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一种新型阻变 存储器及其制造方法

阅读：632发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种新型阻变存储器及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种新型阻变存储器及其制造方法，包括硅片衬底、背电极，硅片衬底上方具有二氧化硅保护层，二氧化硅保护层上蚀刻有若干圆柱形凹穴，该凹穴与硅片衬底接触处为阻变介质层，阻变介质层上方为硅化物层，硅化物层上方及其对应凹穴的圆周内壁为防金属扩散层，防金属扩散层内为金属顶电极。本发明得到的阻变存储单元具有优异稳定的电阻转变特性，通过引入硅化物层，减小了上电极与阻变介质层之间的势垒电阻，使得阻变介质层发生电阻转变可不受上电极材料的影响，进一步提升了存储单元的稳定性。，下面是一种新型阻变存储器及其制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种阻变存储器，包括硅片衬底、背电极，其特征在于：硅片衬底上方具有二氧化硅保护层，二氧化硅保护层上蚀刻有若干圆柱形凹穴，该凹穴与硅片衬底接触处为阻变介质层，阻变介质层上方为硅化物层，硅化物层上方及其对应凹穴的圆周内壁为防金属扩散层，防金属扩散层内为金属顶电极；所述的硅化物层为多晶硅上沉积金属Co或Ti，从而与多晶硅形成的硅化物；所述的阻变介质层为硅基薄膜，防金属扩散层为钽/氮化钽混合层。
2.一种权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，包括以下步骤：
1）取电阻率小于0.001Ω∙cm，厚度小于750µm 的P型重掺杂的硅片，用RCA标准清洗法进行清洗；
2）在硅片上表面生长氧化层，厚度为75 600 nm，即为二氧化硅保护层；
~
3）利用光刻工艺定义若干圆形凹穴，直径为5 500 nm，蚀刻氧化层至硅片衬底上表面；
~
4）利用化学气相沉积法在已蚀刻好的圆形凹穴底部沉积硅基薄膜，厚度为5 30 nm，即~
为阻变介质层；
5）利用化学气相沉积法在阻变介质层上沉积多晶硅，厚度为5-20 nm；
6）利用物理气相沉积法在步骤5）的多晶硅上沉积金属Co或Ti，厚度为5-10 nm，随后进行快速热退火，从而与多晶硅形成硅化物；
7）首先用物理气相沉积法在凹穴内沉积TaN层，然后再利用物理气相沉积法沉积Ta层，TaN/Ta混合层即成为防金属扩散；最后，利用CMOS标准工艺沉积金属顶电极层；
8）在硅片下表面沉积Al，厚度为100-500 nm，随后进行快速热退火形成欧姆接触。

说明书全文

一种新型阻变 存储器及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于超大规模集成电路技术领域，特别是涉及一种新型阻变存储器及其制造方法。

背景技术

[0002] 目前，世界先进存储器厂商均在量产3D NAND存储器，这是由于上一代平面闪存在单位面积存储容量已达到物理极限。由于物理尺寸的不断减小，传统闪存存在着电荷泄露导致可靠性降低的问题，此外，人们也对电子产品提出了愈加高的要求，包括读取/擦除速度、容量、可靠性等关键参数。3D NAND存储器是人们在平面NAND存储器（即2D NAND存储器）基础上发展而来，使得闪存在存储容量上有了明显的提升。但是真正在读取/擦除速度、容量、功耗、时间保持特性、耐受性、抗噪声等存储参数上有突破的是下一代存储技术—阻变存储器。

[0003] 检索可知，利用硅基材料研究阻变存储器已有不少的报道（包括学术论文与专利申请），但其电阻转变的原理多是活性金属原子发生氧化反应，随后在阻变介质材料中在电场作用下迁移到阴极，被还原成金属原子后，随着金属原子的积累形成导电通道。然而，根据本团队的多年研究，硅基薄膜本身也参与到有效的电阻转变，且利用标准的CMOS制造工艺制备硅基阻变存储器很少有报道，这也是走向产业化的必经之路。

[0004] 阻变存储器的研究已经从纯粹的机理研究和材料探索转变到与集成电路生产工艺相结合的应用化、产业化研究。从学术上讲，目前关于阻变存储器还存在阻变机理上不够统一及三维集成化的问题，但这对于产业化、应用化研究已不构成障碍。从半导体厂产业化实施进展来看，半导体厂商主要采用过渡族金属氧化物（例如HfOx）作为阻变介质层，采用MIM（金属-绝缘体-金属）结构。此类过渡族金属元素主要为稀有金属，稀有金属不但价格高昂，且资源有限，利用传统的硅基材料在储量和价格上均有明显的优势。积极地利用现有的CMOS集成电路工艺来开发硅基阻变存储器应用迫在眉睫。

[0005] 而利用标准CMOS集成电路工艺制备基于过渡金属氧化物阻变存储器尚存在以下几个问题：目前使用的阻变介质层原材料为稀有元素，储量有限且价格高昂；金属电极对阻变单元发生电阻转变机理的影响，使得阻变机理复杂化，提升了阻变存储器性能调控的难度；阻变存储单元，尤其是阻变介质层若与空气接触，空气中的氧或水汽将会粘附在阻变介质层周围，进而扩散进阻变介质层而影响阻变存储单元的稳定性。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供基于标准CMOS逻辑电路制备工艺的，一种新型阻变存储器。

