阻变存储器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别涉及一种阻变存储器及其制造方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，市场对于非易失性存储器的需求越来越向大容量、低功耗、高密度和低成本的方向转变。阻变存储器(Resistive Random Access Memory，简称RRAM)作为下一代存储器的研究热点，具有很强的应用潜力，被认为是最具有商业价值的存储器。

在现有的阻变存储器中，通常包括：半导体衬底、底部电极、阻变层和顶部电极，所述底部电极覆盖所述半导体衬底，所述阻变层覆盖所述底部电极，所述顶部电极覆盖所述阻变层。其中，所述阻变层中具有氧原子。在阻变存储器中，电阻的转变机制主要为氧空位导电细丝的形成与断裂，当存储器外加一定条件的正向电压时，可以使得阻变层发生软击穿，从而形成导电细丝，该软击穿具体的包括，阻变层中的氧原子在电场的作用下会产生移动，最终在所述顶部电极处发生富集，当阻变层中的氧原子移动后，会在阻变层中形成大量的氧空位，进而会在阻变层中形成一条由氧空位构成的导电通道，该导电通道通常被称为导电细丝，此时，阻变存储器处于低阻态(LRS)；当阻变存储器外加反向电压时，可以使得氧原子与氧空位复合，从而使阻变存储器处于高阻态(HRS)。通常情况下，阻变存储器由高阻态转变为低阻态被称为SET，从低阻态转变为高阻态被称为RESET。

接着，对阻变存储器施加FORMING(激活)电压，该FORMING(激活)要大于SET电压，所述阻变存储器施加FORMING电压后，使得氧原子可以离开晶格，产生足够的氧空位。从以上机理可以看出，这种氧空位导电细丝出现的随机性较高，造成阻变存储器的一致性较差。目前为了提高氧空位导电细丝出现的概率的通常做法是：通过外接串联电阻，可以有效提高阻变存储器的一致性，但这样会使得外围电路变得更加复杂，同时可能引起RC延迟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻变存储器及其制备方法，以解决阻变存储器的导电通道的形成和断裂存在随机性，影响阻变存储器的工作稳定性和可靠性的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种阻变存储器，包括：

半导体衬底、第一电极、第一插层、阻变层、第二插层和第二电极，所述第一电极覆盖部分所述半导体衬底，所述第一插层覆盖所述第一电极，并且所述第一插层的电阻率小于所述阻变层的电阻率，所述阻变层覆盖所述第一插层，所述第二插层覆盖所述阻变层，并且所述第二插层与所述阻变层中均具有氧原子，所述第二电极覆盖所述第二插层。

可选的，在所述的阻变存储器中，所述阻变存储器还包括：形成于所述半导体衬底表面的阻挡层，所述阻挡层中具有贯穿的一开口，所述第一电极填充所述开口，所述第一插层覆盖所述第一电极及部分所述阻挡层。

可选的，在所述的阻变存储器中，所述第一电极的材质为氮化钽。

可选的，在所述的阻变存储器中，所述第二电极的材质为氮化钛。

可选的，在所述的阻变存储器中，所述阻变层的材质为氧化钽。

基于同一发明构思，本发明还提供一种阻变存储器的制造方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上依次形成第一电极、第一插层、阻变层、第二插层和第二电极，所述第一电极覆盖部分所述半导体衬底，所述第一插层覆盖所述第一电极，并且所述第一插层的电阻率小于所述阻变层的电阻率，所述阻变层覆盖所述第一插层，所述第二插层覆盖所述阻变层，并且所述第二插层与所述阻变层中均具有氧原子，所述第二电极覆盖所述第二插层。

