專利名稱：一種三維結(jié)構(gòu)非易失存儲(chǔ)器陣列及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)中的非易失存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一 種三維結(jié)構(gòu)非易失存儲(chǔ)器陣列及其制備方法。
背景技術(shù)：
以閃存為代表的非易失存儲(chǔ)器因?yàn)槠鋽嚯娗闆r下的數(shù)據(jù)保持能力以及可多次擦 寫數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，比如手機(jī)，筆記本，掌上電腦和固態(tài)硬盤等存儲(chǔ)及 通訊設(shè)備。如今閃存已經(jīng)占據(jù)了非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的大部分市場(chǎng)份額，然而隨著信息社 會(huì)中人們對(duì)大容量、底成本、底功耗和高性能等方面需求的日益提高以及半導(dǎo)體技術(shù)的高 速發(fā)展，現(xiàn)有閃存技術(shù)由于其制備技術(shù)縮比能力差，工作電壓較高，功耗較大等因素已經(jīng)難 于滿足非易失存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展的需求。阻變存儲(chǔ)器通過(guò)對(duì)阻變材料施加電壓或電流改變其 阻值，并在斷電后能夠保持其高阻或電阻狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)非易失存儲(chǔ)的功能。阻變存儲(chǔ)器具 有和現(xiàn)有大規(guī)模集成電路制造技術(shù)相兼容，縮比能力強(qiáng)，操作電壓低、操作速度快等優(yōu)點(diǎn)， 是未來(lái)具有較大應(yīng)用潛力的大容量、低成本、高性能的非易失存儲(chǔ)器。兩外一方面，采用三 維結(jié)構(gòu)可以大大增加非易失存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度，從而降低存儲(chǔ)成本。阻變存儲(chǔ)器通常采用 十字線(cross bar)的結(jié)構(gòu)和多層堆棧的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)三維架構(gòu)(如圖1)，這種方式需要對(duì) 每一層電極進(jìn)行光刻刻蝕來(lái)形成十字線結(jié)構(gòu)，因此光刻和刻蝕次數(shù)和堆棧的層數(shù)成正比， 大大增加了工藝的難度和成本。總而言之，如何采用簡(jiǎn)單的工藝實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器陣列是非易失存儲(chǔ)器 技術(shù)亟待解決的難題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列及其制造方法，可以提高阻變存儲(chǔ)器的 存儲(chǔ)密度，并且簡(jiǎn)化工藝，降低工藝成本。其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層為阻變材料，阻變材料位于由底 電極金屬層和隔離介質(zhì)層形成的深槽側(cè)壁上，頂電極和底電極在深槽側(cè)壁上交叉，在交叉 點(diǎn)的兩個(gè)電極之間有阻變材料，共同形成阻變存儲(chǔ)器，并通過(guò)隔離介質(zhì)層進(jìn)行隔離。上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)陣列，包括襯底和底電極/隔離介質(zhì)堆棧結(jié)構(gòu)，在底電極 /隔離介質(zhì)堆棧結(jié)構(gòu)上刻蝕出的深槽，在深槽側(cè)壁上淀積阻變材料以及頂電極層，其中底電 極和頂電極在深槽側(cè)壁上呈十字交叉，交叉點(diǎn)之間有阻變材料，每個(gè)交叉點(diǎn)形成一個(gè)阻變 存儲(chǔ)器單元。所有的存儲(chǔ)單元形成的三維阻變存儲(chǔ)器陣列，陣列中的三維阻變存儲(chǔ)器由隔 離介質(zhì)層隔離。上述頂、底電極層的厚度以50 100納米為宜，而隔離介質(zhì)層的厚度一般在 100 200納米，阻變材料層的厚度在10 50納米，底電極/隔離介質(zhì)堆棧結(jié)構(gòu)的層數(shù)由 工藝水平?jīng)Q定，理論上并無(wú)限制。底電極/隔離介質(zhì)堆棧結(jié)構(gòu)上刻蝕出的深槽寬度為100 200納米。
