了金屬細(xì)絲的分布和尺寸，以便精確控制電阻值。在本發(fā)明其他實(shí)施例中，也可以形成多個(gè)孔洞13A，例如使得每個(gè)RRAM具有2? 32個(gè)孔洞，每個(gè)孔洞之間的間距為3nm?50nm，優(yōu)選5?20nm。如此，可以在較大面積的 RRAM中獲得均勻的金屬細(xì)絲分布，以便提高電流密度的均勻性，避免局部過(guò)熱導(dǎo)致金屬細(xì)絲意外熔斷。
[0036]隨后，如圖2D所示，在石墨烯阻擋層13上形成阻變功能層14。阻變功能層14也可以稱(chēng)作阻變存儲(chǔ)介質(zhì)層，在上下電極之間起到絕緣隔離作用。在后續(xù)編程過(guò)程中，在大電場(chǎng)作用下，易氧化金屬電極12的原子被電離，然而受到孔洞尺寸小于原子尺寸的石墨烯阻擋層13的阻擋，電離的原子僅能通過(guò)多個(gè)孔洞13A而進(jìn)入后續(xù)固態(tài)電解液的阻變功能層14 中，因此可以通過(guò)合理調(diào)整排列孔洞13A的陣列從而控制導(dǎo)電細(xì)絲只能沿著納米孔的位置處進(jìn)行生長(zhǎng)，從而達(dá)到控制導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)的過(guò)程，減小由此導(dǎo)致的器件電學(xué)參數(shù)的離散性。 阻變功能層14的形成工藝為電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、磁控濺射或溶膠一凝膠法。阻變功能層14為具有電阻轉(zhuǎn)變特性的固態(tài)電解液或二元氧化物材料，具體為CuS、AgS、AgGeSe、 CuIxSy，Zr02、Hf02、Ti02、Si02、TOX、N1、CuOx、ZnO、TaOx、Y203的任意一種或其組合(包括混合、層疊、摻雜改性等多種形式)，厚度為2nm?200nm、優(yōu)選5nm?100nm、最佳10nm? 60nm，最佳 40nm。
[0037]最后，如圖2E所示，在阻變功能層14上形成惰性金屬電極15。采用電子束蒸發(fā)、 化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或磁控濺射方法形成電極15,其材料為惰性金屬材料，例如為Pt、W、Au、Pd的任意一種或其組合；其厚度例如5nm?500nm、優(yōu)選為10? 350nm并最佳60?150nm，例如100nm。優(yōu)選地，沉積電極15之前，采用掩模板或者周期性控制沉積工藝參數(shù)、或者沉積之后刻蝕，在阻變功能層14的頂表面形成周期性圖形(未示出)，以增大電極15與其下的阻變功能層14之間的接觸面積，從而提高編程、擦除效率。優(yōu)選地，形成電極層15之后通過(guò)刻蝕，或者利用掩模沉積電極層15,使得電極15為小面積的多個(gè)，由此提高電流在阻變器件中的分布均勻性，提高器件可靠性。雖然本發(fā)明附圖顯示電極12、石墨烯層13面積大于上層的阻變功能層14、15,但是這些層也可以面積相等。
[0038]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，首先，利用電子束蒸發(fā)工藝，在帶有200nm厚Si02的絕緣層的Si襯底上，磁控濺射80nm的Cu薄膜作為下導(dǎo)電電極層；然后，采用PMMA轉(zhuǎn)移的方法，將生長(zhǎng)在Cu箱襯底上的單層石墨烯轉(zhuǎn)移到下導(dǎo)電電極層上；然后利用聚焦離子束的刻蝕功能，在單層石墨稀上制備出直徑為5nm，間隔200nm的納米孔陣列(用于一次性形成多個(gè)RRAM器件)；然后利用磁控濺射沉積的方法，淀積一層20nm的Si02阻變功能層；然后采用電子束光刻的方法，在納米孔位置的上方形成直徑50nm，間隔200nm的上導(dǎo)電電極膠圖形，最后磁控濺射50nm的Pt作為上導(dǎo)電電極層，去膠后形成完整的器件結(jié)構(gòu)，之后劃片切割或者形成電隔離結(jié)構(gòu)而形成多個(gè)RRAM器件。圖2給出了該實(shí)施例的工藝流程示意圖。通過(guò)對(duì)比不含納米孔石墨烯插層的相同工藝條件下生長(zhǎng)的阻變存儲(chǔ)器件的電學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)增加這層納米孔石墨烯插層能夠顯著減小器件的操作電壓和高、低阻態(tài)的離散性。
[0039]在本發(fā)明另一實(shí)施例中，也可以在絕緣襯底11上依次沉積惰性金屬電極層15、阻變功能層14、具有多個(gè)納米孔13A的石墨烯阻擋層13、易氧化金屬電極層12,其他材料和尺寸如上所述。
[0040]在本發(fā)明另一實(shí)施例中，不同于沉積石墨烯阻擋層之后刻蝕形成納米孔，而是在形成石墨烯阻擋層13之前，在易氧化金屬電極12上刻蝕或者(周期性調(diào)節(jié)工藝參數(shù))沉積形成多個(gè)納米突起(未示出)，之后形成的石墨烯阻擋層13在多個(gè)納米突起處斷裂形成多個(gè)納米孔13A。其余步驟與之前實(shí)施例類(lèi)似。
[0041]依照本發(fā)明的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器件及其制造方法，在易氧化金屬電極與阻變功能層之間增加含有納米孔的石墨烯插層結(jié)構(gòu)，阻擋金屬離子的擴(kuò)散，使得器件在編程過(guò)程中易氧化金屬電極中形成的金屬離子只能通過(guò)納米孔的位置處進(jìn)入到阻變功能層，從而控制導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)位置。
