一種自選通阻變存儲器單元及其製備方法
2023-06-10 08:14:26 2
一種自選通阻變存儲器單元及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種自選通阻變存儲器單元及其製備方法，屬於存儲器【技術領域】。該自選通阻變存儲器單元包括：包含有多層導電下電極的堆疊結構；刻蝕該堆疊結構而形成的垂直溝槽；在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層；在該M8XY6選通層表面形成的電阻轉變層；以及在該電阻轉變層表面形成的導電上電極，且該導電上電極充滿該垂直溝槽。本發明基於自選通功能阻變存儲器作為存儲單元，可以不依賴選通電晶體以及二極體，依靠其自身電阻隨電壓的非線性變化特徵實現自我選擇功能，結構簡單、易集成、密度高、成本低，能夠抑制交叉陣列結構中的讀串擾現象；同時適用於平面堆疊交叉陣列結構以及垂直交叉陣列結構，可以實現高密度的三維存儲。
【專利說明】一種自選通阻變存儲器單元及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適用於垂直交叉陣列結構的自選通非易失性阻變存儲器單元及其製備方法，屬於微電子【技術領域】。
【背景技術】
[0002]阻變存儲器為一金屬/氧化物/金屬(MIM)電容結構，通過電信號的作用，使器件在高電阻狀態(High Resistance State，HRS)和低電阻(Low Resistance State，LRS)狀態之間可逆轉換，從而實現數據存儲功能。由於其在單元面積、三維集成、低功耗、高擦寫速度、和多值存儲等方面的優異特性，受到了國內外的高度關注。
[0003]阻變存儲器的陣列架構可以分為無源交叉陣列和有源陣列。在無源交叉陣列中，每個存儲器單元由相互交叉的字線和位線構成的上下電極所確定，在平面結構中可以實現最小的存儲單元面積一一4F2，其中F為特徵尺寸。無源交叉陣列由於不依賴於半導體工藝的前段工藝，可以進行多層堆疊，實現三維存儲結構，每個存儲器單元的有效單元面積僅為4F2/N，其中N為堆疊的層數。但無源交叉陣列架構阻變存儲器的低阻態呈歐姆導電特性，在讀取相鄰交叉點的阻值時容易產生串擾效應，以圖1所示的2X2交叉陣列為例，如果三個相鄰的交叉節點(1，2)、(2,2)和(2，I)處於低阻狀態，那麼(1，1)點的實際電阻不論處於高阻態還是低阻態，其讀出的電阻都為低阻。當存儲陣列變大或多層陣列堆疊時，漏電現象將更加嚴重。為解決串擾問題引起的誤讀現象，通常的解決方法為與阻變器件串聯一個具有整流特性的二極體或非線性電阻。
[0004]阻變存儲器的的三維集成方法主要有兩種:一種是交叉陣列多層堆疊結構，即將二維交叉陣列結構重複製備，堆積多層形成；另一種方法是垂直交叉陣列結構，把傳統的水平交叉陣列結構轉90度，並在水平方向重複延伸形成垂直結構三維陣列。
[0005]多層堆疊結構需要對每層交叉陣列結構分別製備，在提高單位面積存儲密度的同時，其生產成本也將顯著提升，以堆疊N層交叉陣列為例，通常需要經過2N+1次光刻完成，光刻步驟約佔整個半導體生產成本的30%，而垂直結構三維陣列，只需經過N+1次光刻，相比於多層堆疊結構，其工藝成本大大降低。
[0006]對於多層堆疊結構而言，選通管與阻變單元的集成可以通過平面工藝比較方便的實現；而對於垂直交叉陣列結構，選通管的集成就非常困難，因為在垂直陣列中，每一列阻變單元的上電極是通過溝槽填充工藝形成，由於缺少單個器件的圖形化工藝，要在每個阻變單元上集成一個選通管難度很大，目前國際上已有的關於垂直交叉陣列三維結構的報導幾乎全是基於單R結構，如圖2所示，在缺乏選通管的情況下，這種結構的集成規模和讀寫操作將會受到很大的限制。
【發明內容】
[0007](一 )要解決的技術問題
[0008]有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種適用於垂直交叉陣列集成的自選通非易失性阻變存儲器單元及其製備方法，以消除阻變存儲器垂直交叉陣列中的誤讀與串擾現象。
[0009]( 二 )技術方案
[0010]為達到上述目的，本發明提供了一種自選通阻變存儲器單元，包括:包含有多層導電下電極的堆疊結構；刻蝕該堆疊結構而形成的垂直溝槽；在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層；在該M *^6選通層表面形成的電阻轉變層；以及在該電阻轉變層表面形成的導電上電極，且該導電上電極充滿該垂直溝槽。
