專利名稱：一種非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在氧化鋅電介質(zhì)中包埋鎢納米晶作為電荷存儲(chǔ)層的非易失 性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于新材料及微電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
出于信息安全和降低能耗的考慮，非易失性存儲(chǔ)器的研究與開發(fā)已成為目 前半導(dǎo)體工業(yè)中最為關(guān)注的課題之一。當(dāng)前市場(chǎng)上主導(dǎo)的非易失性存儲(chǔ)器閃存 由于其存儲(chǔ)機(jī)制的限制，致使其編程/擦除速度的提高與存儲(chǔ)器件的進(jìn)一步小型 化遇到了難以克服的瓶頸，因此發(fā)展新的非易失性存儲(chǔ)概念迫在眉睫。
近年來，阻變存儲(chǔ)器概念的出現(xiàn)和發(fā)展有望成功解決以上難題。阻變存儲(chǔ) 器利用材料在外電場(chǎng)作用下所出現(xiàn)的兩個(gè)或多個(gè)電阻狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，擁有非 易失性、響應(yīng)速度快、操作電壓低、器件小型化前景巨大、存儲(chǔ)信息保持時(shí)間 長(zhǎng)、編程/擦除耐受性強(qiáng)以及可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)等突出優(yōu)點(diǎn)，因此是一類非常有 前途的存儲(chǔ)器件，目前已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外很多頂尖的課題組以及國(guó)際領(lǐng)先的存
儲(chǔ)器制造商如IBM、 Samsung等公司的廣泛關(guān)注和研究。
非易失性阻變存儲(chǔ)器的類型之一是利用存儲(chǔ)介質(zhì)中的缺陷作為載流子的陷 阱，通過這些陷阱對(duì)載流子的捕獲/釋放作用來實(shí)現(xiàn)高低阻值之間的轉(zhuǎn)變，從而 實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。在存儲(chǔ)介質(zhì)中有意地引入納米晶作為載流子的陷阱有利于我們 有效地控制陷阱的數(shù)量、密度以及對(duì)于載流子的捕獲效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)阻變存 儲(chǔ)器性能的有效調(diào)節(jié)。
隨著研究的深入和技術(shù)的推進(jìn)，尋求制備工藝簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)介質(zhì)以及與 CMOS平面工藝兼容性好的納米晶材料己經(jīng)成為本技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)實(shí)的需求。此外， 如何利用半導(dǎo)體工業(yè)中的現(xiàn)有技術(shù)如磁控濺射、電子束蒸鍍、熱處理工藝來實(shí) 現(xiàn)高性能存儲(chǔ)器的制備是本領(lǐng)域中亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。磁控濺射是用加速的離子轟擊固體表面，使固體表面的原子離開固體沉積 到基底上。如果在室中加有反應(yīng)氣體，則在濺射過程中離開靶的原子在沉積到 基底上時(shí)與反應(yīng)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則稱為反應(yīng)濺射。磁控濺射沉積薄膜生長(zhǎng) 速率高，粘附性好，因此在工業(yè)生產(chǎn)中有著極為廣泛的應(yīng)用。電子束蒸鍍技術(shù) 是利用電子束加熱坩堝中的物質(zhì)從而使其蒸發(fā)沉積到基片上的方法，蒸鍍?cè)O(shè)備 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，可以同時(shí)蒸發(fā)和沉積多種不同的物質(zhì)，是一種制備高純 物質(zhì)薄膜的主要方法，其鍍膜質(zhì)量也可以達(dá)到較高水平，是一種可易于實(shí)現(xiàn)人批量生產(chǎn)的成熟鍍膜技術(shù)。熱氧化工藝制備二氧化硅薄膜是在9 00 1200 'C的 高溫下使硅片表面氧化形成Si02膜的方法,設(shè)備簡(jiǎn)單，溫度低，生長(zhǎng)速度快， 膜厚容易控制，所得二氧化硅薄膜具有較高的絕緣強(qiáng)度，因此在半導(dǎo)體工業(yè)中 有著廣泛的應(yīng)用。除此之外，工業(yè)界比較關(guān)注的鍍膜手段還包括化學(xué)氣相沉積 CVD和原子層沉積ALD?；瘜W(xué)氣相沉積是釆用含有組成薄膜成分的化合物作為 中間生成物，把這種化合物的氣體送入適當(dāng)溫度的反應(yīng)室內(nèi)，讓它在基底表面 進(jìn)行熱分解、還原或與其他氣體、固體發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果在基底表面上生長(zhǎng)薄膜。 