[发明专利]氧化钽基阻变存储器及其制造方法

说明书

本发明公开了一种氧化钽基阻变存储器，存储单元包括阻变材料，阻变材料由氧化钽层组成，氧化钽层中的氧为通过氧离子注入工艺注入到钽层中，通过氧离子注入工艺使氧化钽层具有氧的深度和浓度被控制的结构，氧的深度通过氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制改善存储单元的性能。本发明还公开了一种氧化钽基阻变存储器的制造方法。本发明能实现对氧化钽阻变材料中的氧的深度和浓度进行精确控制。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种氧化钽(TaOx)基阻变存储器(RRAM)。本发明还涉及一种氧化钽基阻变存储器的制造方法。

背景技术

随逻辑工艺的进一步微缩，特别是进入40nm工艺节点后，现有的带电可擦写可编程读写存储器(EEPROM)或者或非(NOR)闪存(FLASH)与以高介电常数栅介质层加金属栅(HKMG)结构和鳍式场效应晶体管(FinFET)为代表的先进逻辑工艺的集成难度进一步增大，其高昂的制造成本以及退化的器件性能无法为实际应用所接受，微缩化遇到瓶颈，使得国际上对NOR flash的研发长期停留在了55nm节点；另一方面，嵌入式应用对于功耗非常敏感，传统的嵌入式Flash擦写电压高达10V以上，且不能随工艺节点的微缩而降低，需要有额外的高压电路模块，因此限制了其在低功耗场合的应用。

阻变存储器是一种新型的存储技术，具有简单的两端结构，其工作机理是，在外加电压的作用下，器件通过形成和断裂导电通道，实现高阻态和低阻态间的可逆转变，从而用来存储数据。它具有可微缩性好，易三维堆叠等特点，国际半导体技术路线图指出，阻变存储器是最具商业化潜力的新型存储技术之一。

阻变存储器的工艺结构层通常采用氧化钽作为阻变材料，形成TaOx工艺在业界目前通常采用三种方式，第一种方式直接采用PVD方式进行TaOx薄膜淀积；第二种方式，物理气相沉积(PVD)方式进行钽(Ta)的淀积，再通过化学气相沉积(CVD)方式通过N2O方式对Ta进行氧化；第三种方式是采用PVD方式进行Ta的淀积，再通过CVD或者灰化(Asher)的方式进行O2的氧化，三种方式都可以获得的TaOx，但是这三种方式都会都存氧化程度控制难度，此外对后续工艺也存在一定的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化钽基阻变存储器，能实现对氧化钽阻变材料中的氧的深度和浓度进行精确控制。为此，本发明还提供一种氧化钽基阻变存储器的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的氧化钽基阻变存储器的存储单元包括阻变材料，所述阻变材料由氧化钽层组成，所述氧化钽层中的氧为通过氧离子注入工艺注入到钽层中，通过所述氧离子注入工艺使所述氧化钽层具有氧的深度和浓度被控制的结构，氧的深度通过所述氧离子注入的注入能量控制，氧的浓度通过所述氧离子注入的注入浓度控制，通过对氧的深度和浓度的控制改善所述存储单元的性能。

进一步的改进是，所述存储单元还包括底电极(BE)和顶电极(TE)，所述阻变材料形成于所述底电极上，所述顶电极形成在所述阻变材料上，所述底电极、所述阻变材料和所述顶电极形成叠加结构。

进一步的改进是，所述存储单元还包括插入层(IL)，所述插入层位于所述阻变材料和所述顶电极之间。

进一步的改进是，所述插入层由钽层组成，所述插入层的钽层和所述阻变材料的钽层呈连续的整体结构，由位于所述阻变材料表面的未注入氧的钽层形成所述插入层。

进一步的改进是，所述底电极形成在第一金属层表面上，所述顶电极通过通孔连接到第二金属层。

进一步的改进是，所述第一金属层和所述第二金属层之间隔离有层间介质层，在所述第一金属层和底部的金属层之间也隔离有层间介质层。

进一步的改进是，所述底电极的材料为TiN，所述顶电极的材料为TiN。