CN116963507A - 阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阻变存储器及其制备方法，该存储器包括：晶体管，包括第一极区、第二极区及栅电极，栅电极横向位于第一极区及第二极区之间；金属硅化物层，分别形成于第一极区、第二极区及栅电极表面；阻变材料层，形成于第二极区表面的金属硅化物层表面；层间电介质层，形成于晶体管、阻变材料层及金属硅化物层的表面；贯穿层间电介质层的金属互连柱，分别与金属硅化物层及阻变材料层连接；源极线，通过金属互连柱及金属硅化物层与第一极区电连接；字线，通过金属互连柱及金属硅化物层与栅电极电连接；位线，通过金属互连柱与阻变材料层连接。该结构大大提高了阻变存储器单位面积的集成度，减少光刻等多步工艺，降低工艺复杂度及流片成本。
Description
技术领域
本发明涉及信息存储技术领域，特别是涉及一种阻变存储器及其制备方法。
背景技术
许多现代电子器件包含被配置为存储数据的电子存储器。电子存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器。易失性存储器在接通电源时存储数据，而非易失性存储器能够在断开电源时存储数据。关于非易失性存储器，阻变存储器(Resistive Random AccessMemory)，即RRAM是一种新兴技术，其通过利用不同电压作用下电阻的变化，实现高速、高密度、低操作电压、高集成度等特点，是未来半导体存储器的有力竞争者。
阻变存储器的构造主要由选择管和阻变单元组成，阻变单元的工作原理为：在未加电压时，由于电极间氧化层默认绝缘，RRAM两端为高阻抗状态(HRS)；在两端施加电压时，当该电压超过“形成电压”(forming voltage)，则氧化层中间形成“导电纤维”(conductivefilatment，CF)，RRAM两端进入低阻抗状态(LRS)(比HRS约低三个数量级)；以双极型(bipolar)为例，若向处于LRS的RRAM两端施加反向电压，器件将从LRS再次变为HRS。
目前主流的RRAM结构上大致分为两类：一种是1T1R，即一个选择管搭配一个阻变单元；另一种是1TnR，即一个选择管搭配n个阻变单元。对于1T1R这种结构存在制备工艺复杂、集成度低、成本高的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种阻变存储器及其制备方法，用于解决现有技术中对于1T1R结构的阻变存储器制备工艺复杂、集成度较低及成本较高等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种阻变存储器，所述阻变存储器包括：
晶体管，包括第一极区、第二极区及栅电极，所述栅电极横向位于所述第一极区及所述第二极区之间；其中，当所述第一极区为源极区时，所述第二极区为漏极区；当所述第一极区为漏极区时，所述第二极区为源极区；
金属硅化物层，分别形成于所述第一极区、所述第二极区及所述栅电极表面；
阻变材料层，形成于所述第二极区表面的所述金属硅化物层表面；
层间电介质层，形成于所述晶体管、所述阻变材料层及所述金属硅化物层的表面；
贯穿所述层间电介质层的金属互连柱，分别与所述金属硅化物层及所述阻变材料层连接；
源极线，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述第一极区电连接；
字线，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述栅电极电连接；
位线，通过所述金属互连柱与所述阻变材料层连接。
可选地，所述晶体管为NMOS或PMOS。
可选地，所述金属硅化物层中的金属材料包括镍、钴、钽及钛中的一种；所述源极线、所述字线及所述位线的材料包括钨、铝及铜中的一种。
可选地，述阻变材料层的材料包括氧化钨、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化铝、氧化镍及氧化钛中的一种；所述阻变材料层的厚度介于10nm～100nm之间。
可选地，所述层间介质层由下向上依次包括氮化硅层、氧化硅层及磷硅玻璃层。
可选地，所述金属互连柱由外之内依次包括粘附层、扩散阻挡层及金属填充层。
进一步地，所述粘附层的材料为钛，所述扩散阻挡层的材料为氮化钛，所述金属填充层的材料为钨。
