专利名称：一种嵌入式纳米晶阻变材料存储器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种嵌入式纳米晶阻变材料存储器及其制备方法。
背景技术：
嵌入式存储器是半导体产业的重要组成部分，近几年来随着消费电子市场的快速 增长，存储器的市场越来越大。目前，市场上主流的存储器包括SRAM、DRAM和FLASH等，这 些存储器在各个方面起着重要的作用，但目前还没有一种理想的既有DRAM的高容量低成 本、SRAM的高速度、FLASH的数据非挥发性性能，又有可靠性高、操作电压低、功耗小的存储 器。而这些特性恰恰是新一代消费类电子工业、计算机工业等领域所需要的存储技术。嵌入式纳米晶阻变材料存储器基本思想就是使用只有一个“非重要”的光照法便 打开缓存存储器区域的钨金属栓，为嵌入式逻辑存储部分做成低待机功耗三级高速缓存功 能。不仅能有效地降低工艺制作成本，使工艺步骤由反复的多步减少到几步，更能减小了因 过多工艺步骤而导致逻辑部分损坏的机率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术上提供一种热效率更高的、成本低且可靠性高的嵌 入式纳米晶阻变材料存储器结构器件。本发明提供一种嵌入式纳米晶阻变材料存储器，其特征在于，其包括CMOS、下电 极、阻变材料层、上电极和金属层；其中，下电极(2)、阻变材料层(3)、上电极(4)和金属层自下而上地设置形成柱状的栓，栓设置在所述CMOS(1)的保护源或漏区，金属层与上电 极电性连接。本发明中的CMOS为0. 8um-32nm的标准CMOS ；下电极的材料为W、TIN或硅化物； 阻变材料层的材料为纳米晶材料或多孔的嵌入式可编程电阻记忆复合材料，上电极4的材 料为TiN、TaN, TaSiN，金属层的材料为铝或铜。下电极与阻变材料层的外侧壁和内侧壁均 为绝热材料。本发明还提供一种嵌入式纳米晶阻变材料存储器的制备方法，包括如下步骤 步骤一在CMOS的保护源或漏区制备圆孔，在圆孔内淀积下电极材料形成下电极； 步骤二 在下电极上制备圆孔，在圆孔内淀积阻变材料，形成阻变材料层，并通过化学
机械抛光所述阻变材料表面；
步骤三在阻变材料层上制备圆孔，在圆孔通过内溅射或CVD法淀积电极材料形成上 电极，在上电极上方淀积金属层作为引线，涂上光刻胶，刻除栓上方以外的部分，并通过化 学或机械抛光金属层表面；
步骤四将上电极与金属层用TiN或AL电性连接。其中，圆孔的制方法是刻蚀工艺。步骤三还可以在阻变材料层上方淀积绝缘层，刻 除栓正上方的绝缘层，在圆孔部分淀积电极材料形成上电极，在上电极上方淀积金属层。
本发明的目的是通过以下措施来实现在原有嵌入式芯片基础上，在逻辑部分通 过改进保护源或漏区域来实现存储的功能，首先通过刻蚀出圆孔，在里面淀积阻变材料，并 在其上方先做上电极后再淀积金属层做为引线。与现有技术相比，本发明的纳米晶阻变材料存储器与传统的存储单元结构相比效 率高。本发明的结构特点是在嵌入式系统逻辑基础上，只要在0. 8um-32nm尺寸标准工艺的 cmos源或漏区域部分加入纳米晶阻变材料，就能实现存储的功能。由相变材料跟硅混合形 成的纳米晶阻变材料一同填入在下电极上方，使得纳米晶阻变材料的加热面更加天然，而 非人为制造的表面所媲美。因此能保证相变材料受热均勻和器件工作的正常稳定，以及很 小的电流就可以产生大的热量，使纳米晶阻变材料内的相变材料在很短时间内就可以发生 相变反应。所以，用本发明提供的方法制备的嵌入式器件具有低成本，制造步骤简短，器件 尺寸更小等优点。
