CN103633243A - 一种电阻型存储器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电阻型存储器的制备方法，包括：对开孔而暴露的下电极进行高温退火，使其表面析出纳米颗粒；在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极；以及图形化上电极和阻变材料层。本发明提供的这种电阻型存储器的制备方法，通过在Cu下电极表面形成突触颗粒，由于存在局部电场增强效应，在存储介质中发生电阻转变时，导电通道会优先在突触颗粒上方形成，有效的消除器件的激活电压、提高器件产率、减小器件参数的离散性。采用该方法制备的CuxO基电阻型存储器具有制作成本低、效果好、易与CMOS工艺集成的优点。

Description

一种电阻型存储器的制备方法
技术领域
本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种改善器件参数均一性的电阻存储器的制备方法。
背景技术
由于便携式电子设备的不断普及，非挥发性存储器在整个存储器市场中的份额也越来越大。当前FLASH技术是非挥发性存储器市场的主流，占据了90％的市场份额。但随着半导体工艺节点的推进，FLASH技术正遇到一系列的瓶颈问题，如浮栅不能随技术代发展无限制减薄，数据保持特性问题等，有报道预测FLASH技术的极限在16nm左右，这就迫使人们寻找性能更为优越的下一代非挥发性存储器。最近电阻转换存储器件(resistive switching memory)因为其高密度、低成本、可突破技术代发展限制的特点引起高度关注，所使用的材料有相变材料、掺杂的SrZrO3、铁电材料PbZrTiO3、铁磁材料Pr1-xCaxMnO3、二元金属氧化物材料、有机材料等。
电阻型存储器通过电信号的作用，使存储介质在高电阻状态(HighResistance State，HRS)和低电阻(Low Resistance State，LRS)状态之间可逆转换，从而实现存储功能。根据导电细丝理论，高阻态和低阻态之间的转变源于存储介质中导电通道的形成与断裂。在当前电阻型存储器研究领域中，器件参数离散性问题是一个亟待解决的关键问题，包括器件与器件之间的均一性，编程次与次之间的均一性问题，导致器件均一性问题的原因在于导电通道形成与断裂的随机性，因此，如何有效的控制导电通道的形成与断裂显得十分重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种改善器件参数均一性的电阻存储器的制备方法，以提高器件参数的均一性。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种电阻型存储器的制备方法，包括：对开孔而暴露的下电极进行高温退火，使其表面析出纳米颗粒；在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极；以及图形化上电极和阻变材料层。
上述方案中，在所述对开孔而暴露的下电极进行高温退火之前还包括：开孔以暴露下电极。
上述方案中，所述开孔以暴露下电极之后还包括：对开孔而暴露的下电极进行预氧化处理。
上述方案中，所述预氧化处理为等离子体氧化、热氧化或氧离子注入方法。
上述方案中，所述下电极为金属Cu。
上述方案中，所述对开孔的下电极进行高温退火的步骤中，高温退火温度为100℃～450℃，时间为1秒～1小时，高温退火氛围为真空、高纯Ar或高纯N2。
上述方案中，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，阻变存储介质是以HfO，ZrO，CuO，AlO，TiO，TaO，WO，MnO，NiO，SiO，MgO，FeO，PCMO或STO为基体的材料，或者是HfO，ZrO，CuO，AlO，TiO，TaO，WO，MnO，NiO，SiO，MgO，FeO，PCMO或STO中任意两种或三种构成的双层或多层复合层材料。
上述方案中，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，阻变存储介质的厚度为1nm～500nm。
上述方案中，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，阻变存储介质是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、氧化、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备的。
上述方案中，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，上电极材料是由单质Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni，或导电金属化合物TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中至少一种构成。
上述方案中，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，上电极材料是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或溅射方法中的一种制备的。
上述方案中，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，上电极材料的厚度为1nm～500nm。
(三)有益效果
本发明提供的这种电阻型存储器的制备方法，通过在Cu下电极表面形成突触颗粒，由于存在局部电场增强效应，在存储介质中发生电阻转变时，导电通道会优先在突触颗粒上方形成，有效的消除器件的激活电压、提高器件产率、减小器件参数的离散性。采用该方法制备的CuxO基电阻型存储器具有制作成本低、效果好、易与CMOS工艺集成的优点。
附图说明
图1是依照本发明实施例的制备电阻型存储器的方法流程图；
图2至图5是依照本发明实施例的制备电阻型存储器的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。
在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。例如干法刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本发明实施例图示中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
