CN110739395A - 阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种阻变存储器的制备方法，包括提供一衬底；在所述衬底上形成下电极；在所述下电极以及所述衬底的上表面形成第一阻变材料层；在所述第一阻变材料层的上方形成第二阻变材料层，且所述第二阻变材料层的阻态不同于所述第一阻变材料层的阻态；在所述第二阻变材料层的上方形成上电极。即本发明通过在所述第一阻变材料层和上电极之间增加第二阻变材料层，实现阻变存储器的多种阻态(>2)下的转变，从而实现多值存储，可在存储芯片面积不变的前提下，增大数据存储量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种阻变存储器及其制备方法。
背景技术
随着现代信息技术的快速发展，人们不断追求速度更快、容量更高、功耗更低的非易失存储芯片来存储海量数据。智能手机和平板电脑的广泛使用和云计算的推广，更是对非易失存储芯片的性能和容量提出了更高的要求。当前嵌入式非易失存储器的发展趋势是大容量、低功耗、高密度、高速、低成本。
随着逻辑工艺的进一步微缩，特别是进入40nm工艺节点后，传统的EEPROM或NORFLASH与以HKMG和FinFET为代表的先进逻辑工艺的集成难度进一步增大，其高昂的制造成本以及退化的器件性能无法为实际应用所接受，微缩化遇到瓶颈。阻变存储器(RRAM)因其CMOS工艺兼容性高，可微缩性好，低功耗，高密度，低成本等优点成为可替代传统嵌入式闪存的有力竞争者，国际半导体路线图委员会(ITRS)认为阻变存储器是最值得开展商业化应用研究的新型存储技术之一。
阻变存储器的工作原理是阻变材料在电驱动下实现高低阻态转变，从而实现数据存储。常见的阻变存储器的结构：衬底、位于所述衬底上的下电极(TiN)、位于所述下电极和所述衬底的上表面的阻变材料层(TaOx)以及位于所述阻变材料层上方的上电极(TiN)，这种阻变存储器一般只能实现高低阻态下的双值存储。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻变存储器及其制备方法，以实现2种以上阻态转变，从而实现多值存储，可在存储芯片面积不变的前提下，增大数据存储量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种阻变存储器的制备方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成下电极；
在所述下电极以及所述衬底的上表面形成第一阻变材料层；
在所述第一阻变材料层的上方形成第二阻变材料层，且所述第二阻变材料层的阻态不同于所述第一阻变材料层的阻态；
在所述第二阻变材料层的上方形成上电极。
可选的，在所述的阻变存储器的制备方法中，所述衬底包括金属互连层和位于该金属互连层上方的介质阻拦层，其中所述金属互连层包括层间介质层以及形成于该层间介质层中的金属互连线，所述介质阻拦层中设置有孔洞，所述孔洞暴露出部分所述金属互连线。
可选的，在所述的阻变存储器的制备方法中，所述第一阻变材料层的材料包括TaOx，所述第二阻变材料层的材料包括TiOx。
可选的，在所述的阻变存储器的制备方法中，在所述第一阻变材料层的上方形成第二阻变材料层的方法包括：
在所述第一阻变材料层的上方沉积一层金属氮化物层，所述金属氮化物层中的金属元素不同于所述第一阻变材料层中的金属元素；
所述金属氮化物层经过氧化工艺形成金属氧化物层，以作为所述第二阻变材料层。
可选的，在所述的阻变存储器的制备方法中，所述金属氮化物层的厚度与所述第一阻变材料层的厚度相同。
可选的，在所述的阻变存储器的制备方法中，所述金属氮化物层的厚度为
可选的，在所述的阻变存储器的制备方法中，所述氧化工艺所采用的气体包括NO、N2O或者O2中的至少一种。
可选的，在所述的阻变存储器的制备方法中，所述沉积方法包括化学气相沉积、原子层沉积或者物理沉积法。
