一種電阻型存儲器的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種電阻型存儲器的制備方法，包括：對開孔而暴露的下電極進行高溫退火，使其表面析出納米顆粒；在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極；以及圖形化上電極和阻變材料層。本發明提供的這種電阻型存儲器的制備方法，通過在Cu下電極表面形成突觸顆粒，由于存在局部電場增強效應，在存儲介質中發生電阻轉變時，導電通道會優先在突觸顆粒上方形成，有效的消除器件的激活電壓、提高器件產率、減小器件參數的離散性。采用該方法制備的CuxO基電阻型存儲器具有制作成本低、效果好、易與CMOS工藝集成的優點。
【專利說明】—種電阻型存儲器的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于集成電路制造【技術領域】，具體涉及一種改善器件參數均一性的電阻存儲器的制備方法。
【背景技術】
[0002]由于便攜式電子設備的不斷普及，非揮發性存儲器在整個存儲器市場中的份額也越來越大。當前FLASH技術是非揮發性存儲器市場的主流，占據了 90%的市場份額。但隨著半導體工藝節點的推進，FLASH技術正遇到一系列的瓶頸問題，如浮柵不能隨技術代發展無限制減薄，數據保持特性問題等，有報道預測FLASH技術的極限在16nm左右，這就迫使人們尋找性能更為優越的下一代非揮發性存儲器。最近電阻轉換存儲器件(resistiveswitching memory)因為其高密度、低成本、可突破技術代發展限制的特點引起高度關注，所使用的材料有相變材料、摻雜的SrZrO3、鐵電材料PbZrTiO3、鐵磁材料PivxCaxMnO3、二元金屬氧化物材料、有機材料等。
[0003]電阻型存儲器通過電信號的作用，使存儲介質在高電阻狀態(High ResistanceState, HRS)和低電阻(Low Resistance State, LRS)狀態之間可逆轉換，從而實現存儲功能。根據導電細絲理論，高阻態和低阻態之間的轉變源于存儲介質中導電通道的形成與斷裂。在當前電阻型存儲器研究領域中，器件參數離散性問題是一個亟待解決的關鍵問題，包括器件與器件之間的均一性，編程次與次之間的均一性問題，導致器件均一性問題的原因在于導電通道形成與斷裂的隨機性，因此，如何有效的控制導電通道的形成與斷裂顯得十分重要。
【發明內容】
[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種改善器件參數均一性的電阻存儲器的制備方法，以提高器件參數的均一性。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]為達到上述目的，本發明提供了一種電阻型存儲器的制備方法，包括:對開孔而暴露的下電極進行高溫退火，使其表面析出納米顆粒；在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極；以及圖形化上電極和阻變材料層。
[0008]上述方案中，在所述對開孔而暴露的下電極進行高溫退火之前還包括:開孔以暴露下電極。
[0009]上述方案中，所述開孔以暴露下電極之后還包括:對開孔而暴露的下電極進行預
氧化處理。
[0010]上述方案中，所述預氧化處理為等離子體氧化、熱氧化或氧離子注入方法。
[0011]上述方案中，所述下電極為金屬Cu。
[0012]上述方案中，所述對開孔的下電極進行高溫退火的步驟中，高溫退火溫度為100°C?450°C，時間為I秒?I小時，高溫退火氛圍為真空、高純Ar或高純N2。
[0013]上述方案中，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，阻變存儲介質是以 HfO, ZrO, CuO, A10, TiO, TaO，WO, MnO, NiO, SiO, MgO，FeO, PCMO 或 STO 為基體的材料，或者是 HfO, ZrO, CuO, A10, TiO, TaO, WO, MnO, NiO, SiO, MgO, FeO, PCMO 或 STO中任意兩種或三種構成的雙層或多層復合層材料。
[0014]上述方案中，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，阻變存儲介質的厚度為Inm?500nm。
[0015]上述方案中，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，阻變存儲介質是通過電子束蒸發、化學氣相沉積、脈沖激光沉積、氧化、原子層沉積、旋涂或濺射方法中的一種制備的。
[0016]上述方案中，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，上電極材料是由單質Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni,或導電金屬化合物TiN、TaN、IrO2、ITO、IZO中至少一種構成。
[0017]上述方案中，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，上電極材料是通過電子束蒸發、化學氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或濺射方法中的一種制備的。
[0018]上述方案中，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，上電極材料的厚度為Inm?500nm。
[0019](三)有益效果
[0020]本發明提供的這種電阻型存儲器的制備方法，通過在Cu下電極表面形成突觸顆粒，由于存在局部電場增強效應，在存儲介質中發生電阻轉變時，導電通道會優先在突觸顆粒上方形成，有效的消除器件的激活電壓、提高器件產率、減小器件參數的離散性。采用該方法制備的CuxO基電阻型存儲器具有制作成本低、效果好、易與CMOS工藝集成的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是依照本發明實施例的制備電阻型存儲器的方法流程圖；
[0022]圖2至圖5是依照本發明實施例的制備電阻型存儲器的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0023]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。
[0024]本發明提供優選實施例，但不應該被認為僅限于在此闡述的實施例。在圖中，為了清楚放大了層和區域的厚度，但作為示意圖不應該被認為嚴格反映了幾何尺寸的比例關系O