[0011 ] 上述方案中，所述包含有多層導電下電極的堆疊結構中，導電下電極作為垂直交叉陣列結構中的字線，在任意兩層導電下電極之間由絕緣介質層隔離，在頂層導電下電極之上覆蓋有絕緣介質層，且底層導電下電極通過絕緣介質層與襯底隔離。
[0012]上述方案中，所述導電下電極，是採用金屬材料W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir 或 Ni，以及金屬化合物 TiN、TaN、IrO2、CuTe、Cu3Ge、ITO 或 IZO 中任一種導電材料，或者是採用金屬材料W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir或Ni，以及金屬化合物TiN、TaN、Ir02、CuTe、Cu3Ge、ITO或IZO中任兩種或兩種以上導電材料的合金；所述導電下電極採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法沉積而形成，厚度為Inm?500nmo
[0013]上述方案中，所述絕緣介質層採用的材料，是SiN、S1、S1N、摻C的S12、摻P的S12或摻F的S12;所述絕緣介質層採用化學氣相沉積或派射形成，厚度為1nm?lOOnm。
[0014]上述方案中，所述堆疊結構採用兩層導電下電極構成，該兩層導電下電極是第一導電下電極301和第二導電下電極302，第二導電下電極302形成於第一導電下電極301之上，且第一導電下電極301與第二導電下電極302之間由第二絕緣介質層202進行隔離，第二導電下電極302之上還覆蓋有第三絕緣介質層203，第一導電下電極301通過第一絕緣介質層201與襯底隔離。
[0015]上述方案中，所述垂直溝槽依次貫穿該堆疊結構中該多層導電下電極之上覆蓋的絕緣介質層、多層導電下電極及多層導電下電極之間的絕緣介質層，該垂直溝槽的底部形成於該底層導電下電極之下的絕緣介質層中。
[0016]上述方案中，所述在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層，其中M為Cu、Ag、L1、Ni或Zn中的任一種，X為Ge、S1、Sn、C或N中的任一種，Y為Se、S、O或Te中的任一種。所述在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層，還採用摻雜的M8XY6材料，摻雜元素為 N、P、Zn、Cu、Ag、L1、N1、Zn、Ge、S1、Sn、C、N、Se、S、0、Te，Br、Cl，F 或 I 中的一種或幾種。
[0017]上述方案中，所述在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層，採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法沉積而形成，厚度為Inm?500nmo
[0018]上述方案中，所述在該1；^￥6選通層表面形成的電阻轉變層，採用無機材料CuS、AgS、AgGeSe, CuIxSy，ZrO2、HfO2, T12、S12, WOx、N1、CuOx、ZnO, TaOx、Co0、Y203、S1、PCM0、SZO或STO中的任一種，或者採用有機材料TCNQ、PEDOT、P3HT或PCTBT中的任一種，或由該無機材料或有機材料經摻雜改性後形成的材料構成；所述電阻轉變層採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積、旋塗或磁控濺射方法中的一種方法形成，厚度為Inm ?500nmo
[0019]上述方案中，所述導電上電極形成於內壁覆蓋有M8XY6選通層及電阻轉變層的該垂直溝槽內，所述導電上電極的上表面與頂層導電下電極之上覆蓋的絕緣介質層的上表面齊平。
[0020]上述方案中，所述導電上電極，是由金屬材料W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir或Ni，金屬化合物TiN、TaN、IrO2、CuTe、Cu3Ge、ITO或IZO中任一種導電材料構成，或者是由金屬材料W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir或Ni，金屬化合物TiN, TaN, IrO2, CuTe, Cu3Ge, ITO或IZO中任兩種或兩種以上導電材料的合金構成；所述導電上電極採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法中的一種方法而形成，厚度為Inm?500nmo
