[发明专利]一种实现多级存储的存储器单元结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现多级存储的存储器单元结构及其制作方法，属于微电子学中纳米器件与制备工艺领域。

背景技术

传统的存储技术面临诸多挑战，研发新型存储技术受到国内外研究机构和半导体公司的广泛关注。在当前众多的存储技术当中，相变存储器(PCRAM)和基于具有电阻开关特性的金属氧化物的电阻式随机存取存储器(RRAM)的内存技术被认为是下一代有商业化应用前景的存储技术。PCRAM具有存储单元尺寸小、非挥发性、循环寿命长、稳定性好、功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸的微缩方面的优势尤为突出，业界认为在不久的将来闪速存储器(FLASH)将遭遇尺寸缩小限制，而PCRAM在65nm节点后会有越来越大的技术优势。因此，PCRAM被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商用前景。国际知名半导体公司如英特尔、三星、意法半导体、飞利浦、国际商业机器公司和艾必达等花大量人力和物力对此技术进行开发，目前已研制出最大容量为512Mb的PCRAM试验芯片。同样，RRAM的存储单元在施加脉冲电压后电阻值也会产生很大变化，这一电阻值在断开电源后仍能维持下去。RRAM在许多方面具有与PCRAM可比拟的优异性能，近年来，国际上很多电子和半导体公司都愿意投下大量的财力与人力在致力于RRAM的研制。目前正在从事开发RRAM技术的公司有Sharp、Sony、SamsungElectronics、LSI Logic、Matsushita Electric Industrial、Winbond Electronics等。

在研究新型存储技术和提高存储容量的同时，如何通过多级存储提高存储容量已成为当前的研究热点之一。在目前报导的文献中，关于多级存储的报导主要集中在相变存储方面，利用不同的相变材料实现多级存储，如Japanese Journal of Applied Physics，Vol.46，L25(2007)，但是相变材料之间容易发生元素扩散。针对上述研究现状，为了提高存储容量，同时避免元素扩散，实现在一个存储单元中的多级存储，本发明提出了一种实现多级存储的存储器单元结构、制作方法，其中相变材料和WO_x塞的稳定性好，界面不容易发生扩散现象。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于提供一种可实现多级存储的存储器单元结构及制作方法。所述的存储器单元结构由顶电极、多级存储介质(由相变材料和阻变氧化物塞形成的堆栈结构)、阻变氧化物塞、底电极、衬底、绝缘介质等组成。在顶电极与相变材料之间制备一层TiN等具有一定导电能力的薄膜作为阻挡层，以减少相变材料与电极间的扩散与反应。

其特征在于：

(1)在绝缘介质层上制备有纳米级孔洞，在孔洞中填充金属材料，形成金属塞，所述的金属材料为形成氧化物后具有阻变特性的金属；

(2)金属塞的顶部氧化，形成阻变氧化物塞；

(3)相变材料和阻变氧化物塞形成堆栈结构。

所述的纳米级孔洞穿过绝缘介质层，且孔洞底部与底电极相连。

所述的纳米级孔洞直径介于50～500nm之间。

所述的纳米级孔洞中填充的金属材料为W、Ti、Ni、Cu、Zr、Ta、Al、Nb、Zn、Hf、Fe、Co、Ce、Cr、V、Sn、Sb或Bi。

本发明提供的相变存储器单元结构的制作工艺步骤如下：

(a)利用高真空磁控溅射方法在Si衬底或其它衬底上淀积一层底电极，在底电极上原位溅射生长100nm-500nm厚的绝缘介质层，所述的介质层为SiO₂、SiN_x、Al₂O₃或ZrO₂中的任意一种；

(b)在步骤(a)制作的介质层上利用电子束曝光、反应离子刻蚀或当前的亚微米CMOS工艺制备纳米级孔洞，纳米级孔洞的直径在50nm-500nm，且纳米级孔洞穿过绝缘介质层，所述的孔洞底部与底电极相连；

(c)利用磁控溅射、原子层沉积(ALD)或其它物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)技术在步骤(b)制出的孔洞内填充金属W，或者为Ti、Ni、Cu、Zr、Ta、Al、Nb、Zn、Hf、Fe、Co、Ce、Cr、V、Sn、Sb、Bi等形成氧化物后具有阻变特性的金属材料；

(d)孔洞中填满上述金属材料后，采用化学机械抛光(CMP)技术，将孔洞外的金属材料去除，形成金属塞；