CN109411602A - 氧化钽基阻变存储器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化钽基阻变存储器，存储单元包括阻变材料，阻变材料由氧化钽层组成，氧化钽层中的氧为通过氧离子注入工艺注入到钽层中，通过氧离子注入工艺使氧化钽层具有氧的深度和浓度被控制的结构，氧的深度通过氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制改善存储单元的性能。本发明还公开了一种氧化钽基阻变存储器的制造方法。本发明能实现对氧化钽阻变材料中的氧的深度和浓度进行精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种氧化钽(TaOx)基阻变存储器(RRAM)。本发明还涉及一种氧化钽基阻变存储器的制造方法。
背景技术
随逻辑工艺的进一步微缩，特别是进入40nm工艺节点后，现有的带电可擦写可编程读写存储器(EEPROM)或者或非(NOR)闪存(FLASH)与以高介电常数栅介质层加金属栅(HKMG)结构和鳍式场效应晶体管(FinFET)为代表的先进逻辑工艺的集成难度进一步增大，其高昂的制造成本以及退化的器件性能无法为实际应用所接受，微缩化遇到瓶颈，使得国际上对NOR flash的研发长期停留在了55nm节点；另一方面，嵌入式应用对于功耗非常敏感，传统的嵌入式Flash擦写电压高达10V以上，且不能随工艺节点的微缩而降低，需要有额外的高压电路模块，因此限制了其在低功耗场合的应用。
阻变存储器是一种新型的存储技术，具有简单的两端结构，其工作机理是，在外加电压的作用下，器件通过形成和断裂导电通道，实现高阻态和低阻态间的可逆转变，从而用来存储数据。它具有可微缩性好，易三维堆叠等特点，国际半导体技术路线图指出，阻变存储器是最具商业化潜力的新型存储技术之一。
阻变存储器的工艺结构层通常采用氧化钽作为阻变材料，形成TaOx工艺在业界目前通常采用三种方式，第一种方式直接采用PVD方式进行TaOx薄膜淀积；第二种方式，物理气相沉积(PVD)方式进行钽(Ta)的淀积，再通过化学气相沉积(CVD)方式通过N2O方式对Ta进行氧化；第三种方式是采用PVD方式进行Ta的淀积，再通过CVD或者灰化(Asher)的方式进行O2的氧化，三种方式都可以获得的TaOx，但是这三种方式都会都存氧化程度控制难度，此外对后续工艺也存在一定的难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化钽基阻变存储器，能实现对氧化钽阻变材料中的氧的深度和浓度进行精确控制。为此，本发明还提供一种氧化钽基阻变存储器的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的氧化钽基阻变存储器的存储单元包括阻变材料，所述阻变材料由氧化钽层组成，所述氧化钽层中的氧为通过氧离子注入工艺注入到钽层中，通过所述氧离子注入工艺使所述氧化钽层具有氧的深度和浓度被控制的结构，氧的深度通过所述氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过所述氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制改善所述存储单元的性能。
进一步的改进是，所述存储单元还包括底电极(BE)和顶电极(TE)，所述阻变材料形成于所述底电极上，所述顶电极形成在所述阻变材料上，所述底电极、所述阻变材料和所述顶电极形成叠加结构。
进一步的改进是，所述存储单元还包括插入层(IL)，所述插入层位于所述阻变材料和所述顶电极之间。
进一步的改进是，所述插入层由钽层组成，所述插入层的钽层和所述阻变材料的钽层呈连续的整体结构，由位于所述阻变材料表面的未注入氧的钽层形成所述插入层。
进一步的改进是，所述底电极形成在第一金属层表面上，所述顶电极通过通孔连接到第二金属层。
进一步的改进是，所述第一金属层和所述第二金属层之间隔离有层间介质层，在所述第一金属层和底部的金属层之间也隔离有层间介质层。
进一步的改进是，所述底电极的材料为TiN，所述顶电极的材料为TiN。
