一种半导体结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体结构及其制备方法，包括阻变层与顶部电极，在阻变层与顶部电极之间注入硅离子形成过渡层。本发明专利技术还公开了一种氧化钽基半导体结构的制造方法。在顶部电极和阻变层之间形成一层Ta‑Si‑O的过渡层，由于游离Si的存在，器件的过渡层对氧空位的抓取能力相比较底部电极与所述阻变层之间的界面层更强，氧空位更多的的集中在过渡层且不容易被激发出来，进而改善了器件的数据保持能力和开关特性。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体结构及其制备方法
本专利技术涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种半导体结构及其制备方法。
技术介绍
RRAM(阻变存储器)是一种新型存储器，在嵌入式、AI、边缘计算等领域有很广阔的应用前景，目前主流可量产的RRAM存储器器件CELL单元可以分为三部分：顶部电极(TE)，底部电极(BE)以及中间的阻变层，阻变材料通常选择过渡金属氧化物，TE和BE电极材料的选择则较多，如惰性金属、过渡金属氮化物、Cu等，然而，为了实现双极型RRAM器件，底部电极和顶部电极需要使用不同的材料来保证上下电极界面的吸氧能力有较大的差别，通常是选择不容易被氧化的惰性金属如Ir、Pt等作为其中一个电极，但是惰性金属与标准的CMOSFab不兼容。RRAM(阻变存储器)在刚制备完成时通常处于高电阻状态，此时当我们对RRAMCELL器件两端施加电压至某个值后，在电场作用下氧离子会随电场移动形成导电细丝而形成导电通路使得cell转变为低电阻状态，即为“1”而继续对阻变存储器单元施加反向电压，在电场作用下氧空位形成的导电细丝断裂，存储器单元转变为高电阻状态，即为“0”。目前，RRAM(阻变存储器)一个主要的瓶颈在于当收到外界的干扰时导电细丝的自发形成或者断裂导致存储器单元状态的转换，进而带来存储数据的丢失，导致存储器耐久性能差、开关特性和存储数据的保持能力不足。因此如何改进CMOS兼容材料的吸氧能力，并提高存储器耐久性、开关特性和存储数据的保持能力是我们改进器件性能的目标。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种具备高耐久性、高数据保持力和高开关特性的半导体结构。为了实现上述目的，本申请第一方面提供了一种半导体结构，包括：半导体衬底；底部电极；形成于所述半导体衬底上；阻变层；顶部电极，所述顶部电极形成于所述阻变层上；过渡层，所述过渡层形成于所述阻变层与所述顶部电极之间；所述过渡层包含Si元素。本申请第二方面提供了一种半导体结构的制备方法，包括以下步骤：提供半导体衬底；形成底部电极；于所述底部电极上形成阻变层；于所述阻变层上形成顶部电极；进行Si离子注入，注入深度在顶部电极和阻变层之间，形成包含Si元素的过渡层。另外，根据本专利技术的上述半导体结构还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的一个实施例，所述Si元素以游离Si的形式存在于所述过渡层。根据本专利技术的一个实施例，所述顶部电极的材料为TaN、TiN、Pt、Ir、Cu中的任一种；所述底部电极的材料为TaN、TiN、Pt、Ir、Cu中的任一种。根据本专利技术的一个实施例，所述阻变层的材料为HfOx、TaOx、WOx中的任一种。根据本专利技术的一个实施例，所述x值为1.5-2.5。根据本专利技术的一个实施例，所述过渡层的材料为Ta-Si-OX-Ta。根据本专利技术的一个实施例，还包括界面层，所述界面层形成于底部电极与所述阻变层之间，所述界面层不包含Si。根据本专利技术的一个实施例，所述界面层的材料为Ta-O-N-Ta。根据本专利技术的一个实施例，所述Si离子注入的角度为：10～30°。根据本专利技术的一个实施例，形成底部电极的步骤包括：在半导体衬底上沉积底部电极材料，刻蚀部分底部电极材料，暴露出部分半导体衬底；于所述半导体衬底的暴露区域填充阻挡层，并进行平坦化；形成顶部电极步骤还包括：刻蚀部分顶部电极和阻变层，保留底部电极上方的顶部电极和阻变层；且顶部电极和阻变层覆盖部分阻挡层；进行Si离子注入后，刻蚀所述阻挡层至所述底部电极露出。