[發明專利]包含釕摻雜的氧化鉭基電阻型存儲器及其制備方法

無效

• 申請號: 201010175641.2
• 申請日: 2010-05-13
• 公開（公告）號: CN102244193A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 林殷茵;田曉鵬
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于半導體存儲器技術領域，具體涉及基于金屬氧化物氧化鉭(TaOx，2≤x≤3)的電阻型存儲器(Resistive?Memory)及其制備方法，尤其涉及一種以包含釕(Ru)摻雜的氧化鉭基作為存儲介質的電阻型存儲器及其制備方法。

背景技術

存儲器在半導體市場中占有重要的地位，由于便攜式電子設備的不斷普及，不揮發存儲器在整個存儲器市場中的份額也越來越大，其中90％以上的份額被FLASH(閃存)占據。但是由于存儲電荷的要求，FLASH的浮柵不能隨技術代發展無限制減薄，有報道預測FLASH技術的極限在32nm左右，這就迫使人們尋找性能更為優越的下一代不揮發存儲器。最近電阻型轉換存儲器件(Resistive?Switching?Memory)因為其高密度、低成本、可突破技術代發展限制的特點引起高度關注，所使用的材料有相變材料、摻雜的SrZrO₃、鐵電材料PbZrTiO₃、鐵磁材料Pr_1-xCa_xMnO₃、二元金屬氧化物材料、有機材料等。

電阻型存儲器(Resistive?Memory)是通過電信號的作用、使存儲介質在高電阻狀態(High?Resistance?State，HRS)和低電阻狀態(Low?Resistance?State，LRS)之間可逆轉換，從而實現存儲功能。電阻型存儲器使用的存儲介質材料可以是各種半導體金屬氧化物材料，例如，氧化銅、氧化鈦、氧化鎢等。

氧化鉭(TaOx，1＜x≤3)材料作為兩元金屬氧化物中的一種，Panasonic公司Z.Wei等人在IEDM?2008中的題為“Highly?reliable?TaOx?ReRAM?and?Direct?Evidence?of?RedoxReaction?Mechanism”的一文中報道了氧化鉭的電阻轉換特性，因此其可以作為電阻型存儲器的存儲介質。從中可以看到，TaOx的吉布斯自由能ΔG相對較小，因此其LRS和HRS之間轉換快，可達到納秒量級，從而解決了在高速存儲器中的應用問題。

進一步，隨著半導體工藝技術的發展，關鍵尺寸不斷減小，電阻型存儲器技術必然需要延伸至45納米(nm)工藝節點以后。Cu、W等材料由于晶粒尺寸的限制，其相應的氧化物做存儲介質時會導致漏電流較大，從而增加功耗，不能有效地在45nm及32nm階段取代Flash。并且在32納米工藝節點，要求銅互連結構中的阻擋層厚度降到3.6nm，深寬比也進一步加大，傳統的Ti/TiN、Ta/TaN等無法滿足其要求。另外，由于工藝尺寸的縮小，工藝波動性也相對更明顯，基于氧化鉭電阻型存儲器的電學性能波動的問題更加突出

IBM公司的S.M.Rossnagel等人在題為“Interconnect?issues?post?45nm，S.M.Rossnagel”的一文中(IEEE?INTERNATIONAL?ELECTRON?DEVICES?MEETING?2005，TECHNICALDIGEST，p95-97，2005)指出，在32nm工藝節點后銅擴散阻擋層材料將采用Ru/TaN復合層材料

綜合以上現有技術，有必要提出一種新型的電阻型電阻存儲器。

發明內容

本發明的目的是提供一種氧化鉭基電阻型存儲器及其制備方法，以解決器件性能參數波動的問題，并解決現有電阻型存儲器不易與32納米或者32納米以下工藝節點的銅互連工藝兼容的問題。

本發明的一個方面，提供一中氧化鉭基電阻型存儲器。該存儲器包括上電極、下電極、以及設置在上電極和下電極之間的包含釕摻雜的氧化鉭基存儲介質層。

作為較佳技術方案，所述存儲介質層是通過對TaOx薄膜層進行Ru的退火擴散摻雜形成，其中，2≤x≤3。

作為另一技術方案，存儲介質層是通過對TaOx薄膜層進行Ru離子注入摻雜形成，其中，2≤x≤3。

較優地，所述存儲介質層的厚度范圍為1納米至200納米。

按照本發明的氧化鉭基電阻型存儲器的一個實施方案，還包括位于所述下電極上方的第一介質層以及貫穿所述第一介質層中形成的孔洞，所述存儲介質層位于所述孔洞的底部。

按照本發明的氧化鉭基電阻型存儲器的又一個實施方案，所述下電極為銅互連后端結構中形成于溝槽中的銅引線，所述存儲介質層形成于銅栓塞底部。

按照本發明的氧化鉭基電阻型存儲器的再一個實施方案，所述下電極為銅互連后端結構中的銅栓塞，所述存儲介質層形成于銅栓塞的頂部。