一种采用超材料电极结构的阻变存储器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种采用超材料电极结构的阻变存储器及其制备方法。该阻变存储器包括衬底和位于衬底上的电极-阻变层-电极结构，所述电极采用能够对电磁场产生共振的超材料结构。首先在衬底上采用传统半导体CMOS工艺生长阻变薄膜材料层；然后利用光刻胶作为牺牲层，利用传统半导体CMOS工艺的光刻技术，通过牺牲层在阻变薄膜材料层上刻蚀出超材料结构的电极图形；再在刻蚀出的图形上淀积金属电极材料，去除牺牲层后即形成阻变存储器结构。本发明专利技术将超材料做成电极结构应用在阻变存储器中，通过电磁波的非接触式激励来实现存储状态的改变，可以应用到电磁开关、电磁波探测等方面，极大的丰富了阻变存储器的应用。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供。该阻变存储器包括衬底和位于衬底上的电极-阻变层-电极结构，所述电极采用能够对电磁场产生共振的超材料结构。首先在衬底上采用传统半导体CMOS工艺生长阻变薄膜材料层；然后利用光刻胶作为牺牲层，利用传统半导体CMOS工艺的光刻技术，通过牺牲层在阻变薄膜材料层上刻蚀出超材料结构的电极图形；再在刻蚀出的图形上淀积金属电极材料，去除牺牲层后即形成阻变存储器结构。本专利技术将超材料做成电极结构应用在阻变存储器中，通过电磁波的非接触式激励来实现存储状态的改变，可以应用到电磁开关、电磁波探测等方面，极大的丰富了阻变存储器的应用。【专利说明】-种采用超材料电极结构的阻变存储器及其制备方法
本专利技术属于超材料（metamaterial)和CMOS混合集成电路
，具体设及一 种应用超材料电极结构从而可通过电磁波（electromagnetic wave)激励改变阻变存储器 (resistive random access memoir)的存储状态的器件结构及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着集成电路的进一步发展，对非易失性存储器的尺寸缩小、功耗降低及 高集成度等的要求不断提高，占当前市场主要份额的闪存（flash)已经不能完全满足非易 失性存储器发展的要求。 阻变存储器在集成电路领域得到了广泛的关注，阻变存储器在高集成度、低功耗 等方面的优势使之成为了新一代存储器中的有力竞争者。阻变存储器的基本原理在于，存 储器结构所体现出的电阻在外加激励下可W在高阻态（"0"状态）和低阻态（"1"状态） 之间实现可逆的转换并保持高阻态或低阻态，从而实现数据的存储。阻变存储器的电极结 构是影响阻变存储器性能的重要因素，电极结构一直是一个重要的研究方向。 超材料具有=个重要特征；1)超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；2)超 材料具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；3)超材料性质往往不主 要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于特殊超材料电极结构实现的阻变存储器及其制备方法，通 过改变阻变存储器的电极结构来实现阻变存储器操作方式的改变，可W实现电磁激励的非 接触式操作。 本专利技术采用的技术方案如下： 一种采用超材料电极结构的阻变存储器，包括衬底和位于衬底上的电极-阻变 层-电极结构，所述电极采用能够对电磁场产生共振的超材料结构。 [000引进一步地，所述超材料结构为半圆环谐振器（split-ring resonators, SRR，又称 为开口谐振环）结构。 进一步地，所述衬底为娃衬底。 进一步地，所述电极-阻变层-电极结构是Meta^Insulator-Metal电容结构、 Metal-Semicon化ctor-Metal电容结构等，采用简单的平面结构。其中，电极位于阻变层之 上或者嵌入阻变层之内。 进一步地，所述电极由金属材料通过半导体工艺实现超材料结构图形。所述电极 可采用多种金属材料，如Pt、Al、Au和TiN等。金属电极材料的厚度为100nm-200nm。 进一步地，所述阻变层即中间功能层采用具有优良阻变特性的过渡金属氧化物， 如化0,、HfO,、SiO,，或者SrTi〇3等。