CN105514264B

CN105514264B - 一种阻变存储器及其制备方法、电子装置

Info

Publication number: CN105514264B
Application number: CN201410494486.9A
Authority: CN
Inventors: 康劲; 卜伟海
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: North IC Technology Innovation Center (Beijing) Co., Ltd
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: CN105514264A

Abstract

本发明提供一种RRAM及其制备方法、电子装置，所述方法包括：提供下电极；在所述下电极上形成介电层；在所述介电层中形成沟槽/通孔，所述沟槽/通孔底部暴露出所述下电极；在所述沟槽/通孔中依次形成阻挡层、阻变材料层和牺牲层；去除部分所述牺牲层；去除所述阻变材料层和所述阻挡层未被剩余的牺牲层覆盖的部分；去除所述剩余的牺牲层；以及在所述沟槽/通孔中形成上电极。根据本发明提供的RRAM的制备方法，在介电层和阻变材料层之间加入一阻挡层，可以避免介电层中的氧与阻变材料层进行交换，从而避免阻变材料层的阻变特性发生改变。因此，本发明提供的方法可以改善RRAM器件的可靠性和稳定性。

Description

一种阻变存储器及其制备方法、电子装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种阻变存储器及其制备方法、电子装置。

背景技术

21世纪，计算机技术、互联网以及新型大众化电子产品的高速发展，对电子信息的存储处理产品的需求呈现高速上升趋势，并迫切需要在存储器材料和技术方面取得突破。作为下一代非易失性存储器而备受关注的阻变存储器(RRAM)将会成为下一代核心存储器。

2000年，美国休斯敦大学的科学家报道了在庞磁阻氧化物薄膜器件中发现电脉冲触发可逆电阻转变效应(EPIR效应)，即在外加纳秒级电压脉冲的作用下，器件的电阻在低阻态(“0”)和高阻态(“1”)之间可逆转变，变化率可达1000倍以上，并且所得到的电阻在外电场去除后可以保持下来。同年，IBM研发部门也在钙钛矿型氧化物薄膜器件中发现了类似的效应。基于这一效应，科学界提出了一种新型非易失性存储器概念，即上述的阻变存储器(RRAM)。

RRAM的主要优势表现在：一是制备简单。存储单元为金属-氧化物-金属三明治结构，可通过溅射、气相沉积等常规的薄膜工艺制备；二是擦写速度快。擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般小于100纳秒，远高于Flash存储器；三是存储密度高。研究表明电阻发生变化的区域很小，约几个纳米，因此存储单元可以很小，另外，在RRAM中还存在多水平电阻转变现象，利用这些电阻状态可存储不同信息，在不改变存储单元体积的条件下可实现更多信息的存储；四是半导体工艺兼容性好，RRAM可利用现有的半导体工艺技术生产，从而大大缩减开发成本。

在半导体制程的后段工艺中引入阻变材料制备RRAM是一种可行的方法，但是，存在的问题是低k介电层中的氧与阻变材料接触可能发生氧的交换，从而改变阻变材料的特性，引起RRAM的可靠性和稳定性问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种RRAM的制备方法，包括：提供下电极；在所述下电极上形成介电层；在所述介电层中形成沟槽/通孔，所述沟槽/通孔底部暴露出所述下电极；在所述沟槽/通孔中依次形成阻挡层、阻变材料层和牺牲层；去除部分所述牺牲层；去除所述阻变材料层和所述阻挡层未被剩余的牺牲层覆盖的部分；去除所述剩余的牺牲层；以及在所述沟槽/通孔中形成上电极。