對(duì)襯底、隔離介質(zhì)層和底、頂電極層的材料無(wú)特殊要求。襯底可以是硅襯底，也可 以是石英、有機(jī)性襯底等，隔離介質(zhì)層可以是氧化鋁、氧化硅等等任何絕緣層。電極層可以 根據(jù)需要選擇任何可通過(guò)蒸發(fā)或者濺射方式生長(zhǎng)的金屬或者其它導(dǎo)電材料，例如金屬Ti， Cu和化合物TiN，形成金屬單質(zhì)薄膜或其它導(dǎo)電薄膜。本發(fā)明提供的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的制備方法如下通過(guò)交替淀積介質(zhì)和電極材料層后進(jìn)行深槽刻蝕，在深槽側(cè)壁上淀積并刻蝕形成 阻變材料，然后淀積頂電極金屬材料并光刻、刻蝕形成頂電極線條，在頂電極以及先前淀積 的底電極材料層的交叉位置上形成三維的阻變存儲(chǔ)器陣列。具體的，在硅或其他襯底上 (如石英、柔性襯底)交替淀積隔離介質(zhì)層(二氧化硅，氮化硅等)和電極金屬層(鋁、銅、 氮化鈦等)，頂層為介質(zhì)層覆蓋。在介質(zhì)隔離層和電極材料層交替的堆棧結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行深槽 刻蝕，停止層為襯底上方的一層介質(zhì)隔離層。在深槽上淀積阻變材料(如氧化哈，氧化鋯， 氧化鈦等材料)，然后進(jìn)行阻變材料刻蝕，使得僅在深槽的側(cè)墻上保留阻變材料。接著進(jìn)行 電極材料電極淀積并進(jìn)行光刻刻蝕，形成頂電極線條。這樣在每個(gè)頂電極和先前電極的電 極材料側(cè)壁的交叉點(diǎn)之間都有阻變材料。在垂直方向上形成了三維阻變存儲(chǔ)器陣列。具體步驟包括(1)在在硅或其他襯底上(如石英、柔性襯底)上生長(zhǎng)或淀積隔離介質(zhì)層(如二氧 化硅、氮化硅等)，該介質(zhì)層起電學(xué)隔離的作用；(2)在隔離介質(zhì)層上淀積電極金屬層；(3)重復(fù)(1) (2)步驟交替淀積多層隔離介質(zhì)層、電極金屬層，總層數(shù)可以靈活控 制，最上層為隔離介質(zhì)層。(4)光刻并刻蝕上面淀積的多層隔離介質(zhì)層/電極金屬層結(jié)構(gòu)至最底層介質(zhì)層， 從而開出多個(gè)深槽，其側(cè)壁為離介質(zhì)層、電極金屬層堆棧結(jié)構(gòu)；(5)以深槽為窗口淀積阻變材料層(如氧化哈，氧化鋯，氧化鈦等材料)，并且通過(guò) 回刻工藝，僅保留深槽側(cè)壁上的阻變材料層；淀積電極金屬層，并光刻刻蝕形成頂電極，該電極和深槽側(cè)壁上的阻變材料和金 屬層形成三維的阻變存儲(chǔ)器件及其陣列；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的三維阻變器件及其制備方法有如下優(yōu)勢(shì)第一，先 整體淀積電極材料和介質(zhì)材料，然后再光刻刻蝕的方法，比起現(xiàn)有技術(shù)中材料每淀積一層 電極材料都需要進(jìn)行一次光刻和刻蝕相比，可以有效減少光刻和刻蝕次數(shù)，大大減少工藝 步驟和降低工藝成本。第二，底電極和頂電極交叉點(diǎn)的尺寸由底電極材料的淀積厚度控制， 因此不受光刻分辨率的限制，可以進(jìn)一步有效縮小器件尺寸提高存儲(chǔ)密度。因此，上述三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列及其制備方法是經(jīng)濟(jì)且高效的提升阻變存儲(chǔ) 器密度的方法。


通過(guò)附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中 相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示 出本發(fā)明的主旨。圖1為現(xiàn)有技術(shù)的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列示意圖，其中
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1-頂電極，2-底電極，3-阻變材料圖2為本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列示意圖，其中01-硅襯底，02-底電極，03-阻變材料，04-阻變材料，05-頂電極圖3(a) (e)為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的制造方法的示意 圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明 的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說(shuō)明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以 采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的 情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，表 示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng) 限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。