CN106558599B - 电阻随机存取存储器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种电阻随机存取存储器及其形成方法，其中方法包括：形成下电极；在所述下电极上形成变阻层，所述变阻层的材料为非晶硅；在所述变阻层上形成阻挡层；在所述阻挡层上形成上电极。所述方法提高了电阻随机存取存储器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种电阻随机存取存储器及其形成方法。
背景技术
电阻随机存取存储器(RRAM)是半导体领域的新型存储器，具有结构简单、工作电压低，高速、良好的耐久性，逐渐成为新一代非挥发性存储器的研究热点。电阻随机存取存储器利用位于上下电极间的变阻层的具有可变电阻特性的材料来存储数据。所述变阻层在通常情况下是绝缘的，当经由施加一定的电压后形成导电路径，变得具有导电性。
基于非晶硅材料的变阻层的电阻随机存取存储器由于其与半导体工艺匹配而成为研究的热点。现有技术中电阻随机存取存储器的形成方法为：形成下电极；在下电极表面形成变阻层，所述变阻层的材料为非晶硅；在变阻层表面形成上电极。
然而，现有技术形成的电阻随机存取存储器的性能较差。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种电阻随机存取存储器及其形成方法，解决上电极中原子扩散至变阻层中的问题，同时避免上电极结晶性差的问题，以提高电阻随机存取存储器的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种电阻随机存取存储器，包括：形成下电极；在所述下电极上形成变阻层，所述变阻层的材料为非晶硅；在所述变阻层上形成阻挡层；在所述阻挡层上形成上电极。
可选的，所述阻挡层的材料为二氧化硅或氮化硅。
可选的，所述阻挡层的厚度为10埃～30埃。
可选的，形成所述阻挡层的工艺为等离子体化学气相沉积工艺。
可选的，当所述阻挡层的材料为二氧化硅时，所述等离子体化学气相沉积的参数为：采用的气体为SiH4、N2O、N2和He，SiH4的流量为10sccm～50sccm，N2O的流量为20ccm～100sccm，N2的流量为10000sccm～20000sccm，He的流量为10000sccm～20000sccm，腔室压强为2torr～5torr，高频射频功率为50瓦～100瓦，低频射频功率为10瓦～50瓦，温度为200摄氏度～400摄氏度。
可选的，当所述阻挡层的材料为氮化硅时，所述等离子体化学气相沉积的参数为：采用的气体为SiH4、NH3和N2，SiH4的流量为10sccm～50sccm，NH3的流量为20ccm～100sccm，N2的流量为10000sccm～20000sccm，腔室压强为2torr～5torr，高频射频功率为50瓦～100瓦，低频射频功率为10瓦～50瓦，温度为200摄氏度～400摄氏度。
可选的，采用等离子体化学气相沉积工艺沉积所述阻挡层的速率为2埃/秒～5埃/秒。
可选的，所述上电极包括第一上电极和位于第一上电极表面的第二上电极。
可选的，所述第一上电极的材料为铝，所述第二上电极的材料为氮化钛。
可选的，所述变阻层的厚度为30埃～50埃。
可选的，还包括，形成所述变阻层后且在形成所述阻挡层之前，对所述变阻层的表面进行等离子体处理。
可选的，所述等离子体处理的参数为：采用的气体为N2，所述气体的流量为100sccm～1000sccm，高频射频功率为100瓦～1000瓦，低频射频功率为10瓦～100瓦，腔室压强为1torr～10torr，温度为200摄氏度～400摄氏度，处理时间为5秒～20秒。
本发明还提供一种电阻随机存取存储器，包括：下电极；变阻层，位于所述下电极上，所述变阻层的材料为非晶硅；上电极，位于所述变阻层上；阻挡层，位于所述变阻层和所述上电极之间。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
