一种阻变存储器及其制造方法与流程

本申请涉及半导体领域，特别是涉及一种阻变存储器及其制造方法。

背景技术：

随着可携式个人设备的流行，非挥发性存储器由于具有在无电源供应时仍能维持记忆状态和操作低功耗等优点，逐渐成为半导体工业中的研发重点。目前市场上的非挥发性存储器仍以闪存(flash)为主流，但是由于闪存存在操作电压过大、操作速度慢、耐久力不够好以及由于器件尺寸缩小过程中隧穿氧化层不断减薄导致保持时间不够长等缺点，现在的研发重点逐渐转向了可以取代闪存的新型非挥发性存储器。

与传统的flash的电荷存储机制不同，阻变存储器(resistiverandomaccessmemory，rram)是非电荷存储机制，因此可以解决flash中因隧穿氧化层变薄而造成的电荷泄漏问题,具有更好的可缩小性。而阻变存储器由于还具有写入操作电压低、写入擦除时间短、记忆时间长、非破坏性读取、多值存储、结构简单以及存储密度高等优点，因此逐渐成为目前新型非挥发性存储器件中的研究重点，有望代替dram，sram和flash等成为通用存储器，是未来新一代存储技术的有力竞争者。

rram的基本存储单元为金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，mim)结构的电阻器，借由电压或电流脉冲，可以使mim结构的电阻在高低电阻态之间转换，从而实现0和1的存储，以实现数据的写入和擦除。其中，这里的绝缘体为阻变层材料，可以发生电阻转变，阻变层材料可以是钙钛矿氧化物、过渡金属二元氧化物、固态电解质材料或有机材料等。

在rram的制备过程中，可以现在基底上形成mim结构，再对mim结构进行刻蚀，利用刻蚀形成的通孔进行互连，随着rram存储单元的尺寸逐渐缩小，刻蚀难度越来越大，一旦刻蚀出现偏差，则器件性能也将出现偏差。因此，现有技术较难形成较高质量的rram器件。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种阻变存储器及其制造方法，为阻变存储器的制备工艺提供便捷，并提高器件的良品率。

本申请实施例提供了一种阻变存储器的制造方法，所述方法包括：

提供基底，所述基底上形成有金属栓塞作为下电极；

在所述下电极上依次形成阻变功能层、上电极层和互连金属层；

根据所述金属栓塞的位置，一次性对所述互连金属层、所述上电极层、所述阻变功能层进行刻蚀，以使所述互连金属层、所述上电极层、所述阻变功能层和所述金属栓塞对准。

可选的，所述阻变功能层包括：hfo2、al2o3、taox、tiox中的至少一种。

可选的，所述金属栓塞为钨塞。

可选的，所述上电极层为氮化钛层。

可选的，所述互连金属层为铝层。

可选的，所述在所述下电极上依次形成阻变功能层、上电极层和互连金属层，包括：

在所述下电极上依次形成阻变功能层和上电极层；

对互连的金属栓塞上的阻变功能层和上电极层进行刻蚀，以包括所述互连的金属栓塞；

在所述上电极层上和暴露出的金属栓塞上形成互连金属层。

可选的，所述基底上设置有mos管，所述mos管包括源/漏极，所述金属栓塞通过以下方式形成：

在mos器件源/漏极上方形成栓孔；

向所述栓孔内填充第一电极材料，形成金属栓塞作为第一电极。

可选的，所述向所述栓孔内填充第一电极材料，形成金属栓塞作为第一电极，包括：

向所述栓孔内填充第一电极材料，并对所述第一电极材料进行平坦化，形成金属栓塞作为第一电极。

本申请实施例还提供了一种阻变存储器，包括：

形成于基底上的金属栓塞作为下电极；

依次形成于所述下电极上的阻变功能层、上电极层和互连金属层；所述阻变功能层、所述上电极层和所述互连金属层根据所述金属栓塞的位置被一次性刻蚀，且与所述金属栓塞对准。

可选的，所述阻变功能层包括：hfo2、al2o3、taox、tiox中的至少一种。

在本申请实施例中提供了一种阻变存储器及其制造方法，通过提供基底，在基底上形成有金属栓塞作为下电极，在下电极上形成阻变功能层、上电极层和互连金属层，根据金属栓塞的位置，对互连金属层、上电极层、阻变功能层进行刻蚀，以使互连金属层、上电极层、阻变功能层和金属栓塞对准。由于本申请实施例中，互连金属层、上电极层和阻变功能层是一次性刻蚀的，因此可以实现这三个膜层的自对准，在技术上来说，即使这三个膜层的面积大于金属栓塞的面积，也不影响器件的实现，因此相比于现有技术中在上电极层上形成阻挡层，对阻挡层进行刻蚀，形成与金属栓塞对准的通孔，并在通孔中形成互连金属层来说，对准要求更低，因此提高了良品率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种阻变存储器的制造方法的流程图；