本发明还提供一种阻变存储器的制备方法，述制备方法包括：
提供硅衬底，并于所述硅衬底中形成晶体管；其中，所述晶体管包括第一极区、第二极区及栅电极，所述栅电极横向位于所述第一极区及所述第二极区之间；其中，当所述第一极区为源极区时，所述第二极区为漏极区；当所述第一极区为漏极区时，所述第二极区为源极区；
于所述第一极区、所述第二极区及所述栅电极的表面形成金属硅化物层；
于所述第二极区表面的所述金属硅化物层上形成阻变材料层；
于上述结构表面形成层间电介质层；
形成贯穿所述层间电介质层的金属互连柱，所述金属互连柱分别与所述金属硅化物层及所述阻变材料层连接；
于所述金属互连柱表面形成金属层；其中，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述第一极区电连接的所述金属层为源极线，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述栅电极电连接的所述金属层为字线，通过所述金属互连柱与所述阻变材料层连接的所述金属层为位线。
可选地，于所述硅衬底中形成所述晶体管的步骤包括：于所述硅衬底中形成有源区；于所述有源区中形成阱区；采用双栅工艺于所述阱区形成所述栅电极；于所述阱区形成所述第一极区及所述第二极区。
可选地，形成贯穿所述层间电介质层的所述金属互连柱的步骤包括：刻蚀所述层间电介质层，形成贯通孔；于所述贯通孔的内壁表面依次沉积粘附层、扩散阻挡层及金属填充层；采用CMP工艺去除所述层间电介质层表面的所述粘附层、所述扩散阻挡层及所述金属填充层。
如上所述，本发明的阻变存储器及其制备方法，将金属硅化物层设置为阻变单元的一个极板，实现将阻变单元与晶体管直接连接在一起，另一个极板通过金属互连柱与位线金属层连接，这样大大提高了阻变存储器单位面积的集成度；同时使用一层金属互连柱即可实现阻变存储器的结构，减少光刻等多步工艺，降低工艺复杂度及流片成本。
附图说明
图1显示为本发明实施例二的阻变存储器的制备方法的工艺流程图。
图2至图6显示为本发明实施例二的阻变存储器的制备过程中各步骤所呈现的截面结构示意图，其中图6还显示为本发明实施例一的阻变存储器的结构示意图。
元件标号说明
10 硅衬底
11 晶体管
110 第一极区
111 第二极区
112 栅电极
113 阱区
114 浅沟槽隔离
115 侧墙
116 栅介质层
117 栅多晶层
12 金属硅化物层
120 第一金属硅化物层
121 第二金属硅化物层
122 第三金属硅化物层
13 阻变材料层
14 层间电介质层
140 氮化硅层
141 氧化硅层
142 PSG层
15 金属互连柱
150 第一金属互连柱
151 第二金属互连柱
152 第三金属互连柱
16 金属层
160 源极线
161 字线
162 位线
17 阻变材料
18 光阻层
S1～S6 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图2及图6所示，本实施例提供一种阻变存储器，该阻变存储器包括:
晶体管11，包括第一极区110、第二极区111及栅电极112，所述栅电极112横向位于所述第一极区110及所述第二极区111之间；其中，当所述第一极区110为源极区时，所述第二极区111为漏极区；当所述第一极区110为漏极区时，所述第二极区111为源极区；
金属硅化物层12，分别形成于所述第一极区110、所述第二极区111及所述栅电极112表面；
阻变材料层13，形成于所述第二极区111表面的所述金属硅化物层12表面；
层间电介质层14，形成于所述晶体管11、所述阻变材料层13及所述金属硅化物层12的表面；
贯穿所述层间电介质层14的金属互连柱15，分别与所述金属硅化物层12及所述阻变材料层13连接；
源极线160，通过所述金属互连柱15及所述金属硅化物层12与所述第一极区110电连接；
字线161，通过所述金属互连柱15及所述金属硅化物层12与所述栅电极112电连接；
位线162，通过所述金属互连柱15与所述阻变材料层13连接。