[0021]為達到上述目的，本發明還提供了一種自選通阻變存儲器單元的製備方法，包括:形成包含有多層導電下電極的堆疊結構；刻蝕該堆疊結構形成垂直溝槽；在該垂直溝槽內壁及底部形成M8XY6選通層；在該M8XY6選通層表面形成電阻轉變層；以及在該電阻轉變層表面形成導電上電極，且該導電上電極充滿該垂直溝槽。
[0022]上述方案中，所述形成包含有多層導電下電極的堆疊結構的步驟，是在襯底上先形成絕緣介質層，然後在絕緣介質層上形成導電下電極，接著在導電下電極上形成絕緣介質層，然後再在絕緣介質層上形成導電下電極，以此類推，絕緣介質層和導電下電極依次間隔形成，並最終在頂層導電下電極上形成絕緣介質層後，形成包含有多層導電下電極的堆疊結構。
[0023]上述方案中，所述導電下電極採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法沉積而形成，所述絕緣介質層採用化學氣相沉積或濺射形成。
[0024]上述方案中，所述刻蝕該堆疊結構形成垂直溝槽的步驟，是採用光刻及刻蝕的方法對該堆疊結構中該多層導電下電極之上覆蓋的絕緣介質層、多層導電下電極及多層導電下電極之間的絕緣介質層進行貫穿刻蝕，刻蝕停止於該底層導電下電極之下的絕緣介質層中。
[0025]上述方案中，所述光刻是常規光刻、電子束曝光或納米壓印；所述刻蝕是幹法刻蝕或者溼法刻蝕，採用單步刻蝕工藝，一次形成溝槽，或者採用多步刻蝕工藝，將絕緣介質層與導電下電極分開刻蝕。
[0026]上述方案中，所述在該垂直溝槽內壁及底部形成M8XY6選通層的步驟，是採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法沉積而形成。
[0027]上述方案中，所述在該M8XY6選通層表面形成電阻轉變層的步驟，是採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積、旋塗或磁控濺射方法中的一種方法形成。
[0028]上述方案中，所述在該電阻轉變層表面形成導電上電極的步驟，是採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法中的一種方法，在內壁覆蓋有M8XY6選通層及電阻轉變層的該垂直溝槽內形成導電上電極。
[0029]上述方案中，所述在該電阻轉變層表面形成導電上電極的步驟，還包括:平坦化導電上電極、電阻轉變層及M8XY6選通層，形成垂直交叉陣列結構的位線，進而形成自選通阻變存儲器單元。
[0030]上述方案中，所述平坦化是採用化學機械拋光的方法對導電上電極、電阻轉變層及隊乂￥6選通層進行平坦化處理，將水平部分的導電上電極、電阻轉變層&M8XY6選通層材料完全去除，完成位線的圖形化。
[0031](三)有益效果
[0032]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0033]1、本發明利用1^(￥6選通層的閾值轉變特性，其阻值隨電壓呈現高度非線性，與電阻轉變層串聯後，使電阻轉變器件的低阻態呈非線性特徵，從而實現其在交叉陣列結構中的自選通功能。
[0034]2、本發明通過]\^^6選通層與電阻轉變層直接相鄰，中間不包含導電層，避免了相鄰單元的選通器的連接，消除了阻變存儲器垂直交叉陣列中的誤讀與串擾現象，從而可以應用於垂直交叉陣列結構中。
[0035]3、本發明提供的自選通阻變存儲器單元包括上電極、下電極、阻變材料層以及選通層，其低阻態呈現出高度非線性特性。本發明基於自選通功能阻變存儲器作為存儲單元，可以不依賴選通電晶體以及二極體，依靠其自身電阻隨電壓的非線性變化特徵實現自我選擇功能，結構簡單、易集成、密度高、成本低，能夠抑制交叉陣列結構中的讀串擾現象；本發明的提出的非線性阻變單元同時適用於平面堆疊交叉陣列結構以及垂直交叉陣列結構，可以實現高密度的三維存儲。
[0036]綜上所述，本發明提供了一種適用於垂直交叉陣列集成的自選通非易失性阻變存儲器單元及其製備方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1為單R結構交叉陣列讀串擾現象的示意圖；
[0038]圖2為傳統阻變存儲器垂直交叉陣列集成示意圖；