[0025]在此參考圖是本發明的理想化實施例的示意圖，本發明所示的實施例不應該被認為僅限于圖中所示的區域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如制造引起的偏差。例如干法刻蝕得到的曲線通常具有彎曲或圓潤的特點，但在本發明實施例圖示中，均以矩形表示，圖中的表示是示意性的，但這不應該被認為限制本發明的范圍。
[0026]圖1是依照本發明實施例的制備電阻型存儲器的方法流程圖。同時，通過圖2至圖5示意了電阻型存儲器的制備方法過程，以下結合圖2至圖5詳細說明電阻型存儲器的制造方法。
[0027]步驟Sll，開孔暴露下電極。
[0028]在該步驟中，如圖2所示，在下電極40上的介質層21上構圖開孔洞27，用于局部暴露下電極，并定義存儲介質層的單元面積大小。下電極40可以是金屬Cu。介質層21可以是氧化硅、氮化硅等材料，可以通過光刻以及刻蝕的辦法形成孔洞27。通過該步驟，完成制備電阻型存儲器的前期工藝。
[0029]步驟S12，對孔洞中的Cu下電極高溫退火處理，使其表面析出Cu納米顆粒。
[0030]在該步驟中，如圖3所示，通過對暴露的銅下電極部分進行高溫退火處理，在其表面析出Cu納米顆粒23。其退火條件為:(I)溫度:100度?450度。⑵時間:1s?lh。
(3)氛圍:真空，高純Ar或高純N2。下電極金屬Cu在高溫作用下受熱膨脹，Cu原子優先在表面晶界處析出，形成Cu納米顆粒，根據退火溫度的和時間的不同，Cu納米顆粒23的尺寸可以在幾納米至幾百納米之間調節。作為較佳實施例，退火條件可以為真空環境300度退火2分鐘。
[0031]步驟S13，在孔洞中Cu電極上方形成阻變存儲介質層30和上電極24。
[0032]在該步驟中，如圖4所示，阻變存儲層30可以為Hf0，Zr0，Cu0，A10，Ti0，Ta0，W0，MnO, NiO, SiO, MgO, FeO, PCMO, STO基體材料，或其雙層或多層的復合層材料，通過電子束蒸發、化學氣相沉積、脈沖激光沉積、氧化、原子層沉積、旋涂或濺射方法中的一種制備完成。作為較佳實施例，阻變存儲層可以為WO3,通過磁控濺射的方法形成，厚度為50nm。沉積金屬導電材料作為上電極24，覆蓋阻變存儲層30。上電極24可以為Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni，導電金屬化合物TiN、TaN、IrO2, ITO、IZO中至少一種構成，通過電子束蒸發、化學氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積、濺射方法中的一種制備完成。作為較佳實施例，上電極材料可以為TiN，采用濺射的方法形成，厚度為50nm。
[0033]步驟S14，圖形化上電極和阻變材料層。
[0034]在該步驟中，如圖5所示，可以采用半導體常規工藝光刻和刻蝕完成。
[0035]至此，圖1所示電阻型存儲器制備方法過程完成。本發明通過在Cu下電極表面形成納米顆粒，由于存在局部電場增強效應，在存儲介質中發生電阻轉變時，導電通道會優先在突觸顆粒上方形成。此發明可以有效的消除器件的激活電壓、減小器件參數的離散性，具有制作成本低、易與CMOS工藝集成的優點。
[0036]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。
【權利要求】
1.一種電阻型存儲器的制備方法，其特征在于，包括: 對開孔而暴露的下電極進行高溫退火，使其表面析出納米顆粒； 在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極；以及 圖形化上電極和阻變材料層。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述對開孔而暴露的下電極進行高溫退火之前還包括:開孔以暴露下電極。
3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述開孔以暴露下電極之后還包括:對開孔而暴露的下電極進行預氧化處理。
4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述預氧化處理為等離子體氧化、熱氧化或氧離子注入方法。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述下電極為金屬Cu。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述對開孔的下電極進行高溫退火的步驟中，高溫退火溫度為100°C?450°C，時間為I秒?I小時，高溫退火氛圍為真空、高純Ar或高純N2。
7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，阻變存儲介質是以HfO，ZrO, CuO, A10, TiO, TaO, WO, MnO,NiO, SiO, MgO, FeO, PCMO 或 STO 為基體的材料，或者是 HfO，ZrO, CuO, A10, TiO, TaO, WO, MnO,NiO, SiO, MgO, FeO, PCMO或STO中任意兩種或三種構成的雙層或多層復合層材料。
8.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，阻變存儲介質的厚度為Inm?500nm。
9.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，阻變存儲介質是通過電子束蒸發、化學氣相沉積、脈沖激光沉積、氧化、原子層沉積、旋涂或濺射方法中的一種制備的。
10.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，上電極材料是由單質Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni，或導電金屬化合物TiN、TaN、IrO2, ITO, IZO中至少一種構成。
11.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，上電極材料是通過電子束蒸發、化學氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或濺射方法中的一種制備的。
12.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述在孔洞中下電極上方形成阻變存儲介質層和上電極的步驟中，上電極材料的厚度為Inm?500nm。
【文檔編號】H01L45/00GK103633243SQ201210311116
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月28日 優先權日:2012年8月28日
【發明者】呂杭炳, 劉明, 劉琦, 李穎弢, 龍世兵 申請人:中國科學院微電子研究所