(1)由于在所述变阻层上形成阻挡层，一方面，所述阻挡层能够阻挡上电极中的原子扩散至变阻层中，避免上电极中产生空洞，提高上电极的电子迁移率，进而提高了上电极的导电性能，同时避免了上电极中的原子进入变阻层中，进而避免当下电极和上电极之间未施加电压时所述变阻层的绝缘性差，从而使得变阻层的开关功能提高。另一方面，由于所述变阻层和上电极之间形成了阻挡层，能够有效的阻挡上电极的原子和变阻层表面的不饱和键进行键合，使得在上电极和阻挡层的交界面附近，所述上电极的结晶性良好，从而提高了上电极中电子迁移率，提高了上电极的导电性。
(2)进一步的，所述变阻层的材料为二氧化硅或氮化硅，由于二氧化硅或氮化硅具有高的致密度，使得变阻层能够有效的阻挡上电极中的原子扩散至变阻层中，因此有效的提高了上电极的导电性能，同时有效的避免当下电极和上电极之间未施加电压时所述变阻层的绝缘性差的现象。
附图说明
图1至图2是现有技术中电阻随机存取存储器形成过程的结构示意图；
图3为电阻随机存取存储器的工作原理示意图；
图4至图7是本发明第一实施例中电阻随机存取存储器形成过程的结构示意图；
图8至图10是本发明第二实施例中电阻随机存取存储器形成过程的结构示意图；
图11a为本发明中的电阻随机存取存储器的扫描电子显微镜效果图；
图11b为现有技术中电阻随机存取存储器的扫描电子显微镜效果图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术中形成的电阻随机存取存储器的性能较差。
图1至图2是现有技术中电阻随机存取存储器形成过程的结构示意图。
参考图1，形成下电极100；在所述下电极100上形成变阻层110，所述变阻层110的材料为非晶硅。
参考图2，在所述变阻层110上形成上电极120。
所述上电极120的材料包括铝层121和位于铝层121表面的氮化钛层122。
图3为电阻随机存取存储器在开态下的工作原理图，当下电极100和上电极120施加一定电压时，上电极120中的电子在下电极100和上电极120之间形成的电场的作用下，通过变阻层110中的导电通道，到达下电极100，从而在变阻层110中形成电流，此时，变阻层110为低阻态，电阻随机存取存储器处于开态；当在下电极100和上电极120之间不施加电压时，变阻层110为高阻态，电阻随机存取存储器处于关态。
研究发现，现有技术中形成的电阻随机存取存储器的性能较差的原因在于：
一方面，由于所述上电极的金属原子容易扩散进入变阻层中，使得上电极中形成空洞，从而降低上电极的电子迁移率，另外，若上电极的金属原子扩散至变阻层中，使得当下电极和上电极之间未施加电压时，所述变阻层的绝缘性能变差，所述变阻层的开关功能降低。另一方面，所述变阻层采用的材料为非晶硅，所述变阻层的表面具有不饱和的键Si-H，而上电极中原子的外层电子为自由电子，表现为上电极的原子为缺失电子的状态，因此，所述上电极中的原子容易与所述变阻层的不饱和键Si-H键合，使得在所述上电极和所述变阻层的交界面附近，所述上电极的结晶性差，降低了上电极中电子迁移率。从而降低了所述电阻随机存取存储器的性能。
在此基础上，本发明一实施例提供一种电阻随机存取存储器的形成方法，通过在所述变阻层上形成阻挡层，避免上电极中的金属原子扩散至变阻层中，且避免上电极生长的结晶性差，以提高电阻随机存取存储器的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图4至图7是本发明第一实施例中电阻随机存取存储器形成过程的结构示意图。
参考图4，形成下电极210。
具体的，提供基底(未图示)，在基底上形成下电极210。
本实施例中，所述基底为底层金属互联层，所述底层金属互联层包括底层介质层和贯穿所述底层介质层厚度的底层金属层。所述下电极210与所述底层金属层连接。所述底层介质层的材料可以是二氧化硅或氮氧化硅等。本实施例中，通过双镶嵌工艺形成所述底层金属互联层。
