一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法及结构

摘要

本发明公开一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法及结构，属于微电子及半导体器件领域。提供活性金属电极，在其表面依次沉积SiN和SiO2；进行光刻和干法刻蚀开孔；在表面沉积阻挡层；在所述阻挡层表面制备不同组分TaGeOx固体电解质；采用PVD沉积惰性金属电极，阻挡层在此过程中氧化形成金属氧化物，并在活性金属电极表面形成合金；对开孔两侧区域进行刻蚀，然后在整体表面沉积SiN保护层；采用双大马士革工艺将活性金属电极与惰性金属电极层相连。兼容于CMOS工艺，集成度高，具有非易失性、尺寸小、编程效率高、可靠性高、抗总剂量能力强等优势，广泛应用于高速高效、高集成度、非易失性、可重构的抗辐射FPGA，非易失性存储器及仿生突触器件等领域。

权利要求

1.一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法，其特征在于，包括：步骤一，提供活性金属电极，在其表面依次沉积SiN和SiO2；

步骤二，光刻去除表面的SiO2再对SiN进行干法刻蚀形成开孔；

步骤三，在表面沉积阻挡层；

步骤四，在所述阻挡层表面制备不同组分TaGeOx固体电解质；

采用PVD沉积惰性金属电极，阻挡层在此过程中氧化形成金属氧化物，并在活性金属电极表面形成合金；

步骤五，对开孔两侧区域进行刻蚀，然后在整体表面沉积SiN保护层；

步骤六，采用双大马士革工艺将活性金属电极与惰性金属电极层相连。

2.如权利要求1所述的抗辐射原子开关器件结构的制备方法，其特征在于，所述活性金属电极的金属元素能够满足电化学金属化机制，包括Cu、Ag、Al、Ti或Zn；

所述阻挡层的金属氧化物生成的标准吉布斯自由能ΔfG°小于所述活性金属电极的氧化物，所述阻挡层选用的金属包括Al、Ti、Ta、Zn及其相互之间组成的合金；

所述惰性金属电极的金属元素包括Ru、Pt、W、Au。

3.如权利要求1所述的抗辐射原子开关器件结构的制备方法，其特征在于，沉积SiN和SiO2的工艺为PECVD，SiN的厚度为25nm，SiO2的厚度为150nm。

4.如权利要求1所述的抗辐射原子开关器件结构的制备方法，其特征在于，所述开孔的孔径为100nm～1um。

5.如权利要求1所述的抗辐射原子开关器件结构的制备方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为1nm～4nm。

6.如权利要求1所述的抗辐射原子开关器件结构的制备方法，其特征在于，制备不同组分TaGeOx固体电解质的工艺为：采用磁控溅射，利用Ta靶材与Ge靶材在O2和Ar2气氛中交替溅射，通过控制Ta靶材与Ge靶材或Si靶材溅射时间，制备不同组分TaGeOx固体电解质，所述TaGeOx固体电解质的厚度为20nm～30nm。

7.如权利要求1所述的抗辐射原子开关器件结构的制备方法，其特征在于，所述惰性金属电极的厚度为10～25nm。

8.如权利要求1所述的抗辐射原子开关器件结构的制备方法，其特征在于，所述步骤五中对开孔两侧区域进行刻蚀，刻蚀去除开孔两侧的惰性金属电极、TaGeOx固体电解质、阻挡层，露出开孔两侧的SiN。

说明书

一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法及结构

技术领域

[0001] 本发明涉及微电子及半导体器件技术领域，特别涉及一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法及结构。

背景技术

[0002] 随着航空、航天、船舶、雷达、战略导弹、电子对抗、通信领域等各大重点工程要求电子系统向多功能、高速率、小型化及低功耗方向发展，对高可靠、抗辐射的可编程逻辑器件FPGA需求越为突出。传统FPGA存在着抗辐射性能差/功耗高/易失性(SRAM型)、速度慢/编程电压高(Flash型)、规模小(反熔丝型)等问题，迫切需要新型高性能FPGA。

[0003] 原子开关作为一种新兴非易失性阻变器件，基于电化学金属化机制(Electrochemical Metallization Effect，ECM)，通过金属导电细丝的形成和湮灭实现Set和Reset操作，可通过BEOL集成在Cu互连中，具有非易失性、尺寸小、导通电阻小、开关比高等优点，同时其利用金属导电细丝作为导电路径使其具备较强抗辐照能力。采用AS型FPGA，综合了SRAM型、Flash型及反熔丝型FPGA的优点，兼容于CMOS工艺，集成度高，具有高速、高可靠性、编程效率高等优势，能够显著减少FPGA芯片面积，从而降低延迟与功耗，并且具有较强的抗辐照能力。

[0004] 尽管AS器件得到广泛的研究，但是依然存在器件参数一致性，可靠性等问题，这与AS器件阴/阳电极、固体电解质材料以及器件结构密切相关。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法及结构，以解决背景技术中的问题。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法，包括：

