專利名稱：一種阻變式存儲(chǔ)單元及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體涉及一種阻變式存儲(chǔ)單元及其形成方法。
背景技術(shù)：
阻變式存儲(chǔ)單兀(Resistive Random Access Memory, RRAM)具有巨大的應(yīng)用潛力，因此本領(lǐng)域人員致力尋求一種CMOS后端工藝兼容的RRAM制備工藝，以實(shí)現(xiàn)RRAM大規(guī)
模量產(chǎn)。現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用原子層沉積或磁控濺射以及熱氧化的方法來淀積阻變材料，以及采用高溫退火措施以提高器件性能和穩(wěn)定性，但這些過高溫度的工藝與CMOS后端工藝不兼容，可能具有由于后端工藝溫度過高，導(dǎo)致前端電路損壞的后果。因此開發(fā)滿足性能要求的低溫淀積工藝及能避免高溫退火工藝的材料性能提升技術(shù)是需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的 一個(gè)目的在于提出一種全低溫制備技術(shù)的阻變式存儲(chǔ)單元及其形成方法。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的阻變式存儲(chǔ)單元及其形成方法，包括S1.提供硅襯底；
S2.在所述硅襯底之上形成隔離層；S3.在所述隔離層之上形成底電極；S4.在室溫下通過磁控濺射以在所述底電極之上形成阻變材料層，其中，進(jìn)一步包括S41.在第一壓強(qiáng)、第一氛圍中，通過磁控濺射在所述底電極之上形成TaOx的第一阻變層，其中0〈x〈2 JPS42.在第二壓強(qiáng)、第二氛圍中，通過磁控濺射在在所述第一阻變層之上形成TaOy的第二阻變層，其中0<y<2. 5 ；S5.在所述阻變材料層之上形成頂電極；以及S6.去除所述步驟S5中濺射到所述底電極的表面的阻變材料TaOx和TaOy。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S4重復(fù)多次以形成多層第一阻變層和多層第二阻變層的交替的多層阻變材料層結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一壓強(qiáng)應(yīng)小于第二壓強(qiáng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一壓強(qiáng)為10_3T，第二壓強(qiáng)為10_3τ-10_2τ。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一氛圍和第二氛圍為氬氣摻氧氣的混合氣體，其中第一氛圍的氧氣摩爾百分比小于第二氛圍的氧氣摩爾比百分比。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一氛圍的氧氣摩爾百分比小于5 %，所述第二氛圍的氧氣摩爾百分比>4%。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一阻變層的厚度應(yīng)大于第二阻變層的厚度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一阻變層的厚度為10nm-80nm，第二阻變層的厚度為 5_20nm。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，其特征在于所述阻變單元和頂電極的圖形是通過光刻和剝離工藝形成的。本發(fā)明實(shí)施例的阻變式存儲(chǔ)單元是通過上述方法制備得到的。本發(fā)明通過在室溫環(huán)境下調(diào)節(jié)磁控濺射過程中工藝氣體壓強(qiáng)和氧氣含量的百分比制備TaOx和TaOy雙阻變層的阻變存儲(chǔ)器。本發(fā)明所制備阻變單元的底電極、阻變層和頂電極均采用磁控濺射鍍膜設(shè)備在室溫環(huán)境下形成，對(duì)于電極圖形和阻變單元尺寸的定義采用光刻和剝離工藝。本發(fā)明所提出的阻變存儲(chǔ)器制備方法與CMOS后端工藝的集成只需一臺(tái)磁控濺射鍍膜設(shè)備，降低了集成的成本，增加了集成的便捷性。所制備阻變存儲(chǔ)單元無需高電壓形成過程，并且具有高耐久性，所以本發(fā)明既保證了阻變存儲(chǔ)單元的性能和穩(wěn)定性，又解決了開發(fā)滿足性能要求的低溫淀積工藝及能避免高溫退火工藝的材料性能提升技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1是本發(fā)明實(shí)施例的阻變式存儲(chǔ)單元的形成方法的流程圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的阻變式存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表
示第一特征水平高度小于第二特征。如圖1所示，本發(fā)明提出一種阻變式存儲(chǔ)單元的形成方法，包括如下步驟S1.提供娃襯底。具體地，提供娃襯底100,其晶向和晶面指數(shù)不做限定。S2.在硅襯底之上形成隔離層。具體地，可以通過熱氧化的方式形成二氧化硅隔離層 200。S3.在隔離層之上形成底電極。具體地，通過光刻工藝在帶有二氧化硅隔離層200的硅襯底100上制備出底電極圖形，然后濺射Pt作為底電極300。優(yōu)選地，可以在步驟S2之后、步驟S3之前，在隔離層200上先磁控濺射5nm厚的Ti粘合層。該粘合層用于增強(qiáng)Pt電極與二氧化硅隔離層的粘合性作用。