所述下电极210的材料可以为金属，如钨、铝、铜、镍、钛、钽或钼，所述下电极210的材料也可以为金属氮化物，如氮化钛。本实施例中，所述下电极210的材料为氮化钛。
形成所述下电极210的工艺为物理气相沉积工艺或原子层沉积工艺，本实施例中，形成所述下电极210的工艺为物理气相沉积工艺。
本实施例中，所述下电极210的厚度为100埃～500埃。
参考图5，在所述下电极210上形成变阻层220，所述变阻层220的材料为非晶硅。
所述变阻层220的材料选用非晶硅，后续形成上电极后，当在下电极210和上电极之间施加的电压为0伏时，变阻层220的电阻率为10-1Ω·m～102Ω·m，所述变阻层220处于高阻态，使得电阻随机存取存储器处于关态；当在下电极210和上电极之间施加一定电压，所述变阻层220处于低阻态，使得电阻随机存取存储器处于开态。本实施例中，后续当在下电极210和上电极之间施加的电压为1伏～10伏时，所述变阻层220的电阻率为10-4Ω·m～10-2Ω·m。
本实施例中，所述变阻层220的厚度为30埃～50埃。
当电阻随机存取存储器处于开态时，为了增加变阻层220中的导电通道，使得电阻随机存取存储器处于开态时在下电极210和上电极之间施加的电压降低，以降低功耗，变阻层220为纳米颗粒，且为致密的无定型态。
形成所述变阻层220的工艺为沉积工艺，如等离子体化学气相沉积工艺或低压化学气相沉积工艺，本实施例中，采用等离子体化学气相沉积工艺形成所述变阻层220。
参考图6，在所述变阻层220上形成阻挡层230。
所述阻挡层230的材料为二氧化硅或氮化硅。
若所述阻挡层230的厚度过厚，导致后续将所述变阻层220从高阻态转变为低阻态需要在下电极210和上电极之间施加的电压过高，会增加功耗；若所述阻挡层230的厚度过薄，导致后续阻挡层230不能有效的阻挡上电极的原子扩散至变阻层220中。因此，本实施例中，选择所述阻挡层230的厚度为10埃～30埃。
形成所述阻挡层230的工艺为沉积工艺，如等离子体化学气相沉积工艺、低压化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺，本实施例中，形成所述阻挡层230的工艺为等离子体化学气相沉积工艺。
由于所述阻挡层230的厚度较薄，故在形成阻挡层230的过程中，需要控制沉积阻挡层230的速率，若沉积所述阻挡层230的速率过高，会导致不能精准的控制形成阻挡层230的厚度，且使得形成的阻挡层230的厚度均一性差；若沉积所述阻挡层230的速率过低，导致工艺效率低。因此，本实施例中，沉积所述阻挡层230的速率选择为2埃/秒～5埃/秒。
当所述阻挡层230的材料为二氧化硅时，所述等离子体化学气相沉积采用的气体为SiH4、N2O、N2和He，N2和He为稀释气体，SiH4和N2O为反应气体，SiH4的流量为10sccm～50sccm，N2O的流量为20ccm～100sccm，N2的流量为10000sccm～20000sccm，He的流量为10000sccm～20000sccm，腔室压强为2torr～5torr；当所述阻挡层230的材料为氮化硅时，所述等离子体化学气相沉积采用的气体为SiH4、NH3和N2，N2为稀释气体，SiH4和NH3为反应气体，SiH4的流量为10sccm～50sccm，NH3的流量为20ccm～100sccm，N2的流量为10000sccm～20000sccm，腔室压强为2torr～5torr。
若所述等离子体化学气相沉积的温度过高，导致阻挡层230的沉积速率过高，使得不能精确的控制形成的阻挡层230的厚度，以及使得形成的阻挡层230容易龟裂，且温度过高使得电阻随机存取存储器中的其它元件受到损伤；若所述等离子体化学气相沉积的温度过低，导致工艺效率下降。故本实施例中，当阻挡层230的材料为二氧化硅时，沉积阻挡层230的温度为200摄氏度～400摄氏度；当阻挡层230的材料为氮化硅时，沉积阻挡层230的温度为200摄氏度～400摄氏度。
