專利名稱：具有交叉陣列結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路及其制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有交叉陣列結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器及制備方法。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)性存儲(chǔ)器具有在無電源供應(yīng)時(shí)仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)信息的優(yōu)點(diǎn)，在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域具有非常重要的地位。其中利用電阻變化的新型非揮發(fā)性存儲(chǔ)器具有高速度(< Ins)、低操作電壓(< 1.5V)、高存儲(chǔ)密度、可以在一個(gè)單元上實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，很有希望成為下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主流技術(shù)。這種阻變存儲(chǔ)器(RRAM) —般具有金屬-絕緣體-金屬的三明治結(jié)構(gòu)，即在兩層金屬電極之間加入一層具有阻變特性的介質(zhì)薄膜材料， 這些阻變材料一般是金屬氧化物。阻變存儲(chǔ)器的工作原理是在阻變材料兩端施加大小或者極性不同的電壓，控制阻變材料的電阻值在高低電阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換。習(xí)慣上稱阻變材料表現(xiàn)出的兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)為高阻態(tài)和低阻態(tài)，由高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)閜rogram或者SET，由低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)閑raze或者RESET。在阻變存儲(chǔ)器電路應(yīng)用方面，一般采用1T-1R或1D-1R的結(jié)構(gòu)。其中，1T-1R指的是一個(gè)存儲(chǔ)單元由一個(gè)選通晶體管和一個(gè)阻變電阻組成，要向指定的單元寫入或擦除數(shù)據(jù)，需要依靠相應(yīng)的晶體管控制。參照?qǐng)D1，1D_1R結(jié)構(gòu)指的是一個(gè)存儲(chǔ)單元由一個(gè)二極管和一個(gè)阻變電阻組成，這種結(jié)構(gòu)一般用于高密度的交叉陣列結(jié)構(gòu)，二極管用于防止旁路的串?dāng)_影響，在每條陣列的終端仍然需要一個(gè)選通晶體管控制。一般情況下，與阻變電阻串聯(lián)的二極管需要特殊設(shè)計(jì)，主要原因是阻變電阻的低阻態(tài)工作電流受器件面積影響很小，而一般的二極管工作電流與器件面積成正比，當(dāng)存儲(chǔ)單元面積縮小到一定程度時(shí)，串聯(lián)的二極管就無法提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流以確保阻變電阻能夠正常轉(zhuǎn)變。因此，在設(shè)計(jì)二極管時(shí)既要考慮到工藝的兼容性，又要能夠提供足夠的電流驅(qū)動(dòng)。這樣，制備1D-1R的結(jié)構(gòu)需要引入新材料，甚至需要增加工藝的復(fù)雜程度。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何在不增加工藝復(fù)雜度的情況下，提供一種適合于三維集成的阻變存儲(chǔ)器。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有交叉陣列結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器包括硅襯底，在所述硅襯底上設(shè)有第一隔離層，在所述第一隔離層上設(shè)有至少一個(gè)與其垂直的納米柱，繞所述納米柱的側(cè)壁一周設(shè)有阻變氧化層，繞所述阻變氧化層的外側(cè)壁一周設(shè)有從下至上間隔設(shè)置的金屬層和第二隔離層，所述納米柱的材料為金屬。優(yōu)選地，所述阻變氧化層的外側(cè)壁與金屬層及第二隔離層之間還設(shè)有整流層、或所述阻變氧化層的內(nèi)側(cè)壁與納米柱之間還設(shè)有整流層。
優(yōu)選地，所述整流層的厚度為2 5nm。優(yōu)選地，所述整流層的材料為摻雜多晶硅或金屬氧化物。優(yōu)選地，所述阻變氧化層的材料為Hf02、Ni0、Ti02、Zr02、ai0、W03、Ta205、Al203、Cu0、 Lei203、以及Gd2O3其中的一種。優(yōu)選地，第一隔離層和第二隔離層的厚度均為50 300nm，第一隔離層和第二隔離層的材料均為SiO2。優(yōu)選地，所述金屬層的厚度為10 lOOnm，所述金屬層的材料為TiN、TaN、Pt、Au、 W、Cu、Al、Ti、Ir、以及 Ni 其中之一。優(yōu)選地，所述納米柱的高度為50 lOOOnm，所述納米柱的材料為TiN、TaN、Pt、Au、 W、Cu、Al、Ti、Ir、以及 Ni 其中之一。本發(fā)明還公開了一種用于制備所述的存儲(chǔ)器的制備方法，包括以下步驟Sl 在硅襯底上通過淀積形成第一隔離層；S2 在第一隔離層上通過淀積形成間隔設(shè)置的金屬層和隔離層；S3 在步驟S2的基礎(chǔ)上利用光刻刻蝕技術(shù)形成至少一個(gè)凹槽，所述凹槽的下底為