这里需要说明的是，如图2所示，所述金属硅化物层12分别形成于所述第一极区110、所述第二极区111及所述栅电极112表面，为便于理解，可将形成于第一极区110表面的金属硅化物层称为第一金属硅化物层120，将形成于栅电极112表面的金属硅化物层称为第二金属硅化物层121，将形成于第二极区111表面的金属硅化物层称为第三金属硅化物层122，如图6所示，则所述阻变材料层13形成于第三金属硅化物层122的表面，源极线160通过金属互连柱15及第一金属硅化物层120与第一极区110电连接，字线161通过金属互连柱15及第二金属硅化物层121与栅电极112电连接，位线162通过金属互连柱15与第三硅化物层122上的阻变材料层13连接。另外，如图6所示，金属互连柱15分别与所述金属硅化物层12及所述阻变材料层13连接，为便于理解，可将形成于第一金属硅化物层120上的金属互连柱称为第一金属互连柱150，将形成于第二金属硅化物层121上的金属互连柱称为第二金属互连柱151，将形成于第三金属硅化物层122上的阻变材料层13上的金属互连柱称为第三金属互连柱152。从而该第三金属硅化物层122、阻变材料层13及第三金属互连柱152形成为阻变存储器的阻变单元。
本实施例提出的阻变存储器，将金属硅化物层设置为阻变单元的一个极板，实现将阻变单元与晶体管直接连接在一起，另一个极板通过金属互连柱与位线金属层连接，这样大大提高了阻变存储器单位面积的集成度；同时使用一层金属互连柱即可实现阻变存储器的结构，减少光刻等多步工艺，降低工艺复杂度及流片成本。
如图2所示，作为示例，所述晶体管11的栅电极112可采用常规晶体管的栅电极结构，例如包括栅介质层116及栅多晶硅层117，还可包括侧墙115等其他提高栅电极性能的其他结构，在此不做详述。所述晶体管11的外围一般还设置有浅沟槽隔离114，以降低晶体管11的漏电等风险。
对于晶体管11的种类，可以根据具体需要选择为NMOS管或PMOS管。
晶体管11的源极区和漏极区是对称的，既可以将阻变单元制备于源极区上也可以制备于漏极区上，具体根据实际情况选择，本实施例中不做过分限制。
如图6所示，所述金属硅化物层13既作为阻变单元的极板，一般又可作为与其下方的半导体层的欧姆接触层，该金属硅化物层13的金属硅化物中的金属材料可以选择为镍、钴、钽或钛，但也不限于其他适合的金属材料。所述源极线160、所述字线161及所述位线162的材料一般选择适于制备电极的金属材料，例如钨、铝或铜，为了提高电极性能，根据选择的不同金属材料，所述源极线160、所述字线161及所述位线162一般制备为叠层结构，举例，当选择铝金属时，制备为钛层、氮化钛层及铝层的叠层结构；当选择为铜金属时，制备为钽层及铜层的叠层结构。具体根据本领域的常规选择设置，在此不做详细阐述。
如图6所示，作为示例，所述阻变材料层13的材料选择常规的适于制备阻变存储器的阻变材料，例如氧化钨、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化铝、氧化镍或氧化钛等等，但也不限于此。所述阻变材料层13的厚度一般选择介于10nm～100nm之间，包括端点值，例如30nm、50nm、70nm、80nm、90nm。
如图6所示，作为示例，所述层间介质层14由下向上依次包括氮化硅层140、氧化硅层141及磷硅玻璃层142,。但也不限于，所述层间介质层14也可以为其他绝缘材料层。
作为示例，所述金属互连柱15由外之内依次包括粘附层、扩散阻挡层及金属填充层，以有效防止金属填充层的扩散，提高金属互连柱15的导电性能。较佳地，粘附层的材料选择为钛，扩散阻挡层的材料选择为氮化钛，金属填充层的材料选择为钨。
实施例二
本实施例提供一种阻变存储器的制备方法，采用本实施例的制备方法可以用来制备实施例一中所述的阻变存储器。但并不以此为限，实施例一所述的阻变存储器也可采用其他制备方法制备得到。本实施例的制备方法制备的阻变存储器所能达到的有益效果可请参见实施例一，以下不再赘述。
如图1所示，所述制备方法包括：
提供硅衬底，并于所述硅衬底中形成晶体管；其中，所述晶体管包括第一极区、第二极区及栅电极，所述栅电极横向位于所述第一极区及所述第二极区之间；其中，当所述第一极区为源极区时，所述第二极区为漏极区；当所述第一极区为漏极区时，所述第二极区为源极区；
于所述第一极区、所述第二极区及所述栅电极的表面形成金属硅化物层；
于所述第二极区表面的所述金属硅化物层上形成阻变材料层；
于上述结构表面形成层间电介质层；
形成贯穿所述层间电介质层的金属互连柱，所述金属互连柱分别与所述金属硅化物层及所述阻变材料层连接；