化學(xué)氣相沉積廣泛用于Si、 GaAs等半導(dǎo)體器件制備過程中所需的薄膜沉積。此 方法的優(yōu)點(diǎn)是薄膜的生長(zhǎng)速度快，質(zhì)量較好，容易控制摻雜。原子ii沉積是一 種可以將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層的鍍?cè)诨妆砻娴姆椒?。原子層沉積與 普通的化學(xué)沉積有相似之處。但在原子層沉積過程中，新一層原子膜的化學(xué)反 應(yīng)是直接與之前一層相關(guān)聯(lián)的，這種方式使每次反應(yīng)只沉積一層原子。原子層 沉積技術(shù)由于其沉積參數(shù)如厚度、成份和結(jié)構(gòu)的高度可控型，優(yōu)異的沉積均勻 性和一致性使得其在微納電子和納米材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，但H前 此方法還比較昂貴。在研究發(fā)展新的存儲(chǔ)器件的同時(shí)探索其與傳統(tǒng)CMOS加工 工藝的兼容性無疑對(duì)于該存儲(chǔ)器的應(yīng)用前景起著至關(guān)重要的作用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供種在氧化鋅電介質(zhì)中包埋媽納米晶作為電荷存儲(chǔ)層 的非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其制備方法，以提高非易失性存儲(chǔ)單元的編程/擦除速度，降低編程/擦除電壓，提高數(shù)據(jù)保持特性以及編程/擦除耐受性等存儲(chǔ)性 能。所述非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，最下端是支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)的硅襯底l，在硅襯底1上依次覆蓋氧化硅電介質(zhì)層2、鈦粘附層3、鉑底電極層4、第一氧化鋅電介質(zhì)層5、鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層6、第二氧化鋅電介質(zhì)層7和頂電極材料層8，其特征在于，鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層6包埋于第二氧化鋅電介質(zhì)7中。所述頂電極材料層8為鋁、銅、鎢或鈦質(zhì)材料中的一種。 所述非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的制備方法包括如下具體步驟1) 利用熱氧化、原子層沉積、化學(xué)氣相淀積、電子束蒸鍍或者磁控濺射的 方法在硅襯底1上生長(zhǎng)厚度為20 1000nm的氧化硅電介質(zhì)層2;2) 利用磁控濺射、電子束蒸鍍的方法在氧化硅電介質(zhì)層2上沉積厚度為l 50nm的鈦粘附層3;3) 利用磁控濺射、電子束蒸鍍的方法在鈦粘附層3上沉積厚度為20 500nm 的鉑底電極層4;4) 利用反應(yīng)磁控濺射的方法在鉑底電極層4上生長(zhǎng)厚度為10 100nm的氧 化鋅電介質(zhì)薄膜，即第一氧化鋅電介質(zhì)層5，作為存儲(chǔ)介質(zhì)；5) 利用磁控濺射或者電子束蒸鍍的方法在第一氧化鋅電介質(zhì)層5上濺射鎢 金屬薄膜；6) 利用反應(yīng)磁控濺射的方法在鎢金屬薄膜上生長(zhǎng)厚度為10 100nm的氧化 鋅電介質(zhì)薄膜，即第二氧化鋅電介質(zhì)層7，作為存儲(chǔ)介質(zhì)，完成對(duì)鎢金屬的包埋；7) 對(duì)所得薄膜進(jìn)行高溫快速熱處理，使鎢金屬薄膜形成由直徑為1 20nm 納米晶顆粒組成的密度為lxl()U lxlO氣m—2的鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層6;8) 利用磁控濺射、電子束蒸鍍的方法在氧化鋅電介質(zhì)層上沉積頂電極材料 層8。 '中采用反應(yīng)磁控濺射的方法沉積氧化鋅電介質(zhì) 層的具體工藝為采用反應(yīng)磁控濺射的方法生長(zhǎng)，所用靶材為鋅金屬靶，濺射氣氛為氬氣與氧氣的混合氣體，其中總氣壓0.7 1.0Pa，氬氣與氧氣的氣壓比為 3: 5 5: 3，濺射功率為150 400W。其中，在所述步驟5)和7)中采用磁控濺射與高溫快速熱處理的方法生長(zhǎng) 鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層6的具體工藝為在氬氣環(huán)境中、氣壓0.2 0.5Pa、濺射功 率150 500W條件下，在步驟5)中利用鎢金屬靶濺射鎢金屬薄膜；在步驟7) 中對(duì)所得鎢金屬薄膜進(jìn)行高溫快速熱處理，溫度700 90CTC，使鎢金屬層結(jié)晶 形成鎢納米晶顆粒；然后在溫度700 900°C、氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行10 卯s退火處 理。