可选的，在所述的阻变存储器的制造方法中，在提供半导体衬底之后，在所述半导体衬底上形成第一电极之前，所述阻变存储器的制造方法还包括：

形成阻挡层，所述阻挡层覆盖所述半导体衬底；

刻蚀所述阻挡层，以在所述阻挡层中形成贯穿的开口，所述第一电极填充所述开口。

可选的，在所述的阻变存储器的制造方法中，所述第一电极的形成方法包括：

形成第一电极材料层，所述第一电极材料层填充所述开口，并延伸覆盖所述阻挡层表面；

平坦化所述第一电极材料层至所述阻挡层表面，以形成第一电极。

可选的，在所述的阻变存储器的制造方法中，所述第一插层和所述第二插层的厚度均为3nm～15nm。

可选的，在所述的阻变存储器的制造方法中，所述半导体衬底包括一层间介质层和金属层，所述层间介质层中具有开槽，所述金属层填充所述开槽，所述第一电极对准所述金属层。

在本发明提供的阻变存储器及其制造方法中，所述阻变存储器包括：半导体衬底、第一电极、第一插层、阻变层、第二插层和第二电极，所述第一电极覆盖部分所述半导体衬底，所述第一插层覆盖所述第一电极，并且所述第一插层的电阻率小于所述阻变层的电阻率，所述阻变层覆盖所述第一插层，所述第二插层覆盖所述阻变层，所述第二插层与所述阻变层中均具有氧原子，所述第二电极覆盖所述第二插层，由于所述第一插层的电阻率小于所述阻变层的电阻率，由此，可以降低阻变存储器的初始电阻，进一步的，由于所述第二插层与所述阻变层中均具有氧原子，当阻变存储器施加正电压后，所述阻变层与所述第二插层中的氧原子均会向所述第二电极移动，即由于所述第二插层的存在，可以使阻变层与所述第二电极之间出现更多的氧空位，由此可以增加氧空位的浓度，从而有助于氧空位导电细丝的产生，进而提高阻变存储器的一致性，并提高阻变存储器的工作稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施提供的阻变存储器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的阻变存储器的制造方法中形成的流程示意图；

图3～图8是本发明实施例提供的阻变存储器的制造方法中形成的结构示意图；

其中，附图标记说明如下：

100-半导体衬底；101-层间介质层；102-金属层；103-阻挡层；104-开口；110-第一电极；120-第一插层；130-阻变层；140-第二插层；150-第二电极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的阻变存储器及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，其为本发明提供的阻变存储器的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种阻变存储器，包括：半导体衬底100、第一电极110、第一插层120、阻变层130、第二插层140和所述第二电极150。

具体的，所述阻变存储器还包括：形成于所述半导体衬底100表面的阻挡层103，所述阻挡层103中具有贯穿的一开口104，所述第一电极110填充所述开口104，所述第一插层120覆盖所述第一电极110及部分所述阻挡层103，所述第一插层120的材质为氮化钛，由于所述第一插层120的材质为氮化钛，可以使得所述第一插层120的电阻率小于所述阻变层130的电阻率，如此，可以降低阻变存储器的电阻率，进一步的，由于所述第二插层140与所述阻变层130中均具有氧原子，当阻变存储器施加正电压后，所述阻变层130与所述第二插层140中的氧原子均会向所述第二电极150移动，即由于所述第二插层140的存在，可以使阻变层130与所述第二电极150之间出现更多的氧空位，由此可以增加氧空位的浓度，从而有助于氧空位导电细丝的产生，进而提高阻变存储器的一致性，并提高阻变存储器的工作稳定性和可靠性。

具体的，所述阻变层130的材质为氧化钽，所述第一插层120与所述阻变层130相结合，可以使阻变存储器获得较低的电阻率，以及可以降低阻变存储器的初始电阻和Forming(激活)电压。

所述第二插层140的材质为氧化钛，所述氧化钛具有较强的吸氧能力，可以吸收阻变层130中的氧原子，可以加快所述阻变层130中的氧原子的移动速度，并可增加所述阻变层130中移动的氧原子的数量，使所述阻变层130中可以出现更多的氧空位，即可以使得所述阻变层130中的氧空位的浓度增加，从而有助于导电细丝的产生，进而提高阻变存储器的一致性。

所述第一插层120和所述第二插层140相结合，可以起到串联电阻的作用，在所述第一插层120和所述第二插层140的共同作用下，可以使阻变存储器具有更好的阻变特性。

如上所述的阻变存储器的工作原理为：在第二电极150上加一定的正向电压(Forming电压)，阻变层130发生软击穿，阻变层130中的氧原子可以离开晶格并在电场作用下向第二电极150运动，当所述阻变层130中的氧原子移动后，会在阻变层130中留下了大量的氧空位，由此形成导电通道(或者说导电细丝)。此外，阻变层130中的原子向第二电极150运动时，会经过所述第二插层140，由于所述第二插层140的材质为氧化钛，可以吸收所述阻变层130中的氧原子，并且所述第二插层140中的氧原子也会向所述第二电极150移动，由此，可以使得阻变层130与所述第二电极150之间出现更多的氧空位，即可以增加氧空位的浓度，从而有助于氧空位导电细丝的产生，进而提高阻变存储器的一致性。此时，阻变存储器处于低阻态(LRS)，此外，所述第二插层130中的钛原子也能够扩散(自然扩散以及在电场的作用下发生扩散)到阻变层130中从而成为杂质，当所述第二插层140中的钛原子扩散到所述阻变层130中以后，可以促使阻变层130中更多的氧原子向所述第二电极150移动，即能够使阻变层中130产生更多的氧空位，由此可以降低导电通道形成的随机性，并能够有效的改善阻变存储器的性能。

