CN102623638B

CN102623638B - 一种阻变存储器及其制备方法

Info

Publication number: CN102623638B
Application number: CN201210116833.5A
Authority: CN
Inventors: 黄如; 谭胜虎; 毛俊; 蔡一茂; 潘岳; 杨庚雨; 唐昱; 黄英龙; 林増明; 罗长宝
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-04-19
Also published as: CN102623638A

Abstract

本发明公开了一种阻变存储器及其制备方法，属于微电子技术领域。本发明通过在传统氧化物阻变材料层中引入N⁺离子，制备出氮氧化合物阻变材料层，利用N⁺的移动实现空位导电通道的形成和断裂。可降低器件的阻变电压，提升器件的阻变性能。同时，本发明提供的制备方法通过在金属氧化物阻变材料层上淀积一层阻挡层之后，对器件进行N⁺离子注入，再去除阻挡层，保证了离子注入时的效率，防止大量离子直接注入对金属氧化层的严重损伤。

Description

一种阻变存储器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种非挥发性含氮阻变存储器件的制备方法。

背景技术

自晶体管和集成电路技术的发明以来，以半导体技术为基础的微电子产业的迅猛发展推动着整个信息产业的发展的同时彻底改变着人类生活的方方面面。经济和技术的发展已经离不开基于CMOS技术的高密度、高速度的存储器件发展。然而，随着器件尺寸的进一步缩小和存储容量需求的进一步提高，基于传统浮栅结构的Flash存储器件受到越来越多的挑战。研究和开发出基于新结构、新材料和新机理的新型存储器件成为未来存储器研究的热点。基于薄膜技术的具有金属-绝缘体-金属（MIM）结构的阻变存储器（RRAM）由于其工艺简单、兼容性强、高速、小尺寸、低功耗等众多优点，有望应用于下一代高密度存储器件中。

阻变存储器单元结构采用MIM电容结构，在上、下电极之间夹着绝缘层或半导体功能材料层，又称三明治结构（Sandwich Structrue）。存储阵列可以采用crossbar的交叉阵列结构。这种交叉阵列结构工艺简单、密度高、并具有较好的等比缩小能力。

目前，阻变存储器的阻变材料层的研究主要集中在NiO、TiO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅等过渡金属氧化物。此类物质的阻变机理主要是由于氧离子的移动形成氧空位导电细丝，同时，阻变材料层中缺陷的数量也将直接影响器件的阻变特性。而N原子与金属原子的结合能更低，含N的过渡金属氧化物往往更容易表现出优良的阻变存储性能。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种含氮阻变存储器的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种阻变存储器，包括顶电极，阻变材料层，底电极和衬底，其特征在于，阻变材料层是对氧化物进行N⁺离子注入后生成的氮氧化合物，所述N⁺离子注入的剂量范围为：10¹²/cm²—10¹⁹/cm²。

所述氧化物可为TaO_x、TiO_x、AlO_x、HfO_x、NiO_x、WO_x、SiO₂等常用RRAM阻变材料层氧化物。

所述氮氧化合物阻变材料层的厚度为：3nm—100nm。

所述底电极可为W电极、Ta电极、Ti电极、Al电极、Y电极、Hf电极等，所述底电极金属的厚度范围为：50nm—300nm。

所述顶电极可为Pt电极、TiN电极、Cu电极或者Ag电极等，所述顶电极上面可加有保护电极，保护电极为铂、钛或者金。

一种阻变存储器的制备方法，其包括如下步骤：

1)在衬底上通过溅射、光刻、剥离等步骤制备底电极。

2)通过PVD、CVD、ALD或其它IC工艺中的成膜等方法淀积氧化物阻变材料。

3)在金属氧化物上淀积阻挡层。

4)对器件进行N⁺离子注入，注入深度要达到氧化物层，形成氮氧化合物作为阻变材料层

5)采用刻蚀、HF酸腐蚀、BHF腐蚀等工艺去除阻挡层。

6)光刻、刻蚀底电极连接通孔。

6)通过光刻、淀积、剥离等工艺方法在上述阻变材料层上制备顶电极。

本发明阻变材料层为常用RRAM氧化物进行注N⁺操作后形成的氮氧化化合物，离子注入过程之前需要在氧化物层上淀积一层阻挡层，在离子注入完之后去除阻挡层。

所述阻挡层材料可为SiO₂、Si、及其他便于去除的金属氧化物等，阻挡层的厚度范围为：30nm—300nm。

和现有技术相比，本发明的积极技术效果在于：

本发明通过在传统氧化物阻变材料层中引入N+离子，制备出氮氧化合物阻变材料层，利用N⁺的移动实现空位导电通道的形成和断裂。可降低器件的阻变电压，提升器件的阻变性能。同时，通过在金属氧化物阻变材料层上淀积一层阻挡层之后对器件进行N⁺离子注入，之后在去除阻挡层。保证了离子注入时的效率，防止大量离子直接注入对氧化层的严重损伤。