[0039]圖3是依照本發明實施例的自選通阻變存儲器單元的結構示意圖；
[0040]圖4是依照本發明實施例的製備自選通阻變存儲器單元的方法流程圖；
[0041]圖5至圖9是依照本發明實施例的自選通阻變存儲器單元的製備過程示意圖。
【具體實施方式】
[0042]在下文中結合圖示在參考實施例中更完全地描述本發明，本發明提供優選實施例，但不應該被認為僅限於在此闡述的實施例。在圖中，為了清楚放大了層和區域的厚度，但作為示意圖不應該被認為嚴格反映了幾何尺寸的比例關係。在此參考圖是本發明的理想化實施例的示意圖，本發明所示的實施例不應該被認為僅限於圖中所示的區域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，圖中的表示是示意性的，但這不應該被認為是限制本發明的範圍。
[0043]本發明提供的自選通阻變存儲器單元，包括:包含有多層導電下電極的堆疊結構；刻蝕該堆疊結構而形成的垂直溝槽；在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層；在該M8XY6選通層表面形成的電阻轉變層；以及在該電阻轉變層表面形成的導電上電極，且該導電上電極充滿該垂直溝槽。
[0044]其中，所述包含有多層導電下電極的堆疊結構中，導電下電極作為垂直交叉陣列結構中的字線，在任意兩層導電下電極之間由絕緣介質層隔離，在頂層導電下電極之上覆蓋有絕緣介質層，且底層導電下電極通過絕緣介質層與襯底隔離。
[0045]作為優選方案，圖3所示為依照本發明實施例的自選通阻變存儲器單元的結構示意圖，本實施例中採用了兩層導電下電極的堆疊結構，即第一導電下電極301與第二導電下電極302構成的堆疊結構，疊層的數量不受本實施例限制。
[0046]如圖3所示，該阻變存儲器單元包括第一導電下電極301、第二導電下電極302、M8XY6選通層501、電阻轉變層601及導電上電極701，其中第二導電下電極302形成於第一導電下電極301之上，且第一導電下電極301與第二導電下電極302之間由第二絕緣介質層202進行隔離，第二導電下電極302之上還覆蓋有第三絕緣介質層203 ;M8XY6選通層501形成於刻蝕第一導電下電極301及第二導電下電極302而形成的垂直溝槽的內壁，該垂直溝槽依次貫穿第二導電下電極302之上覆蓋的第三絕緣介質層203、第二導電下電極302、第一導電下電極301與第二導電下電極302之間的第二絕緣介質層202，以及第一導電下電極301，該垂直溝槽的底部形成於第一導電下電極301之下的第一絕緣介質層201中。電阻轉變層601形成於該垂直溝槽內壁覆蓋的M8XY6選通層501之上；導電上電極701形成於內壁覆蓋有隊乂￥6選通層501及電阻轉變層601的該垂直溝槽內，導電上電極701的上表面與第二導電下電極302之上覆蓋的第三絕緣介質層203的上表面齊平。
[0047]所述導電下電極，例如圖3中的第一導電下電極301和第二導電下電極302，採用的材料可以由金屬材料W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir或Ni，以及金屬化合物TiN、TaN、Ir02、CuTe、Cu3Ge、ITO或IZO中任一種導電材料構成，也可以由金屬材料W、A1、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir 或 Ni，以及金屬化合物 TiN、TaN、IrO2、CuTe、Cu3Ge、ITO或IZO中任兩種或兩種以上導電材料的合金構成。導電下電極可以採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控派射方法沉積而形成，厚度為Inm?500nm。
[0048]所述絕緣介質層，例如圖3中的第一至第三絕緣介質層201、202和203，採用的材料是SiN、S1、S1N、摻C的S12、摻P的S12或摻F的S1 2，絕緣介質層可以採用化學氣相沉積或派射形成，厚度為1nm?lOOnm。
[0049]?Μ8ΧΥ6選通層 501 中，M 為 Cu、Ag、L1、Ni 或 Zn 中的任一種，X 為 Ge、S1、Sn、C 或N中的任一種，Y為Se、S、O或Te中的任一種。M8XY6選通層501還可以採用摻雜的M 8XY6M料，摻雜元素為 N、P、Zn、Cu、Ag、L1、N1、Zn、Ge、S1、Sn、C、N、Se、S、0、Te，Br、Cl，F 或 I 中的一種或幾種。M8XY6選通層501可以採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控派射方法沉積而形成，厚度為Inm?500nm。
