CN117156864A - 一种三维堆叠铁电电容交叉点阵存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维堆叠铁电电容交叉点阵存储器及其制备方法，属于半导体存储器领域。该存储器包括多层交叠的字线金属与隔离层结构，在上述结构内设置若干个存储单元柱；所述存储单元柱由相互包裹的内层金属位线与外层铁电介质层构成，以水平排列的多个存储单元柱为一垂直交叉点阵铁电电容阵列，该阵列中每层字线金属和单个存储单元柱相交构成存储单元，通过对字/位线同时施加电压，存储单元完成访问操作。本发明利用介质层三维堆叠的能力，将铁电电容集成在存储单元柱与字线金属交叠区域，使单元面积内的存储单元数量大幅提升，突破传统平面内的交叉点阵存储器的单元密度限制，实现了更高的单位面积存储密度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体存储器领域，特别涉及一种高密度三维堆叠铁电电容交叉点阵存储器。
背景技术
随着电子信息技术的不断推进，对低功耗、大容量的存储器需求不断上升。传统闪存存储器(Flash)利用电荷存储原理，采用热电子注入与FN隧穿的擦写方式，带来较大的功耗和较长的擦写时间；而传统动态随机存储器(DRAM)则由于晶体管漏电，导致存储器保持时间较短，需要高频刷新，带来较大的动态功耗。如今，随着智能物联网，人工智能与大数据的不断发展，这些问题将变得愈发严重。
新型非易失存储器具有访问速度快，访问功耗低的特点，利用交叉点阵的结构也能进一步提升存储密度，有望缓解对存储器大容量、高速且低功耗的迫切需求；然而现有基于电阻的新型交叉点阵非易失存储器(例如RRAM、PCM等)存在漏电较大、功耗较高、潜通路(Sneak Path)以及可靠性较低的问题。铁电介质材料由于其存在非对称晶格结构，材料整体表现为具有可以由电场控制的自发极化电荷，且极化翻转速度取决于晶格弛豫时间，因此基于铁电材料设计的存储器具有低功耗与高速的优势。然而基于钙钛矿结构的传统铁电材料(例如PZT、BTO等)由于组分复杂，CMOS工艺兼容性低；且尺寸效应明显，无法在先进工艺节点中集成，导致基于传统铁电材料的存储器只在有限的应用中发挥作用。
近年来，研究者发现CMOS兼容的氧化铪(HfO2)薄膜在特定的掺杂、应力与退火条件下可以诱导出铁电性，一举打破了铁电材料器件难以集成与微缩性差的桎梏。在不同种类的氧化铪基铁电存储器中，基于铁电电容的交叉点阵存储器具有较高的存储密度，可以实现数据的高速读写，且具有良好的保持性与较低的功耗，同时相比基于电阻型交叉点阵存储器具有更低的漏电与更小的潜通路问题，有望成为传统DRAM的替代品。然而现有的铁电电容交叉点阵技术局限在二维平面内实现，限制了该类存储器密度的进一步提升。因此，如何实现更高密度的铁电电容交叉点阵存储器成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种三维堆叠的铁电电容交叉点阵存储器，具有更高的单位面积存储密度。
本发明具体的技术方案如下：
一种三维堆叠的交叉点阵铁电电容存储器，包括多层交叠的字线金属与隔离层结构，在上述结构内设置若干个存储单元柱；所述存储单元柱由相互包裹的内层位线金属与外层铁电介质层构成，以水平排列的多个存储单元柱为一垂直交叉点阵铁电电容阵列，该阵列中每层字线金属和单个存储单元柱相交构成存储单元，通过对字线金属与位线金属同时施加电压，存储单元可以完成访问操作。
所述存储器中的字线金属与位线金属由能够在退火时提供足够应力使铁电介质层形成铁电结晶的金属构成，可按要求选自下列金属材料：TiN、TaN、Pt、Mo、Ru、W等。所述铁电介质层：采用可在<30nm薄层中产生铁电性且具有三维堆叠能力的铁电材料，例如HfO2在特定处理(掺杂、应力、退火等)下产生铁电性的铁电材料。上述三维堆叠的交叉点阵铁电电容存储器，字线金属与位线金属的厚度优选为10～50nm；铁电介质层厚度优选为5～30nm。
本发明进一步提供了三维堆叠的交叉点阵铁电电容存储器的制备方法，其步骤包括：
1)通过化学气相沉积方法前道工艺完成基片生长隔离衬底；
2)通过物理气相沉积与CVD交替生长的方法，连续生长多层交叠的字线金属与隔离层；
3)通过光刻定义存储单元柱图形；
4)通过刻蚀方法得到制备存储单元柱的深孔；
5)通过原子层沉积方式生长存储单元柱的外层铁电介质层；
6)通过PVD的方法制备存储单元柱的内层位线金属；
7)通过化学机械抛光的方法将多余材料去除并平整化。
本发明的有益效果及相应原理：
本发明利用铁电介质层三维堆叠的能力，将铁电电容集成在存储单元柱与字线金属交叠区域，使单元面积内的存储单元数量大幅提升，突破传统平面内的交叉点阵电容存储器的单元密度限制，在具有交叉点阵电容存储器的低漏电与小潜通路的同时，实现了更高的单位面积存储密度。
