專利名稱：一種納米尺度非揮發性阻變存儲器單元及其制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體存儲器技術領域，尤其涉及一種利用HSG電子抗蝕劑的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元及其制備方法。
背景技術：
非揮發性存儲器在不加電的情況下也能夠長期保持存儲的信息，既有ROM的特點，又有很高的存取速度。隨著多媒體應用、移動通信等對大容量、低功耗存儲的需要，非揮發性存儲器，特別是閃速存儲器(Flash)，所占半導體器件的市場份額變得越來越大，也越來越成為一種相當重要的存儲器類型。當前市場上的非揮發性存儲器以閃存(Flash)為主流，但是閃存器件存在操作電壓過大、操作速度慢、耐久力不夠好以及由于在器件縮小化過程中過薄的隧穿氧化層將導致記憶時間不夠長等缺點。理想的非揮發性存儲器應具備操作電壓低、結構簡單、非破壞性讀取、操作速度快、記憶時間(Retention)長、器件面積小、耐久力(Endurance)好等條件。目前已經對許多新型材料和器件進行了研究，試圖來達到上述的目標，其中有相當部分的新型存儲器器件都采用電阻值的改變來作為記憶的方式。其中阻變存儲器(RRAM) 主要是基于固態氧化物材料的電阻可變特性的。阻變存儲器器件的基本結構為具有下電極 11、阻變層12、上電極13的三明治結構，如圖1所示，阻變層的電阻值在外加電場的作用下可以具有兩種不同的狀態(高阻和低阻，可以分別用來表征‘0’和‘1’兩種狀態)而且可以相互可逆轉換，如圖2所示。RRAM具有在32納米節點及以下取代現有主流Flash存儲器的潛力，因而成為目前新型存儲器器件的一個重要研究方向。目前RRAM的材料體系包括復雜的氧化物，例如PivxCiixMnO3,鈣鈦礦材料SrTiO3 和SrfrO3等；簡單的二元金屬氧化物，包括Cu、Ti、Ni、Ta、Hf、Nb等過渡族金屬元素的氧化物。相比較其它的復雜材料，二元氧化物具有結構簡單，制造容易，以及和現有CMOS工藝兼容的優點。阻變存儲器目前存在的主要問題是器件尺寸大、阻變性能離散性大、穩定性差、 從而不利于集成。另外，二元氧化物轉變存儲器的電阻轉變特性和二元氧化物材料中的缺陷態有很強的關系，由于自然生長形成的缺陷態難以人工控制，所以導致目前基于二元氧化物材料電阻轉變特性的存儲器器件的產率不高，性能不穩定，如果能夠在器件中加入金屬納米層， 則可以人工調制缺陷態在氧化層中的分布，那么器件的產率將會得到較大提高。
發明內容
(一)要解決的技術問題針對上述現有阻變存儲器存在的器件尺寸大、阻變性能離散性大、穩定性差的問題，本發明的目的在于提供一種利用HSG電子抗蝕劑的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元。HSQ電子抗蝕劑經電子束曝光后形成非晶態的氧化硅，因此可利用HSQ電子抗蝕劑經電子束曝光顯影后留下的部分作為制作納米尺度阻變存儲器的通孔，從而使阻變存儲器具有器件尺寸小、性能均勻性和穩定性的優點。本發明的另一目的在于通過在阻變層中加入金屬納米層，人工調制缺陷態在氧化層中的分布，提高器件的產率。本發明的第三個目的在于提供了一種工藝簡單、方便的采用電子束光刻制備上述利用HSG電子抗蝕劑的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元的方法。(二)技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種納米尺度非揮發性阻變存儲器單元，該存儲器單元包括一選通晶體管；以及一阻變存儲器，該阻變存儲器包括選通晶體管漏極接觸插塞之上的第一導電電極；第一導電電極之上的由HSQ電子束抗蝕劑經電子束曝光和顯影后形成的通孔及