[0050]電阻轉變層601可以採用無機材料(^、485、486656、(:111!^，2102、!1?)2、1102、5102、W0X、N1, CuOx, ZnO、TaOx, Co0、Y203、S1、PCM0、SZO 或 STO 中的任一種，也可以採用有機材料TCNQ, PEDOT, P3HT, PCTBT等中的任一種，或由該無機材料或有機材料經摻雜改性後形成的材料構成，電阻轉變層601可以採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積、旋塗或磁控派射方法中的一種方法形成，厚度為Inm?500nm。
[0051]導電上電極701形成於內壁覆蓋有M8XY6選通層501及電阻轉變層601的該垂直溝槽內，其上表面與頂層導電下電極之上覆蓋的絕緣介質層(例如圖3中的第三絕緣介質層203)的上表面齊平。導電上電極701可以由金屬材料W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir 或 Ni，金屬化合物 TiN、TaN、IrO2、CuTe、Cu3Ge、ITO 或 IZO 中任一種導電材料構成，也可以由金屬材料W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir或Ni，金屬化合物TiN、TaN, IrO2, CuTe, Cu3Ge, ITO或IZO中任兩種或兩種以上導電材料的合金構成，導電上電極701可以採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法中的一種方法而形成；導電上電極701的厚度為Inm?500nmo
[0052]基於上述本發明實施例的自選通阻變存儲器單元，本發明實施例還提供了一種自選通阻變存儲器單元的製備方法，如圖4所示，該方法包括以下步驟:
[0053]步驟10:形成包含有多層導電下電極的堆疊結構；
[0054]在本步驟中，是在襯底上先形成絕緣介質層，然後在絕緣介質層上形成導電下電極，接著在導電下電極上形成絕緣介質層，然後再在絕緣介質層上形成導電下電極，以此類推，絕緣介質層和導電下電極依次間隔形成，並最終在頂層導電下電極上形成絕緣介質層後，形成包含有多層導電下電極的堆疊結構。
[0055]其中，導電下電極採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法沉積而形成，所述絕緣介質層採用化學氣相沉積或濺射形成。
[0056]步驟20:刻蝕該堆疊結構形成垂直溝槽；
[0057]在本步驟中，是採用光刻及刻蝕的方法對該堆疊結構中該多層導電下電極之上覆蓋的絕緣介質層、多層導電下電極及多層導電下電極之間的絕緣介質層進行貫穿刻蝕，刻蝕停止於該底層導電下電極之下的絕緣介質層中。光刻是常規光刻、電子束曝光或納米壓印；所述刻蝕是幹法刻蝕或者溼法刻蝕，採用單步刻蝕工藝，一次形成溝槽，或者採用多步刻蝕工藝，將絕緣介質層與導電下電極分開刻蝕。
[0058]步驟30:在該垂直溝槽內壁及底部形成M8XY6選通層；
[0059]在本步驟中，是採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法沉積而形成。
[0060]步驟40:在該M8XY6選通層表面形成電阻轉變層；
[0061]在本步驟中，是採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積、旋塗或磁控濺射方法中的一種方法形成。
[0062]步驟50:在該電阻轉變層表面形成導電上電極，且該導電上電極充滿該垂直溝槽；
[0063]在本步驟中，是採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法中的一種方法，在內壁覆蓋有M8XY6選通層及電阻轉變層的該垂直溝槽內形成導電上電極。
[0064]在該電阻轉變層表面形成導電上電極的步驟中，還包括:平坦化導電上電極、電阻轉變層及M8XY6選通層，形成垂直交叉陣列結構的位線，進而形成自選通阻變存儲器單元。所述平坦化是採用化學機械拋光的方法對導電上電極、電阻轉變層及M8XY6選通層進行平坦化處理，將水平部分的導電上電極、電阻轉變層及M8XY6選通層材料完全去除，完成位線的圖形化。
