專利名稱：非易失性存儲器件及其制造方法
非易性存儲器件及其制造方法技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵤├梢陨婕胺且资源鎯ζ骷?或制造非易失性存儲器件的方法。
技術(shù)背景現(xiàn)有技術(shù)的易失性存儲器件，例如DRAM,可以具有提高的集成密度， 降低的能源消耗，和/或簡單、常見的制造過程，但是現(xiàn)有技術(shù)的易失性存儲 器件在電源被切斷時可能會丟失存儲的數(shù)據(jù)。現(xiàn)有技術(shù)的非易失性存儲器 件，例如閃存器件，可以具有高擦除電壓，低集成密度，和/或更慢的操作速 度，但是現(xiàn)有技術(shù)的非易失性存儲器件即使在電源被切斷時仍可以保存存儲 的數(shù)據(jù)。現(xiàn)有技術(shù)的非易失性存儲器件例如FRAM、 MRAM、 PRAM和RRAM 已經(jīng)得到發(fā)展并商業(yè)化了。在這些現(xiàn)有技術(shù)的非易失性存儲器件中，可以獲 得與DRAM大致相同的集成密度和操作特性?，F(xiàn)有技術(shù)的非易失性存儲器 件可以使用現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體存儲器件制造工藝制造，并且可以在電源切斷 時保存存儲的數(shù)據(jù)。存儲節(jié)點可以在現(xiàn)有技術(shù)的鐵電隨機存取存儲器(FRAM)、磁性隨機 存取存儲器(MRAM)、相變隨機存取存儲器(PRAM)、和阻抗隨機存取存 儲器(RRAM)之間被配置成不同的。FRAM的存儲節(jié)點可以包括上電極、下電極，和/或鐵電體。MRAM的 存儲節(jié)點可以包括上磁性層、下磁性層，和/或在其間的隧道薄膜。MRAM 上磁性層和下磁性層之一的磁性極化方向可以固定在一個給定的方向，而且 另一層的磁性極化方向可以是相同或相反方向。另一層可以是一個自由層。PRAM可以包括上電極、下電極、在上電極和下電極之間的相變層、和 /或連接下電極和相變層的接點。RRAM可以包括上金屬層、下金屬層、和/或在其間的絕緣層(電阻層)?，F(xiàn)有技術(shù)的非易失性存儲器件的運行特性可以依賴在記錄數(shù)據(jù)的存儲 節(jié)點中的材料層的電流電壓特性。例如，在RRAM存儲節(jié)點的絕緣層中，電阻特性可以根據(jù)施加的電壓而改變。改變的電阻特性在施加擦除電壓之前不會進(jìn)一步改變，即使電源被 切斷。RRAM可以具有上述的非易失性特性，更低的再現(xiàn)性，更大的電阻偏差， 和/或更容易損壞的上電極。發(fā)明內(nèi)容實施例可以提供非易失性存儲器件，在其中上電極可以由改進(jìn)的存儲器 特性來保護(hù)。實施例也可以提供通過鈍化層和/或陽極氧化而帶有改進(jìn)的電阻層特性 的非易失性存儲器件的制造方法。實施例可以提供非易失性存儲器件包括在襯底上的開關(guān)器件和/或連接 至該開關(guān)器件的存儲節(jié)點。存儲節(jié)點可以包括連接至該開關(guān)器件的下金屬層 和堆疊在下金屬層上的第一絕緣層、中間金屬層、第二絕緣層、上金屬層、 碳納米管層、和/或鈍化層。下金屬層和中間金屬層都可以由例如鋁(Al)形成。第一和第二絕緣層都可以是通過陽極氧化下金屬層和/或中間金屬層形成的氧化鋁層。碳納米管層可以是富勒烯層，包括，例如C6Q層、C7。層、Cn層、C74 層、C76層、Cg2層、Cg4層、Cg6層、和/或Cii6層。鈍化層可以是例如氧化硅層。鈍化層可以形成約2nm至約20nm的厚度。 上金屬層可以是功函數(shù)低的金屬層。 上金屬層可以是例如金(Au)層。制造非易失性存儲器件的示例方法可以包括在襯底上形成連接到開關(guān) 裝置的下金屬層，通過陽極氧化下金屬層在下金屬層的表面上形成第一氧化 物，在第一氧化物上形成中間金屬層，通過陽極氧化中間金屬層在中間金屬 層的表面上形成第二氧化物，在第二氧化物上形成上金屬層，在上金屬層上 形成碳納米管層，和/或在碳納米管層上形成鈍化層。