与现有技术相比，本专利技术的技术效果：当底部电极、顶部电极材料可与氧起反应的材料时，对传统存储器器件的可靠性非常不利，本专利技术通过在顶部电极和阻变层之间形成包含Si的过渡层，阻止了与氧起反应，且由于游离Si的存在，过渡层对氧空位的捕获能力相比较界面层更强，氧空位更多的集中在过渡层处且不容易被激发出来，进而改善了器件的数据保持能力和开关特性。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是在半导体衬底层上形成底部电极的示意图；图2是图1刻蚀掉部分底部电极、填充阻挡层后的示意图；图3是图2形成阻变层、顶部电极后的示意图；图4是图3刻蚀部分顶部电极和阻变层后的示意图；图5是图4在顶部电极和阻变层之间注入Si离子，形成过渡层后的示意图。图6是图5去除阻挡层后的示意图。具体实施方式以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。请参照图6，其绘示出根据本专利技术一些实施例之半导体结构100的剖面示意图。具体地，本实施例的半导体结构100可以是RRAM存储器件，包括：半导体衬底1；底部电极2；形成于半导体衬底1上；阻变层4；顶部电极5，顶部电极形成于所述阻变层4上；过渡层6，所述过渡层形成于所述阻变层4与所述顶部电极5之间；所述过渡层包含Si元素。具体地，过渡层中的Si可以以游离Si的形式存在。具体的，阻变层的材料可以为TaOx，x值1.5-2.5；在阻变层上通过PVD方法生长顶部电极TaN；在另一实施例中，先沉积底部电极TaN和Ta，然后氧化Ta形成阻变层TaOx。优选的，首先通过行业成熟工艺在半导体衬底1上制备底部电极材料，所述半导体衬底1为硅衬底或者玻璃衬底，如Pyrex7740、Borofloat33等。底部电极2和顶部电极5可以选自、但不限于金属材料钽(Ta)、钌(Ru)、铝(Al)、铜(Cu)、铂(Pt)、氮化铜(CuN)中的一种及其组合，厚度范围为10～200nm。通常，所述存储器件在制备完成后总厚度在100nm-200nm之间。优选的，底部电极和顶部电极为TaN。本申请第二方面提供了一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体结构，其特征在于：包括：/n半导体衬底；/n底部电极；形成于所述半导体衬底上；/n阻变层；/n顶部电极，所述顶部电极形成于所述阻变层上；/n过渡层，所述过渡层形成于所述阻变层与所述顶部电极之间；/n所述过渡层包含Si元素。/n

【技术特征摘要】
1.一种半导体结构，其特征在于：包括：
半导体衬底；
底部电极；形成于所述半导体衬底上；
阻变层；
顶部电极，所述顶部电极形成于所述阻变层上；
过渡层，所述过渡层形成于所述阻变层与所述顶部电极之间；
所述过渡层包含Si元素。


2.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于：所述Si元素以游离Si的形式存在于所述过渡层。


3.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于：所述顶部电极的材料为TaN、TiN、Pt、Ir、Cu中的任一种；所述底部电极的材料为TaN、TiN、Pt、Ir、Cu中的任一种。


4.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于：所述阻变层的材料为HfOx、TaOx、WOx中的任一种。


5.如权利要求4所述的半导体结构，其特征在于：所述x值为1.5-2.5。


6.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于：所述过渡层的材料为Ta-Si-OX-Ta。


7.如权利要求6所述的半导体结构，其特征在于：还包括界面层，所述界面层形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖韩，刘毅华，黄如，
申请(专利权)人：浙江省北大信息技术高等研究院，杭州未名信科科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33