[發明專利]電阻存儲器的存儲單元及其制作方法

有效

• 申請號: 200810105904.5
• 申請日: 2008-05-05
• 公開（公告）號: CN101577307A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發明（設計）人: 鮑震雷
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造(北京)有限公司
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24;G11C11/56;G11C16/02
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 吳靖靚;李 麗

技術領域

本發明涉及半導體制造技術領域，特別是涉及一種電阻存儲器的存儲單 元及其制作方法。

背景技術

當前，開發具有成本低，速度快，存儲密度高，制造簡單且與當前的互 補金屬氧化物(CMOS)半導體集成電路工藝兼容性好的新型存儲技術受到世 界范圍的廣泛關注。基于具有電阻開關特性的金屬氧化物的電阻式隨機存取 存儲器(RRAM，簡稱為電阻存儲器)的內存技術是目前多家器件制造商開發的 重點，因為這種技術可以提供更高密度、更低成本與更低耗電量的非易失性 內存。RRAM的存儲單元在施加脈沖電壓后電阻值會產生很大變化，這一電 阻值在斷開電源后仍能維持下去。此外，RRAM具有抗輻照、耐高低溫、抗 強振動、抗電子干擾等性能。

RRAM包括多個存儲單元，圖1給出了RRAM的一個存儲單元的一種結構， 所述的存儲單元包括形成在半導體襯底100上的介質層110內的底電極(BE， Bottom?Electrode)120，形成在底電極120上的電阻可變的存儲介質130，以及 形成在存儲介質130上的頂電極(TE，Top?Electrode)150。底電極120為導電 材料，例如是金屬鎢(W)，金屬銅(Cu)等；存儲介質130為氧化所述底電 極120形成的具有二元電阻特性的介質薄膜，其在外場作用下能夠在高阻態與 低阻態之間轉換。更多有關RRAM的結構和制作方法的信息可以參考申請號 為200410038012.X的中國發明專利申請。

存儲介質的氧含量是影響電阻轉換(高阻態與低阻態之間的轉換)性能 的重要因素，因此，如何控制調節存儲介質中的氧含量也是一個需要解決的 問題。

另外，形成存儲介質130是在氧氣環境下采用等離子處理(plasma treatment)或熱退火(thermal?annealing)工藝，通常會在介質薄膜表面形成 不具有二元電阻特性的絕緣金屬氧化層，例如圖1所示的介質薄膜131和絕緣 金屬氧化層132，而絕緣金屬氧化層132會影響存儲介質130的存儲性能，以氧 化金屬Cu為例，介質薄膜131為低價的氧化亞銅(Cu₂O)，絕緣金屬氧化層132 為高價的氧化銅(CuO)，Cu₂O是具有二元電阻特性的，而CuO是不具有二 元電阻特性的，因此，在對存儲單元寫入數據(programming)前，需要先施 加較大的電壓將絕緣金屬氧化層132擊穿，這樣會給RRAM的可靠性帶來負面 的影響。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供一種電阻存儲器的存儲單元及其制作方 法，以減少并可控制調節存儲介質中的氧含量，提高存儲介質的電阻轉換性 能。

為解決上述問題，本發明提供一種電阻存儲器的存儲單元的制作方法， 包括：提供半導體襯底以及位于半導體襯底上的介質層；在所述介質層內形 成底電極；在所述底電極上形成第一存儲介質層；在所述第一存儲介質層上 沉積反應金屬層，所述反應金屬是氧化后具有二元電阻特性的金屬；形成覆 蓋所述反應金屬層的頂電極；使所述第一存儲介質層氧化所述反應金屬層， 形成第二存儲介質層。

可選的，所述第一存儲介質層包括絕緣金屬氧化層，使所述第一存儲介 質層氧化所述反應金屬層是使所述絕緣金屬氧化層氧化所述反應金屬層。

可選的，使所述第一存儲介質層氧化所述反應金屬層，形成第二存儲介 質層是采用退火工藝使所述反應金屬層吸收所述第一存儲介質層的氧，以氧 化成第二存儲介質層。所述退火工藝的溫度是100至400℃，時間是5至30min。

可選的，在所述第一存儲介質層上沉積反應金屬層是采用物理濺射工藝 在所述第一存儲介質層上沉積反應金屬薄膜。所述反應金屬是金屬鉭、鈦、 鎳和鈷的其中一種或者幾種。

可選的，所述反應金屬層的金屬氧化反應熱低于所述第一存儲介質層的 金屬氧化反應熱。

可選的，所述反應金屬層的金屬氧化反應熱小于-50k·calories/mole。

可選的，所述反應金屬層的厚度是2至20nm。

可選的，所述形成第一存儲介質層是氧化所述底電極的金屬形成第一存 儲介質層，或者是沉積和氧化金屬形成第一存儲介質層，或者是沉積具有二 元電阻特性的金屬氧化物形成第一存儲介質層。所述形成第一存儲介質層的 金屬是金屬銅、鎢、鎳、鈷、鉬、鉭和鈦的其中一種。