附图说明
图1是本发明实施例高密度三维堆叠的铁电电容交叉点阵存储器示意图。
图2是本发明实施例的单个垂直交叉点阵电容存储器的电学示意图。
图3是本发明实施例的位线与单个存储单元柱示意图。
图中：
1——单个垂直交叉点阵铁电电容阵列；2——字线金属；3——存储单元柱；4——位线金属；5——单个存储单元(单个铁电电容)；6——铁电介质层。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
本实施例提供一种三维堆叠的铁电电容交叉点阵存储器，包括多层交叠的字线金属2与隔离层结构，在上述结构内设置若干个存储单元柱3；所述存储单元柱3由相互包裹的内层位线金属4与外层铁电介质层6构成；其中，以水平排列的多个存储单元柱3为一个垂直交叉点阵铁电电容阵列1，如图1所示，本发明具体实施例中三维堆叠的铁电电容交叉点阵存储器包括多排平行排列且互相隔离的垂直交叉点阵铁电电容阵列，在垂直交叉点阵铁电电容阵列中每层字线金属2和单个存储单元柱3相交处为单个存储单元5，如图2所示，通过对字线金属2与位线金属4同时施加电压，存储单元5可以完成访问操作。
存储单元柱3如图3所示，由相互包裹的外层铁电介质层6与内层位线金属4构成；其中，字线金属2与位线金属4能够在退火时提供足够应力使铁电介质层6形成铁电结晶，可按要求选自下列金属材料：TiN、TaN、Pt、Mo、Ru、W等；铁电介质层采用可在<30nm薄层中产生铁电性且具有三维堆叠能力的铁电材料，例如HfO2在特定处理(掺杂、应力、退火等)下展现铁电性的介质层构成；字线金属2与位线金属4的厚度优选为10～50nm；铁电介质层6的厚度优选为5～30nm。
本实施例还提供了上述三维堆叠的铁电电容交叉点阵存储器的制备方法，制备工艺如下：
(1)通过化学气相沉积(CVD)的方法前道工艺完成的基片生长SiO2隔离衬底；
(2)通过物理气相沉积(PVD)与CVD交替生长的方法，连续生长多层交叠的TiN字线金属与SiO2隔离层；
(3)通过光刻定义存储单元柱图形；
(4)通过刻蚀方法得到制备存储单元柱的深孔；
(5)通过原子层沉积(ALD)的方式生长存储单元柱的外层铁电介质层；
(6)通过PVD的方法制备存储单元柱的内层位线金属；
(7)通过化学机械抛光(CMP)的方法将多余材料去除并平整化。
本发明解决了常规平面内的交叉点阵铁电电容存储器面临微缩潜力受限的问题，克服了单元面积大，存储密度低的缺点；本发明采用三维堆叠的交叉点阵存储阵列，将铁电电容集成在存储单元柱与字线金属交叠区域，使单位面积内的存储单元数量大幅提升，突破传统平面内的交叉点阵存储器的单元密度限制，在具有电容存储器低漏电与小潜通路的特点下，实现了更高的单位面积存储密度。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (6)
1.一种三维堆叠的交叉点阵铁电电容存储器，其特征在于，包括多层交叠的字线金属与隔离层结构，在上述结构内设置若干个存储单元柱；所述存储单元柱由相互包裹的内层位线金属与外层铁电介质构成，以水平排列的多个存储单元柱为一垂直交叉点阵铁电电容阵列，该阵列中每层字线金属和单个存储单元柱相交构成存储单元，通过对字/位线同时施加电压，存储单元完成访问操作。
2.如权利要求1所述的三维堆叠的交叉点阵铁电电容存储器，其特征在于，所述字线金属与位线金属采用在退火时提供足够应力使铁电介质层形成铁电结晶的金属，选自下列金属材料中的一种：TiN、TaN、Pt、Mo、Ru、W。
3.如权利要求1所述的三维堆叠的交叉点阵铁电电容存储器，其特征在于，所述铁电介质层采用在<30nm薄层中产生铁电性且具有三维堆叠能力的铁电材料。
4.如权利要求1所述的三维堆叠的交叉点阵铁电电容存储器，其特征在于，所述字线金属或位线金属的厚度范围为10～50nm。
5.如权利要求1所述的三维堆叠的交叉点阵铁电电容存储器，其特征在于，所述铁电介质层厚度范围为5～30nm。
6.一种如权利要求1所述的三维堆叠的交叉点阵铁电电容存储器的制备方法，其步骤包括：
1)通过化学气相沉积方法前道工艺完成基片生长隔离衬底；
2)通过物理气相沉积与CVD交替生长的方法，连续生长多层交叠的字线金属与隔离层；
3)通过光刻定义存储单元柱图形；
4)通过刻蚀方法得到制备存储单元柱的深孔；
5)通过原子层沉积方式生长存储单元柱的外层铁电介质；
6)通过PVD的方法制备存储单元柱的内层位线金属；
7)通过化学机械抛光方法将多余材料去除并平整化。
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