CN101572291B

CN101572291B - 一种实现多级存储的存储器单元结构及其制作方法

Info

Publication number: CN101572291B
Application number: CN2009100530399A
Authority: CN
Inventors: 吴良才; 宋志棠
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2029-06-12
Also published as: CN101572291A

Abstract

本发明提出一种实现多级存储的存储器单元结构及其制作方法。其特征在于所述的存储器单元结构由顶电极、多级存储介质(由相变材料和具有阻变特性的金属氧化物塞，如WO_x塞形成的堆栈结构)、阻变氧化物塞、底电极、衬底、绝缘介质等组成。其中，相变材料是可以发生可逆相变的化合物材料，如Ge-Sb-Te等，WO_x塞是通过钨塞的氧化形成，在电场作用下(电脉冲)可以发生阻值变化，通过Ge-Sb-Te和WO_x塞的多级阻值变化实现多级存储，从而提高单个存储单元的容量。

Description

一种实现多级存储的存储器单元结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种实现多级存储的存储器单元结构及其制作方法，属于微电子学中纳米器件与制备工艺领域。

背景技术

传统的存储技术面临诸多挑战，研发新型存储技术受到国内外研究机构和半导体公司的广泛关注。在当前众多的存储技术当中，相变存储器(PCRAM)和基于具有电阻开关特性的金属氧化物的电阻式随机存取存储器(RRAM)的内存技术被认为是下一代有商业化应用前景的存储技术。PCRAM具有存储单元尺寸小、非挥发性、循环寿命长、稳定性好、功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸的微缩方面的优势尤为突出，业界认为在不久的将来闪速存储器(FLASH)将遭遇尺寸缩小限制，而PCRAM在65nm节点后会有越来越大的技术优势。因此，PCRAM被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商用前景。国际知名半导体公司如英特尔、三星、意法半导体、飞利浦、国际商业机器公司和艾必达等花大量人力和物力对此技术进行开发，目前已研制出最大容量为512Mb的PCRAM试验芯片。同样，RRAM的存储单元在施加脉冲电压后电阻值也会产生很大变化，这一电阻值在断开电源后仍能维持下去。RRAM在许多方面具有与PCRAM可比拟的优异性能，近年来，国际上很多电子和半导体公司都愿意投下大量的财力与人力在致力于RRAM的研制。目前正在从事开发RRAM技术的公司有Sharp、Sony、SamsungElectronics、LSI Logic、Matsushita Electric Industrial、Winbond Electronics等。

在研究新型存储技术和提高存储容量的同时，如何通过多级存储提高存储容量已成为当前的研究热点之一。在目前报导的文献中，关于多级存储的报导主要集中在相变存储方面，利用不同的相变材料实现多级存储，如Japanese Journal of Applied Physics，Vol.46，L25(2007)，但是相变材料之间容易发生元素扩散。针对上述研究现状，为了提高存储容量，同时避免元素扩散，实现在一个存储单元中的多级存储，本发明提出了一种实现多级存储的存储器单元结构、制作方法，其中相变材料和WO_x塞的稳定性好，界面不容易发生扩散现象。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于提供一种可实现多级存储的存储器单元结构及制作方法。所述的存储器单元结构由顶电极、多级存储介质(由相变材料和阻变氧化物塞形成的堆栈结构)、阻变氧化物塞、底电极、衬底、绝缘介质等组成。在顶电极与相变材料之间制备一层TiN等具有一定导电能力的薄膜作为阻挡层，以减少相变材料与电极间的扩散与反应。

其特征在于：

(1)在绝缘介质层上制备有纳米级孔洞，在孔洞中填充金属材料，形成金属塞，所述的金属材料为形成氧化物后具有阻变特性的金属；

(2)金属塞的顶部氧化，形成阻变氧化物塞；

(3)相变材料和阻变氧化物塞形成堆栈结构。

所述的纳米级孔洞穿过绝缘介质层，且孔洞底部与底电极相连。

所述的纳米级孔洞直径介于50～500nm之间。

所述的纳米级孔洞中填充的金属材料为W、Ti、Ni、Cu、Zr、Ta、Al、Nb、Zn、Hf、Fe、Co、Ce、Cr、V、Sn、Sb或Bi。

本发明提供的相变存储器单元结构的制作工艺步骤如下：

(a)利用高真空磁控溅射方法在Si衬底或其它衬底上淀积一层底电极，在底电极上原位溅射生长100nm-500nm厚的绝缘介质层，所述的介质层为SiO₂、SiN_x、Al₂O₃或ZrO₂中的任意一种；