第一阻變層；通孔及第一阻變層之上的第二阻變層；第二阻變層之上的第二金屬納米層；第二金屬納米層之上的第三阻變層；以及第三阻變層之上的第三導電電極。上述方案中，所述通孔是由HSQ電子束抗蝕劑曝光顯影后留下的部分形成的，所述通孔的直徑為5納米至100納米，深度為50納米至100納米；如果所述通孔底部的HSQ 電子束抗蝕劑未完全顯影掉，則通孔底部殘余的HSQ電子束抗蝕劑用于作為第一阻變層， 第一阻變層的厚度為10納米至50納米。上述方案中，所述第一導電電極采用的材料為金屬性導電電極材料，包括鎢、鈦、 鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第一導電電極的厚度為10納米至50納米。上述方案中，所述第二阻變層采用的材料為二元氧化物材料，包括氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎢、氧化鉭、氧化鎳、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鈮、氧化釩和氧化鉬中的一種；所述第二阻變層的厚度為10納米至50納米。上述方案中，所述第二金屬納米層采用的材料為金屬性導電材料，包括鎢、鈦、鋁、 銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第二金屬納米層的厚度均為1納米至3納米。上述方案中，所述第三阻變層采用的材料為二元氧化物材料，包括氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎢、氧化鉭、氧化鎳、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鈮、氧化釩和氧化鉬中的一種；所述第三阻變層的厚度為10納米至50納米。上述方案中，所述第三導電電極采用的材料為金屬性導電電極材料，包括鎢、鈦、 鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第三導電電極的厚度均為50納米至200納米。為達到上述目的，本發明還提供了一種制備納米尺度非揮發性電阻轉變存儲器單元的方法，包括以下步驟在含有選通晶體管接觸插塞的介質層上形成阻變存儲器的第一導電電極薄膜；
在第一導電電極薄膜上涂覆HSQ電子束抗蝕劑并進行電子束曝光、顯影，在選通晶體管漏極接觸插塞中心位置上方在第一導電電極薄膜上形成納米尺度圓形HSQ電子束抗蝕劑通孔和第一阻變層；在該納米尺度圓形HSQ電子束抗蝕劑通孔上依次形成第二阻變層薄膜、第二金屬納米層薄膜、第三阻變層薄膜和第三導電電極薄膜；光刻并依次刻蝕第三導電電極薄膜、第三阻變薄膜、第二金屬納米層薄膜、第二阻變層薄膜、HSQ電子束抗蝕劑和第一導電電極薄膜，在選通晶體管的漏極接觸插塞上形成納米尺度的阻變存儲器；完成后續工序，至少包括介質填充、平坦化和金屬互連。上述方案中，所述形成阻變存儲器的第一導電電極薄膜的步驟中，所述第一導電電極薄膜采用的材料為金屬性導電電極材料，包括鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、 鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第一導電電極薄膜的厚度為 10納米至50納米；所述形成第一導電電極薄膜的方法為原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積中的一種。上述方案中，所述形成納米尺度圓形HSQ電子束抗蝕劑通孔和第一阻變層的步驟中，所述涂覆的HSQ電子束抗蝕劑的厚度為50納米至100納米；所述電子束曝光采用JEOL JBX-6300FS電子束光刻系統，加速電壓為IOOKeV,電子束流小于200pA ；所述顯影采用TMAH 或⑶沈顯影液顯影；所述通孔的直徑為5納米至100納米，深度為50納米至100納米；所述第一阻變層為通孔底部未完全顯影掉的HSQ電子束抗蝕劑，第一阻變層的厚度為10納米至50納米。上述方案中，所述形成第二阻變層薄膜、第二金屬納米層薄膜、第三阻變層薄膜和第三導電電極薄膜的步驟中，所述第二阻變層和第三阻變層采用的材料為二元氧化物材料，包括氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎢、氧化鉭、氧化鎳、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、 氧化錳、氧化鎂、氧化鈮、氧化釩和氧化鉬中的一種；所述第二阻變層和第三阻變層的厚度均為10納米至50納米；所述形成第二阻變層和第三阻變層的方法為原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積、溶膠-凝膠法中的一種；所述第二金屬納米層的材料為金屬性導電材料，包括鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、 