[0042]盡管已參照一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無(wú)需脫離本發(fā)明范圍而對(duì)器件結(jié)構(gòu)或方法流程做出各種合適的改變和等價(jià)方式。此外，由所公開(kāi)的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開(kāi)的特定實(shí)施例，而所公開(kāi)的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，包括惰性金屬電極、阻變功能層、易氧化金屬電極，其特 征在于:在易氧化金屬電極與阻變功能層之間插入含納米孔的石墨烯阻擋層，能夠控制器 件編程過(guò)程中易氧化金屬電極的金屬氧化后，形成的金屬離子只能通過(guò)納米孔的位置進(jìn)入 到阻變功能層中。2.如權(quán)利要求1的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，其中，易氧化金屬電極的材料例如為Cu、Ag、 N1、Sn、Co、Fe、Mg中的至少一種、或其組合；可選地，其厚度為5nm?500nm。3.如權(quán)利要求1的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，其中，阻變功能層的材料為具有電阻轉(zhuǎn)變特 性的固態(tài)電解液或二元氧化物材料，例如為CuS、AgS、AgGeSe、CuIxSy，Zr02、Hf02、Ti02、Si02、 TOX、N1、CuOx、ZnO、TaOx、Y203的任意一種或其組合；可選地，其厚度為2nm?200nm。4.如權(quán)利要求1的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，其中，惰性金屬電極的材料例如為Pt、W、Au、 Pd的任意一種或其組合；可選地，其厚度例如5nm?500nm〇5.如權(quán)利要求1的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，其中，石墨烯阻擋層為單層或多層石墨烯薄 膜的至少一種；可選地，其厚度為〇.4nm?20nm。6.如權(quán)利要求1的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器，其中，每個(gè)納米孔的直徑為lnm?20nm ;可選 地，納米孔為單個(gè)或多個(gè)。7.—種非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，包括:在絕緣襯底上形成易氧化金屬電極；在易氧化金屬電極上形成含有納米孔的石墨烯阻擋層；在石墨烯阻擋層上形成阻變功能層；在阻變功能層上形成惰性金屬電極，其中含納米孔的石墨烯層能夠控制器件編程過(guò)程中易氧化電極金屬氧化后，形成的金 屬離子只能通過(guò)納米孔的位置進(jìn)入到阻變功能層中。8.如權(quán)利要求7的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，其中，惰性金屬電極和/或阻變功能 層和/或易氧化金屬電極的形成工藝為電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層 沉積、磁控濺射或溶膠一凝膠法。9.如權(quán)利要求7的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，其中，采用薄膜轉(zhuǎn)移、膠帶剝離或化 學(xué)氣相沉積方法形成單層或多層的石墨烯阻擋層。10.如權(quán)利要求7的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，其中，惰性金屬電極和/或易氧化 金屬電極的厚度為5nm?500nm ;可選的，阻變功能層的厚度為2nm?200nm ;可選的，石墨 稀阻擋層的厚度為〇? 4nm?20nm。11.如權(quán)利要求7的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，其中，易氧化金屬電極的材料例如 為Cu、Ag、N1、Sn、Co、Fe、Mg中的至少一種、或其組合；可選的，阻變功能層的材料為具有電 阻轉(zhuǎn)變特性的固態(tài)電解液或二元氧化物材料，例如為CuS、AgS、AgGeSe、CuIxSy，Zr02、Hf02、 Ti02、Si02、W0X、N1、CuOx、ZnO、TaOx、Y203的任意一種或其組合；可選的，惰性金屬電極的材 料例如為Pt、W、Au、Pd的任意一種或其組合。12.如權(quán)利要求9的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，其中，形成石墨烯阻擋層之后，采 用電子束刻蝕或離子束刻蝕中在石墨烯阻擋層中生成納米孔；可選地，每個(gè)納米孔的直徑 為lnm?20nm ;可選地，納米孔為單個(gè)或多個(gè)。13.如權(quán)利要求9的非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器制造方法，其中，在形成石墨烯阻擋層之前，在易氧化金屬電極上刻蝕或者沉積形成單個(gè)或多個(gè)納米突起，之后形成的石墨烯阻擋層在 每個(gè)納米突起處斷裂形成納米孔。
【文檔編號(hào)】H01L45/00GK105990519SQ201510061920
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月5日
【發(fā)明人】劉琦, 劉明, 孫海濤, 呂杭炳, 龍世兵, 瑞塔姆·白納吉, 張康瑋
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院微電子研究所