可选地，所述阻挡层的材料是钽、氮化钽、钛、氮化钛、氮化锆、氮化钛锆、钨、氮化钨中的一种或多种。

可选地，所述介电层的材料是二氧化硅或低k介电材料。

可选地，所述下电极的材料是钨、铝、铜、钛、钽、氮化钽、氮化钛中的一种或多种。

可选地，所述上电极的材料是钨、铝、铜、钛、钽、氮化钽、氮化钛中的一种或多种。

可选地，所述阻变材料层的材料是过渡金属氧化物、固体电解质、硅化物、金属氮化物及金属氮氧化物中的一种或多种。

可选地，所述过渡金属氧化物包括NiO、TiO₂、HfO_x、Cu_xO、ZnO、SrTiO₃、TaO_x。

可选地，所述固体电解质是GeSe。

可选地，所述牺牲层的材料是底部抗反射涂层材料。

可选地，去除部分所述牺牲层包括：回蚀刻所述牺牲层以去除所述牺牲层的一部分。

可选地，采用干法蚀刻或湿法蚀刻工艺去除所述阻变材料层和所述阻挡层未被剩余的牺牲层覆盖的部分。

根据本发明的另一方面，提供了一种RRAM，包括：下电极；在所述下电极上形成的介电层；在所述介电层中形成的沟槽/通孔，所述沟槽/通孔底部暴露出所述下电极；以及在所述沟槽/通孔中依次形成的阻挡层、阻变材料层和上电极。

可选地，所述介电层的材料是二氧化硅或低k介电材料。

可选地，所述固体电解质是GeSe。

可选地，所述牺牲层的材料是底部抗反射涂层材料。

根据本发明的又一方面，提供了一种电子装置，包括上述RRAM。

根据本发明提供的RRAM的制备方法，在介电层和阻变材料层之间加入一阻挡层，可以避免介电层中的氧与阻变材料层进行交换，从而避免阻变材料层的阻变特性发生改变。因此，本发明提供的方法可以提高RRAM器件的数据保持能力和反复擦写能力，使RRAM器件的可靠性和稳定性得到改善。

为了使本发明的目的、特征和优点更明显易懂，特举较佳实施例，并结合附图，做详细说明如下。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中：

图1a-1i示出根据本发明一个实施例的RRAM的制备方法的关键步骤中所获得的半导体器件的剖面示意图；以及

图2示出根据本发明实施例的RRAM的制备方法的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的RRAM的制备方法。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。

实施例一

下面，参照图1a-1i以及图2来描述本发明提出的RRAM的制备方法的详细步骤。图1a-1i示出根据本发明一个实施例的RRAM的制备方法的关键步骤中所获得的半导体器件的剖面示意图。

首先，参考图1a，提供下电极101。所述下电极101可以形成在半导体衬底(未示出)上。所述半导体衬底的构成材料可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。形成所述下电极101的导电材料可以是钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)中的一种或多种。形成所述下电极101的工艺可以是化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、磁控溅射、电子束蒸发等工艺。

接下来，继续参考图1a，在所述下电极101上形成介电层102。所述介电层102的材料可以是二氧化硅(SiO₂)或者低k介电材料，所述低k介电材料例如氟氧化硅(SiOF)、氢化的硅碳氧化物(SiCOH)、碳氧化硅(SiCO)、掺氮的碳化硅(BLoK)等无机材料，或者芳香族碳氢化合物、二甲苯塑料等有机化合物。形成所述介电层102的方法可以是CVD法、PVD法或ALD法等常见沉积方法。

接下来，参考图1b，在所述介电层102中形成沟槽/通孔103，所述沟槽/通孔103底部暴露出所述下电极101。可以采用下述方式形成所述沟槽/通孔103。首先在所述介电层102上形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行曝光、显影以在所述光刻胶层上留下沟槽/通孔的图案。之后以经图案化的光刻胶层为掩膜蚀刻所述介电层102，直至暴露出所述介电层102下方的下电极101。因此，在形成沟槽/通孔103之后，在沟槽/通孔103的底部会将下电极101暴露出来。