进一步的改进是，所述层间介质层采用超低介电材料黑金钢II(Black Diamond，BDII)材料；所述第一金属层、所述第二金属层材料和所述通孔的材料都为铜，且都采用大马士革工艺形成。
进一步的改进是，在各所述层间介质层的表面形成有氮掺杂碳化硅(N DopedSiC，NDC)层，所述NDC层覆盖底部对应的金属层并作为金属扩散的阻挡层。
为解决上述技术问题，本发明提供的氧化钽基阻变存储器的制造方法的阻变材料的形成步骤包括：
形成一层钽层。
进行氧离子注入将氧注入到所述钽层中形成氧化钽层，由所述氧化钽层组成所述阻变材料。
通过所述氧离子注入工艺控制所述氧化钽层的氧的深度和浓度，氧的深度通过所述氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过所述氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制改善所述存储单元的性能。
进一步的改进是，所述钽层是采用PVD工艺形成在底电极表面上。
在形成所述阻变材料之后，还包括在所述阻变材料表面形成顶电极的步骤，所述底电极、所述阻变材料和所述顶电极形成叠加结构。
进一步的改进是，所述存储单元还包括插入层，所述插入层位于所述阻变材料和所述顶电极之间，所述插入层由钽层组成，所述插入层的钽层和所述阻变材料的钽层呈连续的整体结构，由位于所述阻变材料表面的未注入氧的钽层形成所述插入层。
进一步的改进是，所述底电极形成在第一金属层表面上，所述顶电极通过通孔连接到第二金属层；所述第一金属层和所述第二金属层之间隔离有层间介质层，在所述第一金属层和底部的金属层之间也隔离有层间介质层。
进一步的改进是，所述底电极的材料为TiN，所述顶电极的材料为TiN。
进一步的改进是，所述层间介质层采用BDII材料；所述第一金属层、所述第二金属层材料和所述通孔的材料都为铜，且都采用大马士革工艺形成。
在各所述层间介质层的表面形成有NDC层，所述NDC层覆盖底部对应的金属层并作为金属扩散的阻挡层。
在所述底电极形成在所述第一金属层上的所述NDC层的打开区域中。
本发明的阻变材料所采用的氧化钽层采用钽加氧离子注入形成的结构，氧离子注入工艺能使氧化钽层的氧的深度和浓度被精确控制，氧的深度通过氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制能改善存储单元的性能，所以本发明能实现对氧化钽阻变材料中的氧的深度和浓度进行精确控制并能由此改善存储单元的性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明实施例氧化钽基阻变存储器的结构示意图；
图2A-图2C是本发明实施例氧化钽基阻变存储器的制造方法各步骤中的器件结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明实施例氧化钽基阻变存储器的结构示意图，本发明实施例氧化钽基阻变存储器的存储单元201包括阻变材料105，所述阻变材料105由氧化钽层105组成，所述氧化钽层105中的氧为通过氧离子注入工艺注入到钽层106a中，通过所述氧离子注入工艺使所述氧化钽层105具有氧的深度和浓度被控制的结构，氧的深度通过所述氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过所述氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制改善所述存储单元201的性能。
所述存储单元201还包括底电极104和顶电极107，所述阻变材料105形成于所述底电极104上，所述顶电极107形成在所述阻变材料105上，所述底电极104、所述阻变材料105和所述顶电极107形成叠加结构。
所述存储单元201还包括插入层106，所述插入层106位于所述阻变材料105和所述顶电极107之间。
所述插入层106由钽层106a组成，所述插入层106的钽层106a和所述阻变材料105的钽层106a呈连续的整体结构，由位于所述阻变材料105表面的未注入氧的钽层106a形成所述插入层106。
所述底电极104形成在第一金属层102a表面上，所述顶电极107通过通孔110连接到第二金属层102b。