下金屬層的形成可以包括形成Al層。第一氧化物的形成可以包括通過 陽極氧化Al層在Al層表面上形成氧化鋁，比如A1203。第一氧化物的形成可以包括通過初級陽極氧化Al層在下金屬層上形成 第一八1203層，蝕刻第一 Al203層的表面，和/或通過次級陽極氧化Al層在Al層表面上形成第二 AI203層。中間金屬層的形成可以包括形成Al層。第二氧化物的形成可以包括通 過陽極氧化Al層在Al層表面上形成八1203層。第二氧化物的形成可以包括通過初級陽極氧化Al層在中間金屬層上形 成第三"203層，蝕刻第三Al203層的表面，和/或通過次級陽極氧化Al層 在A1層表面上形成第四A1203層。上金屬層的形成可以包括采用Au形成上金屬層。碳納米管層的形成可以包括形成包括C6Q層、C7o層、(:72層、C 4層、C76層、C82層、Cs4層、C貼層、和/或Cu6層的富勒烯層。鈍化層的形成可以包括形成氧化硅層。


實施例的以上和/或其他特征和優(yōu)勢通過在附圖中的詳細(xì)說明將變得更明顯，其中圖1是說明實施例的非易失性存儲器件的截面圖。圖2和圖3是展示實施例的非易失性存儲器件的電流電壓特性的圖表。 圖4A至41是說明制造非易失性存儲器件的示例方法的截面圖。
具體實施方式
現(xiàn)在，將參考附圖更加充分的說明實施例。然而實施例將以多種不同形 式實現(xiàn)，并且不應(yīng)解釋為對在此闡述的實施例的限制。相反地，提供這些實 施例以使得此公開更徹底和完整，并將向這些本領(lǐng)域的技術(shù)人員更充分的傳 達(dá)范圍。為了更清楚，在附圖中層和區(qū)域的厚度可以被夸大。應(yīng)該被理解的是當(dāng)一個元件被稱為在另一部件"上"，或"連接到"、"電 連接到"、或"耦接到"另一個部件時，它可以是直接在另一部件上，或連 接到、電連接到或耦接到另外一個部件或者可以存在中間部件。相反，當(dāng)一 個部件被稱為"直接"在其它部件上，或"直接連接到"、"直接電連接到" 或者"直接耦接到"另一個部件時，不存在中間部件。正如在這里使用的術(shù) 語"和/或"包括一個或多個相關(guān)列表項的任何和所有組合。應(yīng)該被理解的是盡管術(shù)語第一、第二、第三等等，在這里可以用來說明 多種元件、部件、區(qū)域、層、和/或部分，但這些元件、部件、區(qū)域、層、和 /或部分不應(yīng)該被這些術(shù)語所限制。這些術(shù)語僅僅用來區(qū)分一個元件、部件、 區(qū)域、層、和/或部分與另外一個元件、部件、區(qū)域、層、和/或部分。例如， 第一元件、部件、區(qū)域、層、和/或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、 層、和/或部分，而不背離實施例的教導(dǎo)。在這里為了描述方^^，空間相對術(shù)語，例如"下面"、"下方"、"下"、 "上方，，、"上"和類似詞語可以在這里使用，描述一個部件和/或特征與另外 一個部件和/或特征、或與其他部件和/或特征如圖中所示的關(guān)系。應(yīng)該理解的是空間相對術(shù)語旨在包含除了在圖中所繪的方向之外的裝置在使用或搡 作中的不同方向。在這里使用術(shù)語的目的僅僅是為了詳細(xì)說明實施例而不是 想要限制。正如在這里使用的單數(shù)形式除非內(nèi)容明確指出否則也旨在包括復(fù) 數(shù)形式?？梢赃M(jìn)一步理解的是當(dāng)術(shù)語"包含"、和/或"包括"在這個說明書 里使用時，確定存在規(guī)定的特征、整體、步驟、搡作、元件、和/或部件，但 并不排除存在或添加一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、和/ 或部件。