形成所述阻挡层230采用的等离子体化学气相沉积工艺中的高频射频功率使得气体等离子体化，若高频射频功率过低，形成所述阻挡层230采用的气体不能被等离子体化，若高频射频功率过高，会增加制作成本且受到工艺条件的限制。故本实施例中，当所述阻挡层230的材料为二氧化硅或氮化硅时，高频射频功率为50瓦～100瓦。
形成所述阻挡层230采用的等离子体化学气相沉积工艺中的低频射频功率产生偏置电压，若低频射频功率过低，导致形成的阻挡层230的薄膜质量较差，若低频射频功率过高，导致对阻挡层230产生严重的射频损伤。故本实施例中，当所述阻挡层230的材料为二氧化硅或氮化硅时，选择低频射频功率为10瓦～50瓦。
参考图7，在所述阻挡层230上形成上电极240。
所述上电极240可以为单层结构或多层堆叠的结构。本实施例中，上电极240为两层堆叠的结构。所述上电极240包括位于阻挡层230上的第一上电极241和位于第一上电极241表面的第二上电极242。
所述第二上电极242的材料为可以为金属，如钨、钛、钽或钼，所述第二上电极242的材料也可以为金属氮化物，如氮化钛。本实施例中，所述第二上电极242的材料为氮化钛。
所述第一上电极241的材料为导电性优良的金属，如铝或铜。本实施例中，所述第一上电极241的材料铝。
所述上电极240采用两层堆叠的结构，且第一上电极241的电阻率比第二上电极242的电阻率低，相比上电极只采用第二上电极242的情况，两层堆叠结构的上电极240的导电性能得到提高。
由于第一上电极241中的原子容易扩散，尤其当第一上电极241采用的材料为铝时，铝中的原子极易扩散至与之相邻的其它介质中，但是由于在变阻层220上形成了阻挡层230，所述阻挡层230能够阻挡第一上电极241中的原子扩散进入变阻层220中，一方面，避免了在第一上电极241中形成空洞，提高了第一上电极241的电子迁移率，进而提高了上电极240的导电性能。另一方面，避免了第一上电极241中的原子进入变阻层220中，进而避免当下电极210和上电极240之间未施加电压时所述变阻层220的绝缘性变差，从而使得变阻层220的开关功能提高。
由于变阻层220采用的材料为非晶硅，所述变阻层220的表面具有不饱和的键如Si-H，而第一上电极241中原子的外层电子为自由电子，表现为第一上电极241的原子为缺失电子的状态，若在变阻层220上直接形成第一上电极241，会导致第一上电极241中的原子与变阻层220表面的不饱和键Si-H键合，使得在第一上电极241和所述变阻层220的交界面附近，所述第一上电极241的结晶性差，但是，由于本实施例中，在变阻层220和第一上电极241之间形成阻挡层230，有效的避免了第一上电极241和变阻层220之间进行键合，从而使得在第一上电极241和阻挡层230的交界面附近，所述第一上电极241的结晶性良好，从而提高了第一上电极241中的电子迁移率，提高了第一上电极241的导电性，进而提高了上电极240的导电性。
形成上电极240后，还可以在上电极240上形成顶层金属互联层(未图示)。若在底层金属互连层上具有多个电阻随机存取存储器，多个电阻随机存取存储器之间还形成有层间介质层。
本实施例中，形成的电阻随机存取存储器，请参考图7，包括：下电极210；变阻层220，位于所述下电极210上，所述变阻层220的材料为非晶硅；上电极240，位于所述变阻层220上；阻挡层230，位于所述变阻层220和所述上电极240之间。
所述电阻随机存取存储器的工作原理为：在下电极210和上电极240之间施加电压，随着电压的变化，所述变阻层220的电阻在低阻态和高阻态之间可逆转变，基于这种效应来实现电阻随机存取存储器的存储功能。当在所述下电极210和上电极240之间施加的电压为0伏时，变阻层220的电阻率为10-1Ω·m～102Ω·m，所述变阻层220处于高阻态，使得电阻随机存取存储器处于关态；当在所述下电极210和上电极240之间施加的电压大于一定值时，此时上电极240中的电子在下电极210和上电极240之间形成的电场的作用下，通过变阻层220中的导电通道，到达下电极210，从而在变阻层220中形成电流，此时，变阻层220为低阻态，电阻随机存取存储器处于开态。