附图说明

图1为本发明实施例阻变存储器的截面结构示意图，其中：

图2为本发明制备工艺流程图；

其中：1—顶电极金属；2—阻变材料层；3—底电极金属；4—注入N⁺离子；5—衬底；6—阻挡层。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步描述。

本实施例以TaO_x为基础阻变氧化物2、SiO₂作为阻挡层6、Pt做底电极金属3、TiN做顶电极金属1。制得的阻变存储器的截面结构示意图如图1所示，下面结合附图2阐述本实施例阻变存储器的制备过程：

1）首先在硅衬底上采用物理气相淀积（PVD）方法或其它IC工艺中的成膜方法制备一层Pt电极金属150nm，如图2(a)、(b)所示；

2）采用标准光刻、剥离技术，使底电极图形化，形成底电极图形；

3）清洗、采用PVD方法淀积TaOx30nm。并在400℃温度下氧化1小时，如图2(c)所示。

4）采用CVD方法淀积阻挡层SiO₂100nm，如图2(d)所示。

5）离子注入N⁺，注入深度130nm，注入剂量10¹⁶/cm²,注入能力100KeV，如图2(e)所示；

6）采用HF酸、或BHF腐蚀SiO₂至TaOx露出，如图2(f)所示；

7）光刻、刻蚀定义底电极引出孔，如图2(g)所示；

8）同底电极制备一样，采用PVD方法或其它IC工艺中的成膜方法制备顶电极TiN及其保护电极Pt，如图2(h)所示。

本实施例通过离子注入的方法制备出了含氮氧化物为阻变材料的阻变存储器Ta/TaO_xN_y/TiN。该器件可以展现较好的阻变存储特性。

虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明所提供的用离子注入法制备含氮氧化物作为阻变材料层的RRAM结构，材料及其制备方法，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，例如底电极材料选用Al、Ti、Hf、Zr、Y等金属材料都可，阻变材料的基础氧化物还可选用TaO_x、TiO_x、AlO_x、HfO_x、NiO_x、WO_x、SiO₂等，顶电极也可以换成RRAM制备工艺中常见的金属电极。对阻挡层的去除方法包括但不限于RIE、AME、ASE、HF腐蚀等多种氧化物刻蚀或腐蚀方法。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的基于离子注入法制备的含氮阻变存储器及其制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变换或修改；不限于实施例中所公开的内容。

Claims

1.一种阻变存储器的制备方法，其包括如下步骤：

1)在衬底上通过溅射、光刻、剥离步骤制备底电极；

2)通过PVD、CVD、ALD或其它IC工艺中的成膜方法淀积氧化物作为阻变材料；

3)在氧化物上淀积阻挡层；

4)对器件进行N⁺离子注入，注入深度达到氧化物层，形成氮氧化合物作为阻变材料层，所述N⁺离子注入的剂量范围为10¹²/cm²—10¹⁹/cm²；

5)采用刻蚀、HF酸腐蚀或BHF腐蚀工艺去除阻挡层；

6)光刻、刻蚀底电极连接通孔；

7)通过光刻、淀积、剥离工艺方法在上述阻变材料层上制备顶电极。

2.如权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述氧化物为TaO_x、TiO_x、AlO_x、HfO_x、NiO_x、WO_x或SiO₂。

3.如权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述氮氧化合物层的厚度范围为3nm—100nm。

4.如权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述底电极为W电极、Ta电极、Ti电极、Al电极、Y电极或Hf电极，所述底电极的厚度范围为50nm—300nm。

5.如权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述顶电极为Pt电极、TiN电极、Cu电极或者Ag电极。

6.如权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述顶电极上加有保护电极，保护电极为铂、钛或者金。

7.如权利要求1所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述阻挡层为SiO₂或Si，阻挡层的厚度范围为30nm—300nm。