图1是依照本发明实施例的制备电阻型存储器的方法流程图。同时，通过图2至图5示意了电阻型存储器的制备方法过程，以下结合图2至图5详细说明电阻型存储器的制造方法。
步骤S11，开孔暴露下电极。
在该步骤中，如图2所示，在下电极40上的介质层21上构图开孔洞27，用于局部暴露下电极，并定义存储介质层的单元面积大小。下电极40可以是金属Cu。介质层21可以是氧化硅、氮化硅等材料，可以通过光刻以及刻蚀的办法形成孔洞27。通过该步骤，完成制备电阻型存储器的前期工艺。
步骤S12，对孔洞中的Cu下电极高温退火处理，使其表面析出Cu纳米颗粒。
在该步骤中，如图3所示，通过对暴露的铜下电极部分进行高温退火处理，在其表面析出Cu纳米颗粒23。其退火条件为：(1)温度：100度～450度。(2)时间：1s～1h。(3)氛围：真空，高纯Ar或高纯N2。下电极金属Cu在高温作用下受热膨胀，Cu原子优先在表面晶界处析出，形成Cu纳米颗粒，根据退火温度的和时间的不同，Cu纳米颗粒23的尺寸可以在几纳米至几百纳米之间调节。作为较佳实施例，退火条件可以为真空环境300度退火2分钟。
步骤S13，在孔洞中Cu电极上方形成阻变存储介质层30和上电极24。
在该步骤中，如图4所示，阻变存储层30可以为HfO，ZrO，CuO，AlO，TiO，TaO，WO，MnO，NiO，SiO，MgO，FeO，PCMO，STO基体材料，或其双层或多层的复合层材料，通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、氧化、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备完成。作为较佳实施例，阻变存储层可以为WO3，通过磁控溅射的方法形成，厚度为50nm。沉积金属导电材料作为上电极24，覆盖阻变存储层30。上电极24可以为Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni，导电金属化合物TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中至少一种构成，通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、溅射方法中的一种制备完成。作为较佳实施例，上电极材料可以为TiN，采用溅射的方法形成，厚度为50nm。
步骤S14，图形化上电极和阻变材料层。
在该步骤中，如图5所示，可以采用半导体常规工艺光刻和刻蚀完成。
至此，图1所示电阻型存储器制备方法过程完成。本发明通过在Cu下电极表面形成纳米颗粒，由于存在局部电场增强效应，在存储介质中发生电阻转变时，导电通道会优先在突触颗粒上方形成。此发明可以有效的消除器件的激活电压、减小器件参数的离散性，具有制作成本低、易与CMOS工艺集成的优点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电阻型存储器的制备方法，其特征在于，包括：
对开孔而暴露的下电极进行高温退火，使其表面析出纳米颗粒；
在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极；以及
图形化上电极和阻变材料层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述对开孔而暴露的下电极进行高温退火之前还包括：开孔以暴露下电极。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述开孔以暴露下电极之后还包括：对开孔而暴露的下电极进行预氧化处理。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述预氧化处理为等离子体氧化、热氧化或氧离子注入方法。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述下电极为金属Cu。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对开孔的下电极进行高温退火的步骤中，高温退火温度为100℃～450℃，时间为1秒～1小时，高温退火氛围为真空、高纯Ar或高纯N2。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，阻变存储介质是以HfO，ZrO，CuO，AlO，TiO，TaO，WO，MnO，NiO，SiO，MgO，FeO，PCMO或STO为基体的材料，或者是HfO，ZrO，CuO，AlO，TiO，TaO，WO，MnO，NiO，SiO，MgO，FeO，PCMO或STO中任意两种或三种构成的双层或多层复合层材料。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，阻变存储介质的厚度为1nm～500nm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，阻变存储介质是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、氧化、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备的。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，上电极材料是由单质Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni，或导电金属化合物TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中至少一种构成。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，上电极材料是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或溅射方法中的一种制备的。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在孔洞中下电极上方形成阻变存储介质层和上电极的步骤中，上电极材料的厚度为1nm～500nm。
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