金、銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第二金屬納米層的厚度均為1納米至3納米；所述形成第二金屬納米層的方法為原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積中的一種；所述第三導電電極的材料為金屬性導電電極材料，包括鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、 鉬、金、銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第三導電電極的厚度均為50納米至200納米；所述形成第三導電電極薄膜的方法為原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積中的一種。上述方案中，所述形成納米尺度的阻變存儲器的步驟中，所述刻蝕采用反應離子刻蝕、電感耦合等離子刻蝕、電子回旋共振刻蝕方法中的一種；所述形成的納米尺度的阻變存儲器的直徑為30納米至150納米。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、利用本發明，采用簡單二元氧化物作為阻變材料，使阻變存儲器具有材料和工藝簡單、器件性能易控的優點。2、利用本發明，HSQ電子抗蝕劑經電子束曝光后形成非晶態的氧化硅，因此可利用 HSQ電子抗蝕劑經電子束曝光顯影后留下的部分作為制作納米尺度阻變存儲器的通孔和隔離介質，由于阻變存儲器的器件面積取決于該通孔底部的面積，因而通過控制電子束光刻工藝可以最大限度地縮小器件面積，有利于實現大規模集成和高密度存儲。3、相比較與傳統的通過介質沉積、光刻、刻蝕工藝形成通孔的方法，本發明直接利用曝光、顯影后留下的HSQ電子束抗蝕劑作為通孔，工藝步驟大大簡化。4、本發明的存儲器器件具有結構簡單、器件面積小、產率高、成本低、性能良好、易集成、與傳統的硅平面CMOS工藝兼容的優點，有利于本發明的廣泛推廣和應用。5、本發明提供的阻變存儲器單元的加工工藝簡單可靠，而且與傳統CMOS工藝兼容，易于銅互連或鋁互連后端工藝集成，為器件的大規模集成和實用化打下基礎。
圖1為阻變存儲器的基本結構示意圖。圖2為阻變存儲器理想的電流電壓曲線示意圖。圖3為本發明提出的利用HSG電子抗蝕劑的具有新型結構的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元結構示意圖。圖4為本發明采用的具有接觸插塞和保護介質的選通晶體管的結構示意圖。圖5為本發明提出的在含有選通晶體管接觸插塞的介質層上形成阻變存儲器的第一導電電極薄膜和涂覆HSQ電子抗蝕劑的示意圖。圖6為電子束曝光圖形，斜線區域為曝光區域。圖7為本發明提出的通過對HSQ電子抗蝕劑進行電子束曝光、顯影，在選通晶體管漏極接觸插塞中心位置上方在第一導電電極薄膜上形成納米尺度圓形HSQ電子束抗蝕劑通孔的示意圖，此圖對應于沒有第一阻變層的情況。圖8為本發明提出的通過對HSQ電子抗蝕劑進行電子束曝光、顯影，在選通晶體管漏極接觸插塞中心位置上方在第一導電電極薄膜上形成納米尺度圓形HSQ電子束抗蝕劑通孔及第一阻變層的示意圖，此圖對應于有第一阻變層的情況。圖9為本發明提出的依次形成第二阻變層薄膜、第二金屬納米層薄膜、第三阻變層薄膜、第三導電電極薄膜，此圖對應于沒有第一阻變層的情況。圖10為本發明提出的依次形成第二阻變層薄膜、第二金屬納米層薄膜、第三阻變層薄膜、第三導電電極薄膜，此圖對應于有第一阻變層的情況。圖11為本發明提出的光刻、依次刻蝕第三導電電極薄膜、第三阻變薄膜、第二金屬納米層薄膜、第二阻變層薄膜、HSQ電子束抗蝕劑和第一導電電極薄膜，僅在選通晶體管的漏極接觸插塞上形成納米尺度的阻變存儲器的示意圖，此圖對應于沒有第一阻變層的情況。
8