本發(fā)明的有益效果是1) 采用氧化鋅作為存儲(chǔ)介質(zhì)層，而氧化鋅是當(dāng)前科學(xué)界與工業(yè)界最為關(guān)注 的材料體系之一，其制備工藝簡(jiǎn)單，性能多樣，在壓電、發(fā)光、氣體傳感以及自旋電子學(xué)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用；2) 鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)采用功函數(shù)相對(duì)氧化鋅更大的金屬鎢作為電荷 存儲(chǔ)體，對(duì)于電子來說是能量更低的擇優(yōu)位置，所以電荷不易泄漏，有更好的 數(shù)據(jù)保持特性和合適的存儲(chǔ)窗口 ；3) 鴨納米晶電荷存儲(chǔ)層采用鎢作為存儲(chǔ)材料，而鎢本身是CMOS工藝中用 于防止銅互聯(lián)線的銅擴(kuò)散的一種阻擋層材料，所以可以不在CMOS硅平面工藝 屮引入新的元素，從而排除了因?yàn)槭褂眯虏牧弦胄码s質(zhì)的可能性；4) 在制備方法中，使用熱氧化、磁控濺射、電子束蒸鍍等工藝用于制備氧 化硅、氧化鋅和鎢納米晶等，與傳統(tǒng)CMOS硅平面制備工藝完全兼容，因此加 工成本較低。


圖l是本發(fā)明提供的一種非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明提供的一種非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的制備方法流程圖； 圖中1—硅襯底；2—氧化硅電介質(zhì)層；3—鈦粘附層；4—鉑底電極層；5一第一氧化鋅電介質(zhì)層；6—鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層；7—第二氧化鋅電介質(zhì)層；8一頂電極材料層。
具體實(shí)施方式
圖1為本發(fā)明提供的在氧化鋅電介質(zhì)中包埋鎢納米晶作為電荷存儲(chǔ)層的非 易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該結(jié)構(gòu)的最下端是硅襯底1，硅襯底1用于支撐整個(gè)阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)；在硅襯底1上覆蓋氧化硅電介質(zhì)層2;在氧 化硅電介質(zhì)層2上覆蓋鈦粘附層3，用于增強(qiáng)鉑底電極與氧化硅層之間的附著力； 在鈦粘附層3上覆蓋鉑底電極層4;在鉑底電極材料上沉積第一氧化鋅電介質(zhì)層 5;在第一氧化鋅電介質(zhì)層5上覆蓋鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層6;在鎢納米晶電荷存 儲(chǔ)層6上覆蓋第二氧化鋅電介質(zhì)層7，從而對(duì)鎢納米晶完成包埋；在第二氧化鋅 電介質(zhì)層7上覆蓋頂電極材料8 (可選元素包括鋁、銅、鎢、鈦四種CMOS工 藝常用材料)。卜.述硅襯底1、氧化硅層2、鈦粘附層3、鉑底電極4、第一氧 化鋅電介質(zhì)層5、鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層6、第二氧化鋅電介質(zhì)層7以及頂電極材 料層8由下至上依次堆疊，構(gòu)成阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1如圖2所示， 一種非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的制備方法包括如下具體步驟 步驟101:利用熱氧化的方法在硅襯底1上生長(zhǎng)氧化硅電介質(zhì)層2，介質(zhì)層厚度為300nm。步驟102:利用磁控濺射的方法在氧化硅電介質(zhì)層2上沉積鈦粘附層3，用 于增強(qiáng)氧化硅與鉑底電極之間的附著力，鈦粘附層厚度為15nm。步驟103:利用磁控濺射的方法在鈦粘附層3上沉積鉑底電極層4，電極層厚度為120nm。步驟104:利用反應(yīng)磁控濺射的方法(反應(yīng)條件濺射氣氛為0.35Pa氬氣 與0.45Pa氧氣的混合氣體，濺射功率為250W)在鉑底電極層4上生長(zhǎng)氧化鋅 電介質(zhì)薄膜，即第一氧化鋅電介質(zhì)層5，作為存儲(chǔ)介質(zhì)，薄膜厚度為15nm。步驟105:利用磁控濺射的方法(反應(yīng)條件0.35Pa氬氣氣氛，濺射功率為200W)在第一氧化鋅電介質(zhì)層5上濺射鎢金屬薄膜，薄膜厚度為3nm。步驟106:利用反應(yīng)磁控濺射的方法(反應(yīng)條件濺射氣氛為0.35Pa氬氣與0.45Pa氧氣的混合氣體，濺射功率為250W)在鎢金屬膜上生長(zhǎng)氧化鋅電介質(zhì)薄膜，即第二氧化鋅電介質(zhì)層7，薄膜厚度15nm。歩驟107:對(duì)所得鎢金屬薄膜進(jìn)行高溫快速熱處理，溫度為80(TC，使鎢金屬層形成由直徑為1 20nm的鎢納米晶顆粒組成的密度為lxl0" lxl013^—2的鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層6，而后在80(TC氮?dú)鈿夥罩锌焖偻嘶?0s。歩驟108:利用磁控濺射的方法在第二氧化鋅電介質(zhì)層7上沉積頂電極材料層8，頂電極材料為Cu，材料層厚度為100nm。以卜.