可选的，在所述的阻变存储器的制备方法中，在形成所述下电极之后且在形成所述上电极之前，在所述下电极上形成多次交替堆叠的第一阻变材料层和第二阻变材料层；或者，在形成所述第一阻变材料层后且在形成所述第二阻变材料层之前，在所述第一阻变材料层上形成第三阻变材料层，所述第三阻变材料层的阻态不同于所述第二阻变材料层的阻态以及所述第一阻变材料层的阻态。
为实现上述目的以及其他相关目的，本发明还提供了一种阻变存储器，采用上述所述的阻变存储器的制备方法制备得到。
综上所述，本发明提供了一种阻变存储器的制备方法，包括提供一衬底；在所述衬底上形成下电极；在所述下电极以及所述衬底的上表面形成第一阻变材料层；在所述第一阻变材料层的上方形成第二阻变材料层，且所述第二阻变材料层的阻态不同于所述第一阻变材料层的阻态；在所述第二阻变材料层的上方形成上电极。本发明还提供了一种阻变存储器，其是采用上述所述的阻变存储器的制备方法制备得到，所述阻变存储器在所述第一阻变材料层和上电极之间增加了第二阻变材料层，由于第一阻变材料层和第二阻变材料层都有转变特性，且转变电压不一样，因此，可实现多种阻态(>2)下的转变，从而实现多值存储，可在存储芯片面积不变的前提下，增大数据存储量。
附图说明
图1为一种阻变存储器的高低阻转变I-V曲线图；
图2为一种阻变存储器的结构示意图；
图3为本发明一实施例中的阻变存储器的结构示意图；
其中，图1～图2中：
01-衬底，02-下电极，03-阻变材料层，04-上电极，012-介质阻拦层，0111-层间介质层，0112-金属互连线，A-高阻态向低阻态转变，B-低阻态，C-低阻态向高阻态转变，D-高阻态；
图3中：
10-衬底，20-下电极，30-第一阻变材料层，40-上电极，50-第二阻变材料层，100-孔洞，102-介质阻拦层，1011-层间介质层，1012-金属互连线。
具体实施方式
随着现代信息技术的快速发展，人们对于速度更快、容量更高、功耗更低的非易失存储器需求越来越高。阻变存储器作为下一代存储器的研究热点，具有很强的应用潜力，被认为是最具有商业价值的存储器。阻变存储器的工作原理是阻变材料在电驱动下实现高低阻态转变，从而实现数据存储。如图1为常见阻变存储器的高低阻转变I-V曲线，A为高阻态向低阻态转变，B为低阻态，C为低阻态向高阻态转变，D为高阻态。常见的阻变存储器结构是在上下电极之间生长一层阻变材料，这种阻变存储器一般只能实现高低阻态下的双值存储。
参阅图2，为常见的阻变存储器结构，包括衬底01、位于所述衬底01上的下电极02、位于所述下电极02和所述衬底01的上表面的阻变材料层03以及位于所述阻变材料层03上方的上电极04。其中所述衬底01的顶部设置有孔洞，所述孔洞中填充电极材料形成下电极02。所述衬底01包括金属互连层和位于该金属互连层上方的介质阻拦层012，其中所述金属互连层包括层间介质层0111和金属互连线0112。所述孔洞设置于所述介质阻拦层012上，且贯穿所述介质阻拦层012，并暴露出部分所述金属互连线0112。其中，所述层间介质层0111的材料为低介电常数材料，所述金属互连线0112的材料为金属铜，所述介质阻拦层012的材料为掺氮的碳化硅(Nitride Doped Silicon Carbide简称NDC)，所述下电极02和上电极04的电极材料为氮化钛(简称TiN)，所述阻变材料层03的材料多为金属氧化物，例如HfOx，TiOx，NiOx以及TaOx等金属氧化物材料，其中在研究中较为常见的阻变材料为TaOx。这种阻变存储器一般只能实现高低阻态下的双值存储。
基于上述发现，本发明提供了一种阻变存储器的制备方法，通过在第一阻变材料层和上电极之间增加第二阻变材料层，实现阻变存储器的多种阻态(>2)下的转变，从而实现多值存储，可在存储芯片面积不变的前提下，增大数据存储量。
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图3对本发明实施例提出的阻变存储器的制备方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参阅图3，本发明提供的一种阻变存储器的制备方法包括：
提供一衬底10；
在所述衬底10上形成下电极20；