(b)在步骤(a)制作的介质层上利用电子束曝光、反应离子刻蚀或当前的亚微米CMOS工艺制备纳米级孔洞，纳米级孔洞的直径在50nm-500nm，且纳米级孔洞穿过绝缘介质层，所述的孔洞底部与底电极相连；

(c)利用磁控溅射、原子层沉积(ALD)或其它物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)技术在步骤(b)制出的孔洞内填充金属W，或者为Ti、Ni、Cu、Zr、Ta、Al、Nb、Zn、Hf、Fe、Co、Ce、Cr、V、Sn、Sb、Bi等形成氧化物后具有阻变特性的金属材料；

(d)孔洞中填满上述金属材料后，采用化学机械抛光(CMP)技术，将孔洞外的金属材料去除，形成金属塞；

(e)利用热氧化或等离子体氧化的方法将金属塞的顶部氧化，形成相应的阻变氧化物塞；

(f)在上述阻变氧化物塞上依次淀积具有可逆相变特性的材料和TiN，通过剥离或者刻蚀的方法形成相变存储单元；

(g)淀积金属电极材料，然后通过干法刻蚀或湿法腐蚀方法形成顶电极。

所述的W塞的制备方法不受限制，可以为CVD、ALD、磁控溅射、PLD、电子束蒸发、热蒸发等具有填充孔洞能力好的制备方法。

所述的衬底材料无限制，可以是常用的单晶硅片，或Ge、InP和GaAs等半导体材料，也可以是石英玻璃，陶瓷基片等介质材料或金属材料。

所述的绝缘介质层材料为常用的SiO₂、SiN_x或Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂和Ta₂O₅等材料，厚度100nm-500nm。

所述的顶电极和底电极不受限制，可以是Pt、Au、Ag等贵金属材料，也可以是Al、Cu、W、Mo等常用的导体材料，其厚度为200-500nm。

所述的相变材料无限制，可以为一切具有相变特性的材料，比如可以是Ge-Sb-Te系列，也可以是Si-Sb-Te系列，或为Sb-Te系列、Ge-Sb系列或Si-Sb系列等等。

本发明的特征之一是采用相变材料和WO_x等具有阻变材料形成堆栈型结构，其中WO_x塞通过钨塞的自氧化形成；

本发明的另一个特征是利用相变材料和具有阻变特性的氧化物塞(如WO_x塞)依次发生相变、阻变实现写操作；再通过具有阻变特性的氧化物塞(如WO_x塞)和相变材料依次发生阻变、相变实现擦操作，阻值变化在一个量级以上。

综上所述，本发明提供了通过相变材料和WO_x塞实现多级存储的器件单元结构，可提高整个存储单元的容量。

附图说明

图1在衬底上依次制备底电极、介质层后，经过打孔、填充W并抛光后形成的W塞结构示意图；

图2将W塞顶端氧化形成WO_x塞的结构示意图；

图3在WO_x塞上依次淀积相变材料和TiN，并经过光刻后形成的结构示意图；

图4淀积电极材料薄膜，光刻制成顶电极后的结构示意图。

其中，1.衬底；2.底电极；3.绝缘介质；4.W塞；5.WOx塞；6.相变材料；7.TiN；8.顶电极。

具体实施方式

下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于所述的实施例。

实施例1：以形成W阻变氧化物塞为例，说明所述的相变存储单元结构与制作方法。

(1)在Si衬底1上热生长100nm厚的SiO₂或利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)制备100nm厚的SiN_x介质膜，然后在SiO₂或SiN_x上利用磁控溅射或蒸镀的方法制备一层200nm厚Al膜作为底电极；(图1)

(2)利用PECVD或溅射方法在底电极Al膜上制备100nm-500nm厚的SiO₂介质层；(图1)

(3)在SiO₂上利用电子束曝光和反应离子刻蚀技术制备孔洞，孔洞底部与底电极相连，孔洞直径在50nm-500nm范围；然后利用CVD或溅射技术在孔洞里填充W材料；最后利用化学机械抛光技术(CMP)抛除孔洞以外区域的W材料，形成W塞；(图1)

(4)利用热氧化的方法将W塞顶端氧化形成WO_x塞；(图2)

(5)利用磁控溅射、CVD或蒸发方法在WO_x塞上顺序制备GeSbTe和TiN薄膜，然后光刻、刻蚀形成GeSbTe/TiN单元块；薄膜厚度20-200nm，本底真空(background pressure，即设备在正式镀膜前的所达到的真空度)为3×10^-6Torr；功率100-500W；(图3)

