專利名稱：一種阻變存儲器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非揮發(fā)性含氮阻變存儲器件的制備方
法
背景技術(shù)：
自晶體管和集成電路技術(shù)的發(fā)明以來，以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的微電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展推動著整個信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的同時徹底改變著人類生活的方方面面。經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)離不開基于CMOS技術(shù)的高密度、高速度的存儲器件發(fā)展。然而，隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮小和存儲容量需求的進(jìn)一步提高，基于傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的Flash存儲器件受到越來越多的挑戰(zhàn)。研究和開發(fā)出基于新結(jié)構(gòu)、新材料和新機(jī)理的新型存儲器件成為未來存儲器研究的熱點?；诒∧ぜ夹g(shù)的具有金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)的阻變存儲器(RRAM)由于其工藝簡單、兼容性強(qiáng)、高速、小尺寸、低功耗等眾多優(yōu)點，有望應(yīng)用于下一代高密度存儲器件中。阻變存儲器單元結(jié)構(gòu)采用MM電容結(jié)構(gòu)，在上、下電極之間夾著絕緣層或半導(dǎo)體功能材料層，又稱三明治結(jié)構(gòu)(Sandwich Structrue)。存儲陣列可以采用crossbar的交叉陣列結(jié)構(gòu)。這種交叉陣列結(jié)構(gòu)工藝簡單、密度高、并具有較好的等比縮小能力。目前，阻變存儲器的阻變材料層的研究主要集中在Ni0、Ti02、Al203、Ta205等過渡金屬氧化物。此類物質(zhì)的阻變機(jī)理主要是由于氧離子的移動形成氧空位導(dǎo)電細(xì)絲，同時，阻變材料層中缺陷的數(shù)量也將直接影響器件的阻變特性。而N原子與金屬原子的結(jié)合能更低，含N的過渡金屬氧化物往往更容易表現(xiàn)出優(yōu)良的阻變存儲性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種含氮阻變存儲器的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種阻變存儲器，包括頂電極，阻變材料層，底電極和襯底，其特征在于，阻變材料層是對氧化物進(jìn)行N+離子注入后生成的氮氧化合物，所述N+離子注入的劑量范圍為1012/Cm2-IO19/cm2。所述氧化物可為TaOx、TiOx, AlOx, HfOx, NiOx, TOX、SiO2等常用RRAM阻變材料層氧化物。所述氮氧化合物阻變材料層的厚度為3nm-100nm。所述底電極可為W電極、Ta電極、Ti電極、Al電極、Y電極、Hf電極等，所述底電極金屬的厚度范圍為50nm-300nm。所述頂電極可為Pt電極、TiN電極、Cu電極或者Ag電極等，所述頂電極上面可加有保護(hù)電極，保護(hù)電極為鉬、鈦或者金。一種阻變存儲器的制備方法，其包括如下步驟I)在襯底上通過濺射、光刻、剝離等步驟制備底電極。
2)通過PVD、CVD、ALD或其它IC工藝中的成膜等方法淀積氧化物阻變材料。3)在金屬氧化物上淀積阻擋層4)對器件進(jìn)行N+離子注入，注入深度要達(dá)到氧化物層，形成氮氧化合物作為阻變材料層5)采用刻蝕、HF酸腐蝕、BHF腐蝕等工藝去除阻擋層。6)光刻、刻蝕底電極連接通孔。6)通過光刻、淀積、剝離等工藝方法在上述阻變材料層上制備頂電極。本發(fā)明阻變材料層為常用RRAM氧化物進(jìn)行注N+操作后形成的氮氧化化合物，離子注入過程之前需要在氧化物層上淀積一層阻擋層，在離子注入完之后去除阻擋層。所述阻擋層材料可為Si02、Si、及其他便于去除的金屬氧化物等，阻擋層的厚度范圍為30nm_300nm。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極技術(shù)效果在于本發(fā)明通過在傳統(tǒng)氧化物阻變材料層中引入N+離子，制備出氮氧化合物阻變材料層，利用N+的移動實現(xiàn)空位導(dǎo)電通道的形成和斷裂?？山档推骷淖枳冸妷?，提升器件的阻變性能。同時，通過在金屬氧化物阻變材料層上淀積一層阻擋層之后對器件進(jìn)行N+離子注入，之后在去除阻擋層。保證了離子注入時的效率，防止大量離子直接注入對氧化層的嚴(yán)重?fù)p傷。