正如本發(fā)明背景技術(shù)的介紹，發(fā)明人經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，若將三維技術(shù)合適地運(yùn)用在 阻變存儲(chǔ)器件，可以結(jié)合新存儲(chǔ)材料和三維集成技術(shù)兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，解決現(xiàn)有非易失存 儲(chǔ)器的縮比能力減弱，操作功耗和電壓高的問(wèn)題，并能進(jìn)一步提高非易失存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ) 密度，提升存儲(chǔ)器件性能。如果能通過(guò)工藝優(yōu)化，在不增加工藝復(fù)雜性的前提下，提出三維 的阻變存儲(chǔ)器陣列和其制備方法，將極大地非易失存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度和性能。基于此，本發(fā)明提出一種新的三維阻變存儲(chǔ)器件陣列及其制造方法，可以運(yùn)用介 質(zhì)層電極層交替淀積堆棧以及整體光刻刻蝕和側(cè)墻阻變材料形成的方法，可形成三維阻變 器件結(jié)構(gòu)，增加存儲(chǔ)密度，并減少工藝步驟，降低成本。本發(fā)明提供的三維阻變存儲(chǔ)器件陣列如圖2所示，包括01_硅襯底，02-底電極， 03-隔離介質(zhì)層，04-阻變材料，05-頂電極。底電極01和頂電極05在底電極/阻變材料堆 棧結(jié)構(gòu)的深槽側(cè)壁上交叉，交叉點(diǎn)之間有阻變材料04。每個(gè)交叉點(diǎn)形成一個(gè)存儲(chǔ)單元，所有 的單元形成三維阻變存儲(chǔ)器件陣列，并由介質(zhì)層進(jìn)行隔離。上述三維阻變存儲(chǔ)器件陣列的制造方法，包括在硅或其他襯底上(如石英、柔性襯底)交替淀積隔離介質(zhì)層(二氧化硅，氮化硅 等)和電極金屬層(鋁、銅、氮化鈦等)，頂層為介質(zhì)層覆蓋。在介質(zhì)隔離層和電極材料層交 替的堆棧結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行深槽刻蝕，停止層為襯底上方的一層介質(zhì)隔離層。在深槽上淀積阻變 材料(如氧化哈，氧化鋯，氧化鈦等材料)，然后進(jìn)行阻變材料刻蝕，使得僅在深槽的側(cè)墻上 保留阻變材料。接著進(jìn)行電極材料電極淀積并進(jìn)行光刻刻蝕，形成頂電極線條。這樣在每 個(gè)頂電極和先前電極的電極材料側(cè)壁的交叉點(diǎn)之間都有阻變材料。在垂直方向上形成了三 維阻變存儲(chǔ)器陣列。下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提供的三維阻變存儲(chǔ)器件陣列的制造方法的優(yōu)選 實(shí)施例。(1)在硅襯底上上淀積隔離100 200納米介質(zhì)層(本實(shí)施例為二氧化硅)，該介 質(zhì)層起電學(xué)隔離的作用；
(2)在隔離介質(zhì)層上淀積50 100納米的TiN電極層；(3)重復(fù)(1) (2)步驟交替淀積多層隔離介質(zhì)層、電極金屬層，總層數(shù)可以靈活控 制，最上層為隔離介質(zhì)層，如圖3(a)所示。(4)光刻并刻蝕上面淀積的多層隔離介質(zhì)層/電極金屬層結(jié)構(gòu)至最底層介質(zhì)層， 從而開出多個(gè)深槽，深槽寬度為100 200納米，其側(cè)壁為離介質(zhì)層、電極金屬層堆棧結(jié)構(gòu)， 如圖3(b)所示；(5)以深槽為窗口淀積10 50納米厚的阻變材料層(本實(shí)施例為為氧化鈦)，并 且通過(guò)回刻工藝，僅保留深槽側(cè)壁上的阻變材料層，如圖3(c)所示；(6)淀積50 100納米的TiN電極層(圖3 (d))，并光刻刻蝕形成頂電極，該電極 和深槽側(cè)壁上的阻變材料和金屬層形成三維的阻變存儲(chǔ)器件及其陣列，如圖3(e)所示；以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制。此 外，所述半導(dǎo)體器件及其制造方法也可以用于其他襯底，阻變材料。隔離介質(zhì)層以及電極材 料構(gòu)成的阻變存儲(chǔ)器陣列，在此不再贅述。