CN101071843A - 一种电阻存储器的器件单元结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电阻存储器的器件单元结构及制作方法，其特征在于所述的器件单元结构由顶电极、存储介质层、底电极接触，底电极、绝缘介质薄膜、金属导电层和衬底组成，其中：①制作在绝缘介质薄膜上的底电极接触是采用空心或实心的管状结构；②底电极接触与存储介质间有TiN薄膜钝化层作阻挡层；③顶电极通过钝化层上的顶电极引出孔与存储介质相连；④底电极与采用空心或实心管状的底电极接触的底部通过金属导电层相连；⑤金属导电层沉积在衬底上。本发明针对目前RRAM的发展现状，以减少电极接触面积降低功耗，提高可靠的电阻存储器器件单元结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电阻存储器的器件单元结构及制作方法。属于微电子学中材料与器件领域。
背景技术
当前，开发具有成本低，速度快，存储密度高，制造简单且与当前的CMOS(互补金属-氧化物-半导体)集成电路工艺兼容性好的新型存储技术受到世界范围的广泛关注。基于具有电阻开关特性的金属氧化物的电阻式随机存取存储器(RRAM)的内存技术是目前多家器件制造商开发的重点，因为这种技术可以提供更高密度、更低成本与更低耗电量的non-volatile非易失性内存。此外，RRAM具有抗辐照、耐高低温、抗强振动、抗电子干扰等性能，在国防和航空航天领域有重要的应用前景。正如同许多其它新技术一样，RRAM有潜力在未来取代闪存。RRAM的存储单元在施加脉冲电压后电阻值会产生很大变化，这一电阻值在断开电源后仍能维持下去。实现多值化的同时还能达到相当于NAND型闪存的单元尺寸和相当于SRAM的高速性能。因此近年来，国际上很多电子和半导体公司都愿意投下大量的财力与人力在致力于RRAM的研制。目前正在从事开发RRAM技术的公司有Sharp、Sony、Samsung Electronics、LSI Logic、Matsushita Electric Industrial、Winbond Electronics等。另外专门有一家总部设在加州Petaluma的半导体制造设备供货商Tegal提供相关RRAM设备。Sharp与University of Shizuoka合作，已开发出一个高速RRAM的原型产品，测试结果显示这个内存能够让资料的读写以千倍于NAND内存的速度执行。
针对目前RRAM快速发展的现状，为了减小电极接触面积，降低功耗，提高可靠性等，本发明拟提出一种基于电阻开关特性的电阻存储器的器件单元结构及制作方法。
发明内容
如上所述，本发明的目的在于提出一种用于RRAM的器件单元结构及制作方法。所述的器件单元结构由上电极、存储介质、底电极接触(BEC)、底电极、衬底、绝缘介质、钝化层等组成，其中制作在绝缘介质薄膜上的底电极接触是采用空心或实心的管状结构；电极接触与存储介质间有导电薄膜钝化层作阻挡层；顶电极通过钝化层上的顶电极引出孔与存储介质相连；底电极与采用空心或实心管的底电极接触的底部通过金属导电层相连；金属导电层沉积在衬底上。
本发明的主要工艺步骤如下：
a)利用高真空磁控溅射方法在衬底上淀积金属导电层，再在金属导电层上沉积一层绝缘介质层，所述的绝缘介质层由原位溅射生长，厚度为200nm-500nm厚，所述的绝缘介质层为SiO2、SiNx、Al2O3或ZrO2中的任意一种；
b)在上述介质层上利用电子束曝光和反应离子刻蚀技术或当前的亚微米CMOS工艺制备纳米孔洞，孔洞的形状为空心管状或实心管状，孔洞直径为50nm-500nm，孔洞穿过绝缘介质层，孔洞底部与金属导电层相连，
c)利用磁控溅射或物理气相沉积方法在步骤(b)制备出的小孔的侧壁填充金属W或TiN；
d)孔洞侧壁填充W或TiN后，采用化学机械抛光(CMP)技术，将小孔外的W或TiN去除，得到管状电极，形成底电极接触；
e)在上述管状电极上淀积具有电阻开关效应的存储材料，通过剥离或刻蚀方法形成电阻存储器存储介质单元；
f)在存储介质单元上淀积钝化层，通过剥离或刻蚀的方法形成顶电极引出孔；