接下来，参考图1c-1e，在所述沟槽/通孔103中依次形成阻挡层104、阻变材料层105和牺牲层106。所述阻挡层104的材料可以是钽、氮化钽、钛、氮化钛、氮化锆、氮化钛锆、钨、氮化钨中的一种或多种。所述阻挡层104可以采用如PVD、ALD、旋转涂布(spin-on)沉积或其它适当方法的制程所形成。本领域技术人员可以理解，所述阻挡层104可以是单层或多层膜结构，本发明不对此进行限制。所述阻变材料层105的材料可以是过渡金属氧化物(诸如NiO、TiO₂、HfO_x、Cu_xO、ZnO、SrTiO₃、TaO_x等)、固体电解质(诸如GeSe)、硅化物、金属氮化物及金属氮氧化物中的一种或多种。可以采用等离子体氧化、热氧化等方式形成所述阻变材料层105。所述牺牲层106的材料包括但不限于底部抗反射涂层(BARC)材料。在一个实施例中，采用涂覆的方式形成所述牺牲层106。

接下来，参考图1f，去除部分所述牺牲层106。在一个实施例中，回蚀刻所述牺牲层106以去除所述牺牲层106的一部分。可以采用干蚀刻工艺，利用含氟气体作为蚀刻剂来蚀刻所述牺牲层106。

接下来，参考图1g，去除所述阻变材料层105和所述阻挡层104未被剩余的牺牲层覆盖的部分。可以例如采用干法蚀刻或湿法蚀刻工艺去除所述阻变材料层105和所述阻挡层104未被剩余的牺牲层覆盖的部分。所述干法蚀刻工艺包括但不限于：反应离子蚀刻(RIE)、离子束蚀刻、等离子体蚀刻或者激光切割等。

接下来，参考图1h，去除所述剩余的牺牲层。可以采用蚀刻或灰化工艺来去除剩余的牺牲层。

接下来，参考图1i，在所述沟槽/通孔103中形成上电极107。形成所述上电极107的导电材料可以是钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)中的一种或多种。形成所述上电极107的工艺可以是CVD、ALD、PVD、磁控溅射、电子束蒸发等工艺。

根据本发明提供的RRAM的制备方法，在介电层102和阻变材料层105之间形成阻挡层104，可以避免介电层102中的氧与阻变材料层105进行交换，从而避免阻变材料层105的阻变特性发生改变，使得器件不会出现意外的从高阻值到低阻值或者从低阻值向高阻值的变化。因此，本发明提供的方法可以提高RRAM器件的数据保持能力和反复擦写能力，使RRAM器件的可靠性和稳定性得到改善。

图2示出根据本发明实施例的RRAM的制备方法200的流程图。方法200包括以下步骤：

步骤S201：提供下电极。

步骤S202：在所述下电极上形成介电层。

步骤S203：在所述介电层中形成沟槽/通孔，所述沟槽/通孔底部暴露出所述下电极。

步骤S204：在所述沟槽/通孔中依次形成阻挡层、阻变材料层和牺牲层。

步骤S205：去除部分所述牺牲层。

步骤S206：去除所述阻变材料层和所述阻挡层未被剩余的牺牲层覆盖的部分。

步骤S207：去除所述剩余的牺牲层。

步骤S208：在所述沟槽/通孔中形成上电极。

根据上述实施例制造的RRAM元件可应用于多种集成电路(IC)中。根据本发明的IC例如是存储器电路，如随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、或只读存储器(ROM)等等。根据本发明的IC还可以是逻辑器件，如可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)、合并式DRAM逻辑集成电路(掩埋式动态随机存取存储器)、射频器件或任意其他电路器件。根据本发明的IC芯片可用于例如用户电子产品，如个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机、数码相机、手机等各种电子产品中，尤其是射频产品中。

实施例二

本发明还提供了一种RRAM，所述RRAM选用上述实施例所述的方法制造。所述RRAM包括下电极、在所述下电极上形成的介电层；在所述介电层中形成的沟槽/通孔，所述沟槽/通孔暴露出所述下电极；以及在所述沟槽/通孔中依次形成的阻挡层、阻变材料层和上电极。