[0065]作為較佳實施例，以下結合圖5至圖9，詳細說明本發明中自選通阻變存儲器單元的製備工藝，該工藝具體包括如下步驟:
[0066]步驟1:沉積多層圖形化的導電下電極層。
[0067]如圖5所示，在Si襯底100上形成多層導電下電極的堆疊結構，導電下電極作為垂直交叉陣列結構中的字線，其中間由絕緣介質隔離，作為優選方案，本實施例中採用了兩層導電下電極的堆疊結構，即第一導電下電極301與第二導電下電極302構成的堆疊結構，疊層的數量不受本實施例限制。
[0068]如圖5所示，第一導電下電極301與襯底100間通過第一絕緣介質層201隔離，第一導電下電極301與第二導電下電極302之間通過第二絕緣介質層202隔離，第二導電下電極302上方覆蓋第三絕緣介質層203。其中第一導電下電極301與第二導電下電極302可以採用化學電鍍或者濺射的方法形成，作為優選方案，本實施例中第一導電下電極301和第二導電下電極302採用的材料是金屬W，採用派射的方法形成，厚度為5nm?10nm0
[0069]第一至第三絕緣介質層201、202、203可以採用化學氣相沉積或濺射形成，採用的材料可以為SiN、S1、S1N、摻C的S12、摻P的S12或摻F的S12等，作為優選方案，本實施例中第一至第三絕緣介質層201、202、203採用S12,由化學氣相沉積形成，厚度為1nm?10nm0
[0070]步驟2:刻蝕形成垂直溝槽。
[0071]如圖6所示，通過光刻以及刻蝕的方法對第三絕緣介質層203、第二導電下電極302、第二絕緣介質層202、第一導電下電極301和第一絕緣介質層201進行刻蝕，刻透第一導電下電極301且不刻透第一絕緣介質層201，形成垂直溝槽401。該步驟中，光刻可以是常規光刻、電子束曝光、納米壓印等圖形轉移技術；刻蝕可以是幹法刻蝕或者溼法刻蝕；由於涉及多層薄膜的刻蝕，可以採用單步刻蝕工藝，一次形成溝槽，也可以採用多步刻蝕工藝，將絕緣介質與金屬導電電極分開刻蝕。
[0072]步驟3:在垂直溝槽401中沉積M8XY6選通層501。
[0073]如圖7所示，作為較優實施例，M8XY6選通層501採用的材料可以為Cu 8GeS6或Ag8GeS6，可以採用單革Ei賤射或多革E共派的方法沉積，厚度為5nm?200nm。
[0074]步驟4:在垂直溝槽401中沉積電阻轉變層601於M8XY6選通層501之上。
[0075]如圖8所示，作為較優實施例，電阻轉變層601採用的材料可以為GeS或HfO2，通過採用濺射或原子化學氣相沉積製備，厚度為Inm?30nm。
[0076]步驟5:在垂直溝槽401的電阻轉變層601之上形成導電上電極701。
[0077]如圖9所示，作為較優實施例，導電上電極701採用的材料可以為Ti，TiN, Ta，TaN,Ru或Cu中的一種或幾種的多層複合電極，可以採用濺射、原子化學氣相沉積或電鍍的方法製備，厚度為1nm?100nm0
[0078]步驟6:平坦化導電上電極701、電阻轉變層601及M8XY6選通層501，形成垂直交叉陣列結構的位線，即形成自選通阻變存儲器單元。
[0079]採用化學機械拋光對導電上電極701、電阻轉變層601及M8XY6選通層501進行平坦化處理，將水平部分的導電上電極701、電阻轉變層601及M8XY6選通層501材料完全去除，完成位線的圖形化，具體如圖3所示。
[0080]至此，圖3所示具有自選通功能的自選通阻變存儲器單元製備完成。
[0081]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種自選通阻變存儲器單元，其特徵在於，包括: 包含有多層導電下電極的堆疊結構； 刻蝕該堆疊結構而形成的垂直溝槽； 在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層； 在該隊乂￥6選通層表面形成的電阻轉變層；以及 在該電阻轉變層表面形成的導電上電極，且該導電上電極充滿該垂直溝槽。
2.根據權利要求1所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於，所述包含有多層導電下電極的堆疊結構中，導電下電極作為垂直交叉陣列結構中的字線，在任意兩層導電下電極之間由絕緣介質層隔離，在頂層導電下電極之上覆蓋有絕緣介質層，且底層導電下電極通過絕緣介質層與襯底隔離。