g)沉积金属电极材料，通过干法刻蚀或湿法腐蚀方法形成顶电极和底电极。
所述的底电极接触(BEC)的材料不受限制，可以用W、Pt、Al、Cu、Ni、Co、Mo、Au、Ru、Ir、Ag、Pd等金属材料或具有一定导电能力的材料TaN、TiN、IrO2、RuO2等。
所述的底电极接触(BEC)的制备方法不受限制，可以为CVD、原子层沉积(ALD)、磁控溅射、PLD、电子束蒸发、热蒸发等具有填充孔洞能力好的制备方法。
所述的存储介质的种类不受限制，存储介质的材料组分不受限制，为任何阻值具有开关效应的材料，也即在外场作用下能够在高阻态与低阻态之间切换的材料，如TiO2、NiO、ZrO2、HfO2、CeO2、RuOx、CuOx、SrZrO3或(Pr，Ca)MnO3等。且存储介质的结构形式不受限制，可以为单层、两层或两层以上多层膜结构。
所述的衬底材料无限制，可以是常用的单晶硅片，或Ge、InP和GaAs等半导体材料，也可以是石英玻璃，陶瓷基片等介质材料或金属材料。
所述的顶电极和底电极不受限制，可以是Pt、Au、Ag等贵金属材料，也可以是Al、Cu、W、Mo等常用的导体材料，其厚度为200-500nm。
所述的钝化层保护膜的材料为常用的SiO2、SiNx、Al2O3、ZrO2、HfO2和Ta2O5等材料，厚度50nm-400nm。
所述的底电极可以用电子束曝光和反应离子刻蚀等微纳加工技术或当前亚微米CMOS标准工艺等方法获得，直径一般为50nm-500nm。
所述的刻蚀方法是在带有管状电极的衬底上相继制备电阻材料和上电极材料，然后利用反应离子刻蚀或其它刻蚀方法去除管状电极以外的上电极材料和电阻材料，形成电阻存储器器件单元。
本发明的特征之一是采用实心或空心的管状BEC减小电极与存储介质之间的接触面积，降低功耗；
本发明的另一个特征是采用诸如TiN的一类具有一定电阻率和导电能力的材料作为阻挡(buffer)层，减少存储介质与电极之间的扩散与反应，提高可靠性；
综上所述，本发明提供了一种低功耗、高可靠的电阻存储器器件单元结构及其制备方法。
附图说明
图1衬底上生长一层金属导电层
图2在金属导电层上淀积一层绝缘介质层
图3在介质层中制备管状孔洞并在孔洞侧壁填充导电材料后形成空心管状电极，作为底电极接触
图4在管状电极上淀积存储介质薄膜并刻蚀或lift off(剥离)形成存储介质单元
图5在存储介质上淀积一层钝化层保护膜并制备出上电极引线孔
图6淀积电极材料薄膜，并制成上、下电极
图7实心管状电极的电阻存储器器件单元
图中：1.衬底；2.金属导电层；3.绝缘介质层；4.空心或实心的管状底电极接触；5.底电极引出孔；6.存储介质；7.钝化层保护膜；8.顶电极引出孔；9.顶电极；10.底电极
具体实施方式
下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于所述的实施例。
实施例1：
(1)在Si衬底1上热生长100nm厚的SiO2或利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)制备100nm厚的SiNx介质膜，然后在SiO2或SiNx上利用磁控溅射或蒸镀的方法制备一层80nm厚Al膜金属导电层2；(图1)
(2)利用PECVD或溅射方法在金属导电层Al膜2的上面制备300nm-500nm厚的SiO2绝缘介质层3；(图2)
(3)在绝缘介质层SiO2上利用电子束曝光和反应离子刻蚀技术制备孔洞，孔洞底部与金属导电层相连，孔洞的直径在200nm-500nm范围；然后利用CVD或溅射技术在孔洞侧壁填充W材料；最后利用化学机械抛光技术(CMP)抛除孔洞以外区域的W材料，得到空心管状电极4，形成底电极接触(图3)；
(4)利用磁控溅射、CVD或蒸发方法依次制备TiN或TiO2薄膜6，然后在管状电极上端区域光刻、刻蚀形成TiO2/TiN单元块；薄膜厚度20-200nm，本底真空为3×10-6Torr，功率100-500W；(图4)