需要说明的是，所述阻挡层230可以阻挡上电极240中的原子扩散进入变阻层220中，但是不会阻碍上电极240中的电子进入变阻层220中，原因为：上电极240中原子核半径远大于上电极240中电子的半径，使得上电极240中原子不能穿过阻挡层230进入变阻层220中，而对于上电极240中的电子，由于其半径较小，且所述阻挡层230的厚度较小，使得上电极240中的电子可以穿过阻挡层230进入变阻层220中。
第二实施例
图8至图10是本发明第二实施例中电阻随机存取存储器形成过程的结构示意图。
第二实施例与第一实施例的区别在于：在第一实施例的基础上，对变阻层220的表面进行了等离子体处理。关于第二实施例中与第一实施例相同的内容，不再详述。
参考图8，图8为在图5基础上形成示意图，形成变阻层220后，对所述变阻层220的表面进行等离子体处理。
对所述变阻层220的表面进行等离子体处理，使得等离子体与变阻层220的表面作用，等离子体和在形成变阻层220的过程中在变阻层220表面产生的残余物如Si-Hx反应，形成副产气体，然后将所述副产气体从腔室排出，使得所述变阻层220表面的残余物去除，利于后续在变阻层220上形成阻挡层，使得后续形成的阻挡层的厚度均一性良好。
所述等离子体处理采用的气体为N2。
若等离子体处理采用的气体的流量过小，会降低形成的等离子体的密度，从而降低对变阻层220表面进行等离子体处理的效率；若等离子体处理采用的气体的总流量过大，会增加工艺成本。故本实施例中，等离子体处理采用的气体的总流量为100sccm～1000sccm。
等离子体处理的高频射频功率使得所述气体等离子体化，若高频射频功率过低，所述气体不能被等离子体化，若高频射频功率过高，会增加制作成本且受到工艺条件的限制。故本实施例中，等离子体处理采用的高频射频功率为100瓦～1000瓦，如100瓦、500瓦、1000瓦。
等离子体处理的低频射频功率产生偏置电压，使得所述等离子体具有一定速率且向变阻层220表面运动，若低频射频功率过低，所述等离子体具有的运动能量过低，不能打断变阻层220表面的Si-H键，不利于等离子体和变阻层220表面的残余物反应；若低频射频功率过高，所述等离子体具有的运动能量过高，使得变阻层220表面受到射频损伤。故本实施例中，等离子体处理的低频射频功率为10瓦～100瓦，如10瓦、50瓦、100瓦。
若等离子体处理的时间过短，没有足够的时间使得等离子体与变阻层220表面的残余物反应完，若等离子体处理的时间过长，会造成对变阻层220表面产生严重的射频损伤。故本实施例中，等离子体处理的时间为5秒～20秒。
所述等离子体处理的腔室压强为1torr～10torr，温度为200摄氏度～400摄氏度。
本实施例中，形成所述变阻层220和对所述变阻层220的表面进行等离子体化处理的腔室为同一腔室，使得简化了工艺复杂度，节省了工艺时间。在其它实施例中，也可以在不同的腔室内形成所述变阻层220和对所述变阻层220的表面进行等离子体化处理。
参考图9，在等离子体处理后的变阻层220上形成阻挡层330。
形成阻挡层330的方法参照第一实施例中形成阻挡层230的方法，不再详述。
参考图10，在所述阻挡层330上形成上电极340。
所述上电极340包括位于阻挡层330上的第一上电极341和位于第一上电极341表面的第二上电极342。
形成上电极340的方法参照第一实施例中形成上电极240的方法，不再详述。
参考图11a，图11a显示了本发明中形成的电阻随机存取存储器的上电极中不存在空洞缺陷，参考图11b，图11b显示了现有技术中形成的电阻随机存储器的上电极中存在较多的空洞的缺陷，空洞的存在会使得上电极的导电性变差。通过图11a和11b的对比，可见本发明通过在变阻层上形成阻挡层，有效的改善了现有技术中电阻随机存取存储器的上电极中的空洞缺陷，使得本发明中上电极中电子迁移率得到提升高，从而提高了上电极的导电性。