图2-7为本申请实施例提供的一种阻变存储器的制备工艺中对应的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种阻变存储器中高低阻态分布示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

现有的形成阻变存储器的方法中，可以在基底上形成下电极，其中下电极可以是金属栓塞，在下电极上形成阻变功能层和上电极，然后在上电极上形成绝缘层，再对绝缘层进行刻蚀，以形成和下电极对准的通孔，在该通孔中形成互连金属，这样，互连金属可以与外电路连接，以对阻变存储器进行供电。

然而，发明人经过研究发现，对绝缘层进行刻蚀，以形成和下电极对准的通孔，在技术上较难实现，若通孔与下电极的对准出现误差，则可能导致器件失效，因此，器件的良品率较低。

基于此，在本申请实施例中，提供了一种阻变存储器及其制造方法，通过提供基底，在基底上形成有金属栓塞作为下电极，在下电极上形成阻变功能层、上电极层和互连金属层，根据金属栓塞的位置，对阻变功能层、上电极层和互连金属层进行刻蚀，以使互连金属层、上电极层、阻变功能层和金属栓塞对准。在本申请实施例中，互连金属层、上电极层和阻变功能层是一次性刻蚀的，因此可以实现这三个膜层的自对准，在技术上来说，即使这三个膜层的面积大于金属栓塞的面积，也不影响器件的实现，因此相比于现有技术中在上电极上形成阻挡层，对阻挡层进行刻蚀，形成与金属栓塞对准的通孔，并在通孔中形成互连金属层来说，本申请实施例中对准要求更低，因此提高了良品率。

下面结合附图对本申请实施例提供的一种阻变存储器及其制造方法进行详细的示例性说明，参考图1所示为本申请实施例提供的一种阻变存储器的制造方法的流程图，该方法包括：

s101，提供基底。

参考图2所示，为一种阻变存储器的制备工艺中对应的结构示意图，在基底110上形成有下电极111，其中，下电极111可以是金属栓塞，其中金属栓塞可以是钨塞。下电极111可以通过钝化层112隔开，形成钝化层112的材料可以是sio2，也可以是其他绝缘材料。

在一些可能的实施方式中，基底110可以为本领域常用的衬底，如硅衬底。当然，本申请实施例中，基底110还可以包括但不限于其他半导体或化合物半导体，如sic、gaas等。具体实施时，可以在基底110上先形成钝化层，再对钝化层进行刻蚀形成栓孔，并在栓孔中形成金属栓塞。

在一些可能的实施方式中，基底110上可以预先设置有mos器件，mos器件包括源/漏极，具体实施时，可以在源/漏极上方形成金属栓塞，形成的金属栓塞与mos器件的源/漏极电连接，以便通过mos器件对形成的阻变存储器进行控制。

作为一种示例，本发明可以采用cmos工艺在mos器件源/漏极上方形成金属栓塞。具体的，可以通过光刻、刻蚀方式在mos器件的源/漏极的上方的钝化层上形成栓孔。栓孔从mos器件的上表面贯穿至源/漏极上表面。也就是说，栓孔贯穿钝化层的上下表面。

在形成栓孔后，可以在栓孔内填充下电极金属材料，形成金属栓塞，下电极金属材料的填充方式可以是化学气相沉积法(chemicalvapordeposition，cvd)沉积，从而使下电极金属材料填满整个栓孔。在实际操作中，下电极金属材料可能形成于栓孔外，此时可以通过化学机械平坦化即cmp，去除多余的下电极金属材料，从而形成金属栓塞。这里的金属栓塞即作为阻变存储器的下电极。

在形成栓孔后，还可以采用标准互连通孔工艺形成金属栓塞，具体的，可以在栓孔的底部和四周形成扩散阻挡层，再向栓孔中填充下电极材料。其中，扩散阻挡层的材料可以为ti或tin，其厚度范围可以为3nm～50nm，ti可以通过物理气相沉积法(physicalvapordeposition，pvd)形成，tin可以通过金属有机化合物化学气相沉积法(metal-organicchemicalvapordeposition，mocvd)形成。下电极材料可以是钨，通过cvd沉积在栓孔中填充钨。

s102，在下电极111上依次形成阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140，参考图3、4和5所示。