在以上关于RRAM的制备方法的描述中，已经描述了RRAM所涉及的下电极、介电层、沟槽/通孔、阻挡层、阻变材料层以及下电极。本领域的技术人员参考图1a-1i和图2并结合关于上述实施例的描述能够理解其具体结构和制造方式。为了简洁，在此省略其具体描述。

根据本发明提供的RRAM，在介电层和阻变材料层之间加入了一阻挡层，其可以避免介电层中的氧与阻变材料层进行交换，从而避免阻变材料层的阻变特性发生改变。本发明提供的RRAM具有较高的可靠性和稳定性。

实施例三

本发明还提供了一种电子装置，包括RRAM。其中，RRAM为实施例二所述的RRAM，或根据实施例一所述的制备方法得到的RRAM。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括所述RRAM的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的RRAM，因而具有更好的性能。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种阻变存储器的制备方法，包括：

提供下电极；

在所述下电极上形成介电层；

在所述介电层中形成沟槽/通孔，所述沟槽/通孔底部暴露出所述下电极；

在所述沟槽/通孔中依次形成阻挡层、阻变材料层和牺牲层；

去除部分所述牺牲层；

去除所述阻变材料层和所述阻挡层未被剩余的牺牲层覆盖的部分；

去除所述剩余的牺牲层；以及

在所述沟槽/通孔中形成上电极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻挡层的材料是钽、氮化钽、钛、氮化钛、氮化锆、氮化钛锆、钨、氮化钨中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电层的材料是二氧化硅或低k介电材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下电极的材料是钨、铝、铜、钛、钽、氮化钽、氮化钛中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上电极的材料是钨、铝、铜、钛、钽、氮化钽、氮化钛中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻变材料层的材料是过渡金属氧化物、固体电解质、硅化物、金属氮化物及金属氮氧化物中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述过渡金属氧化物包括NiO、TiO₂、HfO_x、Cu_xO、ZnO、SrTiO₃、TaO_x。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述固体电解质是GeSe。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲层的材料是底部抗反射涂层材料。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，去除部分所述牺牲层包括：回蚀刻所述牺牲层以去除所述牺牲层的一部分。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用干法蚀刻或湿法蚀刻工艺去除所述阻变材料层和所述阻挡层未被剩余的牺牲层覆盖的部分。

12.一种阻变存储器，包括：

下电极；

在所述下电极上形成的介电层；

在所述介电层中形成的沟槽/通孔，所述沟槽/通孔底部暴露出所述下电极；以及

在所述沟槽/通孔中依次形成的阻挡层、阻变材料层和上电极。

13.根据权利要求12所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻挡层的材料是钽、氮化钽、钛、氮化钛、氮化锆、氮化钛锆、钨、氮化钨中的一种或多种。

14.根据权利要求12所述的阻变存储器，其特征在于，所述介电层的材料是二氧化硅或低k介电材料。

15.根据权利要求12所述的阻变存储器，其特征在于，所述下电极的材料是钨、铝、铜、钛、钽、氮化钽、氮化钛中的一种或多种。

16.根据权利要求12所述的阻变存储器，其特征在于，所述上电极的材料是钨、铝、铜、钛、钽、氮化钽、氮化钛中的一种或多种。

17.根据权利要求12所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料层的材料是过渡金属氧化物、固体电解质、硅化物、金属氮化物及金属氮氧化物中的一种或多种。

18.根据权利要求17所述的阻变存储器，其特征在于，所述过渡金属氧化物包括NiO、TiO₂、HfO_x、Cu_xO、ZnO、SrTiO₃、TaO_x。

19.根据权利要求17所述的阻变存储器，其特征在于，所述固体电解质是GeSe。

20.一种电子装置，包括如权利要求12-19之一所述的阻变存储器。