第一隔離層；S4 淀積阻變氧化層的材料；S5 在步驟S4的基礎(chǔ)上通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法將阻變氧化層的材料多余的部分去掉，只保留繞所述凹槽側(cè)壁的阻變氧化層；S6 在步驟S5的基礎(chǔ)上通過淀積的方式形成納米柱；S7 通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法磨掉在步驟S6的基礎(chǔ)上最上層的多余的納米柱的材料。優(yōu)選地，步驟S4或步驟S5之前還包括以下步驟S41 淀積整流層的材料；則對(duì)應(yīng)的步驟S5為通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法將阻變氧化層和整流層的材料多余的部分去掉，只保留繞所述凹槽側(cè)壁的阻變氧化層和整流層。(三)有益效果本發(fā)明通過按照一定的結(jié)構(gòu)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了在不增加工藝復(fù)雜度的情況下，提供了一種適合于三維集成的阻變存儲(chǔ)器。


圖1是傳統(tǒng)的1D-1R電阻式存儲(chǔ)器交叉陣列結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是按照本發(fā)明一種實(shí)施方式的具有交叉陣列結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器的截面圖；圖3是圖2所示的存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是按照本發(fā)明另一種實(shí)施方式的具有交叉陣列結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是制備圖2所示的存儲(chǔ)器的制備方法的流程圖；圖6是制備圖2所示的存儲(chǔ)器的制備方法的示意圖；圖7是制備包括圖4所示的存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器的制備方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。下面通過間隔設(shè)置了 5層的金屬層和隔離層來說明本發(fā)明的存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，實(shí)際結(jié)構(gòu)中可以重復(fù)更多層，因此并不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，參照?qǐng)D2，本實(shí)施方式的存儲(chǔ)器包括硅襯底，在所述硅襯底上設(shè)有第一隔離層，在所述第一隔離層上設(shè)有至少一個(gè)與其垂直的納米柱，繞所述納米柱的側(cè)壁一周設(shè)有阻變氧化層，繞所述阻變氧化層的外側(cè)壁一周設(shè)有從下至上間隔設(shè)置的金屬層和第二隔離層，所述納米柱的材料為金屬。圖1是傳統(tǒng)的1D-1R電阻式存儲(chǔ)器交叉陣列結(jié)構(gòu)的示意圖，參照?qǐng)D1，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器一般包括平行的字線，與字線垂直的位線，以及字線和位線的每個(gè)交差點(diǎn)處的可變電阻存儲(chǔ)單元。其中字線和位線一般都是平行于襯底平面。圖3是圖2所示的存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其中每層金屬層可以看成字線(其實(shí)是一個(gè)平面)，同時(shí)也是存儲(chǔ)單元的一個(gè)電極；納米柱是位線，同時(shí)是存儲(chǔ)單元的另一個(gè)電極；位線與字線平面交差點(diǎn)處的阻變氧化層是一個(gè)存儲(chǔ)單元。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把傳統(tǒng)的平面交差陣列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)了 90度，成為垂直交差陣列結(jié)構(gòu)，并把傳統(tǒng)的二維交差陣列推廣成為三維，顯著的提高了存儲(chǔ)密度。優(yōu)選地，所述阻變氧化層的材料可為Hf02、NiO, TiO2, ZrO2, ZnO, WO3> Ta2O5, A1203、 CuO、La2O3>以及Gd2O3其中的一種。為實(shí)現(xiàn)整流效果，優(yōu)選地，參照?qǐng)D4，所述阻變氧化層的外側(cè)壁與金屬層及第二隔離層之間還設(shè)有整流層，還可以將所述阻變氧化層的內(nèi)側(cè)壁與納米柱之間設(shè)有整流層，優(yōu)選地，所述整流層的厚度可以為2 5nm，所述整流層的材料可以為摻雜多晶硅或其它金屬氧化物半導(dǎo)體材料(如CuO、ZnO)。在這個(gè)存儲(chǔ)單元工作時(shí)，需要選中一個(gè)位線選通晶體管，和一個(gè)字線選通晶體管， 在這兩個(gè)晶體管的柵極加電壓，使晶體管開啟。這時(shí)與字線選通晶體管連接的字線金屬層和與位線選通晶體管連接的位線納米柱上可以被施加電壓，它們交點(diǎn)處的那一個(gè)阻變存儲(chǔ)單元就被選中。在選中的字線和位線上施加合適的電壓就可以完成對(duì)選中存儲(chǔ)單元的擦寫和讀取操作。優(yōu)選地，第一隔離層和第二隔離層的厚度均可以為50 300nm，第一隔離層和第二隔離層的材料可以均為Si02。優(yōu)選地，所述金屬層的厚度可以為10 lOOnm，所述納米柱的高度為50 lOOOnm，優(yōu)選地，所述金屬層和納米柱的材料均可以為TiN、TaN、Pt、Au、W、Cu、Al、Ti、Ir、以
及Ni其中之一。本實(shí)施方式的存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)為提出的存儲(chǔ)器垂直交差陣列結(jié)構(gòu)適用于三維集成，顯著提高了集成密度；采用了垂直存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，可以避免二極管在尺寸縮小后出現(xiàn)的提供電路能力不足的問題；通過一次光刻就可以實(shí)現(xiàn)多層的交差陣列結(jié)構(gòu)，顯著降低了制造成本，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。參照?qǐng)D5和圖6，本發(fā)明還公開了一種用于制備所述的存儲(chǔ)器的制備方法，包括以下步驟Sl 在硅襯底上通過淀積形成第一隔離層；
