[發明專利]一種阻變存儲器及其制備方法

有效

• 申請號: 201410601162.0
• 申請日: 2014-10-30
• 公開（公告）號: CN104362251A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 黃如;余牧溪;蔡一茂;王宗巍;潘越;郭彬彬;方亦陳;黎明
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 賈曉玲

技術領域

本發明涉及阻變存儲器(RRAM)，具體涉及一種高可靠性的新結構存儲器設計方案及其制備方法，屬于CMOS超大規模集成電路(ULSI)中的非揮發存儲器(Nonvolatile?memory)性能優化及其制造技術領域。

背景技術

半導體存儲器是半導體技術發展的核心支柱之一，在微納電子發展過程中具有不可替代的地位。就非揮發性存儲器而言，目前主流的快閃存儲器(Flash)進入納米尺寸節點后，其縮小能力接近極限，且性能參數隨機漲落顯著增加，可靠性問題日益嚴峻。近年來，人們不斷提出各種新型非揮發性存儲器技術，包括電荷陷阱存儲器(CTM)、鐵電存儲器(FeRAM)、磁存儲器(MRAM)、相變存儲器(PRAM)，阻變存儲器等。其中，阻變存儲器憑借其各方面的優異性能，尤其是極好的縮小能力獲得了人們的廣泛關注，并成為下一代主流存儲器的研究熱點。

阻變存儲器是基于存儲介質的阻變特性實現信息存儲的，阻變特性即某些電介質材料在外加電場作用下電阻發生高低阻態間可逆變化的性質。目前主流的過度金屬氧化物(TMO)因為其工藝簡單、成本低等優勢得到廣泛研究，其結構如圖1所示。一般認為其阻變機理是電場作用下氧空位(或等價氧離子)的形成和移動導致在局部區域內形成了連接上下電極的導電通道的通斷。由此可見，氧空位(氧離子)的行為對阻變而言至關重要：其中只有沿導電通道方向移動的氧空位(氧離子)對阻變做成貢獻，而沿垂直于導電通道方向橫向擴散的氧空位(氧離子)則是影響器件可靠性的重要原因。尤其是器件縮小到納米尺度范圍后，氧空位(氧離子)容易橫向擴散到周圍隔離層中，且難以恢復，從而使器件保持特性和耐久性退化加劇，產生嚴重的可靠性問題。

發明內容

本發明目的在于提供一種阻變存儲器及其制備方法，能有效抑制氧空位(氧離子)與周圍隔離層的交換，從而有效提高器件可靠性。

本發明的技術方案是，

一種阻變存儲器，其結構如圖2所示，包括襯底，在襯底上設置絕緣層和底電極，底電極上設有隔離層和第一層阻變薄膜，所述隔離層形成凹槽狀器件區域，所述第一層阻變薄膜淀積在隔離層的凹槽內為U型狀，第一層阻變薄膜的外側壁與凹槽內側壁之間為真空隔離層，第二層阻變薄膜覆蓋在第一層阻變薄膜和隔離層上封閉了上述真空隔離層，頂電極設置在第二層阻變薄膜上。

其中，襯底采用Si或其他支撐性襯底；

其中，底電極為耐腐蝕的導電金屬或金屬氮化物，如Pt、Ir、Au或TiN、TaN等；

其中，隔離層和真空犧牲層(被腐蝕后形成真空隔離層)的材料選擇應滿足腐蝕選擇比的要求，即應存在某種腐蝕液僅腐蝕真空犧牲層而不腐蝕介質隔離層、第一層阻變薄膜和底電極材料，或對介質隔離層、阻變薄膜和底電極的影響很小。這兩層結構可以優先選用常用的SiO₂、Si₃N₄，其他有腐蝕選擇比的絕緣介質也可以采用。

其中，阻變薄膜可以優先選用目前主流的過度金屬氧化物材料(如HfO_x，TaO_x，ZrO_x，WO_x等)。

本發明的阻變存儲器制備流程如下：

底電極制備：在襯底上先生長一層絕緣層(如SiO₂、Si₃N₄等)，再PVD濺射(或電子束蒸發)金屬Ti/M，其中Ti作為粘附層，M為底電極，通過剝離或腐蝕工藝圖形化形成底電極；

介質隔離層制備：采用常規生長方法淀積設計厚度的介質隔離層，然后圖形化形成器件區域；

真空犧牲層制備：采用標準側墻工藝，即全片淀積設計厚度的真空犧牲層，然后采用各向異性刻蝕，僅留下側壁的真空犧牲層；

第一層阻變薄膜制備：采用PVD濺射/熱氧化生長/ALD等方法制備設計厚度的阻變材料薄膜，然后進行整片CMP處理，以介質隔離層為停止層；

真空隔離層制備：如結構描述所述，采用滿足底電極、第一層阻變薄膜層、介質隔離層和真空犧牲層腐蝕選擇比的腐蝕液，腐蝕掉真空犧牲層，形成“真空隔離層”(即該腐蝕液只能腐蝕掉真空犧牲層，而不會(或微弱的)對底電極、阻變薄膜層和介質隔離層產生影響)；

第二層阻變薄膜制備：采用PVD濺射的方法制備一薄層阻變材料薄膜，以“封住”真空隔離層的上端口，形成封閉的真空隔離層；

頂電極制備：PVD濺射或電子束蒸發制備并圖形化頂電極，完成器件制備。

為保證第二層阻變薄膜能封住真空隔離層，真空犧牲層厚度應小于10nm。