CN101740718B - 一种多阻态电阻随机存储器单元及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多阻态电阻随机存储器单元及其制备方法，属于微电子技术领域。该存储单元包括衬底和金属-绝缘层-金属(MIM)结构单元，MIM结构单元的电极之一为铜，另一电极为铝等可用于互连工艺中的金属薄膜，阻变绝缘层为低介电常数SiOCH介质薄膜。本发明中的MIM结构，在直流电压连续扫描激励下，表现出优异的多电阻态(高、低以及中间电阻态)之间的转变和记忆特性，该性能能够实现单元器件的多级存储。这种存储器不仅大大提高存储集成密度，而且与后端工艺有良好的集成特性。本发明还进一步提供了上述存储单元在铜互连工艺中的集成制备方法。

Description

一种多阻态电阻随机存储器单元及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种多阻态电阻随机存储器及其制备方法。
背景技术
小非挥发存储技术是当前在信息存储技术领域中的研究热点，随着半导体器件特征尺寸的进一步缩小，传统的快速闪存存储器受自身条件的限制已满足不了集成电路技术高速发展的需求。开发下一代非挥发存储器近期引起了业界的浓厚兴趣。近几年一种基于材料电阻变化的电阻随机存储器(RRAM)技术的研究成为关注的焦点。RRAM的基本存储单元包括一个金属-绝缘体-金属(MIM)结构电阻器。借由电压或电流脉冲，可以使MIM结构的电阻在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除。RRAM表现出结构简单、制备方便、工作速度快、存储密度高、数据保持时间长等优点，是下一代非挥发存储器强有力的候选者。
当前有多种电阻变换材料被报道出来，其中主要包括二元氧化物，钙钛矿以及有机材料。对于实际的阻变存储器件，其制备方法与后端工艺的集成成为大家关心的焦点之一。利用先进互连工艺中常使用的低介电常数(Low-k)介质薄膜作为阻变材料将完全解决存储结构制备与互连工艺的集成问题，并且能够在互连结构中实现高密度的信息存储。这必将大大提高工艺效率和降低存储成本。在存储技术中，单元器件的多级存储一直是人们研究的兴趣所在。人们在部分RRAM材料中得到的单元阻变存储器件呈现多种电阻态现象，能够使器件达到单元器件的多级存储的要求，这样能够大大提高存储器件的信息存储密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于集成电路后端互连工艺的具有电阻转变和记忆特性的多阻态电阻随机存储器单元及其制备方法。
本发明提出的多阻态电阻随机存储器单元，具有衬底和金属-绝缘层-金属(MIM)结构。该结构单元中底层金属为铜，作为底电极，顶金属层为Al、TaN、TiN或Ru等金属薄膜，作为顶电极，中间绝缘层为低介电常数SiOCH介质薄膜，作为阻变介质层；该介质薄膜厚度为0.5-5微米，薄膜的厚度通过CVD淀积时间或者旋涂设备中的转速来控制。
本发明提出的MIM结构的RRAM单元的制备方法如下：
1)在Si衬底上利用热氧化或化学气相沉积的方法生长SiO2介质层，用来降低寄生效应和防止Si与下电极形成合金；
2)采用磁控溅射技术在SiO2层上淀积一层TaN薄膜，然后利用电镀或溅射的方法沉积一层铜薄膜，作为RRAM单元的底电极，其中TaN层是用来阻止铜向衬底扩散；
3)采用化学气相淀积(CVD)或者旋涂法(Spin-coating)制备低介电常数(low-k)SiOCH介质薄膜，该介质薄膜是含有C、Si、O和H4种元素的薄膜；
4)在SiOCH薄膜上制备顶电极，电极材料可采用Al、TaN、TiN或Ru等。电极的图形可通过掩膜板或光刻工艺来定义。
本发明具有以下优点：
1、采用互连用的low-k介质SiOCH薄膜作为阻变存储材料能够大大提高制备工艺与后端工艺的集成度。同时，以作为互连线的铜为底电极省去了low-k介质与铜之间的防扩散隔离工艺，不仅降低了工艺的复杂性，还可以使存储单元在互连结构中实现高密度、多层分布，提高存储能力。
2、在直流电压连续扫描激励下表现出优异的多阻态(高、中、低电阻态)之间的转变和记忆特性，其高电阻态达到几十兆欧姆，中间电阻态为几万欧姆，低电阻态为几十欧姆，其各个组态之间的差值达到103。其高阻态向低阻态转变的开启电压小于1.5V，低组态向中间阻态转变的转变电压为-0.4V，中间电阻态向高阻态转变电压为-1V。器件断电后具有较长的数据保持时间。这些特性发明在非挥发存储器领域具有很大的应用价值。
附图说明
图1本发明电阻随机存储器的多阻态存储电流-电压特性；
图2本发明电阻随机存储器的存储单元的结构示意图；
图3本发明电阻随机存储器的多阻态的电阻值随时间的变化曲线。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
利用热氧化或化学气相沉积的方法将二氧化硅介质层110生长在单晶硅100层上，作为衬底。利用磁控溅射的方法制备TaN层210作为Cu的阻挡层，然后在TaN层上电镀一层铜(Cu)金属薄膜220。利用旋涂技术在铜金属层表面沉积Low-k介质SiOCH薄膜，并在小于400℃(一般为350～400℃)的温度下退火5-10min。最后，利用电子束蒸发和掩模板技术在SiCOH薄膜表面形成可供电学测试的顶电极410(如用铝、TaN等)。
利用Keithley 4200-SCS半导体参数分析测试仪测试了器件的电流-电压特性。在电压连续扫描模式下测试了该器件的电流-电压特性。扫描偏压加在上电极测试探针和下电极上。电流-电压特性测试结果见图2。电压从0V开始扫描时，该器件表现出高阻特性，当电压高于1.5V时器件突然转变为低阻态，此时需设定一个钳制电流(本例中为1mA)，以免电流过大损坏器件。当电压从0V开始往负电压方向扫描至-0.4V时器件电阻态发生转变转变。当电压从-0.4V继续往负偏压方向扫描至-1V时，电流再次出现跳变，意味着器件的电阻态又发生了一次大的转变。此后器件保持在该高阻态。该测试表明器件在负偏压扫描过程中出现了三种电阻态分别为高、中、低电阻态。图3中给出了器件高、中、低三种阻态的保持特性，观察到器件的阻值在105次读操作中，电阻态变化极其微小，按照外推原则，该器件的使用寿命将满足10年的要求。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于上述具体实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种多阻态电阻随机存储器单元，其特征在于具有衬底和金属-绝缘层-金属结构，该结构单元中底层金属为铜，作为底电极，顶金属层为Al、TaN、TiN或Ru金属薄膜中的一种，作为顶电极，中间绝缘层为低介电常数SiOCH介质薄膜，作为阻变介质层；该介质薄膜厚度为0.5-5微米。
2.一种如权利要求1所述的多阻态电阻随机存储器单元的制备方法，其特征在于具体步骤包括：
1)在Si衬底上利用热氧化或化学气相沉积的方法生长SiO2介质层；
2)采用磁控溅射技术在SiO2介质层上淀积一层TaN薄膜，然后利用电镀或溅射的方法沉积一层铜薄膜，作为底电极；
3)采用化学气相淀积或者旋涂法制备低介电常数SiOCH介质薄膜；
4)在SiOCH介质薄膜上制备顶电极，电极材料采用Al、TaN、TiN或Ru中的一种，电极的图形通过掩膜板或光刻工艺来定义。
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