于所述金属互连柱表面形成金属层；其中，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述第一极区电连接的所述金属层为源极线，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述栅电极电连接的所述金属层为字线，通过所述金属互连柱与所述阻变材料层连接的所述金属层为位线。
下面结合具体附图对本实施例的制备方法进行详细说明。
如图1及图2所示，首先进行步骤S1，提供硅衬底10，并于所述硅衬底10中形成晶体管11；其中，所述晶体管11包括第一极区110、第二极区111及栅电极112，所述栅电极112横向位于所述第一极区110及所述第二极区111之间；其中，当所述第一极区110为源极区时，所述第二极区111为漏极区；当所述第一极区110为漏极区时，所述第二极区111为源极区。
作为示例，可以采用现有常规工艺制备所述晶体管11，举例示之：先于所述硅衬底10中形成有源区；然后于所述有源区中形成阱区，当为NMOS时，该阱区为P型阱区，当为PMOS时，该阱区为N型阱区；接着采用双栅工艺，于所述阱区形成栅电极；最后，于所述阱区形成所述第一极区及所述第二极区。
如图1及图2所示，然后进行步骤S2，于所述第一极区110、所述第二极区111及所述栅电极112的表面形成金属硅化物层12。
作为一具体示例，形成所述金属硅化物层12的方法包括：先于所述晶体管11的表面形成一层金属硅化物材料层，该金属硅化物材料层与所述晶体管实现欧姆接触；然后对该金属硅化物材料层进行光刻图形化，仅保留所述第一极区110、所述第二极区111及所述栅电极112上的所述金属硅化物材料层，从而形成金属硅化物层。
如图1及图4所示，接着进行步骤S3，于所述第二极区111表面的所述金属硅化物层12上形成阻变材料层13。
作为一具体示例，形成所述阻变材料层13的方法包括：如图3所示，先于所得结构表面沉积一层阻变材料17；然后对该阻变材料17进行光刻图形化，图形化光阻层18覆盖在所述第二极区111上，将光刻胶层18之外的阻变材料17暴露出来，采用干法或湿法刻蚀掉，仅保留所述第二极区111表面的所述金属硅化物层12上的阻变材料17，从而形成所述阻变材料层13；如图4所示，最后去除所述光阻层18。
如图1及图5所示，接着进行步骤S4，于上述结构表面形成层间电介质层14。
作为一具体示例，所述层间电介质层14为多层绝缘层的叠层结构，形成该叠层结构的层间电介质层14的方法包括：先于所得结构表面沉积一层氮化硅刻蚀阻挡层；然后沉积一层氧化硅层；接着沉积一层磷硅玻璃层(PSG)；最后采用CMP工艺进行平坦化。
如图1及图6所示，接着进行步骤S5，形成贯穿所述层间电介质层14的金属互连柱15，所述金属互连柱15分别与所述金属硅化物层12及所述阻变材料层13连接。
作为一具体示例，所述金属互连柱15为由外向内的叠层结构，形成该叠层结构的金属互连柱15的方法包括：首先，刻蚀所述层间电介质层14，形成贯通孔；然后，于所述贯通孔的内壁表面依次沉积粘附层、扩散阻挡层及金属填充层；最后，采用CMP工艺去除所述层间电介质层14表面的所述粘附层、所述扩散阻挡层及所述金属填充层。
如图1及图6所示，最后进行步骤S6，于所述金属互连柱15表面形成金属层；其中，通过所述金属互连柱15及所述金属硅化物层12与所述第一极区110电连接的所述金属层为源极线160，通过所述金属互连柱15及所述金属硅化物层12与所述栅电极112电连接的所述金属层为字线161，通过所述金属互连柱15与所述阻变材料层13连接的所述金属层为位线162。
作为一具体示例，形成所述金属层的方法包括：先于所述层间电介质层14表面沉积一层金属材料层；然后对该金属材料层进行光刻图形化，得到所述金属层。
综上所述，本发明的阻变存储器及制备方法，将金属硅化物层设置为阻变单元的一个极板，实现将阻变单元与晶体管直接连接在一起，另一个极板通过金属互连柱与位线金属层连接，这样大大提高了阻变存储器单位面积的集成度；同时使用一层金属互连柱即可实现阻变存储器的结构，减少光刻等多步工艺，降低工艺复杂度及流片成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器包括：
晶体管，包括第一极区、第二极区及栅电极，所述栅电极横向位于所述第一极区及所述第二极区之间；其中，当所述第一极区为源极区时，所述第二极区为漏极区；当所述第一极区为漏极区时，所述第二极区为源极区；
金属硅化物层，分别形成于所述第一极区、所述第二极区及所述栅电极表面；
阻变材料层，形成于所述第二极区表面的所述金属硅化物层表面；