3.根據權利要求2所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於， 所述導電下電極，是採用金屬材料W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir或Ni，以及金屬化合物11隊了&隊11'02、(:1^6、(:11366、11'0或120中任一種導電材料，或者是採用金屬材料 W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir 或 Ni，以及金屬化合物 TiN, TaN,IrO2, CuTe, Cu3Ge、ITO或IZO中任兩種或兩種以上導電材料的合金； 所述導電下電極採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法沉積而形成，厚度為Inm?500nmo
4.根據權利要求2所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於， 所述絕緣介質層，是採用SiN、S1、S1N、摻C的S12、摻P的S12或摻F的S12; 所述絕緣介質層採用化學氣相沉積或濺射形成，厚度為1nm?lOOnm。
5.根據權利要求2所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於，所述堆疊結構採用兩層導電下電極構成，該兩層導電下電極是第一導電下電極(301)和第二導電下電極(302)，第二導電下電極(302)形成於第一導電下電極(301)之上，且第一導電下電極(301)與第二導電下電極(302)之間由第二絕緣介質層(202)進行隔離，第二導電下電極(302)之上還覆蓋有第三絕緣介質層(203)，第一導電下電極(301)通過第一絕緣介質層(201)與襯底隔離。
6.根據權利要求2所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於，所述垂直溝槽依次貫穿該堆疊結構中該多層導電下電極之上覆蓋的絕緣介質層、多層導電下電極及多層導電下電極之間的絕緣介質層，該垂直溝槽的底部形成於該底層導電下電極之下的絕緣介質層中。
7.根據權利要求1所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於，所述在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層，其中M為Cu、Ag、L1、Ni或Zn中的任一種，X為Ge、S1、Sn、C或N中的任一種，Y為Se、S、O或Te中的任一種。
8.根據權利要求7所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於，所述在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層，還採用摻雜的M8XY6材料，摻雜元素為N、P、Zn、Cu、Ag、L1、N1、Zn、Ge、S1、Sn、C、N、Se、S、0、Te，Br、Cl，F 或 I 中的一種或幾種。
9.根據權利要求1所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於，所述在該垂直溝槽內壁及底部形成的M8XY6選通層，採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控派射方法沉積而形成，厚度為Inm?500nm。
10.根據權利要求1所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於， 所述在該隊乂￥6選通層表面形成的電阻轉變層，採用無機材料(:115、485、486必6、(:111!^，ZrO2、HfO2、T i O2、S i O2、WOx、Ni O、CuOx、ZnO、TaOx、CoO、Y2O3、S 1、PCMO、SZO 或 STO 中的任一種，或者採用有機材料TCNQ、PEDOT, P3HT或PCTBT中的任一種，或由該無機材料或有機材料經摻雜改性後形成的材料構成； 所述電阻轉變層採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積、旋塗或磁控濺射方法中的一種方法形成，厚度為Inm?500nm。