在所述下电极20以及所述衬底10的上表面形成第一阻变材料层30；
在所述第一阻变材料层30的上方形成第二阻变材料层50，且所述第二阻变材料层50的阻态不同于所述第一阻变材料层30的阻态；
在所述第二阻变材料层50的上方形成上电极40。
其中，所述衬底10的顶部设有孔洞100。所述衬底10可以为常规硅衬底或包含半导电材料层的其它衬底，例如，所述衬底可以包括金属互连层和位于该金属互连层上方的介质阻拦层102，其中所述金属互连层包括层间介质层1011以及金属互连线1012，所述金属互连线1012的上表面与所述层间介质层1011的上表面齐平，所述金属互连线1012下表面可以与层间介质层1011齐平(此时金属互连线1012贯穿层间介质层1011)，也可以被所述层间介质层1011掩埋在内。所述层间介质层1011的材料包括低介电常数材料(Low-k)、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的至少一种，优选低介电常数材料，所述低介电常数材料(Low-k)包括SiOCH薄膜、氟硅玻璃(FSG)、碳掺杂的氧化硅(BlackDiamond)或者氮掺杂的碳化硅(BLOK)等。所述金属互连线1012的材料优选为金属铜。所述介质阻拦层102的材料优选为掺氮的碳化硅(Nitride Doped Silicon Carbide简称NDC)，其目的在于阻止金属向介质中扩散。所述衬底10顶部的孔洞100设置于所述介质阻拦层102中，呈圆台形贯穿于所述介质阻拦层102，并暴露出部分所述金属互连线1012。所述孔洞100的数量可以为一个，也可以为两个以上，当所述孔洞100的数量至少为两个时，每一个孔洞均暴露出部分所述金属互连线1012，优选所述孔洞的大小和形状相同。
在所述衬底10上形成下电极20，即在所述衬底10顶部的孔洞100中填充电极材料形成所述下电极20。所述下电极30的电极材料可以为铜、铂或者氮化钛等，优选为氮化钛。
在所述下电极20和所述衬底10的上表面形成第一阻变材料层30，即在所述下电极20以及所述介质阻拦层102的上表面沉积阻变材料，形成第一阻变材料层30，所述第一阻变材料层30的材料为HfOx、TiOx、NiOx或者TaOx等金属氧化物材料，优选为TaOx，所述形成第一阻变材料层30的设备优选为FAB设备。
在所述第一阻变材料层30的上方沉积一层金属化合物材料层(未图示)，所述的沉积方法可以为化学气相沉积、原子层沉积或者物理沉积等方法，所述金属化合物材料层的厚度优选与所述第一阻变材料层30的厚度相同，优选为
所述金属化合物材料层的材料优选为金属氮化物，例如NiN、TiN或者TaN等，所述金属化合物材料层的材料所含的金属元素与所述第一阻变材料层30的材料中所含的金属元素不同，以使得所述金属化合物材料层在后续经氧化工艺后转变形成第二阻变材料层50的阻态不同于第一阻变材料层30的阻态。本实施例中，所述第一阻变材料层30的材料优选为TaOx，所述的金属化合物材料层的材料优选为TiN。
所述金属化合物材料层(例如TiN)经过氧化工艺形成第二阻变材料层50，即所述第二阻变材料层50的材料为金属氧化物。所述第二阻变材料层50的厚度等于所述第一阻变材料层30的厚度，即优选为
所述氧化工艺所采用的气体包括NO、N2O或者O2中的至少一种。当所述第一阻变材料层30的材料优选为TaOx时，所述第二阻变材料层50的材料优选为TiOx。由于TiOx和TaOx均有转变特性，在电压驱动下可实现多种阻态(>2)转变，从而实现多值存储。形成第二阻变材料层所采用的设备也可以为FAB设备，即与形成所述第一阻变材料层30采用的设备相同，容易制造生产，无需额外机台生长TiOx。
除此之外，本发明还可以在形成所述下电极20之后且在形成所述上电极40之前，在所述下电极20上形成多次交替堆叠的第一阻变材料层和第二阻变材料层；或者，在形成所述第一阻变材料层30后且在形成所述第二阻变材料层50之前，在所述第一阻变材料层30上形成第三阻变材料层，所述第三阻变材料层的阻态不同于所述第二阻变材料层50的阻态以及所述第一阻变材料层30的阻态。采用以上方法制得的阻变存储器可以存储不少于3个存储值。
