CN103094301B - 金属氧化物阻变存储器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属氧化物阻变存储器，阻变存储介质层的材料为由氧化硅和金属氧化物组成的复合材料。本发明还公开了一种金属氧化物阻变存储器的制造方法。本发明金属氧化物阻变存储器通过在金属氧化物阻变存储器材料中引入不具备阻变性能的高阻态硅氧化物网络，能降低阻变存储介质层的有效界面面积，从而能提高器件的工作电阻区间、降低器件的操作功耗。

Description

金属氧化物阻变存储器及制造方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种金属氧化物阻变存储器；本发明还涉及一种金属氧化物阻变存储器的制造方法。

背景技术

金属氧化物阻变存储器是一种新型存储器，它通过金属氧化物存储单元电阻在电场作用下改变阻值达到记录信息的目的。金属氧化物阻变存储器的工作原理是通过金属氧化物中氧离子在电场下漂移或者热场下扩散等作用靠近/远离金属氧化物-电极界面，从而对金属氧化物-电极界面的势垒进行调节，达到使界面电阻升高/降低的目的。现有金属氧化物阻变存储器的存储介质多为单元金属氧化物，它在读写操作下，存储介质电阻偏小，操作电流过大，实际应用中存在功耗偏高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种金属氧化物阻变存储器，能降低阻变存储介质层的有效界面面积，从而能提高器件的工作电阻区间、降低器件的操作功耗。为此，本发明还提供一种金属氧化物阻变存储器的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的金属氧化物阻变存储器的阻变存储介质层的材料为由氧化硅和金属氧化物组成的复合材料。

进一步的改进是，所述阻变存储介质层的底端和硅单晶基底接触，在所述硅单晶基底上形成有和所述硅单晶基底表面直接接触的通孔；在所述硅单晶基底上还形成有和所述阻变存储介质层的顶端直接接触的通孔；各所述通孔的顶部为引出端且和金属连线层连接，所述阻变存储介质层的底端通过和所述硅单晶基底表面直接接触的通孔和所述金属连线层连接，所述阻变存储介质层的顶端通过和所述阻变存储介质层的顶端直接接触的通孔和所述金属连线层连接。

为解决上述技术问题，本发明提供的金属氧化物阻变存储器的制造方法包括如下步骤：

步骤一、在硅单晶基底上形成金属层。

步骤二、对所述硅单晶基底进行退火处理，使所述金属层和所述硅单晶基底的硅进行合金化形成金属合金。

步骤三、对所述硅单晶基底进行氧化处理，使所述金属合金被氧化并形成氧化硅和金属氧化物，由所述氧化硅和所述金属氧化物组成金属氧化物阻变存储器的阻变存储介质层。

进一步的改进是，在形成所述阻变存储介质层之后，还包括如下步骤：

步骤四、在所述硅单晶基底表面淀积层间绝缘层。

步骤五、在所述层间绝缘层中形成和所述硅单晶基底表面直接接触的通孔、以及和所述阻变存储介质层的顶端直接接触的通孔。

步骤六、在所述通孔顶部形成金属连线层，所述阻变存储介质层的底端通过和所述硅单晶基底表面直接接触的通孔和所述金属连线层连接，所述阻变存储介质层的顶端通过和所述阻变存储介质层的顶端直接接触的通孔和所述金属连线层连接。

本发明金属氧化物阻变存储器通过在金属氧化物阻变存储器材料中引入不具备阻变性能的高阻态硅氧化物网络，能降低阻变存储介质层的有效界面面积，从而能提高器件的工作电阻区间、降低器件的操作功耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例金属氧化物阻变存储器的结构示意图；

图2是本发明实施例金属氧化物阻变存储器的阻变存储介质层的结构示意图；

图3-图10是本发明实施例金属氧化物阻变存储器的制造方法各步骤中的器件的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明实施例金属氧化物阻变存储器的结构示意图。在硅单晶基底20上通过基底绝缘层隔离出多个有源区。在同一有源区中形成有多个MOS晶体管和一个本发明实施例的金属氧化物阻变存储器，多个所述MOS晶体管组成本发明实施例的金属氧化物阻变存储器的外围电路。

