CN102299258B - 电阻存储器存储单元的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电阻存储器存储单元的制作方法，该方法包括：在半导体衬底上提供一底电极和位于底电极上的反应金属层；对所述反应金属层进行氧离子注入，形成具有二元电阻特性的存储介质；在具有二元电阻特性的存储介质表面形成顶电极。采用本发明的制作方法大大提高了存储介质电阻转换性能。

Description

电阻存储器存储单元的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种电阻存储器存储单元的制作方法。
背景技术
当前，开发具有成本低、速度快、存储密度高、制造简单且与当前的互补金属氧化物(CMOS)半导体集成电路工艺兼容性好的新型存储技术受到世界范围的广泛关注。基于具有电阻开关特性的金属氧化物的电阻式随机存储器(RRAM)，简称电阻存储器的内存技术是目前多家器件制造商开发的重点，因为这种技术可以提供更高密度、更低成本与更低耗电量的非易失性内存。RRAM的存储单元在施加脉冲电压后电阻值会产生很大变化，这一电阻值在断开电源后仍能维持下去。此外，RRAM具有抗辐照、耐高低温、抗强振动、抗电子干扰等性能。
RRAM包括多个存储单元，图1为现有技术RRAM存储单元的结构示意图。该存储单元包括：位于绝缘层100中的电阻可变的存储介质102，以及与存储介质接触的底电极101和顶电极103。绝缘层100可以是氧化硅、氟化玻璃(FSG)等绝缘介质材料，通常采用化学气相沉积(CVD)的方法形成。底电极101可以是金属钨(W)、金属铜(Cu)等。存储介质102可以是氧化所述底电极101形成的具有二元电阻特性的介质薄膜，其在外场作用下能够在高阻态与低阻态之间转换；或者直接在底电极101上沉积反应金属材料，例如W、Cu等，然后氧化所述反应金属材料形成阻值具有开关效应的存储介质102。该反应金属材料可以与底电极的材料相同，也可以不同。
现有形成存储介质102是在高温下，对腔体内的底电极或者反应金属材料通入氧气进行氧化，由于加热不均匀，通常会在存储介质102表层形成一层电阻不可变的绝缘金属氧化层，影响存储介质的电阻转换性能。以氧化金属Cu为例，存储介质102主要为低价的氧化亚铜(Cu2O)，而其表层则为高价的氧化铜(CuO)，Cu2O电阻可变，具有二元电阻特性，而CuO的电阻是不可变的。因此，该层CuO在实际工艺中需要被还原除去，或者湿法除去，这样使得工序复杂化；或者在对存储单元写入数据前，先施加较大的电压将该层CuO击穿，这样会给RRAM的可靠性带来负面影响。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是：提高存储介质电阻转换性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明公开了一种电阻存储器存储单元的制作方法，该方法包括：
在半导体衬底上提供一底电极和位于底电极上的反应金属层；
对所述反应金属层进行氧离子注入，形成具有二元电阻特性的存储介质；
在具有二元电阻特性的存储介质表面形成顶电极。
所述反应金属层的厚度为2～100纳米时，所述氧离子注入的能量为200～30000电子伏；剂量为1E14～5E17原子每平方厘米；注入深度为0～100纳米。
所述反应金属层是铜、钨、镍、钴、钼、钽和钛中的一种或者几种的组合。
所述形成顶电极之后该方法进一步包括退火处理的步骤；所述退火处理的温度为100～400摄氏度；时间为5～30分钟。
由上述的技术方案可见，本发明在形成电阻存储器存储单元的反应金属层后，对反应金属层进行氧离子注入，形成存储介质。氧离子注入的方法，准确控制了氧原子在反应金属层内的均匀分布，所以与现有技术的高温氧气环境下，对反应金属层进行氧化的方法相比，能够准确地控制具有可变电阻的存储介质的形成，而不像现有技术那样，在反应金属层的表层形成有电阻不可变的绝缘金属氧化层。因此本发明大大提高存储介质的电阻转换性能。并且也不需要加入额外的步骤去除绝缘金属氧化层，或者在对存储单元写入数据前，先施加较大的电压将该层绝缘金属氧化层击穿。
附图说明
图1为现有技术RRAM存储单元的结构示意图。
图2为本发明制作电阻存储器存储单元的方法流程示意图。
图2a至图2c为本发明制作电阻存储器存储单元的具体剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明制作电阻存储器存储单元的方法流程示意图如图2所示，其包括以下步骤，下面结合图2a至图2c进行说明。
