CN102104110A - 一种阻变特性优化的阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非挥发存储器技术领域，具体涉及一种阻变特性优化的阻变存储器及其制备方法。本发明的阻变存储器采用原子层淀积方法生长的氧化铪与氧化铝薄膜作为功能层。并通过调节氧化铪与氧化铝薄膜不同厚度比例，以达到阻变特性最优化。其步骤是用原子层淀积方法在底电极上生长固定厚度的氧化铪薄膜，再生长不同厚度的氧化铝薄膜，得到具有不同特性的阻变存储器。本发明采用单原子级淀积生长技术，可以精确控制阻变存储器器件制备的准确度，提高工艺的精度，减少热预算。

Description

一种阻变特性优化的阻变存储器及其制备方法

技术领域

本发明属于非挥发存储器技术领域，具体涉及一种阻变存储器及其制备方法。

背景技术

随着集成电路工艺技术节点的不断缩小，传统的闪存（Flash）非挥发性存储器由于其浮栅不能随着集成电路工艺的发展而无限制地减薄，闪存也就很难突破45纳米的工艺瓶颈，此外，动、静态存储器断电后易丢失数据。近年来，各种新型的非挥发性存储器得到了迅速发展,如铁电存储器 (FRAM)、磁存储器(MRAM) 、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)。

在这些存储器当中，阻变存储器的信息读写是依靠读取或者改变阻变材料的电阻来实现的。通常的阻变材料具有高阻和低阻两种状态。阻变存储器就是依靠材料本身高阻和低阻两种状态的改变来存储信息的。如图1为一个典型阻变存储器单元的剖面图，在该阻变存储器单元10中，电阻转变存储层12位于顶部电极11和底部电极13之间。顶部电极11和底部电极13通常使用Pt和Ti等化学性质较稳定的金属材料，电阻转变存储层12通常为TiO₂、ZrO、Cu₂O和SrTiO₃等二元或三元金属氧化物。电阻转变存储层12的电阻值在外加电压作用下可以具有高阻态和低阻态两种不用的状态，其可以分别用来表征“0”和 “1”两种状态。在不同的外加电压条件下，阻变存储器的电阻值在高阻态和低阻态之间可以实现可逆转换，以此来实现信息的存储。

阻变存储器因为其具有制备简单、存储密度高、操作电压低、读写速度快、保持时间长、非破坏性读取、低功耗、与传统CMOS工艺兼容性好等优势而得到了很大的重视，被认为是成为下一代“ 通用” 存储器的强有力候选者之一。

原子层淀积是一种在经过表面活性处理的衬底上利用表面饱和反应，对温度和反应物通量不太敏感的淀积方法。原子层淀积与普通的化学沉积有相似之处，但在原子层淀积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与前一层相关联的，这种方式使每次反应只淀积一层原子。相对于传统的淀积工艺而言，原子层淀积方法在薄膜的均匀性、阶梯覆盖率以及厚度控制等方面都具有明显的优势，它顺应了工业界向更低热预算方向发展的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高密度、高保形性、高阶梯覆盖率的阻变存储器及其制备方法。

本发明提出的阻变存储器，采用原子层淀积方法制备的氧化铪与氧化铝薄膜作为功能层，并通过调节氧化铪与氧化铝薄膜不同厚度比例，以达到阻变特性最优化。

本发明提出的阻变存储器，包括顶电极、底电极以及位于所述顶电极与所述底电极之间的电阻转变存储层。

本发明中，所述的底电极由Pt、Al、Au、Pd等金属材料制成。

本发明中，所述的顶电极由Pt、Al、Ru、TiN、TaN等金属材料制成。

本发明中，所述的电阻转变存储层包括HfO₂层和Al₂O₃层。具有不同的Al₂O₃层与HfO₂层厚度比例的阻变存储器具有不同的阻变特性。进一步，即可按不同的阻变特性，选取Al₂O₃层与HfO₂层不同的厚度比例。

本发明还提出上述阻变存储器的制造方法，其中采用原子层淀积方法生长不同厚度比例的氧化铪与氧化铝薄膜，具体包括：

形成阻变存储器的底电极；

采用原子层淀积方法形成固定厚度的HfO₂薄膜；

采用原子层淀积方法形成不同厚度的Al₂O₃薄膜；

形成阻变存储器的顶电极。

进一步地，所述的底电极由Pt、Al、Au、Pd等金属材料制成。所述的顶电极由Pt、Al、Ru、TiN、TaN等金属材料制成。

更进一步地，通过控制淀积HfO₂和Al₂O₃循环的数量来控制Al₂O₃层与HfO₂层的厚度，从而可以精确控制Al₂O₃层与HfO₂层的厚度比例，具有不同的Al₂O₃层与HfO₂层厚度比例的阻变存储器具有不同的阻变特性。