除非另外定義，所有在這里使用的術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有本 實施例所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員共同理解的相同的意思?？梢赃M(jìn)一步理解的是 這些術(shù)語，例如在共同使用的詞典中定義的那些術(shù)語，應(yīng)該被解釋為和現(xiàn)有 技術(shù)背景中一致的意思，不應(yīng)該解釋為理想的或者過度正式的意義，除非在這里有清楚的定義。圖1是說明實施例的非易失性存儲器件的截面圖。如圖1中所示，互相分離的第一雜質(zhì)區(qū)42和第二雜質(zhì)區(qū)44可以在襯底 40的表面上或者注入襯底40中。第一雜質(zhì)區(qū)42和第二雜質(zhì)區(qū)44可以是P 型雜質(zhì)區(qū)和/或N型雜質(zhì)區(qū)。第一雜質(zhì)區(qū)42和第二雜質(zhì)區(qū)44之一可以是源 極區(qū)，另一個可以是漏極區(qū)。柵極46可以在襯底40上第一雜質(zhì)區(qū)42和第二雜質(zhì)區(qū)44之間。襯底40、 第一雜質(zhì)區(qū)42、第二雜質(zhì)區(qū)44和柵極46可以形成晶體管。在實施例中晶體 管可以被另一個開關(guān)器件代替，比如PN觸點二極管(PN contact diode )。覆蓋柵極46的絕緣中間層48可以在襯底40上。在絕緣中間層48里的 接觸孔50可以使形成在絕緣中間層48里的第一雜質(zhì)區(qū)42暴露。接觸孔50可以被導(dǎo)電栓塞52填充。存儲節(jié)點100可以在絕緣隔層48上并且電連接到導(dǎo)電栓塞52。存儲節(jié) 點100可以包括可電連接到導(dǎo)電栓塞52和/或可與導(dǎo)電栓塞52周圍的 一部分 絕緣中間層48接觸的下金屬層60。存儲節(jié)點100可以包括順序形成在下金屬層60上的第一絕緣層62、中 間金屬層64、第二絕緣層66和/或上金屬層68。存儲節(jié)點100可以包括在上 金屬層68上的納米層70和/或鈍化層80。舉例來說，下金屬層60可以由大約100納米厚的鋁形成，為了提高下 金屬層60的黏度，還可以包括一定數(shù)量的釹(Nd ),比如說約2wt。/。的釹。舉例來說，第一絕緣層62可以是氧化鋁Al203層，設(shè)定為通過陽極氧化 下金屬層60而形成。通過兩次陽極氧化下金屬層60可以使第一絕緣層62 具有緊密的結(jié)構(gòu)。這樣的陽極氧化提高了非易失性存儲器件的存儲特性。中間金屬層64可以包括含有少量釹Nd比如2wt。/。釹、厚度約15nm到 30nm的Al。 Nd可以用來提高中間金屬層64的黏度。舉例說，第二絕緣層66可以是氧化鋁八1203層，設(shè)定為通過陽極氧化中 間金屬層64而形成。通過兩次陽極氧化中間金屬層64可以使第二絕緣層66 具有緊密的結(jié)構(gòu)。陽極氧化可以改進(jìn)實施例的非易失性存儲器件的存儲特 性。上金屬層68可以由功函數(shù)低的金屬，比如厚度約2nm至約20nm的Au形成。納米層70可以是富勒烯(ftillerene)層。富勒烯層可以是比如Qso層、舉例說，鈍化層80可以是形成約2nm至約20nm厚度的氧化硅層Si02。 納米層70和/或鈍化層80可以保護(hù)上金屬層68,并且通過與上金屬層68的 相互化學(xué)作用而維持實施例的存儲器件的特性。圖2和圖3是展示實施例的非易失性存儲器件的電流電壓特性的圖表。 第一部分G1表示高電阻階段(第一階段)，第二部分G2表示低電阻階 段(第二階段)。如果實施例中非易失性存儲器件的電流電壓特性與第二部 分G2相對應(yīng)，并且將負(fù)電壓比如-4V和低于60mA的電流施加給存儲節(jié)點 100，則實施例的非易失性存儲器件的電流電壓特性可以改變?yōu)榕c第 一部分 Gl對應(yīng)。