图1是本发明嵌入式纳米晶阻变材料存储器的CMOS结构示意图； 图2是本发明实施例2中刻蚀圆孔的示意图3是本发明实施例2中淀积阻变材料层的示意图； 图4是本发明实施例2中的经过化学机械抛光后的示意图； 图5是本发明实施例2中淀积上电极、金属层的示意图； 图6是本发明实施例2中刻蚀金属层的示意图； 图7是本发明实施例2中沉淀绝缘层的示意图； 图8是本发明实施例3中沉淀绝缘层的示意图； 图9是本发明实施例3中刻除绝缘层的示意图； 图10是本发明实施例3中沉淀上电极的示意图； 图11是本发明实施例3中沉淀金属层的示意图； 图12是本发明嵌入式纳米晶阻变材料存储器的电路结构示意图； 图13是本发明嵌入式纳米晶阻变材料存储器的一个衍生结构的示意图； 图14是本发明嵌入式纳米晶阻变材料存储器的另一个衍生结构的示意图； 图15是本发明嵌入式纳米晶阻变材料存储器的一个类似结构的示意图； 图16是本发明嵌入式纳米晶阻变材料存储器的另一个类似结构示意图； 图17是本发明嵌入式纳米晶阻变材料存储器的一种类似结构的示意图； 图18是本发明嵌入式纳米晶阻变材料存储器的另一种类似结构的示意图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明。以下实施例并不是对本发明的限 制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括 在本发明中。实施例1
参考图5，其中1是CM0S，2是下电极，3是阻变材料层，4是上电极，5是金属层。如 图可见，下电极2、阻变材料层3、上电极4和金属层5自下而上地设置在CMOSl的保护源或漏区，形成柱状的栓。下电极2与阻变材料层3的外侧壁和内侧壁均为绝热材料，金属层5 与上电极4电性连接。本实施例中CMOSl为现有工艺的标准CMOS。在0. 8um_32nm工艺标准的CMOS都可 以适用本实施例。下电极2的材料为W，阻变材料层3的材料为纳米晶材料，上电极4的材 料为是TiN，金属层5为铝。本发明中，CMOSl可以是0. 8um-32nm的标准CMOS ；下电极2的材料可以是W、TIN 或硅化物；阻变材料层3的材料可以是纳米晶材料或多孔的嵌入式可编程电阻记忆复合材 料，上电极4的材料还可以是TiN、TaN、TaSiN ；金属层5的材料可以是铝或铜。本实例的制备方法，包括如下步骤
步骤一在CMOSl的保护源区通过刻蚀工艺制备圆孔，在圆孔内淀积W形成下电极2 ； 步骤二 在下电极2上制备圆孔，在圆孔内淀积纳米晶阻变材料，形成阻变材料层3，并 对阻变材料层3表面进行化学抛光；
步骤三在阻变材料层3上制备圆孔，在圆孔内通过溅射法淀积TiN形成上电极4，在 上电极4上方淀积铝，形成金属层5，并对金属层5表面经过化学抛光； 步骤四将上电极4与金属层5电性连接。实施例2:
图1 图7是本发明的一种制备方法的示意图，本实施例中，在上电极4和金属层5的 周围淀积绝缘层6，绝缘材料层6的材料是Si02。7是保护胶，先在CMOS表面保护区域覆 上保护胶7。其与实施例1相同的结构，不再赘述。本实施例的嵌入式纳米晶阻变材料存储器的制备方法，其制作步骤为
步骤一在现有工艺的标准CMOSl基础上，先在CMOSl表面保护源覆上保护胶7，通过 刻蚀工艺技术在cmos的源或漏上方刻出圆孔10。在圆孔10内淀积W形成下电极2;
步骤二，在下电极2上刻出圆孔10，通过溅射气相沉淀淀积纳米晶阻变材料形成阻变 材料层3 ；在阻变材料层3填入后，通过化学抛光阻变材料层3表面；
步骤三，在形成有阻变材料层3表面淀积TiN形成上电极4，并在上电极4上淀积铝金 属形成金属层5，刻除栓上方以外的部分；
步骤四将上电极4与金属层5电性连接，周围用绝缘层6覆盖。实施例3:
图8 图11是本发明的另一种制备方法的示意图。本实施例中，在阻变材料层3上方 淀积绝缘层6，在绝缘层6上淀积上电极4，在上电极4上方淀积金属层5。本实施例与实施 例1相同的结构和制备方法，不再赘述。步骤三，在阻变材料层3表面淀积绝缘层6，刻除阻变材料层3正上方的部分绝缘层6。步骤四，在刻除的绝缘层6的位置设置上电极4，直接在挖空的绝缘层6内壁及阻 变材料层3上方设置上电极4。步骤五，在阻变材料层3正上方的上电极4上淀积金属层5，通过化学机械抛光金 属层5表面，形成引线，上电极4与金属层5电性连接。