圖I為本發(fā)明實施例阻變存儲器的截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2為本發(fā)明制備工藝流程圖；其中I-頂電極金屬；2_阻變材料層；3_底電極金屬；4_注入N+離子；5-襯底；6_阻擋層。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本實施例以TaOx為基礎(chǔ)阻變氧化物2、Si02作為阻擋層6、Pt做底電極金屬3、TiN做頂電極金屬I。制得的阻變存儲器的截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示，下面結(jié)合附圖2闡述本實施例阻變存儲器的制備過程I)首先在硅襯底上采用物理氣相淀積(PVD)方法或其它IC工藝中的成膜方法制備一層Pt電極金屬150nm,如圖2(a)、(b)所不；2)采用標(biāo)準(zhǔn)光刻、剝離技術(shù)，使底電極圖形化，形成底電極圖形；3)清洗、采用PVD方法淀積TaOx 30nm。并在400°C溫度下氧化I小時，如圖2 (c)所示。4)采用CVD方法淀積阻擋層SiO2 IOOnm,如圖2 (d)所示。5)離子注入N+，注入深度130nm，注入劑量106/cm2，注入能力IOOKeV,如圖2 (e)所示；6)采用HF酸、或BHF腐蝕SiO2至TaOx露出，如圖2 (f)所示；7)光刻、刻蝕定義底電極引出孔，如圖2(g)所示；
8)同底電極制備一樣，采用PVD方法或其它IC工藝中的成膜方法制備頂電極TiN及其保護(hù)電極Pt，如圖2(h)所示。本實施例通過離子注入的方法制備出了含氮氧化物為阻變材料的阻變存儲器Ta/TaOxNy/TiN。該器件可以展現(xiàn)較好的阻變存儲特性。雖然本說明書通過具體的實施例詳細(xì)描述了本發(fā)明所提供的用離子注入法制備含氮氧化物作為阻變 材料層的RRAM結(jié)構(gòu)，材料及其制備方法，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的實現(xiàn)方式不限于實施例的描述范圍，例如底電極材料選用Al、Ti、Hf、Zr、Y等金屬材料都可，阻變材料的基礎(chǔ)氧化物還可選用Ta0x、Ti0x、A10x、Hf0x、Ni0x、W0x、Si02等，頂電極也可以換成RRAM制備工藝中常見的金屬電極。對阻擋層的去除方法包括但不限于RIE、AME、ASE、HF腐蝕等多種氧化物刻蝕或腐蝕方法。以上通過詳細(xì)實施例描述了本發(fā)明所提供的基于離子注入法制備的含氮阻變存儲器及其制備方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的變換或修改；不限于實施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種阻變存儲器，包括頂電極，阻變材料層，底電極和襯底，其特征在于，阻變材料層是對氧化物進(jìn)行N+離子注入后生成的氮氧化合物，所述N+離子注入的劑量范圍為IO12/Cm2-IO19/cm2。
2.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器，其特征在于，所述氧化物為Ta0x、Ti0x、A10x、Hf0x、NiOx、WOx 或 SiO2。
3.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器，其特征在于，所述氮氧化合物層的厚度范圍為3nm-100nmo
4.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器，其特征在于，所述底電極為W電極、Ta電極、Ti電極、Al電極、Y電極或Hf電極，所述底電極的厚度范圍為50nm-300nm。
5.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器，其特征在于，所述頂電極為Pt電極、TiN電極、Cu電極或者Ag電極。
6.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器，其特征在于，所述頂電極上加有保護(hù)電極，保護(hù)電極為鉬、鈦或者金。
7.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器的制備方法，其包括如下步驟 1)在襯底上通過濺射、光刻、剝離步驟制備底電極； 2)通過PVD、CVD、ALD或其它IC工藝中的成膜方法淀積氧化物阻變材料； 3)在氧化物上淀積阻擋層； 4)對器件進(jìn)行N+離子注入，注入深度達(dá)到氧化物層，形成氮氧化合物作為阻變材料層，所述N+離子注入的劑量范圍為1012/Cm2-1019/Cm2 ； 5)采用刻蝕、HF酸腐蝕或BHF腐蝕工藝去除阻擋層； 6)光刻、刻蝕底電極連接通孔； 7)通過光刻、淀積、剝離工藝方法在上述阻變材料層上制備頂電極。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述阻擋層材料為SiO2或Si，阻擋層的厚度范圍為30nm-300nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種阻變存儲器及其制備方法，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過在傳統(tǒng)氧化物阻變材料層中引入N+離子，制備出氮氧化合物阻變材料層，利用N+的移動實現(xiàn)空位導(dǎo)電通道的形成和斷裂?？山档推骷淖枳冸妷?，提升器件的阻變性能。同時，本發(fā)明提供的制備方法通過在金屬氧化物阻變材料層上淀積一層阻擋層之后，對器件進(jìn)行N+離子注入，再去除阻擋層，保證了離子注入時的效率，防止大量離子直接注入對金屬氧化層的嚴(yán)重?fù)p傷。
文檔編號H01L45/00GK102623638SQ20121011683
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者唐昱, 楊庚雨, 林増明, 毛俊, 潘岳, 羅長寶, 蔡一茂, 譚勝虎, 黃如, 黃英龍 申請人:北京大學(xué)