可选的，在下电极111上形成阻变功能层120之前，可以先对基底110上膜层表面进行处理，从而提高阻变功能层120与下电极111的接触面的质量。首先，可以对膜层表面进行除气处理，具体的，可以将基底110置于温度在150～350摄氏度的环境中，持续时间可以为0.5～2分钟，以去除膜层表面附着的气体分子。然后，可以对膜层表面进行预清洗工艺(pre-clean)，具体的，可以通过氩离子(ar⁺)反溅射的方式，将膜层整体去除一定厚度，该厚度可以是10纳米，以去除金属栓塞表面的氧化层。

参考图3所示，本申请实施例中，阻变功能层120可以是过渡金属二元氧化物，例如hfo2、al2o3、taox、tiox中的至少一种，作为示例，这里的阻变功能层120可以是hfo2层121和taox层122。

具体的，hfo2层121的厚度可以为3～15纳米，可以通过原子层沉积(atomiclayerdeposition，ald)的方式生成，hfo2层121的厚度可以根据ald的生长循环数来精确控制。具体实施时，沉积的温度可以是300摄氏度；化学源1可以是temah，化学式为：[(ch3)c2h5n]4hf，源加热温度为80摄氏度；化学源2可以是h2o液体源(自身蒸汽压，不用载气)。

具体的，taox层122的电阻率约为0.7mω·cm，厚度为10～70nm，可以通过物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)溅射的方法形成。具体的反应溅射沉积工艺条件为：ar：36sccm；o2：4sccm；rf1power：400w；基座偏置rf功率：25w；压力：3mtorr。

本申请实施例中，形成上电极层130的材料可以为金属材料pt、w、ru、al中的至少一种，也可以为导电金属化合物tin、tan、iro2、ito、izo中至少一种，可以采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、溅射方法中的任一种方法在阻变功能层120上方形成上电极层130。以tin作为上电极层130为例，形成的上电极层130的厚度范围可以为10nm～100nm。

在形成上电极层130后，可以对沉积的薄膜进行退火处理，以提高薄膜的质量，其中，退火氛围可以是在氦气环境，退火压力可以是50torr，基座温度可以是400℃，退火时间可以是10～120秒。

由于阻变功能层120是位于上电极层130和下电极层111之间的功能层，因此，在需要实现上电极层130和下电极层111的互连的位置，还可以对阻变功能能120和上电极层130进行刻蚀，从而暴露该位置的互连的金属栓塞，以通过互连金属将上电极层130和下电极层111连接。参考图4所示，由于仅仅要求刻蚀以暴露互连的下电极层111，因此刻蚀的区域面积可以大于金属栓塞的横截面积。当然，刻蚀的区域面积也可以小于栓塞的横截面积，还可以等于金属栓塞的横截面积，因此，对光刻和刻蚀要求较低，从而可以降低工艺难度。

参考图5所示，在上电极层130上沉积互连金属层140，沉积后的互连金属层140可以覆盖在上电极层130上方，以及覆盖在暴露出的下电极层111和钝化层112上方。具体的，互连金属层140可以是标准铝互连金属层结构。

s103，根据金属栓塞的位置，一次性对互连金属层140、上电极层130和阻变功能层120进行刻蚀，以使互连金属层140、上电极层130、阻变功能层120和金属栓塞对准。

一次性对互连金属层140、上电极层130和阻变功能层120进行刻蚀，可以通过光刻的方式。参考图6所示，对互连金属层140、上电极层130和阻变功能层120进行一次性的刻蚀，可以实现互连金属140、上电极层130和阻变功能层120的自对准。

具体的，可以对不在金属栓塞上方的阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140进行刻蚀，形成沟槽，用于隔开不同存储单元的阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140，刻蚀的区域面积可以小于隔开金属栓塞的钝化层的面积。也就是说，对于不与互连金属层直接相连的金属栓塞来说，其上保留的阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140的大小可以相同，且可以均大于金属栓塞的横截面积，而组成的存储单元的有效面积以最小的金属栓塞的横街面积为准，不会影响器件的性能。

参考图7所示，在对阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140进行刻蚀形成沟槽之后，还可以在沟槽中形成钝化层150，钝化层150可以是sio2和/或sin，在本申请实施例中，可以先在沟槽中沉积形成sio2，形成的sio2高于上电极层，再在sio2上沉积sin，形成的sin与互连金属层齐平。