11.根據權利要求1所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於，所述導電上電極形成於內壁覆蓋有隊乂￥6選通層及電阻轉變層的該垂直溝槽內，所述導電上電極的上表面與頂層導電下電極之上覆蓋的絕緣介質層的上表面齊平。
12.根據權利要求11所述的自選通阻變存儲器單元，其特徵在於， 所述導電上電極，是由金屬材料W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir或Ni，金屬化合物TiN、TaN, IrO2, CuTe, Cu3Ge, ITO或IZO中任一種導電材料構成，或者是由金屬材料 W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、T1、Ta、Pb、Co、Mo、Ir 或 Ni，金屬化合物 TiN、TaN、IrO2、CuTe、Cu3Ge, ITO或IZO中任兩種或兩種以上導電材料的合金構成； 所述導電上電極採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法中的一種方法而形成，厚度為Inm?500nm。
13.一種自選通阻變存儲器單元的製備方法，其特徵在於，包括: 形成包含有多層導電下電極的堆疊結構； 刻蝕該堆疊結構形成垂直溝槽； 在該垂直溝槽內壁及底部形成M8XY6選通層； 在該M8XY6選通層表面形成電阻轉變層；以及 在該電阻轉變層表面形成導電上電極，且該導電上電極充滿該垂直溝槽。
14.根據權利要求13所述的製備方法，其特徵在於，所述形成包含有多層導電下電極的堆疊結構的步驟，是在襯底上先形成絕緣介質層，然後在絕緣介質層上形成導電下電極，接著在導電下電極上形成絕緣介質層，然後再在絕緣介質層上形成導電下電極，以此類推，絕緣介質層和導電下電極依次間隔形成，並最終在頂層導電下電極上形成絕緣介質層後，形成包含有多層導電下電極的堆疊結構。
15.根據權利要求14所述的製備方法，其特徵在於，所述導電下電極採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法沉積而形成，所述絕緣介質層採用化學氣相沉積或濺射形成。
16.根據權利要求14所述的製備方法，其特徵在於，所述刻蝕該堆疊結構形成垂直溝槽的步驟，是採用光刻及刻蝕的方法對該堆疊結構中該多層導電下電極之上覆蓋的絕緣介質層、多層導電下電極及多層導電下電極之間的絕緣介質層進行貫穿刻蝕，刻蝕停止於該底層導電下電極之下的絕緣介質層中。
17.根據權利要求16所述的製備方法，其特徵在於，所述光刻是常規光刻、電子束曝光或納米壓印；所述刻蝕是幹法刻蝕或者溼法刻蝕，採用單步刻蝕工藝，一次形成溝槽，或者採用多步刻蝕工藝，將絕緣介質層與導電下電極分開刻蝕。
18.根據權利要求13所述的製備方法，其特徵在於，所述在該垂直溝槽內壁及底部形成14\選通層的步驟，是採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法沉積而形成。
19.根據權利要求13所述的製備方法，其特徵在於，所述在該M8XY6選通層表面形成電阻轉變層的步驟，是採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積、旋塗或磁控濺射方法中的一種方法形成。
20.根據權利要求13所述的製備方法，其特徵在於，所述在該電阻轉變層表面形成導電上電極的步驟，是採用電子束蒸發、化學氣相沉積、脈衝雷射沉積、原子層沉積或磁控濺射方法中的一種方法，在內壁覆蓋有M8XY6選通層及電阻轉變層的該垂直溝槽內形成導電上電極。
21.根據權利要求20所述的製備方法，其特徵在於，所述在該電阻轉變層表面形成導電上電極的步驟，還包括: 平坦化導電上電極、電阻轉變層及M8XY6選通層，形成垂直交叉陣列結構的位線，進而形成自選通阻變存儲器單元。
22.根據權利要求21所述的製備方法，其特徵在於，所述平坦化是採用化學機械拋光的方法對導電上電極、電阻轉變層及隊乂￥6選通層進行平坦化處理，將水平部分的導電上電極、電阻轉變層及M8XY6選通層材料完全去除，完成位線的圖形化。
【文檔編號】H01L27/24GK104485418SQ201410830010
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月26日 優先權日:2014年12月26日
【發明者】呂杭炳, 劉明, 劉琦, 龍世兵 申請人:中國科學院微電子研究所