层间电介质层，形成于所述晶体管、所述阻变材料层及所述金属硅化物层的表面；
贯穿所述层间电介质层的金属互连柱，分别与所述金属硅化物层及所述阻变材料层连接；
源极线，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述第一极区电连接；
字线，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述栅电极电连接；
位线，通过所述金属互连柱与所述阻变材料层连接。
2.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于：所述晶体管为NMOS或PMOS。
3.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于：所述金属硅化物层中的金属材料包括镍、钴、钽及钛中的一种；所述源极线、所述字线及所述位线的材料包括钨、铝及铜中的一种。
4.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于：所述阻变材料层的材料包括氧化钨、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化铝、氧化镍及氧化钛中的一种；所述阻变材料层的厚度介于10nm～100nm之间。
5.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于：所述层间介质层由下向上依次包括氮化硅层、氧化硅层及磷硅玻璃层。
6.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于：所述金属互连柱由外之内依次包括粘附层、扩散阻挡层及金属填充层。
7.根据权利要求6所述的阻变存储器，其特征在于：所述粘附层的材料为钛，所述扩散阻挡层的材料为氮化钛，所述金属填充层的材料为钨。
8.一种阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供硅衬底，并于所述硅衬底中形成晶体管；其中，所述晶体管包括第一极区、第二极区及栅电极，所述栅电极横向位于所述第一极区及所述第二极区之间；其中，当所述第一极区为源极区时，所述第二极区为漏极区；当所述第一极区为漏极区时，所述第二极区为源极区；
于所述第一极区、所述第二极区及所述栅电极的表面形成金属硅化物层；
于所述第二极区表面的所述金属硅化物层上形成阻变材料层；
于上述结构表面形成层间电介质层；
形成贯穿所述层间电介质层的金属互连柱，所述金属互连柱分别与所述金属硅化物层及所述阻变材料层连接；
于所述金属互连柱表面形成金属层；其中，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述第一极区电连接的所述金属层为源极线，通过所述金属互连柱及所述金属硅化物层与所述栅电极电连接的所述金属层为字线，通过所述金属互连柱与所述阻变材料层连接的所述金属层为位线。
9.根据权利要求8所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，于所述硅衬底中形成所述晶体管的步骤包括：于所述硅衬底中形成有源区；于所述有源区中形成阱区；采用双栅工艺于所述阱区形成所述栅电极；于所述阱区形成所述第一极区及所述第二极区。
10.根据权利要求8所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，形成贯穿所述层间电介质层的所述金属互连柱的步骤包括：刻蚀所述层间电介质层，形成贯通孔；于所述贯通孔的内壁表面依次沉积粘附层、扩散阻挡层及金属填充层；采用CMP工艺去除所述层间电介质层表面的所述粘附层、所述扩散阻挡层及所述金属填充层。
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| CN202210376240.6A CN116963507A (zh) | 2022-04-11 | 2022-04-11 | 阻变存储器及其制备方法 |
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2022
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