步骤21、请参阅图2a，在半导体衬底1上提供一底电极201，和位于底电极201上的反应金属层202。所述底电极201和反应金属层202形成于绝缘层200中。其中，底电极201和反应金属层202可以是同种导电金属材料，也可以不同种导电金属材料。如果是同种导电金属材料，则底电极201和反应金属层202一体形成，如果是不同种导电金属材料，则形成底电极201之后，直接在底电极201的表面沉积与底电极201不同的导电金属材料。
作为底电极201的导电金属材料不受限制，可以用钨(W)、铂(Pt)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)、金(Au)、钌(Ru)、铱(Ir)、银(Ag)、钯(Pd)、钛(Ti)、钽(Ta)等适合用作电阻存储器底电极的导电金属材料。作为底电极201可以选用上述一种金属，或者几种的组合，较好地，选用Cu或W。
由于反应金属层202用于后续氧化形成存储介质，要求反应金属层的材料氧化后具有二元电阻特性，所以反应金属层202可以选用Cu、W、Ni、Co、Mo、Ta和Ti中的一种或者几种的组合。例如，Cu被氧化为CuOx(0＜x＜1)；W被氧化为WOx(0＜x＜1)。
如果底电极201和反应金属层202为同种导电金属材料，则该步骤的具体形成方法可以为：提供一半导体衬底1，然后在半导体衬底1上沉积绝缘层200，接着在绝缘层200内形成开口，所述开口显露出半导体衬底1；在开口内及绝缘层200的表面沉积导电材料，选择Cu、W、Ni、Co、Mo、Ta和Ti中的一种或者几种的组合；采用化学机械抛光(CMP)工艺去除绝缘层上的导电材料，显露出绝缘层200，一体形成底电极201和反应金属层202。
如果底电极201和反应金属层202为不同种导电金属材料，则该步骤的具体形成方法可以为：提供一半导体衬底1，然后在半导体衬底1上沉积绝缘层200，接着在绝缘层200内形成开口，所述开口显露出半导体衬底1；在开口内及绝缘层200的表面沉积用于作为底电极的导电金属材料；在作为底电极的导电金属材料表面沉积用于作为反应金属层的导电金属材料，即从Cu、W、Ni、Co、Mo、Ta和Ti中选择不同于底电极材料一种或者几种的组合；采用CMP工艺去除绝缘层上的导电材料，显露出绝缘层200，形成底电极201和反应金属层202。
步骤22、请参阅图2b，对反应金属层202进行氧离子注入，形成具有二元电阻特性的存储介质203。
本发明采用氧离子注入的氧化反应金属层的方法，准确控制了氧原子在反应金属层内的均匀分布，使得氧原子在反应金属层的内部自上而下均匀分布，并且通过对氧离子注入量的控制，使得氧含量不会过高，形成电阻不可变的绝缘金属氧化层。以反应金属层是铜为例，使得Cu∶O＝1∶x(0＜x＜1)，而不会出现反应金属层的表层出现氧含量较高x＝1的情况。
其中，对应于厚度为2～100纳米(nm)的反应金属层，本步骤氧离子注入的能量(energy)为200～30000电子伏(eV)；剂量(dosage)为1E14～5E17原子每平方厘米；注入深度为0～100nm。
步骤23、请参阅图2c，在存储介质203表面形成顶电极204。
由于步骤22中对反应金属层进行了氧离子注入，该工艺对该层的晶格产生了一定的损伤，所以为修复离子注入导致的晶格扭曲或者损伤，在形成顶电极之后，加入了高温退火的步骤。所述退火处理的温度为100～400摄氏度；时间为5～30分钟。
综上所述，本发明采用氧离子注入的方法，氧化反应金属层形成存储介质，并且准确控制氧离子注入量，使得形成均匀的电阻可变的存储介质，大大提高存储介质的电阻转换性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种电阻存储器存储单元的制作方法，该方法包括：
在半导体衬底上提供一底电极和位于底电极上的反应金属层；
对所述反应金属层进行氧离子注入，形成具有二元电阻特性的存储介质；
在具有二元电阻特性的存储介质表面形成顶电极；
所述反应金属层的厚度为2～100纳米时，所述氧离子注入的能量为200～30000电子伏；剂量为1E14～5E17原子每平方厘米；注入深度为0～100纳米。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应金属层是铜、钨、镍、钴、钼、钽和钛中的一种或者几种的组合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成顶电极之后该方法进一步包括退火处理的步骤；所述退火处理的温度为100～400摄氏度；时间为5～30分钟。
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