在這一點施加給存儲節(jié)點100的電壓可以是設(shè)定電壓，并且數(shù)據(jù)，比如'T，，可以記錄到實施例的非易失性存儲器件中。如果實施例的非易失性存儲器件的電流電壓特性與第一部分Gl對應(yīng)并且將比如高于4.5V的電壓施加給存儲節(jié)點100，則實施例中非易失性存儲器 件的電流電壓特性可以改變?yōu)榈诙糠諫2。在這一點施加給存儲節(jié)點100 的電壓可以是復(fù)位電壓，并且數(shù)據(jù)，比如"0"，可以記錄到實施例的非易失 性存儲器件中。為了在實施例的非易失性存儲器件中讀取數(shù)據(jù)，可以將約0.5V至約 1.5V的電壓施加給存儲節(jié)點100。如果在存儲節(jié)點100中流動的電流被讀取， 就可以確定電流電壓特性是與第一部分G1還是第二部分G2相對應(yīng)。由此， 可以讀取出記錄在實施例非易失性存儲器件中的數(shù)據(jù)。在實施例的非易失性存儲器件中，基于記錄的數(shù)據(jù)內(nèi)容的電流值差異會 更大。與第二部分G2對應(yīng)的電流可以是與第一部分Gl對應(yīng)的電流的大約 100倍，并且測量的電流可以更低?，F(xiàn)在將要介紹制造非易失性存儲器件的示例方法。圖4A至4I是說明制造非易失性存儲器件的示例方法的截面圖。相似的 參考數(shù)字用來指示與圖1的元件基本相似的元件，因此關(guān)于那些元件的詳細(xì) 的說明可以不必再重復(fù)。如圖4A中所示，柵極堆疊46可以形成在摻雜有P型或N型雜質(zhì)的襯 底40上。柵極堆疊46可以包括柵極絕緣薄膜和/或柵電極。第一雜質(zhì)區(qū)42 和/或第二雜質(zhì)區(qū)44形成在襯底40的表面中柵極堆疊46的任意一側(cè)上。第 一雜質(zhì)區(qū)42和/或第二雜質(zhì)區(qū)44可以通過離子注入合適的雜質(zhì)而形成。第一 雜質(zhì)區(qū)42可以用作源極區(qū)，第二雜質(zhì)區(qū)44可以用作漏極區(qū)，或者反之也可 以。第一雜質(zhì)區(qū)42、第二雜質(zhì)區(qū)44和/或柵極堆疊46可以構(gòu)成半導(dǎo)體晶體 管。覆蓋晶體管的絕緣中間層48可以在襯底40上形成。接觸孔50可以在 絕緣中間層48里形成，從而暴露第一雜質(zhì)區(qū)42。接觸孔50可以形成為暴露 第二雜質(zhì)區(qū)44而不是第一雜質(zhì)區(qū)42。接觸孔50可以被導(dǎo)電栓塞52填充。如圖4B中所示，覆蓋在導(dǎo)電栓塞52的暴露的上表面的下金屬層60可 以在絕緣中間層48上形成。舉例說下金屬層60可以由大約100nm厚的鋁層 形成，并可以包含少量的釹Nd,比如2wt。/。。通過濺射作為靶的含Nd的Al 層可以形成下金屬層60。 Nd可以提高下金屬層60的黏度。如圖4C所示，舉例說，通過初級陽極氧化下金屬層60可以從下金屬層60的表面形成約10nm厚的第一Al2O3層62，。為了初級陽極氧化，襯底40 可以放入溶液中，下金屬層60可以連接到正電極并且比如鉑(Pt)可以連 接到負(fù)電極。大約5V的電壓(約5juA電流)可以施加給兩個電極。大約 一個小時之后，通過陽極化Al層也就是下金屬層60來形成第一八1203層62，。接下來，可以通過將襯底40浸漬到腐蝕劑中來蝕刻第一 ^203層62， 的表面，從而移除陽極氧化的表面的粗糙部分和雜質(zhì)。如圖4D所示，舉例說，通過次級陽極氧化下金屬層60可以從下金屬層 60的表面形成約2nm厚的第二八1203層62，，。次級陽極氧化可以使用類似 于初級陽極氧化的陽極氧化方法來執(zhí)行次級陽極氧化。次級陽極氧化可以提 高A1層、第一八1203層62，和/或第二八1203層62，，之間的結(jié)構(gòu)密度。因 此，以此示例方法制造的非易失性存儲器件可以具有改進(jìn)的特性。