采用原子层淀积方法生长的Al₂O₃薄膜与HfO₂薄膜均匀性、致密性及保形性较好，而且可以实现高深宽比的台阶覆盖率。

采用单原子级淀积生长技术，可以实现阻变存储器器件的原子层级别的控制制造工艺，并且可以精确控制阻变存储器器件制备的准确度，提高工艺的精度，减少热预算。

附图说明

图1为一种传统技术的阻变存储器结构。

图2为本发明所提出的采用氧化铪与氧化铝薄膜作为功能层的阻变存储器结构。

图3至图8为本发明所提出的以在MOS管后道互连工艺中集成阻变存储器为实施例的制备工艺流程图。

具体实施方式

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，在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。

图2为本发明所提供的一个采用氧化铪与氧化铝薄膜作为功能层的阻变存储器的实施例的截面图，如图2所示，该阻变存储器包括顶电极101、底电极104以及位于顶电极101与底电极104之间的作为功能层的HfO₂层103和Al₂O₃层102。

采用本发明所提出的采用原子层淀积方法生长不同厚度比例的氧化铪与氧化铝薄膜作为功能层的阻变存储器的制造方法可以将阻变存储器集成于不同结构的半导体器件中，以下所述叙述的是，采用本发明所提出的阻变存储器的制造方法在MOS管后道互连工艺中集成阻变存储器的实施例的制造工艺流程。

首先，提供已经完成部分后道互连工艺的MOS管结构，如图3所示，在硅衬底200上，所示201、202分别为MOS管的源区和漏区，所示203为栅介质层，比如为二氧化硅，所示204为MOS管的栅极结构。所示205为绝缘介质层，比如为氧化硅，绝缘介质层205将MOS管与器件的其它结构分隔开，并保护MOS管不受外界环境的影响。所示206为扩散阻挡层，可以是TaN、Ta/TaN复合层或者是Ti/TiN复合层。所示207为金属导线，可以为钨、铝或者为重掺杂的多晶硅，金属导线207将MOS管的漏区与器件的其它功能结构相连接。

所示208为刻蚀阻挡层，比如为氮化硅。所示209为低介电常数材料层。所示210为扩散阻挡层，可以是TaN、Ta/TaN复合层或者是Ti/TiN复合层。所示211为金属引线，比如为铜。所示212为绝缘介质层，比如为氮化硅。凹槽220形成于绝缘介质层212之中。

接下来，在凹槽220中，采用气相淀积或者电子束蒸发等方法生长金属层213，比如为Pt、Al、Au或者为Pd金属层，金属层213作为阻变存储器的底电极，如图4所示。

接下来，采用原子层淀积方法生长一层约10纳米厚的HfO₂层214，如图5所示。然后，继续采用原子层淀积方法生长Al₂O₃层215，如图6所示。Al₂O₃层215的厚度可以为1纳米、3纳米、5纳米、7纳米或者为10纳米，也可以为其它厚度。具有不同的Al₂O₃层与HfO₂层厚度比例的阻变存储器具有不同的阻变特性。

接下来，利用物理气相淀积方法、hardmask、Lift-off或者光刻工艺形成阻变存储器的顶电极216，如图7所示。顶电极216由Al、Pt、Ru、TiN或者TaN等金属材料制成。至此，顶电极216、Al₂O₃层215、HfO₂层214和底电极213构成了完整的阻变存储器结构。

最后，淀积一层低介电常数材料层217，并刻蚀形成通孔，然后在通孔内形成扩散阻挡层218和金属层219，如图8所示。扩散阻挡层218可以是TaN、Ta/TaN复合层或者是Ti/TiN复合层，金属219比如为铜或铝。

如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims (6)

1.一种阻变存储器，其特征在于，该阻变存储器包括顶电极、底电极以及位于所述顶电极与所述底电极之间的电阻转变存储层。

2.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述的底电极由Pt、Al、Au或Pd金属材料制成。

3.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述的顶电极由Pt、Al、Ru、TiN或TaN金属材料制成。

4.根据权利要求1、2或3所述的阻变存储器，其特征在于，所述的电阻转变存储层包括HfO₂层和Al₂O₃层；并且，按不同的阻变特性，选取Al₂O₃层与HfO₂层不同的厚度比例。

5.一种如权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于具体步骤包括：

形成阻变存储器的底电极；

采用原子层淀积方法形成固定厚度的HfO₂薄膜；

采用原子层淀积方法形成不同厚度的Al₂O₃薄膜；

形成阻变存储器的顶电极。

6.根据权利要求5所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，通过控制HfO₂和Al₂O₃原子层淀积生长的循环数量来控制Al₂O₃层与HfO₂层的厚度比例。

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