圖12為本發明提出的光刻、依次刻蝕第三導電電極薄膜、第三阻變薄膜、第二金屬納米層薄膜、第二阻變層薄膜、HSQ電子束抗蝕劑和第一導電電極薄膜，僅在選通晶體管的漏極接觸插塞上形成納米尺度的阻變存儲器的示意圖，此圖對應于有第一阻變層的情況。附圖中器件、部件名稱與符號對照11 阻變存儲器的下電極12 阻變存儲器的阻變層13:阻變存儲器的上電極100 選通晶體管的硅襯底101 不同選通晶體管之間的隔離槽102 選通晶體管的源區103 選通晶體管的漏區110:選通晶體管的柵區111 選通晶體管的柵介質層112 選通晶體管的柵電極113 選通晶體管的低電阻層114 選通晶體管的柵區側墻120 第一層間介質121 選通晶體管的源極接觸插塞122 選通晶體管的漏極接觸插塞123 選通晶體管的柵極接觸插塞201 阻變存儲器的第一導電電極薄膜202 曝光顯影前的HSQ電子束抗蝕劑203 曝光顯影后構成通孔的HSQ電子束抗蝕劑204 曝光顯影后殘留的HSQ電子束抗蝕劑即第一阻變層205 阻變存儲器的第二阻變層薄膜206 阻變存儲器的第二金屬納米層薄膜207 阻變存儲器的第三阻變層薄膜208 阻變存儲器的第三導電電極薄膜211 阻變存儲器的第一導電電極213 =HSQ電子束抗蝕劑通孔215 阻變存儲器的第二阻變層216 阻變存儲器的第二金屬納米層217 阻變存儲器的第三阻變層218 阻變存儲器的第三導電電極
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖3所示，圖3為本發明提出的利用HSG電子抗蝕劑的具有新型結構的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元結構示意圖。HSQ電子抗蝕劑經電子束曝光后形成非晶態的氧化硅，因此可利用HSQ電子抗蝕劑經電子束曝光顯影后留下的部分作為制作納米尺度阻變存儲器的隔離介質和通孔213。如果通孔底部的HSQ電子束抗蝕劑未完全顯影掉，則通孔底部殘余的HSQ電子束抗蝕劑可作為第一阻變層204。由于阻變存儲器的器件面積取決于該通孔底部的面積，因而通過控制電子束光刻工藝可以最大限度地縮小器件面積，有利于實現大規模集成和高密度存儲。圖3所示的存儲器單元包括一個選通晶體管和一個阻變存儲器，阻變存儲器的下電極(即第一導電電極)與選通晶體管漏極接觸插塞直接相連。選通晶體管主要包括 硅襯底100、隔離槽101、源區102、漏區103、柵區110(包括、柵介質層111、柵電極112、低電阻層113、側墻114)、第一層間介質120、源極接觸插塞121、漏極接觸插塞122、柵極接觸插塞123。阻變存儲器包括第一導電電極211、HSQ電子束抗蝕劑通孔213、曝光顯影后通孔底部殘留的HSQ電子束抗蝕劑即第一阻變層204、第二阻變層215、第二金屬納米層216、 第三阻變層217、第三導電電極218。采用電子束光刻制備如圖3所示的利用HSG電子抗蝕劑的具有新型結構的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元的工藝流程如下如圖4所示，采用具有硅襯底100、隔離槽101、源區102、漏區103、柵區110(包括、 柵介質層111、柵電極112、低電阻層113、側墻114)、第一層間介質120、源極接觸插塞121、 漏極接觸插塞122、柵極接觸插塞123的晶體管作為選通晶體管，選通晶體管的層間介質和電極接觸插塞的上表面已作平坦化處理。如圖5所示，在選通晶體管的嵌有接觸插塞121、122、123的第一層間介質120上采用原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積等方法形成阻變存儲器的厚度為10納米至50納米的鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫等第一導電電極薄膜201。如圖5所示，在第一導電電極薄膜201上旋涂50納米至100納米厚的HSQ電子束抗蝕劑202。如圖6、圖7和圖8所示，采用JEOL JBX-6300FS電子束光刻系統對HSQ電子束抗蝕劑202進行電子束曝光，加速電壓為lOOKeV，電子束流小于200pA ；然后采用TMAH或⑶沈顯影液顯影。曝光圖形如圖6所示，圖6中斜線區域即為曝光區域，由于HSQ為負性電子抗蝕劑，曝光的區域在顯影后會留下來，未曝光的區域在顯影后會被去除，從而形成如圖7所示的通孔結構；如果圖6中中心位置處未曝光的圓形區域直徑很小，如只有10納米至100 納米，電子束曝光過程中鄰近效應及電子散射會十分明顯，該圓形區域也會被部分弱曝光， 從而會在通孔的底部殘留部分HSQ電子束抗蝕劑204，如圖8所示，由于電子束曝光和顯影后留下的HSQ電子束抗蝕劑為非晶態的氧化硅，因此通孔的底部殘留的HSQ電子束抗蝕劑 204可以作為第一阻變層。