所述第一金属层102a和所述第二金属层102b之间隔离有层间介质层101，在所述第一金属层102a和底部的金属层之间也隔离有层间介质层101。
所述底电极104的材料为TiN，所述顶电极107的材料为TiN。
所述层间介质层101采用BDII材料；所述第一金属层102a、所述第二金属层102b材料和所述通孔110的材料都为铜，且都采用大马士革工艺形成。
在各所述层间介质层101的表面形成有NDC层103，所述NDC层103覆盖底部对应的金属层并作为金属扩散的阻挡层。
本发明实施例的阻变材料105所采用的氧化钽层105采用钽加氧离子注入形成的结构，氧离子注入工艺能使氧化钽层105的氧的深度和浓度被精确控制，氧的深度通过氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制能改善存储单元201的性能，所以本发明实施例能实现对氧化钽阻变材料105中的氧的深度和浓度进行精确控制并能由此改善存储单元201的性能。
如图2A至图2C所示，是本发明实施例氧化钽基阻变存储器的制造方法各步骤中的器件结构示意图，本发明实施例氧化钽基阻变存储器的制造方法的阻变材料105的形成步骤包括：
如图2A所示，提供具有底电极104的衬底结构，所述底电极104形成在第一金属层102a表面上，在所述第一金属层102a和底部的金属层之间也隔离有层间介质层101。所述第一金属层102a和底部的金属层之间通过单独用标记110a标出的通孔连接。在所述第一金属层102a的底部的金属层的表面形成有单独用标记103a标出的NDC层，NDC层103a作为底部的金属层的扩散阻挡层。
在同一衬底上会同时形成有氧化钽基阻变存储器的单元结构即所述存储单元201以及其他如标记202所示的逻辑器件的单元结构。
在各所述层间介质层101的表面形成有NDC层103，所述NDC层103覆盖底部对应的金属层并作为金属扩散的阻挡层。
在所述底电极104形成在所述第一金属层102a上的所述NDC层103的打开区域中。
如图2B所示，采用PVD工艺在底电极104表面上形成一层钽层106a。实际工艺中，所述钽层106a会形成在整个衬底的表面，在所述存储单元201的区域中所述钽层106a会和所述底电极104的表面接触。
如图2C所示，进行氧离子注入将氧注入到所述钽层106a中形成氧化钽层105，由所述氧化钽层105组成所述阻变材料105。同时，由位于所述阻变材料105表面的未注入氧的钽层106a形成所述插入层106。
通过所述氧离子注入工艺控制所述氧化钽层105的氧的深度和浓度，氧的深度通过所述氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过所述氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制改善所述存储单元201的性能。
之后，如图1所示，形成顶电极107，所述插入层106位于所述阻变材料105和所述顶电极107之间。所述底电极104、所述阻变材料105和所述顶电极107形成叠加结构。
之后，在所述顶电极107的表面形成硬掩模层108，之后进行光刻刻蚀，刻蚀的膜层依次为所述硬掩模层108、所述顶电极107、所述插入层106和所述阻变材料105，使刻蚀后的所述硬掩模层108、所述顶电极107、所述插入层106和所述阻变材料105仅位于所述存储单元201区域中。
形成NDC层109，NDC层109包围在刻蚀后的所述硬掩模层108、所述顶电极107、所述插入层106和所述阻变材料105组成的叠加膜层结构的侧面和顶部表面，用于作为金属扩散的阻挡层。
之后，形成所述第一金属层102a之上的所述层间介质层101、通孔110和第二金属层102b。所述顶电极107通过通孔110连接到第二金属层102b；所述第一金属层102a和所述第二金属层102b之间隔离有所述层间介质层101。
所述底电极104的材料为TiN，所述顶电极107的材料为TiN。