(6)利用电子束蒸发或热蒸发方法、溅射方法淀积Al薄膜，并光刻、水浴磷酸腐蚀形成顶电极。(图4)

由图4可见，在纳米尺度的W塞顶端形成一定厚度的WO_x，形成WO_x塞，在WO_x塞上沉积相变材料，在相变材料和顶电极之间增加一电阻率小、热导率适中的薄层热阻材料(如：TiN)，改善器件擦写时的热平衡，减小上电极的散热。本发明的特征是将纳米尺度的W塞顶端氧化形成自对准的WO_x塞，WO_x塞与相变材料构成堆栈型结构。本发明的另一特征是利用相变材料的相变特性和WO_x塞的阻变特性实现多级存储，即通过相变材料和WO_x塞依次发生相变、阻变实现写操作，再通过WO_x塞和相变材料依次发生阻变、相变实现擦操作，阻值变化可以达到一个量级以上。本发明的优点是通过直接氧化W塞得到大小和形状与W塞一致的WO_x塞，不需要另外光刻形成WO_x塞，减少了工艺的复杂性，降低制作成本；同时通过单个存储单元的多级阻值变化实现多级存储，提高存储器的容量。

实施例2：将实施例1第4步的W塞热氧化方法改为等离子体氧化的方法，即利用等离子体氧化将W塞顶端氧化形成WO_x塞，其它同实施例1，这样可以得到类似的结果。

实施例3：将实施例1中第5步的的GeSbTe薄膜换成SiSbTe薄膜或其它相变材料薄膜，其它与实施例1，也能实现类似的效果。

实施例4：实施例1或2所涉及的孔洞中的金属由Ti、Ni、Cu、Zr、Ta、Al、Nb、Zn、Hf、Fe、Co、Ce、Cr、V、Sn、Sb或Bi取代，形成氧化物后，与相变材料形成堆栈结构，利用相变材料和上述所述的金属氧化物塞依次发生相变阻变实现多级操作。其余同实施例1。

Claims

1.一种实现多级相变存储的存储器单元结构，包括底电极、绝缘介质层和顶电极，其特征在于：

(2)金属塞的顶部氧化，形成阻变氧化物塞；

(3)相变材料和阻变氧化物塞形成堆栈结构；

(4)纳米级孔洞穿过绝缘介质层，且孔洞底部与底电极相连。

2.按权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于顶电极和相变材料之间制备一层TiN阻挡层。

3.按权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于所述的纳米级孔洞直径介于50～500nm之间。

4.按权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于纳米级孔洞中填充的金属材料为W、Ti、Ni、Cu、Zr、Ta、Al、Nb、Zn、Hf、Fe、Co、Ce、Cr、V、Sn、Sb或Bi。

5.按权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于纳米级孔洞中填充金属W。

6.按权利要求1～5中任一项所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于利用相变材料和具有阻变特性的氧化物塞依次发生相变、阻变实现写操作；再通过具有阻变特性的氧化物塞和相变材料依次发生阻变、相变实现擦操作，阻值变化在一个量级以上。

7.制备如权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构的方法，其特征在于：

(a)利用高真空磁控溅射方法在Si衬底或其它衬底上淀积一层底电极，在底电极上原位溅射生长100nm-500nm厚的绝缘介质层；

(b)在步骤(a)制作的绝缘介质层上利用电子束曝光、反应离子刻蚀或亚微米CMOS工艺制备纳米级孔洞，且纳米级孔洞穿过绝缘介质层，孔洞底部与底电极相连；

(c)利用磁控溅射、原子层沉积或物理气相沉积或化学气相沉积方法在步骤(b)制出的孔洞内填充形成氧化物后具有阻变特性的金属材料；

(d)孔洞中填满上述金属材料后，采用化学机械抛光技术，将孔洞外的金属材料去除，形成金属塞；

(f)在上述阻变氧化物塞上依次淀积具有可逆相变特性的相变材料和TiN，通过剥离或者刻蚀的方法形成相变存储单元；

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于：

a)所述的衬底材料为单晶硅片，或Ge、InP和GaAs半导体材料中一种，或是石英玻璃，陶瓷基片或金属材料；

b)所述的绝缘介质层材料为SiO₂、SiN_x、Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂或Ta₂O₅材料；

c)所述的顶电极或底电极是Pt、Au、Ag、Al、Cu、W或Mo；

d)所述的相变材料为Ge-Sb-Te系列、Si-Sb-Te系列、Sb-Te系列、Ge-Sb系列或Si-Sb系列。

9.按权利要求7或8所述的方法，其特征在于底电极或顶电极的厚度为200～500nm。