在本申请实施例中，形成钝化层150，即表示阻变存储器的制备完成，为了验证本申请实施例提供的阻变存储器的制造方法可行，本申请还对制备形成的阻变存储器进行了测试，参考图8所示，为根据本申请实施例提供的阻变存储器的制造方法形成的阻变存储器的高低阻态分布，其中，横坐标为阻变存储器的测试循环次数，纵坐标为阻变存储器的高阻态和低阻态的阻值，阻变存储器的高低阻态具有10倍的窗口，表明该阻变存储器具有良好的性能。

在本申请实施例中，提供了一种阻变存储器的制造方法，通过提供基底，在基底上形成有金属栓塞作为下电极，在下电极上形成阻变功能层、上电极层和互连金属层，根据金属栓塞的位置，对阻变功能层、上电极层和互连金属层进行刻蚀，以使互连金属层、上电极层、阻变功能层和金属栓塞对准。在本申请实施例中，互连金属层、上电极层和阻变功能层是一次性刻蚀的，因此可以实现这三个膜层的自对准，在技术上来说，即使这三个膜层的面积大于金属栓塞的面积，也不影响器件的实现，因此相比于现有技术中在上电极上形成阻挡层，对阻挡层进行刻蚀，形成与金属栓塞对准的通孔，并在通孔中形成互连金属层来说，本申请实施例中对准要求更低，因此提高了良品率。

基于以上阻变存储器的制造方法，本申请实施例还提供了一种阻变存储器，阻变存储器的结构示意图可以参考图7所示，包括：

形成于基底110上的金属栓塞作为下电极111，依次形成于下电极111上的阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140，其中，阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140根据金属栓塞的位置被一次性刻蚀，且与金属栓塞对准。

基底110上可以预先设置有mos器件，mos器件包括源/漏极。金属栓塞可以形成于源/漏极上方，形成的金属栓塞与mos器件的源/漏极电连接，以便通过mos器件对形成的阻变存储器进行控制。

下电极111可以通过钝化层112隔开，形成钝化层112的材料可以是sio2，也可以是其他绝缘材料。

阻变功能层120可以是过渡金属二元氧化物，例如hfo2、al2o3、taox、tiox中的至少一种，作为示例，这里的阻变功能层120可以是hfo2层121和taox层122。由于阻变功能层120是位于上电极层130和下电极层111之间的功能层，因此，在需要实现上电极层130和下电极层111的互连的位置，还可以暴露该位置的互连的金属栓塞，以通过互连金属将上电极层130和下电极层111连接。

形成上电极层130的材料可以为金属材料pt、w、ru、al中的至少一种，也可以为导电金属化合物tin、tan、iro2、ito、izo中至少一种。

互连金属层140可以覆盖在上电极层130上方，以及覆盖在暴露出的下电极层111和钝化层112上方。具体的，互连金属层140可以是标准铝互连金属层结构。

对不在金属栓塞上方的阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140进行刻蚀，形成沟槽，从而隔开不同存储单元的阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140，刻蚀的区域面积可以小于隔开金属栓塞的钝化层的面积。也就是说，对于不与互连金属层直接相连的金属栓塞来说，其上保留的阻变功能层120、上电极层130和互连金属层140的大小可以相同，且可以均大于金属栓塞的横截面积，而组成的存储单元的有效面积以最小的金属栓塞的横街面积为准，不会影响器件的性能。

在形成的沟槽中形成有钝化层150，钝化层150可以是sio2和/或sin，形成的sio2高于上电极层，形成的sin与互连金属层齐平。

在本申请实施例中，提供了一种阻变存储器，形成于基底上的金属栓塞作为下电极，依次形成于下电极上的阻变功能层、上电极层和互连金属层，其中，阻变功能层、上电极层和互连金属层根据金属栓塞的位置被一次性刻蚀，且与金属栓塞对准。在本申请实施例中，互连金属层、上电极层和阻变功能层是一次性刻蚀的，因此可以实现这三个膜层的自对准，在技术上来说，即使这三个膜层的面积大于金属栓塞的面积，也不影响器件的实现，因此相比于现有技术中在上电极上形成阻挡层，对阻挡层进行刻蚀，形成与金属栓塞对准的通孔，并在通孔中形成互连金属层来说，本申请实施例中对准要求更低，因此提高了良品率。

本申请实施例中提到的“第一……”、“第一……”等名称中的“第一”只是用来做名字标识，并不代表顺序上的第一。该规则同样适用于“第二”等。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(英文：read-onlymemory，rom)/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如路由器等网络通信设备)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例和设备实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。以上所描述的设备及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，并非用于限定本申请的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。