第一 A1203 層62，和第二八1203層62，'可以構(gòu)成圖1中的第一絕緣層62。如圖4E所示，中間金屬層64可以在第 一絕緣層62上形成。舉例說， 中間金屬層64可以是Al層，其含有少量釹Nd比如說2 wt %并且可以形成 約15nm到約30nm的厚度。中間金屬層64可以通過濺射作為靶的含有Nd 的Al層來形成。Nd可以提高中間金屬層64的黏度。如圖4F所示，通過初級陽極氧化中間金屬層64的表面可以從中間金屬 層64的表面形成第三八1203層66，。然后，可以將襯底40浸漬到腐蝕劑中 來蝕刻第三八1203層66，的表面，從而移除第三八1203層66，的表面的粗糙 部分和雜質(zhì)。通過次級陽極氧化中間金屬層64可以從中間金屬層64的表面形成第四 八1203層66，，。次級陽極氧化可以提高Al層64、第三八1203層66'和第四 八1203層66'，之間的結(jié)構(gòu)密度。因此，通過示范方法構(gòu)造的非易失性存儲器 件可以擁有改進(jìn)的特性。第三八1203層66，和第四八1203層66，，可以構(gòu)成 圖l中的第二絕緣層66。接下來，襯底40可以在約300。C到約500。C的溫度下進(jìn)行約5秒到約100 秒的快速熱退火。熱退火可以穩(wěn)定在襯底40上的疊層。如圖4G所示，在第二絕緣層66上使用功函數(shù)低的金屬，比如說Au, 可以形成約2nm到約20nm厚度的上金屬層68。如圖4H所示，碳納米管層70,比如說富勒烯層，可以在上金屬層68上形成。舉例說，富勒烯層可以是C6。層、C7Q層、C"層、C 4層、Cw層、C82層、(384層、C貼層、和/或Cn6層。通過j吏用擴(kuò)散沉積方法(diffusive deposition method )沉積粉末狀態(tài)的富勒烯可以形成富勒烯層。如圖4I所示，鈍化層80,比如說氧化硅層(Si02),可以形成約lnm到 約900nm的厚度，比如說在碳納米管層70上約2nm到20nm的厚度。在定義了存儲節(jié)點區(qū)的感光圖形(未展示)可以形成在絕緣中間層48 上的疊層上之后，使用感光圖形作為蝕刻掩?？梢晕g刻疊層。示例方法的結(jié) 果是，可以完成與圖1中描述的實施例非易失性存儲器件類似的非易失性存 儲器件。由于在上金屬層上的碳納米管層和/或鈍化層，使得實施例非易失性存儲 器件可以具有改進(jìn)的存儲特性。通過兩次陽極氧化下金屬層和中間金屬層以形成兩個絕緣層，使得構(gòu)造 非易失性存儲器件的示例方法可以提高絕緣層和金屬層之間的結(jié)構(gòu)密度。雖然已經(jīng)參考附圖對實施例進(jìn)行特別的展示和說明，但本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員將可以理解，在不脫離權(quán)利要求所限定的本公開的精神和范圍的情況 下，可以對實施例進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1、一種在非易失性存儲器件中可用的存儲節(jié)點，所述存儲節(jié)點包括下金屬層；在該下金屬層上的第一絕緣層；在該第一絕緣層上的中間金屬層；在該中間金屬層上的第二絕緣層；在該第二絕緣層上的上金屬層；在該上金屬層上的碳納米管層；和在該碳納米管層上的鈍化層。
2、 如權(quán)利要求1所述的存儲節(jié)點，其中所述下金屬層和所述中間金 屬層是4呂層。
3、 如權(quán)利要求2所述的存儲節(jié)點，其中所迷第一絕緣層和所述第二 絕緣層是氧化鋁層，該氧化鋁層設(shè)定為分別通過陽極氧化所述下金屬層 和所述中間金屬層來形成。
4、 如權(quán)利要求1所述的存儲節(jié)點，其中所述碳納米管層是富勒烯層。
5、 如權(quán)利要求4所述的存儲節(jié)點C70層、C72層、C74層、C76層、Cs2層、一個。
6、 如權(quán)利要求1所述的存儲節(jié)點