(5)利用CVD、磁控溅射或蒸发方法制备SiO2薄膜，然后光刻、刻蚀形成顶电极引出孔8；薄膜厚度20-500nm，本底真空为3×10-6Torr，功率50-200W；(图5)在绝缘介质另一端用光刻、刻蚀方法形成底电极引出孔5，
(6)利用电子束蒸发或热蒸发方法、溅射方法淀积Al薄膜，并光刻、水浴磷酸腐蚀形成顶电极9和底电极10。(图6)
实施例2：将实施例1第3步的空心管状电极填满SiO2或SiNx等介质材料，然后再进行CMP，从而得到实心管状电极。其它同实施例1，这样可以得到更好的结果，可靠性得到进一步提高。(图7)
实施例3：将实施例1中的TiO2二元金属氧化物薄膜，换成三元金属氧化物薄膜SrZrO3，(Pr，Ca)MnO3等，然后在管状电极上端区域光刻、刻蚀形成三元金属氧化物薄膜与TiN形成的多层膜单元块，作为存储介质。其它与实施例1类似，也能实现类似的效果。
实施例4：将实施例1中的TiO2二元金属氧化物薄膜，换成二元、三元金属氧化物薄膜堆叠结构，如SrZrO3/TiO2/TiN，然后在管状电极上端区域光刻、刻蚀形成SrZrO3/TiO2/TiN多层膜单元块，作为存储介质。其它与实施例1类似。
Claims (10)
1、一种电阻存储器的器件单元结构，其特征在于所述的器件单元结构由顶电极、存储介质层、底电极接触、底电极、绝缘介质薄膜、金属导电层和衬底组成，其中：
①制作在绝缘介质薄膜上的底电极接触是采用空心或实心的管状结构；
②底电极接触与存储介质间有TiN薄膜钝化层作阻挡层；
③顶电极通过钝化层上的顶电极引出孔与存储介质相连；
④底电极与采用空心或实心管状的底电极接触的底部通过金属导电层相连；
⑤金属导电层沉积在衬底上。
2、按权利要求1所述的电阻存储器的器件单元结构，其特征在于呈管状结构的底电极接触内填充金属W或TiN。
3、按权利要求1所述的电阻存储器的器件单元结构，其特征在于所述的存储介质为在外场作用下具有电阻开关效应的材料。
4、按权利要求3所述的电阻存储器的器件单元结构，其特征在于所述的存储介质为TiO2、NiO、ZrO2、HfO2、CeO2、RuOx、CuOx、SrZrO3或(Pr，Ca)MnO3。
5、按权利要求1、3或4所述的电阻存储器的器件单元结构，其特征在于所述的存储介质为单层、两层或两层以上多层薄膜结构。
6、按权利要求1所述的电阻存储器的器件单元结构，其特征在于所述的钝化层为SiO2、SiNx或Al2O3、ZrO2、HfO2和Ta2O5，其厚度50nm-400nm。
7、按权利要求1所述的电阻存储器的器件单元结构，其特征在于所述的底电极接触的材料导电金属为W、Pt、Al、Cu、Ni、Co、Mo、Au、Ru、Ir、Ag或Pd中一种；或为TaN、TiN、IrO2、RuO2中一种。
8、制作如权利要求1所述的电阻存储器的器件单元结构的方法，其特征在于所述的器件结构的制作步骤是：
a)利用高真空磁控溅射方法在衬底上淀积金属导电层，再在金属导电层上沉积一层绝缘介质层，绝缘介质层厚度为200nm-500nm；
b)在步骤(a)制作的绝缘介质层上制作纳米孔洞，孔洞的形状为空心管状或实心管状，孔洞直径为50nm-500nm，孔洞穿过绝缘介质层，孔洞底部与金属导电层相连，
c)利用磁控溅射或物理气相沉积方法在步骤(b)制出的小孔内填充金属W或TiN；
d)在步骤(c)所述的孔洞的侧壁填充W或TiN后，采用化学机械抛光方法，将小孔外的W或TiN去除，得到管状电极，形成底电极接触；
e)在步骤(d)制作的管状电极上淀积具有开关效应的存储材料，通过剥离或刻蚀方法形成电阻存储器存储介质单元；
f)在步骤(e)制作的存储介质单元上淀积钝化层，通过剥离或刻蚀的方法形成顶电极引出孔；
g)沉积金属电极材料，通过干法刻蚀或湿法腐蚀方法形成顶电极和底电极。
9、按权利要求8所述的电阻存储器的器件单元结构的制作方法，其特征在于所述的绝缘介质为SiO2、SiNx、Al2O3或ZrO2。
10、按权利要求8所述的电阻存储器的器件单元结构的制作方法，其特征在于顶电极和底电极为Pt、Au、Ag、Al、Cu、W或Mo，厚度为200-500nm。
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