專利名稱：Rram存儲器單元電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于非易失性存儲器陣列的薄膜電阻存儲器器件，更具體地涉及RRAM存儲器單元的多層電極。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在沒有商業(yè)可用的RRAM器件，然而，使用Pt，Au，Ag，Al，Ti和TiN電極的實驗性器件已經(jīng)被開發(fā)出來了。Pt、An和Ag電極設(shè)備具有良好的持久力，然而，由這些材料形成的電極不能用傳統(tǒng)的集成電路蝕刻工藝來蝕刻。實驗性器件通過使用淺掩?；蚧瘜W(xué)機械拋光(CMP)工藝制成，它們對于亞微米和大型存儲器件的制造既不合適而且成本效率不高。而在實驗器件中使用的另外的電極材料表現(xiàn)出低可靠度和低持久力。在2000年5月的Apllied PhysicsLetters，Vol.76，#19，p2749-2751刊登了Liu等人的“Electrical-pulse-inducedreversible resistance change effect in magnetoresistive films(在磁阻薄膜中的電脈沖引起的可逆阻抗變化效應(yīng))”。該發(fā)明提供可靠的電極結(jié)構(gòu)以提升器件可靠度、持久力，而同時減少制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
在其中具有工作結(jié)而其上具有金屬栓的硅襯底上形成的RRAM存儲設(shè)備，包括第一抗氧化層；第一難熔金屬層；CMR層；第二難熔金屬層；和第二抗氧化層。
一種制造多層電極RRAM存儲單元的方法，包括準(zhǔn)備硅襯底；在該襯底中形成選自由N+結(jié)和P+結(jié)組成的結(jié)組中的結(jié)；在結(jié)上沉積金屬栓；在金屬栓上沉積第一抗氧化層；在第一抗氧化層上沉積第一難熔金屬層；在第一難熔金屬層上沉積CMR層；在該CMR層上沉積第二難熔金屬層；在第二難熔金屬層上沉積第二抗氧化層；并完成RRAM存儲單元。
本發(fā)明的一個目的是提供一種可靠的電極以改進器件的可靠性和器件的壽命，并且可以更經(jīng)濟地生產(chǎn)器件。
本發(fā)明的另一個目的是提供抗氧化的多層電極。
本發(fā)明更進一步的目的是提供用于RRAM的金屬電極。
提供本發(fā)明的說明和目的以快速理解本發(fā)明的本質(zhì)。結(jié)合附圖并參考下面對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述可以對本發(fā)明更透徹地理解。


圖1描述了RRAM存儲單元的電阻特性。
圖2描述了本發(fā)明的RRAM多層電極。
圖3為本發(fā)明的方法的方塊圖。
具體實施例方式
實驗數(shù)據(jù)證明，在編程期間，在陰極附近的RRAM材料的電阻系數(shù)轉(zhuǎn)變成高電阻系數(shù)狀態(tài)，同時陽極附近的轉(zhuǎn)變成低電阻系數(shù)狀態(tài)。電阻系數(shù)的轉(zhuǎn)變發(fā)生在窄電壓脈沖施加到該器件的瞬間，它導(dǎo)致在陰極附近有電壓降(voltagedrop)。電阻系數(shù)的變化需要清晰的起始電壓(onset voltage)。實驗也發(fā)現(xiàn)該材料需要一定的含氧量，因為當(dāng)含氧量太低時，沒有電阻系數(shù)的變化。
如果RRAM存儲單元的電極不具有抗氧化性，該電極將在制造過程中的溫度處理期間被氧化，或者在正常操作中會被電流-電壓產(chǎn)生的熱量逐漸氧化。電極發(fā)生氧化的同時，氧從RRAM材料擴散到電極中，導(dǎo)致氧缺乏區(qū)域。氧化電極和氧缺乏區(qū)域都具有高電阻。另外，如圖1所示的氧缺乏區(qū)域不能被電脈沖轉(zhuǎn)變成低電阻狀態(tài)。因此，施加到陰極的有效電壓是這樣給定的VEFF=VC-IR-QDSCOD]]>
其中I是流過該器件的電流，R存儲器材料的是氧化電極和氧缺乏區(qū)域中的串聯(lián)電阻，QDS是在耗盡區(qū)的凈電荷(net charge)而COD是氧缺乏區(qū)域電容和氧化電極電容的串聯(lián)電容。上述等式證明有效編程電壓可以通過電極的氧化而明顯地減少。
如上所述，亞微米尺寸的Pt電極可以通過化學(xué)機械拋光(CMP)處理來形成。缺點在于成本。CMP需要晶片表面(wafer surface)的平面化、形成氧化物溝以及CMP處理。另外，Pt不能阻礙氧的擴散，并且氧的丟失和氧缺乏區(qū)域的形成仍然會發(fā)生。
RRAM電極必須不跟電阻材料反應(yīng)。優(yōu)選使用貴金屬材料。然而，大多數(shù)貴金屬不能阻止氧擴散。因此，通常在10需要多層電極，如圖2所示。圖2描述了一個襯底12，其中形成N+結(jié)或P+結(jié)，金屬栓16通過氧化層從結(jié)16延伸到多層電極RRAM存儲單元18。RRAM存儲單元18包括抗氧化材料層20和28，難熔金屬層22和26，以及一金屬層，特別地，在優(yōu)選實施例中，是超巨磁阻(CMR)材料層24。
層20、28是由抗氧化材料，例如TiN、TaN、TiAlNx、TaAlNx、TaSiN、TiSiN和RuTiN形成的。層20、28(本文中也分別稱為第一和第二抗氧化層)的厚度大約分別為50nm～300nm。層20、28也可以使用任何傳統(tǒng)的干法蝕刻工藝來蝕刻。