7、 如權(quán)利要求6所述的存儲節(jié)點， 20nm的厚度。
8、 如權(quán)利要求1所述的存儲節(jié)點 金屬層。
9、 如權(quán)利要求8所述的存儲節(jié)點
10、 一種非易失性存儲器件，包括 襯底；在所述襯底上形成的開關(guān)器件；和 如權(quán)利要求1所述的存儲節(jié)點，連接至所述開關(guān)器件。,其中所述富勒烯層包括C6。層、 ,Cs4層、C站層、和Cw層中至少,其中所述鈍化層是氧化硅層。,其中所述鈍化層具有約2nm到約 ,其中所述上金屬層是功函數(shù)低的 ,其中所述上金屬層是金層。
11、 一種制造在非易失性存儲器件中可用的存儲節(jié)點的方法，所述 方法包括形成下金屬層；陽極氧化所述下金屬層從而在所述下金屬層的表面上形成第一氧化物；在所述第一氧化物上形成中間金屬層；陽極氧化所述中間金屬層從而在所述中間金屬層的表面上形成第二 氧化物；在所述第二氧化物上形成上金屬層； 在所述上金屬層上形成碳納米管層；和 在所述碳納米管層上形成鈍化層。
12、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述下金屬層的形成包括形成 鋁層，以及其中所述第一氧化物的形成包括陽極氧化該鋁層從而在該鋁 層的表面上形成第一 A1203層。
13、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一氧化物的形成進(jìn)一步 包括蝕刻所述第一 A1203層的表面并且再次陽極氧化所述鋁層從而在所 述鋁層的表面上形成第二 A1203層。
14、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述中間金屬層的形成包括形 成鋁層，并且所述第二氧化物的形成包括陽極氧化該鋁層從而在該鋁層 的表面上形成第三A1203層。
15、 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第二氧化物的形成進(jìn)一步 包括蝕刻所述第三A1203層的表面并且再次陽極氧化所述鋁層從而在所 述鋁層的表面上形成第四A1203層。
16、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述上金屬層的形成包括使用 金形成所述上金屬層。
17、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述碳納米管層的形成包括形 成冨勒烯層。
18、 如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述富勒烯層包括C6o層、C70層、C72層、C74層、C76層、Cg2層、Cs4層、Cs6層、和Cu6層中至少 一個。
19、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述鈍化層的形成包括形成氧 化硅層。
20、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述鈍化層的形成包括形成所 述鈍化層至約2nm到約20nm的厚度。
全文摘要
實施例可以提供非易失性存儲器件和構(gòu)造非易失性存儲器件的示例方法。實施例非易失性存儲器件可以包括在襯底上的開關(guān)裝置和/或電連接至該開關(guān)裝置的存儲節(jié)點。存儲節(jié)點可以包括電連接至該開關(guān)裝置的下金屬層、堆疊在下金屬層上的第一絕緣層、中間金屬層、第二絕緣層、上金屬層、碳納米管層、和/或鈍化層。
文檔編號G11C13/00GK101237025SQ20071030353
公開日2008年8月6日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者布里姆·埃爾莫斯塔法, 文昌郁, 梁鉉德, 田重錫 申請人:三星電子株式會社