[0007] 本发明的另一目的是提供所述阻变存储器的制造方法。

[0008] 为实现第一个发明目的，所采用的技术方案是这样的：一种新型阻变存储器，包括硅片衬底、背电极，其特征在于：硅片衬底上方具有二氧化硅保护层，二氧化硅保护层上蚀刻有若干圆柱形凹穴，该凹穴与硅片衬底接触处为阻变介质层，阻变介质层上方为硅化物层，硅化物层上方及其对应凹穴的圆周内壁为防金属扩散层，防金属扩散层内为金属顶电极。

[0009] 进一步地，所述的阻变介质层为硅基薄膜，防金属扩散层为钽/氮化钽混合层。

[0010] 为实现第二个发明目的，所采用的技术方案是这样的：一种阻变存储器的制造方法，包括以下步骤：

[0011] 1）取电阻率小于0.001Ω∙cm，厚度小于750µm 的P型重掺杂的硅片，用RCA标准清洗法进行清洗；

[0012] 2）在硅片上表面生长氧化层，厚度为75 600 nm，即为二氧化硅保护层；~

[0013] 3）利用光刻工艺定义若干圆形凹穴，直径为5 500 nm，蚀刻氧化层至硅片衬底上~表面；

[0014] 4）利用化学气相沉积法在已蚀刻好的圆形凹穴底部沉积硅基薄膜，厚度为5 30 ~nm，即为阻变介质层；

[0015] 5）利用化学气相沉积法在阻变介质层上沉积多晶硅，厚度为5-20 nm；

[0016] 6）利用物理气相沉积法在步骤5）的多晶硅上沉积金属，可以是Co或Ti或其他金属，厚度为5-10 nm，随后进行快速热退火，从而与多晶硅形成硅化物；

[0017] 7）首先用物理气相沉积法在凹穴内沉积TaN层，然后再利用物理气相沉积法沉积Ta层，TaN/Ta混合层即成为防金属扩散；最后，利用CMOS标准工艺沉积金属顶电极层；

[0018] 8）在硅片下表面沉积Al，厚度为100-500 nm，随后进行快速热退火形成欧姆接触。

[0019] 本发明的效果在于：硅基材料（包括硅氧、硅氮、硅碳、硅氧氮、硅氧碳等其他硅基材料）在地球上储量丰富，价格相对较低，同时在当下CMOS集成电路工艺中使用广泛，工艺成熟；通过引入防金属扩散层（Ta/TaN）和硅化物层，减小了阻变介质层与上电极的接触电阻，同时由于防金属扩散层的存在，金属原子在电场的作用下将不会发生扩散；将阻变介质层置于蚀刻形成的深坑中，在周围保护层的作用下，切断了与空气的接触，提升了阻变介质层的稳定性。

[0020] 本发明得到的阻变存储单元具有优异稳定的电阻转变特性，通过引入硅化物层，减小了上电极与阻变介质层之间的势垒电阻，使得阻变介质层发生电阻转变可不受上电极材料的影响，进一步提升了存储单元的稳定性。附图说明

[0021] 以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

[0022] 图1为实施例的产品结构示意图；

[0023] 图2为实施例的方法框图；

[0024] 图3为实施例的产品制备过程图；

[0025] 图4为实施例的产品俯视图。

[0026] 图中标记为：背电极1、硅片衬底2、阻变介质层3、硅化物层4、防金属扩散层 5、金属顶电极6、二氧化硅保护层7。

具体实施方式

[0027] 参见附图。本实施例所述的阻变存储器，包括硅片衬底2、背电极1，硅片衬底2上方具有二氧化硅保护层7，二氧化硅保护层7上蚀刻有若干圆柱形凹穴，该凹穴与硅片衬底接触处为阻变介质层3，阻变介质层3上方为硅化物层4，硅化物层4上方及其对应凹穴的圆周内壁为防金属扩散层5，防金属扩散层5内为金属顶电极6；所述的阻变介质层3为硅基薄膜，防金属扩散层5为钽/氮化钽混合层。

[0028] 本实施例所述阻变存储器的制备过程：

[0029] 1）首先利用集成电路（IC）工艺中的RCA标准清洗法对P型重掺杂的硅片（电阻率小于0.001Ω∙cm，厚度小于750µm）进行清洗；

[0030] 2）利用湿氧和干氧相结合的方式生长氧化层，厚度为75 600 nm（标准的生长氧化~层工艺或CMOS工艺中生长TEOS工艺，可全为湿氧生长，或依次湿氧干氧，或先湿氧后干氧），此为二氧化硅保护层7；

[0031] 3）利用光刻工艺定义若干圆形凹穴，直径为5 500 nm，蚀刻氧化层至硅片衬底2上~表面；

[0032] 4）利用化学气相沉积法在已蚀刻好的圆形凹穴底部沉积硅基薄膜，厚度为5 30 ~nm，即为阻变介质层3；

[0033] 5）利用化学气相沉积法在阻变介质层上沉积多晶硅，厚度为5-20 nm；

[0034] 6）利用物理气相沉积法在步骤5）的多晶硅上沉积金属，可以是Co或Ti或其他金属，厚度为5-10 nm，随后进行快速热退火，从而与多晶硅形成硅化物层4；

[0035] 7）首先用物理气相沉积法在凹穴内沉积TaN层，然后再利用物理气相沉积法沉积Ta层，TaN/Ta混合层即成为防金属扩散；最后，利用CMOS标准工艺沉积金属顶电极6；

[0036] 8）利用热蒸发镀膜法或者其他PVD在硅片背面沉积Al，厚度为100-500 nm，随后进行快速热退火形成欧姆接触（CMOS工艺中标准Al工艺）。

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