圖7和圖8中通孔的直徑為5納米至100納米，深度為50納米至100納米。第一阻變層的厚度為10納米至50納米。如圖9和圖10所示，在通孔203和第一阻變層204上采用原子層沉積、濺射、蒸發、 脈沖激光沉積、化學氣相沉積、溶膠-凝膠法形成10納米至50納米厚的氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎢、氧化鉭、氧化鎳、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鈮、氧化釩和氧化鉬等第二阻變層薄膜205 ；采用原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積等方法形成厚度為1納米至3納米的鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、鋅、鎳、 鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫等第二金屬納米層薄膜206 ；采用原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積、溶膠-凝膠法形成10納米至50納米厚的氧化鉿、 氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎢、氧化鉭、氧化鎳、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、 氧化鈮、氧化釩和氧化鉬等第三阻變層薄膜207 ；采用原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積等方法形成厚度為50納米至200納米的鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、 銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫等第三導電電極薄膜208。如圖11和圖12所示，光刻、采用反應離子刻蝕、電感耦合等離子刻蝕、電子回旋共振刻蝕等方法依次刻蝕第三導電電極薄膜208、第三阻變薄膜207、第二金屬納米層薄膜 206、第二阻變層薄膜205、HSQ電子束抗蝕劑203和第一導電電極薄膜201，僅在選通晶體管的漏極接觸插塞122上形成直徑為30納米至150納米的納米尺度的阻變存儲器，該阻變存儲器包括第一導電電極211、HSQ電子束抗蝕劑通孔213、曝光顯影后通孔底部殘留的HSQ 電子束抗蝕劑即第一阻變層204、第二阻變層215、第二金屬納米層216、第三阻變層217、第三導電電極218。完成平坦化、金屬互連等后續工序。實施例在本發明的一個實施例中，插塞121、122、123均采用鎢塞(圖4)；磁控濺射沉積 20納米厚的鉬作為第一導電電極材料201 (圖5)；涂覆一層厚度為50納米的HSQ負性電子束抗蝕劑202 (圖幻；采用JE0LJBX-6300FS電子束光刻系統在IOOKeV加速電壓下、在IOOpA 束流下用圖6左圖所示的圖形進行電子束曝光；顯影，形成直徑為50納米的圓形電子束抗蝕劑圖形即通孔203(圖7)；原子層沉積15納米厚的氧化鉿阻變薄膜205(圖9)；磁控濺射沉積2納米厚的銅作為第二金屬納米層薄膜206 (圖9)；原子層沉積15納米厚的氧化鉿阻變薄膜207(圖9)；磁控濺射沉積30納米厚的銅作為第三導電電極薄膜208(圖9)；光刻、采用各向異性的電感耦合等離子刻蝕工藝依次刻蝕第三導電電極薄膜208、第三阻變薄膜207、第二金屬納米層薄膜206、第二阻變層薄膜205、HSQ通孔203和第一導電電極薄膜 201，僅在選通晶體管的漏極接觸插塞122上形成直徑為50納米的阻變存儲器(圖11)；完成平坦化、金屬互連等后續工序，完成整個器件的基本結構。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
1權利要求