S4.在室溫下通過磁控濺射以在底電極之上形成阻變材料層。其中，S4進(jìn)一步包括S41.在第一壓強(qiáng)、第一氛圍中，通過磁控濺射在底電極之上形成TaOx的第一阻變層，其中0〈x〈2 JPS42.在第二壓強(qiáng)、第二氛圍中，通過磁控濺射在在第一阻變層之上形成TaOJA第二阻變層，其中0〈y〈2. 5。具體地，在數(shù)值較小的第一壓強(qiáng)(約10_3T)下，氧含量較低(氧氣摩爾百分比〈5%)的氧氦混合氣的第一氛圍中，磁控派射形成厚度為大于IOnmTaOx的第一阻變層410,其中0〈x〈2。在數(shù)值較大的第二壓強(qiáng)下(10_3T-10_2T)，氧含量較高(氧氣摩爾百分比>4%)的氧氦混合氣的第二氛圍中，磁控濺射形成厚度為5-20nm的TaOy的第二阻變層420，其中0<y<2. 5。優(yōu)選地，步驟S41和S42交替進(jìn)行多次，即調(diào)節(jié)工藝氣體壓強(qiáng)和組分來制備TaOj^PTaOy的多層阻變材料結(jié)構(gòu)。該多層結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于阻變存儲(chǔ)器的阻變層。S5.在阻變材料層之上形成頂電極。具體地，光刻制備出頂電極圖形，并定義出阻變單元尺寸，隨后磁控濺射Pt以形成頂電極500。S6.去除步驟S4中濺射到底電極的底部表面的阻變材料TaOx和TaOy。具體地，由于步驟S4中在底電極300頂部濺射阻變材料TaOx和TaOy時(shí)，由于濺射粒子是各個(gè)方向散射，故底電極300的表面也不可避免地形成了一些阻變材料，即底電極300阻變材料被覆蓋了，需要進(jìn)行清除處理。通常可采用光刻膠作為掩膜，用稀釋氫氟酸濕法刻蝕掉底電極底部的鉭氧化物，以及用丙酮浸泡去除殘余的光刻膠。如圖2所示，本發(fā)明提出的基于上述方法形成的阻變式存儲(chǔ)單元包括底電極300、第一阻變層410、第二阻變層420以及頂電極500。此外，圖中還示出了硅襯底100和二氧化硅隔離層200的部分。本發(fā)明通過在室溫環(huán)境下調(diào)節(jié)磁控濺射過程中工藝氣體壓強(qiáng)和氧氣含量的百分比制備TaOx和TaOy雙阻變層的阻變存儲(chǔ)器。本發(fā)明所制備阻變單元的底電極、阻變層和頂電極均采用磁控濺射鍍膜設(shè)備在室溫環(huán)境下形成，對(duì)于電極圖形和阻變單元尺寸的定義采用剝離工藝和濕法刻蝕工藝。本發(fā)明所提出的阻變存儲(chǔ)器制備方法與CMOS后端工藝的集成只需一臺(tái)磁控濺射鍍膜設(shè)備，降低了集成的成本，增加了集成的便捷性。所制備阻變存儲(chǔ)單元無需高電壓形成過程，并且具有高耐久性，所以本發(fā)明既保證了阻變存儲(chǔ)單元的性能和穩(wěn)定性，又解決了開發(fā)滿足性能要求的低溫淀積工藝及能避免高溫退火工藝的材料性能提升技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)。需要說明的是，流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括一個(gè)或更多個(gè)用于實(shí)現(xiàn)特定邏輯功能或過程的步驟的可執(zhí)行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的范圍包括另外的實(shí)現(xiàn)，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據(jù)所涉及的功能按基本同時(shí)的方式或按相反的順序，來執(zhí)行功能，這應(yīng)被本發(fā)明的實(shí)施例所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā) 明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
權(quán)利要求
1.一種阻變式存儲(chǔ)單元的形成方法，其特征在于，包括 51.提供娃襯底； 52.在所述硅襯底之上形成隔離層； 53.在所述隔離層之上形成底電極； 54.在室溫下通過磁控濺射以在所述底電極之上形成阻變材料層，其中，進(jìn)一步包括 541.在第一壓強(qiáng)、第一氛圍中，通過磁控濺射在所述底電極之上形成TaOx的第一阻變層，其中0<x<2 ;和 542.在第二壓強(qiáng)、第二氛圍中，通過磁控濺射在在所述第一阻變層之上形成TaOy的第二阻變層，其中0〈y〈2. 5 ; 55.在所述阻變材料層之上形成頂電極；以及 56.去除所述步驟S5中濺射到所述底電極的表面的阻變材料TaOx和TaOy。
2.如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述步驟S4重復(fù)多次以形成多層第一阻變層和多層第二阻變層的交替的多層阻變材料層結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一壓強(qiáng)應(yīng)小于第二壓強(qiáng)。
4.如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一壓強(qiáng)為10_3T，第二壓強(qiáng)為I (T3T-1 (T2T。
5.如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一氛圍和第二氛圍為氬氣摻氧氣的混合氣體，其中第一氛圍的氧氣摩爾百分比小于第二氛圍的氧氣摩爾比百分比。
6.如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一氛圍的氧氣摩爾百分比小于5%，所述第二氛圍的氧氣摩爾百分比>4%。
7.如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一阻變層的厚度應(yīng)大于第二阻變層的厚度。
8.如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一阻變層的厚度為10nm-80nm，第二阻變層的厚度為5-20nm。
9.如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于所述阻變單元和頂電極的圖形是通過光刻和剝離工藝形成的。
10.如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述方法制備得到的阻變式存儲(chǔ)單元。
全文摘要
本發(fā)明提出一種阻變式存儲(chǔ)單元及其形成方法，其中該方法包括提供硅襯底；形成隔離層；形成底電極；在室溫下通過磁控濺射以形成阻變材料層，其中，進(jìn)一步包括在第一壓強(qiáng)、第一氛圍中，通過磁控濺射在底電極之上形成TaOx的第一阻變層，其中0<x<2；和在第二壓強(qiáng)、第二氛圍中，通過磁控濺射在在第一阻變層之上形成TaOy的第二阻變層，其中0<y<2.5；在阻變材料層之上通過磁控濺射和剝離工藝形成頂電極；以及通過濕法刻蝕去除濺射到底電極的表面的阻變材料TaOx和TaOy。本發(fā)明具有技術(shù)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/08GK103066206SQ20121057268
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者李辛毅, 吳華強(qiáng), 錢鶴 申請(qǐng)人:清華大學(xué)