本发明实施例金属氧化物阻变存储器的阻变存储介质层28的材料为由氧化硅和金属氧化物组成的复合材料。如图2所示，所述阻变存储介质层28包括了不具备阻变特性的高阻态氧化硅41、以及金属氧化物42。由于不具备阻变特性的高阻态氧化硅41的存在，使金属氧化物42阻变材料的有效界面面积降低。所述阻变存储介质层28的底端和硅单晶基底20接触。在所述硅单晶基底20上形成有和所述硅单晶基底20表面直接接触的通孔30；在所述硅单晶基底20上还形成有和所述阻变存储介质层28的顶端直接接触的通孔30；各所述通孔30的顶部为引出端且和金属连线层31连接，所述阻变存储介质层28的底端通过和所述硅单晶基底20表面直接接触的通孔30和所述金属连线层31连接，所述阻变存储介质层28的顶端通过和所述阻变存储介质层28的顶端直接接触的通孔30和所述金属连线层31连接。

各所述MOS晶体管都包括一栅极电极24，所述栅极电极24和所述硅单晶基底20之间隔离有栅极绝缘层21。所述栅极电极24的顶部和一通孔30连接。在所述栅极电极24的侧壁上形成有栅极侧壁阻挡层22。在非本发明实施例金属氧化物阻变存储器的区域的各所述MOS晶体管上覆盖有合金化阻挡层25。在所述硅单晶基底20上还形成有层间绝缘层29。在所述层间绝缘层29中形成有通孔30，所述通孔30是在所述层间绝缘层29中形成孔并在孔中填入金属后形成的。所述通孔30的顶部和金属连线层31相连接，所述金属连线层31将和其相连接的各MOS晶体管以及本发明实施例金属氧化物阻变存储器的电极引出。

如图3至图10所示，是本发明实施例金属氧化物阻变存储器的制造方法各步骤中的器件的结构示意图。本发明实施例金属氧化物阻变存储器的制造方法包括如下步骤：

步骤一、如图3所示，在硅单晶基底20上形成器件隔离的基底绝缘层23图形，所述基底绝缘层23将器件有效作用区域即有源区进行隔离。

在所述硅单晶基底20上形成栅极绝缘层21，在所述栅极绝缘层21上形成栅极电极24。

如图4所示，刻蚀所述栅极电极24和所述栅极绝缘层21形成MOS晶体管的栅极结构。在所述栅极电极24的侧壁上形成栅极侧壁阻挡层22。

如图5所示，在所述硅单晶基底20上依次形成合金化阻挡层25和光刻抗蚀剂层32。对所述光刻抗蚀剂层32进行黄光处理及蚀刻形成图形，将阻变存储器单元区域即形成本发明实施例金属氧化物阻变存储器单元的区域露出。

如图6所示，以光刻抗蚀剂层32为掩膜，利用干法刻蚀将阻变存储器单元区域上的所述合金化阻挡层25去除。再去除所述光刻抗蚀剂层32，去除所述光刻抗蚀剂层32后，阻变存储单元区域表面为所述硅单晶基底20，其余表面被合金化阻挡层25保护。

如图7所示，在所述硅单晶基底20上沉积一层金属层26。阻变存储单元区域的所述金属层26与所述硅单晶基底20的表面直接接触，其它区域的所述合金化阻挡层25表面被金属层26覆盖。

步骤二、如图8所示，对所述硅单晶基底20进行退火处理。在阻变存储器单元区域，金属层26与硅单晶基底20相互接触的部分在热作用下形成金属合金27，而阻变存储单元以外区域，金属层26与合金化阻挡层25不发生反应。如图9所示，用湿法刻蚀将金属层26去除，去除金属层26后，阻变存储器单元区域表面为金属合金27，其余区域表面仍然被合金化阻挡层25保护。