1.一種納米尺度非揮發性阻變存儲器單元，其特征在于，該存儲器單元包括 一選通晶體管；以及一阻變存儲器，該阻變存儲器包括選通晶體管漏極接觸插塞之上的第一導電電極；第一導電電極之上的由HSQ電子束抗蝕劑經電子束曝光和顯影后形成的通孔及第一阻變層；通孔及第一阻變層之上的第二阻變層；第二阻變層之上的第二金屬納米層；第二金屬納米層之上的第三阻變層；以及第三阻變層之上的第三導電電極。
2.根據權利要求1所述的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元，其特征在于，所述通孔是由HSQ電子束抗蝕劑曝光顯影后留下的部分形成的，所述通孔的直徑為5納米至100納米，深度為50納米至100納米；如果所述通孔底部的HSQ電子束抗蝕劑未完全顯影掉，則通孔底部殘余的HSQ電子束抗蝕劑用于作為第一阻變層，第一阻變層的厚度為10納米至50 納米。
3.根據權利要求1所述的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元，其特征在于，所述第一導電電極采用的材料為金屬性導電電極材料，包括鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、 鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第一導電電極的厚度為10納米至50納米。
4.根據權利要求1所述的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元，其特征在于，所述第二阻變層采用的材料為二元氧化物材料，包括氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎢、氧化鉭、氧化鎳、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鈮、氧化釩和氧化鉬中的一種；所述第二阻變層的厚度為10納米至50納米。
5.根據權利要求1所述的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元，其特征在于，所述第二金屬納米層采用的材料為金屬性導電材料，包括鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、鋅、 鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第二金屬納米層的厚度均為1納米至3納米。
6.根據權利要求1所述的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元，其特征在于，所述第三阻變層采用的材料為二元氧化物材料，包括氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎢、氧化鉭、氧化鎳、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鈮、氧化釩和氧化鉬中的一種；所述第三阻變層的厚度為10納米至50納米。
7.根據權利要求1所述的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元，其特征在于，所述第三導電電極采用的材料為金屬性導電電極材料，包括鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、 鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第三導電電極的厚度均為50 納米至200納米。
8.一種制備納米尺度非揮發性電阻轉變存儲器單元的方法，其特征在于，包括以下步驟在含有選通晶體管接觸插塞的介質層上形成阻變存儲器的第一導電電極薄膜； 在第一導電電極薄膜上涂覆HSQ電子束抗蝕劑并進行電子束曝光、顯影，在選通晶體管漏極接觸插塞中心位置上方在第一導電電極薄膜上形成納米尺度圓形HSQ電子束抗蝕劑通孔和第一阻變層；在該納米尺度圓形HSQ電子束抗蝕劑通孔上依次形成第二阻變層薄膜、第二金屬納米層薄膜、第三阻變層薄膜和第三導電電極薄膜；光刻并依次刻蝕第三導電電極薄膜、第三阻變薄膜、第二金屬納米層薄膜、第二阻變層薄膜、HSQ電子束抗蝕劑和第一導電電極薄膜，在選通晶體管的漏極接觸插塞上形成納米尺度的阻變存儲器；完成后續工序，至少包括介質填充、平坦化和金屬互連。