5
S2 在第一隔離層上通過淀積形成間隔設(shè)置的金屬層和隔離層；S3 在步驟S2的基礎(chǔ)上利用光刻刻蝕技術(shù)形成至少一個(gè)凹槽，所述凹槽的下底為
第一隔離層；S4 淀積阻變氧化層的材料；S5 在步驟S4的基礎(chǔ)上通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法將阻變氧化層的材料多余的部分去掉，只保留繞所述凹槽側(cè)壁的阻變氧化層；S6 在步驟S5的基礎(chǔ)上通過淀積的方式形成納米柱；S7 通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法磨掉在步驟S6的基礎(chǔ)上最上層的多余的納米柱的材料。參照?qǐng)D7，優(yōu)選地，在圖5的基礎(chǔ)上步驟S4之前還包括以下步驟(還可以在步驟 S5之前):S41 淀積整流層的材料；則對(duì)應(yīng)的步驟S5為通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法將阻變氧化層和整流層的材料多余的部分去掉，只保留繞所述凹槽側(cè)壁的阻變氧化層和整流層。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種具有交叉陣列結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器，其特征在于，所述存儲(chǔ)器包括硅襯底，在所述硅襯底上設(shè)有第一隔離層，在所述第一隔離層上設(shè)有至少一個(gè)與其垂直的納米柱，繞所述納米柱的側(cè)壁一周設(shè)有阻變氧化層，繞所述阻變氧化層的外側(cè)壁一周設(shè)有從下至上間隔設(shè)置的金屬層和第二隔離層，所述納米柱的材料為金屬。
2.如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變氧化層的外側(cè)壁與金屬層及第二隔離層之間還設(shè)有整流層、或所述阻變氧化層的內(nèi)側(cè)壁與納米柱之間還設(shè)有整流層。
3.如權(quán)利要求2所述的存儲(chǔ)器，其特征在于，所述整流層的厚度為2 5nm。
4.如權(quán)利要求2或3所述的存儲(chǔ)器，其特征在于，所述整流層的材料為摻雜多晶硅或金屬氧化物。
5.如權(quán)利要求1或2所述的存儲(chǔ)器，其特征在于，所述阻變氧化層的材料為Hf02、Ni0、 TiO2, ZrO2, ZnO、WO3> Ta2O5, A1203、CuO, La2O3> 以及 Gd2O3 其中的一種。
6.如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器，其特征在于，第一隔離層和第二隔離層的厚度均為 50 300nm，第一隔離層和第二隔離層的材料均為Si02。
7.如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器，其特征在于，所述金屬層的厚度為10 lOOnm，所述金屬層的材料為TiN、TaN、Pt、Au、W、Cu、Al、Ti、Ir、以及Ni其中之一。
8.如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器，其特征在于，所述納米柱的高度為50 lOOOnm，所述納米柱的材料為TiN、TaN、Pt、Au、W、Cu、Al、Ti、Ir、以及Ni其中之一。
9.一種用于制備權(quán)利要求1 8任一項(xiàng)所述的存儲(chǔ)器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟51在硅襯底上通過淀積形成第一隔離層；52在第一隔離層上通過淀積形成間隔設(shè)置的金屬層和隔離層；53在步驟S2的基礎(chǔ)上利用光刻刻蝕技術(shù)形成至少一個(gè)凹槽，所述凹槽的下底為第一隔離層；54淀積阻變氧化層的材料；55在步驟S4的基礎(chǔ)上通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法將阻變氧化層的材料多余的部分去掉，只保留繞所述凹槽側(cè)壁的阻變氧化層；56在步驟S5的基礎(chǔ)上通過淀積的方式形成納米柱；57通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法磨掉在步驟S6的基礎(chǔ)上最上層的多余的納米柱的材料。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，步驟S4或步驟S5之前還包括以下步驟S41 淀積整流層的材料；則對(duì)應(yīng)的步驟S5為通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法將阻變氧化層和整流層的材料多余的部分去掉，只保留繞所述凹槽側(cè)壁的阻變氧化層和整流層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有交叉陣列結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器及制備方法，涉及半導(dǎo)體集成電路及其制造技術(shù)領(lǐng)域，所述存儲(chǔ)器包括硅襯底，在所述硅襯底上設(shè)有第一隔離層，在所述第一隔離層上設(shè)有至少一個(gè)與其垂直的納米柱，繞所述納米柱的側(cè)壁一周設(shè)有阻變氧化層，繞所述阻變氧化層的外側(cè)壁一周設(shè)有從下至上間隔設(shè)置的金屬層和第二隔離層，所述納米柱的材料為金屬。本發(fā)明通過按照一定的結(jié)構(gòu)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了在不增加工藝復(fù)雜度的情況下，提供了一種適合于三維集成的阻變存儲(chǔ)器。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102522501SQ20111045294
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者劉力鋒, 劉曉彥, 康晉鋒, 高濱 申請(qǐng)人:北京大學(xué)