層22、26由例如Pt、Ir、IrO2、Ru、RuO2、Au、Ag、Rh、Pd、Ni和Co的難熔金屬形成。層22、26(本文中也分別稱為第一和第二難熔金屬層)的厚度約為3nm～50nm。因為層22、26非常薄，它們可以使用沒有過多的掩模材料的劣化(degradation)和蝕刻材料的再沉積的局部濺射工藝進行干法蝕刻。雖然優(yōu)選陰極和陽極使用雙金屬電極，如圖2所描繪的，但是對于某些應(yīng)用僅有一個雙金屬電極的RRAM單元也是可靠的。
CMR層24可以由任何CMR材料(例如PCMO(Pr0.7Ca0.3MnO3)、LPCMO)或者高溫超導(dǎo)材料等形成，并且可以通過濺射、金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或金屬氧化物沉積(MOD)(包括旋涂)來沉積。CMR層的厚度約為50nm～300nm。
參照圖3，30概括性示出了本發(fā)明的方法，并且該方法包括制備襯底32，并在其中形成N+結(jié)或P+結(jié)34。金屬栓16通過濺射沉積36，它可以由鎢或銅形成。金屬栓16被圖形化并蝕刻，并且然后被接下來在金屬栓16上沉積的氧化物層包圍。
在沉積第一抗氧化層38之后第一難熔金屬層40的沉積。然后沉積CMR層42。在沉積第二難熔金屬層44之后沉積第二抗氧化層46。然后根據(jù)公知技術(shù)完成RRAM存儲單元48。
因此，已經(jīng)公開了RRAM存儲單元電極的制造方法?？梢岳斫獠幻撾x所附的權(quán)利要求書中定義的本發(fā)明的范圍，進行進一步的變化和修改是可能的。
權(quán)利要求
1.在其中具有工作結(jié)而其上具有金屬栓的硅襯底上形成的RRAM存儲單元，包括第一抗氧化層；第一難熔金屬層；CMR層；第二難熔金屬層；第二抗氧化層。
2.如權(quán)利要求1的RRAM存儲單元，其中抗氧化層是由從TiN、TaN、TiAlNx、TaAlNx、TaSiN、TiSiN和RuTiN組成的材料組中選擇的材料形成的。
3.如權(quán)利要求2的RRAM存儲單元，其中抗氧化層的厚度約為50nm～300nm。
4.如權(quán)利要求1的RRAM存儲單元，其中難熔金屬層是由從Pt、Ir、IrO2、Ru、RuO2、Au、Ag、Rh、Pd、Ni和Co組成的材料組中選擇的材料形成的。
5.如權(quán)利要求4的RRAM存儲單元，其中難熔金屬層的厚度為3nm～50nm。
6.如權(quán)利要求1的RRAM存儲單元，其中該CMR層是由從CMR材料和高溫超導(dǎo)材料組成的材料組中選取的材料形成的。
7.如權(quán)利要求6的RRAM存儲單元其中該CMR層厚度約為50nm～300nm。
8.一種制造多層電極RRAM存儲單元的方法包括準(zhǔn)備硅襯底；在硅襯底中形成選自由N+結(jié)和P+結(jié)組成的結(jié)組中的結(jié)；在該結(jié)上沉積金屬栓；在金屬栓上沉積第一抗氧化層；在該第一抗氧化層上沉積第一難熔金屬層；在該第一難熔金屬層上沉積CMR層；在該CMR層上沉積第二難熔金屬層；在該第二難熔金屬層上沉積第二抗氧化層；完成該RRAM存儲單元。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中所述沉積抗氧化層包括沉積從TiN、TaN、TiAlNx、TaAlNx、TaSiN、TiSiN和RuTiN組成的材料組中選出的材料。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中所述沉積抗氧化層包括沉積厚度約為50nm～300nm的抗氧化層。
11.如權(quán)利要求8的方法，其中所述沉積難熔金屬層包括沉積從Pt、Ir、IrO2、Ru、RuO2、Au、Ag、Rh、Pd、Ni和Co組成的材料組中選出的材料。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中所述沉積難熔金屬層包括沉積厚度為3nm～50nm的難熔金屬層。
13.如權(quán)利要求8的方法，其中所述沉積CMR層包括沉積選自PCMO、LPCMO和高溫超導(dǎo)材料組成的材料組中的CMR材料。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中所述沉積CMR層包括沉積厚度為50nm～300nm的CMR材料層。
全文摘要
在其中具有工作結(jié)而其上具有金屬栓的硅襯底上形成的RRAM存儲單元，包括第一抗氧化層、第一難熔金屬層、CMR層、第二難熔金屬層以及第二抗氧化層。制造多層電極RRAM存儲單元的方法包括準(zhǔn)備硅襯底；在襯底上形成從N+結(jié)和P+結(jié)組成的結(jié)組中選出的結(jié)；在該結(jié)上沉積金屬栓；在金屬栓上沉積第一抗氧化層；在該第一抗氧化層上沉積第一難熔金屬層；在該第一難熔金屬層上沉積CMR層；在該CMR層上沉積第二難熔金屬層；在該第二難熔金屬層上沉積第二抗氧化層；以及完成該RRAM存儲單元。
文檔編號H01L39/00GK1641881SQ200410010430
公開日2005年7月20日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月8日
發(fā)明者許勝籐, 潘威, 張風(fēng)燕, 莊維佛, 李延凱 申請人:夏普株式會社