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng) 域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi) 容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此， 凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單 修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列，其特征在于，包括襯底和底電極/隔離介質(zhì)堆棧結(jié)構(gòu)，在底電極/隔離介質(zhì)堆棧結(jié)構(gòu)上刻蝕而成多個(gè)深槽，在上述深槽內(nèi)設(shè)有阻變材料層和頂電極材料層，形成十字交叉的橫向底電極和縱向頂電極，交叉的底電極和頂電極之間為阻變材料，每個(gè)交叉結(jié)構(gòu)為一個(gè)阻變存儲(chǔ)單元，從而形成三維阻變存儲(chǔ)器陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的存儲(chǔ)單元，其特征在于存儲(chǔ)單元 的阻變材料層位于底電極/隔離介質(zhì)堆棧結(jié)構(gòu)上刻蝕而成的深槽側(cè)壁上。
3.—種三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的制備方法，其步驟包括1)在襯底上通過(guò)交替淀積介質(zhì)和底電極材料層，形成底電極層/介質(zhì)層的堆棧結(jié)構(gòu)；2)在底電極層/介質(zhì)層的堆棧結(jié)構(gòu)上進(jìn)行刻蝕形成多個(gè)深槽，在深槽側(cè)壁上淀積并刻 蝕形成阻變材料層；3)在深槽內(nèi)淀積頂電極金屬材料并刻蝕形成頂電極線條，頂電極和底電極在深槽側(cè)壁 上交叉，形成三維的阻變存儲(chǔ)器陣列。
4.如權(quán)利要求3所述的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的制備方法，其特征在于在底電極 層/介質(zhì)層的堆棧結(jié)構(gòu)上進(jìn)行光刻和刻蝕形成深槽，深槽底部位于襯底上的第一層介質(zhì)層。
5.如權(quán)利要求3所述的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的制備方法，其特征在于上述底電 極層/介質(zhì)層的堆棧結(jié)構(gòu)中底電極材料層的厚度為50 100納米。
6.如權(quán)利要求3所述的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的制備方法，其特征在于上述底電 極層/介質(zhì)層的堆棧結(jié)構(gòu)中介質(zhì)層的厚度為100 200納米。
7.如權(quán)利要求3所述的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的制備方法，其特征在于上述深槽 寬度為100 200納米。
8.如權(quán)利要求3所述的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的制備方法，其特征在于上述阻變 材料層的厚度為10 50納米。
9.如權(quán)利要求3所述的三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列的制備方法，其特征在于上述頂電 極材料層的厚度為50 100納米。
全文摘要
本發(fā)明提供一種三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列及其制造方法，屬于超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)中的非易失存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器陣列包括襯底和底電極/隔離介質(zhì)堆棧結(jié)構(gòu)，在底電極/隔離介質(zhì)堆棧結(jié)構(gòu)上刻蝕出深槽，在深槽側(cè)壁上淀積阻變材料以及頂電極層，其中底電極和頂電極在深槽側(cè)壁上呈十字交叉，交叉點(diǎn)之間有阻變材料，每個(gè)交叉點(diǎn)形成一個(gè)阻變存儲(chǔ)器單元，所有的阻變存儲(chǔ)器單元形成三維阻變存儲(chǔ)器陣列，陣列中的三維阻變存儲(chǔ)器由隔離介質(zhì)層隔離。本發(fā)明可以提高阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度，并且簡(jiǎn)化工藝，降低工藝成本。
文檔編號(hào)H01L45/00GK101976676SQ20101027950
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者唐昱, 唐粕人, 張麗杰, 秦石強(qiáng), 蔡一茂, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)