两个超材料电极之间的间距，即功能层材料的厚度为 20-200nm之间，进一步优选为50-200nm之间。 [001引进一步地，所述整个器件的图形面积在2umX2um到lOOumX lOOum之间。 -种制备上述采用超材料电极结构的阻变存储器的方法，包括如下步骤： 1)在衬底上采用传统半导体CMOS工艺生长阻变薄膜材料层； 2)利用光刻胶作为牺牲层，利用传统半导体CMOS工艺的光刻技术，通过牺牲层在 阻变薄膜材料层上刻蚀出超材料结构的电极图形； 3)在刻蚀出的图形上淀积金属电极材料，去除牺牲层后即形成阻变存储器结构。 进一步地，所述阻变薄膜材料层的厚度为20-200nm之间，进一步优选为50-200nm 之间。 进一步地，所述金属电极材料的厚度为lOOnm-200皿。 本专利技术将超材料结构引入电极设计，将超材料做成电极结构应用在阻变存储器 中。由于阻变存储器的低操作电压，当电磁波遇到该种特殊的超材料电极结构时，可W将 电磁波转化成为更强的电场，从而可W通过非接触式激励来实现阻变存储器存储状态的改 变。该种电极使得阻变存储器可W在非接触式激励-特定频段的电磁波的条件下实现阻态 的翻转，使得单纯的阻变存储器件可W拓展到电磁开关、电磁波探测等方面，极大的丰富了 阻变存储器的应用。 【专利附图】【附图说明】 图1为两种双开口谐振环结构的示意图。 图2-10是实施例中阻变存储器的制备过程示意图。 [002引 图11为图2-10的图例说明。 图12为本专利技术的阻变存储器的阻变过程的电流-电压特性曲线示意图。 图13和图15为实施例中进行仿真所采用的器件结构图，其中图13为侧视图，图 15为顶视图。 图14和图16为施加电磁波扫描时在器件工作区产生谐振加强电场的示意图，其 中图14为对应图13的侧视图，图16为对应图15的顶视图。 【具体实施方式】 下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进行进一步描述。 [002引本专利技术优选采用SRR或者其衍生结构作为阻变存储器的超材料电极。半圆环谐振 器又称为开口谐振环（Split-ring resonator),是一种磁性超材料。一对同屯、的亚波长大 小的开口谐振环，可W有效地提高磁导率，在当今的超材料研究中被用作许多超材料磁单 元的原型。其原理是；一个金属环在与其垂直的磁场变化中，会产生感应电磁场，但并非谐 振的系统。为了谐振加强磁效应，在金属环上加入一个缺口，形成电容，电荷会在二端积累， 电感和电容一起就形成了谐振电路（金属环可看成电感）。该样，该个开口谐振环就类比于 一个带有二个电容的谐振电路。在超材料的设计中，经常使用双开口谐振环结构。因为单 个开口谐振环积累的电荷会产生电偶极矩，消弱了所需要的电磁极矩，而二个开口反向放 置的开口谐振环所产生的电偶极矩会相互抵消。图1中（a)和化）所示为两种双开口谐振 环结构的示意图。 实施例1 (SRR及衍生结构为例作为超材料电极）： 1)在Si衬底上生长一层阻变薄膜材料，如图2所示： 1. 1)采用CVD反应瓣射方法制备一层阻变薄膜材料： 具体材料可W是化Ox, HfOx，A1203, SiOx，TiOx等，厚度在20nm-50nm之间；如图 3所示。 1. 2)采用ALD(Atomic layer deposition)方式淀积更薄的阻变薄膜材料；具体 材料可W是化化，HfOx，A1203等，厚度在5-10皿之间。 W上提供了两种不同的制备阻变薄膜材料的方法，即瓣射和ALD方法，该两种方 法都有各自的优势。采用ALD淀积方法制备的阻变薄膜材料性能会更好一些，并且其更适 用于淀积较薄的薄膜，ALD的淀积方式相当于是对普通瓣射方法的优化和补充，是出于对器 件尺寸缩小的一种考虑，即更利于制备尺寸小的器件。 需要说明的是，本实施的阻变薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用超材料电极结构的阻变存储器，其特征在于，包括衬底和位于衬底上的电极‑阻变层‑电极结构，所述电极采用能够对电磁场产生共振的超材料结构。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡一茂，王宗巍，黄如，刘业帆，余牧溪，方亦陈，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11