在所述第二阻变材料层50的上方形成上电极40，即可以通过在所述第二阻变材料层50上方沉积电极材料形成上电极40，所述上电极40的材料可以为铜、铂、或者氮化钛等，优选与所述下电极20的材料相同。
本发明通过在所述第一阻变材料层和上电极之间通过增加第二阻变材料层，由于第一阻变材料层和第二阻变材料层都有转变特性，且转变电压不一样，因此，可实现阻变存储器的多种阻态(>2)下的转变，从而实现多值存储，可在存储芯片面积不变的前提下，增大数据存储量。且所述的第二阻变材料层是通过氮化物(例如TiN)氧化制备，工艺简单，容易生产。
本发明还提供了一种阻变存储器，采用上述所述的阻变存储器的制备方法制备得到。与现有的阻变存储器相比，本发明提供的阻变存储器在第一阻变材料层和上电极之间增加了第二阻变材料层，可实现多种阻态(>2)下的转变，从而实现多值存储，可在存储芯片面积不变的前提下，增大数据存储量。
最后所应说明的是，以上实施例仅为本发明较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
Claims (10)
1.一种阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成下电极；
在所述下电极以及所述衬底的上表面形成第一阻变材料层；
在所述第一阻变材料层的上方形成第二阻变材料层，且所述第二阻变材料层的阻态不同于所述第一阻变材料层的阻态；
在所述第二阻变材料层的上方形成上电极。
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，所述衬底包括金属互连层和位于该金属互连层上方的介质阻拦层，其中所述金属互连层包括层间介质层以及形成于该层间介质层中的金属互连线，所述介质阻拦层中设置有孔洞，所述孔洞暴露出部分所述金属互连线。
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，所述第一阻变材料层的材料包括TaOx，所述第二阻变材料层的材料包括TiOx。
4.如权利要求1或3所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，在所述第一阻变材料层的上方形成第二阻变材料层的方法包括：
在所述第一阻变材料层的上方沉积一层金属氮化物层，所述金属氮化物层中的金属元素不同于所述第一阻变材料层中的金属元素；
所述金属氮化物层经过氧化工艺形成金属氧化物层，以作为所述第二阻变材料层。
5.如权利要求4所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述金属氮化物层的厚度与所述第一阻变材料层的厚度相同。
6.如权利要求4所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述金属氮化物层的厚度为
7.如权利要求4所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述氧化工艺所采用的气体包括NO、N2O或者O2中的至少一种。
8.如权利要求4所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述沉积的方法包括化学气相沉积、原子层沉积或者物理沉积法。
9.如权利要求1～8中任一项所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，在形成所述下电极之后且在形成所述上电极之前，在所述下电极上形成多次交替堆叠的第一阻变材料层和第二阻变材料层；或者，在形成所述第一阻变材料层后且在形成所述第二阻变材料层之前，在所述第一阻变材料层上形成第三阻变材料层，所述第三阻变材料层的阻态不同于所述第二阻变材料层的阻态以及所述第一阻变材料层的阻态。
10.一种阻变存储器，其特征在于，采用权利要求1～9中任一项所述的阻变存储器的制备方法制备得到。
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