步骤三、如图10所示，对所述硅单晶基底20进行氧化处理，阻变存储器单元区域表面的金属合金转变为氧化硅-金属氧化物复合材料28即使所述金属合金被氧化并形成氧化硅和金属氧化物，由所述氧化硅和所述金属氧化物组成金属氧化物阻变存储器的阻变存储介质层28。如图2所示，氧化硅-金属氧化物复合材料28中，不具备阻变特性的高阻态氧化硅网络41的存在，使金属氧化物阻变材料42的有效界面面积降低，达到提高阻变存储器工作电阻区间、降低操作功耗的目的。

步骤四、如图1所示，在所述硅单晶基底20表面淀积层间绝缘层29。

步骤五、如图1所示，采用光刻、刻蚀工艺在所述层间绝缘层29中形成孔，并在孔中填入金属形成通孔30。各所述通孔30分别和所述硅单晶基底20表面直接接触的通孔30、以及和所述阻变存储介质层28的顶端直接接触的通孔、以及和所述MOS晶体管的电极接触。

步骤六、如图1所示，在所述通孔30顶部形成金属连线层31，所述金属连线层31用于将和其相连接的各MOS晶体管以及本发明实施例金属氧化物阻变存储器的电极引出。所述阻变存储介质层28的底端通过和所述硅单晶基底20表面直接接触的通孔30和所述金属连线层31连接，所述阻变存储介质层28的顶端通过和所述阻变存储介质层28的顶端直接接触的通孔30和所述金属连线层31连接。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种金属氧化物阻变存储器，其特征在于：金属氧化物阻变存储器的阻变存储介质层的材料为由氧化硅和金属氧化物组成的复合材料；

所述阻变存储介质层的底端和硅单晶基底接触，所述阻变存储介质层的氧化硅和金属氧化物由和所述硅单晶基底的硅接触的金属进行合金化后在进行氧化形成；所述阻变存储介质层的氧化硅形成不具备阻变性能的高阻态硅氧化物网络并用于降低所述阻变存储介质层的有效界面面积；

在所述硅单晶基底上形成有和所述硅单晶基底表面直接接触的通孔；在所述硅单晶基底上还形成有和所述阻变存储介质层的顶端直接接触的通孔；各所述通孔的顶部为引出端且和金属连线层连接，所述阻变存储介质层的底端通过和所述硅单晶基底表面直接接触的通孔和所述金属连线层连接，所述阻变存储介质层的顶端通过和所述阻变存储介质层的顶端直接接触的通孔和所述金属连线层连接。

2.一种金属氧化物阻变存储器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在硅单晶基底上形成金属层；

步骤二、对所述硅单晶基底进行退火处理，使所述金属层和所述硅单晶基底的硅进行合金化形成金属合金；

步骤三、对所述硅单晶基底进行氧化处理，使所述金属合金被氧化并形成氧化硅和金属氧化物，由所述氧化硅和所述金属氧化物组成金属氧化物阻变存储器的阻变存储介质层；所述阻变存储介质层的氧化硅形成不具备阻变性能的高阻态硅氧化物网络并用于降低所述阻变存储介质层的有效界面面积；

在形成所述阻变存储介质层之后，还包括如下步骤：

步骤四、在所述硅单晶基底表面淀积层间绝缘层；

步骤五、在所述层间绝缘层中形成和所述硅单晶基底表面直接接触的通孔、以及和所述阻变存储介质层的顶端直接接触的通孔；

步骤六、在所述通孔顶部形成金属连线层，所述阻变存储介质层的底端通过和所述硅单晶基底表面直接接触的通孔和所述金属连线层连接，所述阻变存储介质层的顶端通过和所述阻变存储介质层的顶端直接接触的通孔和所述金属连线层连接。