图12是本发明的电路结构示意图，晶体管的源或漏区连接纳米晶阻变材料层3。纳米晶阻变材料层3是由半导体材料与相变材料组成，可由纳米晶相变材料与半导体材料构成，也可由纳米晶半导体材料与相变材料构成。纳米晶阻变材料层3的特点是 能让相变材料的加热表面形成更为天然，使得受热点更加均勻，有别于其他器件的相变材 料受热表面需通过各种工艺(如光刻、抛光等)制作。图13、图14是本发明基础的衍生结构示意图。在标准cmos工艺基础上，源或漏区 上方也可直接淀积纳米晶阻变材料层3。8是相变材料层，相变材料层8的材料可以是sst、 gst等；半导体材料9可以是硅、锗等。图17和图18是本发明嵌入式纳米晶阻变材料存储器的类似结构示意图。以上是结合附图描述了本发明的实施方式，实施例给出的结构并不构成对本发明 的限制，本领域内的普通技术人员在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护 范围内。
权利要求
1.一种嵌入式纳米晶阻变材料存储器，其特征在于，其包括CM0S(1)、下电极(2)、阻变 材料层(3)、上电极(4)和金属层(5);所述下电极(2)、阻变材料层(3)、上电极(4)和金属 层(5)自下而上地设置形成柱状的栓，所述栓设置在所述CMOS (1)的保护源或漏区。
2.如权利要求1所述的嵌入式纳米晶阻变材料存储器，其特征在于，所述CMOS(1)为 0. 8um-32nm的标准CMOS ；所述下电极(2)的材料为W、TIN或硅化物；所述阻变材料层(3)的 材料为纳米晶材料或多孔的嵌入式可编程电阻记忆复合材料；所述上电极4的材料为TiN、 TaN, TaSiN ；所述金属层(5)的材料为铝或铜。
3.如权利要求1所述的嵌入式纳米晶阻变材料存储器，其特征在于，所述下电极(2)与 阻变材料层(3)的外侧壁和内侧壁均为绝热材料。
4.如权利要求1所述的嵌入式纳米晶阻变材料存储器，其特征在于，所述金属层(5)与 所述上电极(4)电性连接。
5.一种如权利要求1所述嵌入式纳米晶阻变材料存储器的制备方法，其特征在于，包 括如下步骤步骤一在CMOS (1)的保护源或漏区制备圆孔，在圆孔内淀积下电极材料形成下电极(2)；步骤二 在下电极(2)上制备圆孔，在圆孔内淀积阻变材料，形成阻变材料层(3)；步骤三在阻变材料层(3)上制备圆孔，在圆孔内淀积上电极材料形成上电极(4);在 所述上电极(4)上方淀积金属层(5 )；步骤四将上电极(4)与金属层(5)电性连接。
6.如权利要求5所述嵌入式纳米晶阻变材料存储器的制备方法，其特征在于，所述圆 孔是通过刻蚀工艺制备的。
7.如权利要求5所述嵌入式纳米晶阻变材料存储器的制备方法，其特征在于，所述步 骤二中形成的阻变材料层(3)表面经过化学或机械抛光；所述步骤三中形成的金属层(5) 表面经过化学或机械抛光。
8.如权利要求5所述嵌入式纳米晶阻变材料存储器的制备方法，其特征在于，所述步 骤三中上电极(4)的形成是通过溅射或CVD法。
9.如权利要求5所述嵌入式纳米晶阻变材料存储器的制备方法，其特征在于，所述步 骤三还可以在阻变材料层(3)上方淀积绝缘层(6)，刻除栓正上方的绝缘层(6)，在圆孔部 分淀积电极材料形成上电极(4)，在上电极(4)上方淀积金属层(5)。
全文摘要
本发明提供一种嵌入式纳米晶阻变材料存储器，其包括CMOS、下电极、阻变材料层、上电极和金属层。其中，下电极、阻变材料层、上电极和金属层自下而上地设置形成柱状的栓，栓设置在CMOS的保护源或漏区，金属层与上电极电性连接。本发明还提供一种嵌入式纳米晶阻变材料存储器的制备方法。本发明具有低成本，制造步骤简短，器件尺寸更小等优点。
文档编号H01L45/00GK102142519SQ20111000152
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月6日 优先权日2011年1月6日
发明者吴关平, 陈邦明 申请人:上海新储集成电路有限公司