所述层间介质层101采用BDII材料；所述第一金属层102a、所述第二金属层102b材料和所述通孔110的材料都为铜，且都采用大马士革工艺形成。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种氧化钽基阻变存储器，其特征在于：氧化钽基阻变存储器的存储单元包括阻变材料，所述阻变材料由氧化钽层组成，所述氧化钽层中的氧为通过氧离子注入工艺注入到钽层中，通过所述氧离子注入工艺使所述氧化钽层具有氧的深度和浓度被控制的结构，氧的深度通过所述氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过所述氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制改善所述存储单元的性能。
2.如权利要求1所述的氧化钽基阻变存储器，其特征在于：所述存储单元还包括底电极和顶电极，所述阻变材料形成于所述底电极上，所述顶电极形成在所述阻变材料上，所述底电极、所述阻变材料和所述顶电极形成叠加结构。
3.如权利要求2所述的氧化钽基阻变存储器，其特征在于：所述存储单元还包括插入层，所述插入层位于所述阻变材料和所述顶电极之间。
4.如权利要求3所述的氧化钽基阻变存储器，其特征在于：所述插入层由钽层组成，所述插入层的钽层和所述阻变材料的钽层呈连续的整体结构，由位于所述阻变材料表面的未注入氧的钽层形成所述插入层。
5.如权利要求2所述的氧化钽基阻变存储器，其特征在于：所述底电极形成在第一金属层表面上，所述顶电极通过通孔连接到第二金属层。
6.如权利要求5所述的氧化钽基阻变存储器，其特征在于：所述第一金属层和所述第二金属层之间隔离有层间介质层，在所述第一金属层和底部的金属层之间也隔离有层间介质层。
7.如权利要求5所述的氧化钽基阻变存储器，其特征在于：所述底电极的材料为TiN，所述顶电极的材料为TiN。
8.如权利要求6所述的氧化钽基阻变存储器，其特征在于：所述层间介质层采用BDII材料；所述第一金属层、所述第二金属层材料和所述通孔的材料都为铜，且都采用大马士革工艺形成。
9.如权利要求6所述的氧化钽基阻变存储器，其特征在于：在各所述层间介质层的表面形成有NDC层，所述NDC层覆盖底部对应的金属层并作为金属扩散的阻挡层。
10.一种氧化钽基阻变存储器的制造方法，其特征在于，阻变材料的形成步骤包括：
形成一层钽层；
进行氧离子注入将氧注入到所述钽层中形成氧化钽层，由所述氧化钽层组成所述阻变材料；
通过所述氧离子注入工艺控制所述氧化钽层的氧的深度和浓度，氧的深度通过所述氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过所述氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制改善所述存储单元的性能。
11.如权利要求10所述的氧化钽基阻变存储器的制造方法，其特征在于：
所述钽层是采用PVD工艺形成在底电极表面上；
在形成所述阻变材料之后，还包括在所述阻变材料表面形成顶电极的步骤，所述底电极、所述阻变材料和所述顶电极形成叠加结构。
12.如权利要求11所述的氧化钽基阻变存储器的制造方法，其特征在于：所述存储单元还包括插入层，所述插入层位于所述阻变材料和所述顶电极之间，所述插入层由钽层组成，所述插入层的钽层和所述阻变材料的钽层呈连续的整体结构，由位于所述阻变材料表面的未注入氧的钽层形成所述插入层。
13.如权利要求12所述的氧化钽基阻变存储器的制造方法，其特征在于：所述底电极形成在第一金属层表面上，所述顶电极通过通孔连接到第二金属层；所述第一金属层和所述第二金属层之间隔离有层间介质层，在所述第一金属层和底部的金属层之间也隔离有层间介质层。
14.如权利要求11所述的氧化钽基阻变存储器的制造方法，其特征在于：所述底电极的材料为TiN，所述顶电极的材料为TiN。
15.如权利要求13所述的氧化钽基阻变存储器的制造方法，其特征在于：所述层间介质层采用BDII材料；所述第一金属层、所述第二金属层材料和所述通孔的材料都为铜，且都采用大马士革工艺形成；
在各所述层间介质层的表面形成有NDC层，所述NDC层覆盖底部对应的金属层并作为金属扩散的阻挡层；
在所述底电极形成在所述第一金属层上的所述NDC层的打开区域中。
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