9.根據權利要求8所述的制備納米尺度非揮發性電阻轉變存儲器單元的方法，其特征在于，所述形成阻變存儲器的第一導電電極薄膜的步驟中，所述第一導電電極薄膜采用的材料為金屬性導電電極材料，包括鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第一導電電極薄膜的厚度為10納米至50納米；所述形成第一導電電極薄膜的方法為原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積中的一種。
10.根據權利要求8所述的制備納米尺度非揮發性電阻轉變存儲器單元的方法，其特征在于，所述形成納米尺度圓形HSQ電子束抗蝕劑通孔和第一阻變層的步驟中，所述涂覆的HSQ電子束抗蝕劑的厚度為50納米至100納米；所述電子束曝光采用JEOL JBX-6300FS 電子束光刻系統，加速電壓為IOOKeV,電子束流小于200pA ；所述顯影采用TMAH或⑶沈顯影液顯影；所述通孔的直徑為5納米至100納米，深度為50納米至100納米；所述第一阻變層為通孔底部未完全顯影掉的HSQ電子束抗蝕劑，第一阻變層的厚度為10納米至50納米。
11.根據權利要求8所述的制備納米尺度非揮發性電阻轉變存儲器單元的方法，其特征在于，所述形成第二阻變層薄膜、第二金屬納米層薄膜、第三阻變層薄膜和第三導電電極薄膜的步驟中，所述第二阻變層和第三阻變層采用的材料為二元氧化物材料，包括氧化鉿、 氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎢、氧化鉭、氧化鎳、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、 氧化鈮、氧化釩和氧化鉬中的一種；所述第二阻變層和第三阻變層的厚度均為10納米至50 納米；所述形成第二阻變層和第三阻變層的方法為原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、 化學氣相沉積、溶膠-凝膠法中的一種；所述第二金屬納米層的材料為金屬性導電材料，包括鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、金、 銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第二金屬納米層的厚度均為1納米至3納米；所述形成第二金屬納米層的方法為原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積中的一種；所述第三導電電極的材料為金屬性導電電極材料，包括鎢、鈦、鋁、銅、鋁銅合金、鉬、 金、銀、鐵、鋅、鎳、鉻、鉭、氮化鈦、氮化鉭、石墨、氧化銦錫中的一種；所述第三導電電極的厚度均為50納米至200納米；所述形成第三導電電極薄膜的方法為原子層沉積、濺射、蒸發、脈沖激光沉積、化學氣相沉積中的一種。
12.根據權利要求8所述的制備納米尺度非揮發性電阻轉變存儲器單元的方法，其特征在于，所述形成納米尺度的阻變存儲器的步驟中，所述刻蝕采用反應離子刻蝕、電感耦合等離子刻蝕、電子回旋共振刻蝕方法中的一種；所述形成的納米尺度的阻變存儲器的直徑為30納米至150納米。
全文摘要
本發明涉及半導體存儲器技術領域，公開了一種利用HSG電子抗蝕劑的納米尺度非揮發性阻變存儲器單元及其制備方法，該存儲器主要包括第一導電電極、由HSQ電子束抗蝕劑經電子束曝光和顯影后形成的通孔及第一阻變材料、第二阻變材料、第二金屬納米層、第三阻變材料、第三導電電極。利用HSQ電子束抗蝕劑曝光顯影后留下的部分作為通孔，通孔的直徑可小至納米量級，通孔底部未完全顯影掉的HSQ電子束抗蝕劑可作為阻變材料的一部分或全部。利用本發明，可獲得器件面積小、產率高、性能良好的電阻轉變存儲器，而且這種半導體存儲器易于大規模集成和實用化。
文檔編號H01L45/00GK102487123SQ20101057438
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月6日 優先權日2010年12月6日
發明者劉明, 劉琦, 呂杭炳, 張康瑋, 牛潔斌, 王艷花, 陳寶欽, 龍世兵 申請人:中國科學院微電子研究所