接着，在第二电极150上施加一定的负向电压，氧原子在电场作用下返回阻变层130和所述第二插层140中，与氧空位复合，导电通道断裂，阻变存储器由低阻态(LRS)转变为高阻态(HRS)，在此过程中，所述第二插层140中的氧原子会向所述阻变层130移动，并还原所述阻变层130中的氧空位，即氧原子与所述阻变层130中的氧空位复合。由此，实现阻变存储器的置零(RESET)；再接着，在所述第二电极150上施加一定的正向电压(通常小于Forming电压)，导电通道再次形成，阻变存储器由高阻态(HRS)转变为低阻态(LRS)，实现置位(SET)。

参考图2，图2为本发明实施例提供的阻变存储器的制造方法的流程示意图。如图2所示，基于同一发明构思，本发明还提供一种阻变存储器的制造方法，包括：

步骤S1：提供半导体衬底；

步骤S2：在所述半导体衬底上依次形成第一电极、第一插层、阻变层、第二插层和第二电极，所述第一电极覆盖部分所述半导体衬底；所述第一插层覆盖所述第一电极,并且所述第一插层的电阻率小于所述阻变层的电阻率，所述阻变层覆盖所述第一插层，所述第二插层覆盖所述阻变层，并且所述第二插层与所述阻变层中均具有氧原子，所述第二电极覆盖所述第二插层。

接下去，将结合图3～8对以上步骤进行更详细的说明，其中，图3～8为本发明提供的阻变存储器的制造方法中形成的结构示意图。

首先，执行步骤S1，参考图3～4，提供半导体衬底100，具体的，所述半导体衬底100包括一层间介质层101和金属层102，所述层间介质层101中具有开槽，所述金属层102填充所述开槽。

所述金属层102的表面与所述层间介质层101的表面平齐。其中，所述层间介质层101的材质为低介电常数材料(Low-k)、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的至少一种，优选的为低介电常数材料，所述低介电常数材料(Low-k)包括氟硅玻璃(FSG)、氧化硅、碳掺杂的氧化硅或者氮掺杂的碳化硅等。所述金属互层的材质优选的为铜。

接着，执行步骤S2，在所述半导体衬底100上依次形成第一电极110、第一插层120、阻变层130、第二插层140和第二电极150，所述第一电极110覆盖部分所述半导体衬底100；所述第一插层120覆盖所述第一电极110,并且所述第一插层120的电阻率小于所述阻变层130的电阻率，所述阻变层130覆盖所述第一插层120，所述第二插层140覆盖所述阻变层130，并且所述第二插层140与所述阻变层130中均具有氧原子，所述第二电极150覆盖所述第二插层140。

具体的，在所述半导体衬底100上依次形成第一电极110、第一插层120、阻变层130、第二插层140和第二电极150的方法包括：

步骤S21：形成第一电极110，所述第一电极110覆盖部分所述半导体衬底100。此外，所述第一电极110对准所述金属层102。

具体的，所述第一电极110的形成方法包括：首先，形成阻挡层103，所述阻挡层103覆盖所述半导体衬底100；然后，刻蚀所述阻挡层103，以在所述阻挡层103中形成贯穿的开口104，接着，形成第一电极材料层，所述第一电极材料层110填充所述开口104，并延伸覆盖所述阻挡层103表面，最后，平坦化所述第一电极材料层至所述阻挡层103表面，以形成第一电极110，即第一电极110的表面与所述阻挡层103的表面平齐。其中，所述阻挡层103可以防止金属层中的金属离子向所述层间介质层101中扩散，所述阻挡层103的材质为掺杂碳化硅。

步骤S22：参考图6，形成第一插层120，所述第一插层120覆盖所述第一电极110；可以通过物理气相沉积的方法形成所述第一插层120。优选的，所述第一插层120的材质可以为氮化钛，所述第一插层120的材质为氮化钛的目的是，使所述第一插层120的电阻率小于所述阻变层130的电阻率，可以降低阻变存储器的初始电阻及Forming(激活)电压。

此外，由于所述第一插层120的材质为氮化钛，可以使所述第一插层120对所述第一电极110具有较强的吸附能力。使所述第一插层120能够较好的吸附在所述第一电极110的表面，从而增加所述第一插层120与所述第一电极110表面的接触，增加器件的导电或者各部分结构的连接性，提高器件的性能。