所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的 精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，最下端是支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)的硅襯底(1)，在硅襯底(1)上依次覆蓋氧化硅電介質(zhì)層(2)、鈦粘附層(3)、鉑底電極層(4)、第一氧化鋅電介質(zhì)層(5)、鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層(6)、第二氧化鋅電介質(zhì)層(7)和頂電極材料層(8)，其特征在于，鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層(6)包埋于第二氧化鋅電介質(zhì)(7)中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述頂電極材料(8)為鋁、銅、鴇或鈦質(zhì)材料中的一種。
3、 一種權(quán)利要求l所述的非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下具體步驟1) 利用熱氧化、原子層沉積、化學(xué)氣相淀積、電子束蒸鍍或者磁控濺射的 方法在硅襯底(1)上生長(zhǎng)厚度為20 1000nm的氧化硅電介質(zhì)層(2);2) 利用磁控濺射、電子束蒸鍍的方法在氧化硅電介質(zhì)層(2)上沉積厚度 為1 50nm的鈦粘附層(3);3) 利用磁控濺射、電子束蒸鍍的方法在鈦粘附層(3)上沉積厚度為20 500nm的鉑底電極層(4);4) 利用反應(yīng)磁控濺射的方法在鉑底電極層(4)上生長(zhǎng)厚度為10 100nm 的氧化鋅電介質(zhì)薄膜，即第一氧化鋅電介質(zhì)層(5)，作為存儲(chǔ)介質(zhì)；5) 利用磁控濺射或者電子束蒸鍍的方法在第一氧化鋅電介質(zhì)層(5)上濺 射鎢金屬薄膜；6) 利用反應(yīng)磁控濺射的方法在鎢金屬薄膜上生長(zhǎng)厚度為10 100nm的氧化 鋅電介質(zhì)薄膜，即第二氧化鋅電介質(zhì)層(7)，作為存儲(chǔ)介質(zhì)，完成對(duì)鎢金屬的 包埋；7) 對(duì)所得薄膜進(jìn)行高溫快速熱處理，使鎢金屬薄膜形成由直徑為1 20nm納米晶顆粒組成的密度為lxl0U lxl0"cm々的鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層(6);8)利用磁控濺射、電子束蒸鍍的方法在氧化鋅電介質(zhì)層上沉積頂電極材料 層(8)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，在所述歩驟4)和6) 中采用反應(yīng)磁控濺射的方法沉積氧化鋅電介質(zhì)層的具體工藝為采用反應(yīng)磁控 濺射的方法生長(zhǎng)，所用靶材為鋅金屬靶，濺射氣氛為氬氣與氧氣的混合氣體， 其中總氣壓0.7 1.0Pa，氬氣與氧氣的氣壓比為3: 5 5: 3，濺射功率為150 400W。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，在所述步驟5)和7) 中采用磁控濺射與高溫快速熱處理的方法生長(zhǎng)鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層(6)的具體 工藝為在氬氣環(huán)境中、氣壓0.2 0.5Pa、濺射功率150 500W條件下，在步 驟5)中利用鎢金屬靶濺射鴇金屬薄膜；在步驟7)中對(duì)所得鴇金屬薄膜進(jìn)行高 溫快速熱處理，溫度700 900°C，使鎢金屬層結(jié)晶形成鎢納米晶顆粒；然后在 溫度700 900°C 、氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行10 卯s退火處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了新材料與微電子技術(shù)交叉領(lǐng)域一種非易失性阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其制備方法。該結(jié)構(gòu)包括硅襯底，以及在所述硅襯底上依次覆蓋的氧化硅電介質(zhì)層、鈦粘附層、鉑底電極層、第一氧化鋅電介質(zhì)層、鎢納米晶電荷存儲(chǔ)層、第二氧化鋅電介質(zhì)層以及頂電極材料層，通過在氧化鋅電介質(zhì)中包埋鎢納米晶作為電荷存儲(chǔ)層，利用鎢納米晶對(duì)電子的捕獲/釋放作用實(shí)現(xiàn)器件高低阻值之間的轉(zhuǎn)變。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)提高了非易失性存儲(chǔ)單元的編程/擦除速度，降低了編程/擦除電壓，提高了數(shù)據(jù)保持特性以及編程/擦除耐受性等存儲(chǔ)性能；制備方法簡(jiǎn)便，并兼容于傳統(tǒng)CMOS硅平面工藝。
文檔編號(hào)H01L45/00GK101533891SQ20091008163
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者飛 曾, 楊玉超, 峰 潘 申請(qǐng)人:清華大學(xué)