需要说明的是，在对电阻随机存取存储器进行扫描电镜观察时，需要在上电极表面形成一层氮化硅层，防止在扫描电镜观察时电子束对上电极表面造成损伤。另需说明的是，图11a和图11b中的161是在进行扫描电镜观察时对上电极表面位置的标识。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，包括:
形成下电极；
在所述下电极上形成变阻层，所述变阻层的材料为非晶硅；
在所述变阻层上形成阻挡层；
在所述阻挡层上形成上电极；
形成所述变阻层后且在形成所述阻挡层之前，对所述变阻层的表面进行等离子体处理；
所述等离子体处理的参数为：采用的气体为N2，所述气体的流量为100sccm～1000sccm，高频射频功率为100瓦～1000瓦，低频射频功率为10瓦～100瓦，腔室压强为1torr～10torr，温度为200摄氏度～400摄氏度，处理时间为5秒～20秒。
2.根据权利要求1所述的电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为二氧化硅或氮化硅。
3.根据权利要求1所述的电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为10埃～30埃。
4.根据权利要求1所述的电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，形成所述阻挡层的工艺为等离子体化学气相沉积工艺。
5.根据权利要求4所述的电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，当所述阻挡层的材料为二氧化硅时，所述等离子体化学气相沉积的参数为：采用的气体为SiH4、N2O、N2和He，SiH4的流量为10sccm～50sccm，N2O的流量为20ccm～100sccm，N2的流量为10000sccm～20000sccm，He的流量为10000sccm～20000sccm，腔室压强为2torr～5torr，高频射频功率为50瓦～100瓦，低频射频功率为10瓦～50瓦，温度为200摄氏度～400摄氏度。
6.根据权利要求4所述的电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，当所述阻挡层的材料为氮化硅时，所述等离子体化学气相沉积的参数为：采用的气体为SiH4、NH3和N2，SiH4的流量为10sccm～50sccm，NH3的流量为20ccm～100sccm，N2的流量为10000sccm～20000sccm，腔室压强为2torr～5torr，高频射频功率为50瓦～100瓦，低频射频功率为10瓦～50瓦，温度为200摄氏度～400摄氏度。
7.根据权利要求4所述的电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，采用等离子体化学气相沉积工艺沉积所述阻挡层的速率为2埃/秒～5埃/秒。
8.根据权利要求1所述的电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，所述上电极包括位于所述阻挡层上的第一上电极和位于第一上电极表面的第二上电极。
9.根据权利要求8所述的电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，所述第一上电极的材料为铝，所述第二上电极的材料为氮化钛。
10.根据权利要求1所述的电阻随机存取存储器的形成方法，其特征在于，所述变阻层的厚度为30埃～50埃。
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