此外，所述第一插层120可以将第一电极110与后续形成的阻变层130隔离，即所述第一插层120可以避免所述阻变层130与所述第一电极110直接接触，具体的，在形成所述第一电极110过程中，如果所述第一电极110的表面存是凹凸不平的，若所述阻变层130直接形成在所述第一电极110的表面，则会对所述阻变层130的形貌造成损伤，由此会影响阻变存储器的性能。因此，本实施例中，通过在所述第一电极110与所述阻变层130之间形成所述第一插层140，可以避免第一电极110的形貌损伤(例如平坦化工艺时的形貌损伤)对阻变层130的性能的影响。

优选的，所述第一插层120的厚度为5nm-20nm，可以通过调节所述第一插层120的厚度，调节所述阻变存储器的初始电阻。从而使所述初始电阻达到工艺所需的数值，增大器件的存储窗口。

步骤S23：参考图7，形成阻变层130，所述阻变层130覆盖所述第一插层120。

具体的，形成所述阻变层130的方法包括：在所述第一插层120上形成阻变材料层，对所述阻变材料层进行氧化，优选的通过批度氧化的方法分别对所述阻变材料层的上表面和下表面进行氧化，以形成所述阻变层130。通过调节所述阻变材料层的氧化程度，可以调节所述阻变层130的厚度，由此，可以调节所述阻变存储器的初始电阻。

更具体的，对所述阻变材料层进行氧化时，采用的氧化工艺可以为热氧化工艺或者原位蒸气生成氧化工艺，更具体的，所述热氧化工艺可以通过氧化炉或快速热退火腔室，在氧气气体下对所述半导体衬底100进行500℃至1000℃的热氧化工艺；其氧化气体的流量可以为300sccm～500sccm，例如可以为300sccm，以获得氧化均匀的阻变层130。

或者，也以通过物理气相沉积的方法在形成所述阻变层130。所述阻变层130中具有氧原子，当阻变存储器施加正电压后，所述阻变层130中的氧原子会向所述第二电极150移动，由此会在阻变层130中形成氧空位，从而在所述阻变层130与所述第二电极150之间形成由氧空位组成的导电细丝，进一步的，所述阻变层130的材质可以为氧化钽，但不限于此，也可以采为钙钛矿类氧化物。在本申请的实施例中，所述阻变层130的材质优选的为氧化钽。以使所述阻变层130具有较高的可靠性能。

优选的，所述阻变层130的厚度可以为4nm-15nm。可以通过调节所述阻变层130的厚度调节所述阻变存储器的初始电阻和电压，从而获得合适的存储窗口。

步骤S24：参考图8，形成第二插层140，所述第二插层140覆盖所述阻变层130，所述第二插层中具有氧原子，所述第二电极150的材质为氧化钛，具体的，所述第二插层140可以通过氧化工艺或者化学气相沉积的方法形成。由于所述第二插层140中具有氧原子，当阻变存储器施加正电压后，所述阻变层130中的氧原子会向所述第二电极150移动，由此，可以使所述阻变层130与所述第二电极150之间出现更多的氧空位，即可以增加氧空位的浓度，从而有助于氧空位导电细丝的产生，进而提高阻变存储器的一致性。

步骤S24：继续参考图1，形成第二电极150，所述第二电极150覆盖所述第二插层140。优选的，可以通过物理气相沉积的方法形成所述第二电极150，所述第二电极150的材质可以为氮化钛，但不限于此，也可以采用领域人员所知的其他材质，比如可以为铜和铂等。所述第二电极150的厚度可以为30nm～45nm。当对阻变存储器施加电压以后，所述第二插层140中的原子也可能够扩散到所述阻变层130中成为杂质，并能够使所述阻变层130产生更多的氧空位，由此可以降低导电通道形成的随机性，并能够有效的改善阻变存储器的性能。

综上所述，在本发明提供的阻变存储器及其制造方法中，所述阻变存储器包括：半导体衬底、第一电极、第一插层、阻变层、第二插层和第二电极，所述第一电极覆盖部分所述半导体衬底，所述第一插层覆盖所述第一电极，并且所述第一插层的电阻率小于所述阻变层的电阻率，所述阻变层覆盖所述第一插层，所述第二插层覆盖所述阻变层，所述第二插层与所述阻变层中均具有氧原子，所述第二电极覆盖所述第二插层，由于所述第一插层的电阻率小于所述阻变层的电阻率，由此，可以降低阻变存储器的初始电阻，进一步的，由于所述第二插层与所述阻变层中均具有氧原子，当阻变存储器施加正电压后，所述阻变层与所述第二插层中的氧原子均会向所述第二电极移动，即由于所述第二插层的存在，可以使阻变层与所述第二电极之间出现更多的氧空位，由此可以增加氧空位的浓度，从而有助于氧空位导电细丝的产生，进而提高阻变存储器的一致性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。