[0007] 步骤一，提供活性金属电极，在其表面依次沉积SiN和SiO2；

[0008] 步骤二，光刻去除表面的SiO2再对SiN进行干法刻蚀形成开孔；

[0009] 步骤三，在表面沉积阻挡层；

[0010] 步骤四，在所述阻挡层表面制备不同组分TaGeOx固体电解质；

[0011] 采用PVD沉积惰性金属电极，阻挡层在此过程中氧化形成金属氧化物，并在活性金属电极表面形成合金；

[0012] 步骤五，对开孔两侧区域进行刻蚀，然后在整体表面沉积SiN保护层；

[0013] 步骤六，采用双大马士革工艺将活性金属电极与惰性金属电极层相连。

[0014] 可选的，所述活性金属电极的金属元素能够满足电化学金属化机制，包括Cu、Ag、Al、Ti或Zn；

[0015] 所述阻挡层的金属氧化物生成的标准吉布斯自由能ΔfG°小于所述活性金属电极的氧化物，所述阻挡层选用的金属包括Al、Ti、Ta、Zn及其相互之间组成的合金；

[0016] 所述惰性金属电极的金属元素包括Ru、Pt、W、Au。

[0017] 可选的，沉积SiN和SiO2的工艺为PECVD，SiN的厚度为25nm，SiO2的厚度为150nm。

[0018] 可选的，所述开孔的孔径为100nm～1um。

[0019] 可选的，所述阻挡层的厚度为1nm～4nm。

[0020] 可选的，制备不同组分TaGeOx固体电解质的工艺为：采用磁控溅射，利用Ta靶材与Ge靶材在O2和Ar2气氛中交替溅射，通过控制Ta靶材与Ge靶材或Si靶材溅射时间，制备不同组分TaGeOx固体电解质，所述TaGeOx固体电解质的厚度为20nm～30nm。

[0021] 可选的，所述惰性金属电极的厚度为10～25nm。

[0022] 可选的，所述步骤五中对开孔两侧区域进行刻蚀，刻蚀去除开孔两侧的惰性金属电极、TaGeOx固体电解质、阻挡层，露出开孔两侧的SiN。

[0023] 本发明还提供了一种抗辐射原子开关器件结构，包括：

[0024] 一个作为阳极的活性金属电极、一个金属阻挡层、氧化物固体电解质层及一个作为阴极的惰性金属电极。

[0025] 在本发明提供的抗辐射原子开关器件结构的制备方法及结构中，原子开关器件结构简单，兼容于CMOS工艺，集成度高，具有非易失性、尺寸小、导通电阻低、高开关比、编程效率高、可靠性高、抗总剂量能力强等优势，可以广泛应用于高速高效、高集成度、非易失性、可重构的抗辐射FPGA，非易失性存储器及仿生突触器件等领域。

附图说明

[0026] 图1为在Cu互连上沉积SiN和SiO2工艺示意图；

[0027] 图2为光刻开孔工艺示意图；

[0028] 图3为沉积金属阻挡层工艺示意图；

[0029] 图4为沉积氧化物固体电解质和惰性金属电极工艺示意图；

[0030] 图5为刻蚀并沉积SiN工艺示意图；

[0031] 图6为通过双大马士革工艺将上层Cu互连与惰性金属电极层相连工艺示意图；

[0032] 图7是本发明采用金属阻挡层原子开关器件示意图；

[0033] 图8是在沉积完氧化物固体电解质后金属阻挡层被氧化形成两层固体电解质结构示意图；

[0034] 图9是抗辐射AS器件Set过程示意图；

[0035] 图10是抗辐射AS器件Reset过程示意图。

具体实施方式

[0036] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法及结构作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0037] 本发明提供一种抗辐射原子开关器件的制备工艺方法，包括：

[0038] 第一步，如图1所示，将Cu互连作为活性金属电极1，采用PECVD在其表面依次沉积厚度为25nm的SiN 7和厚度为150nm的SiO28；

[0039] 所述活性金属电极1的金属元素要能够满足电化学金属化机制，即当向活性金属n+ ‑电极加正电压Vset，惰性金属电极接地时，活性金属离子发生还原反应(M +ne →M)，形成金属导电细丝(Set过程)；当向活性金属电极加负电压Vreset，固体电解质中的金属原子Mn+ ‑ n+
会发生氧化反应形成M (M‑ne→M )，金属导电细丝溶解(Reset过程)。除了Cu之外，活性金属电极还可以为Ag、Al、Ti或Zn；

[0040] 第二步，如图2所示，光刻去除表面的SiO28再对SiN 7进行干法刻蚀形成开孔，孔径100nm～1um；

[0041] 第三步，如图3所示，在表面采用PVD沉积Al阻挡层2，沉积厚度1nm～4nm；

[0042] 阻挡层的金属氧化物生成的标准吉布斯自由能ΔfG°小于所述活性金属电极的氧化物，从而防止氧化物固体电解质在沉积过程中造成活性金属电极电极氧化。金属阻挡层被氧化后，与电解质构成双层具有不同金属离子迁移率的固体电解质，提高电学参数一致性。BEOL工艺温度下，金属阻挡层能在活性电极表面形成合金，在Set过程中形成合金导电细丝，提高导电细丝稳定性，所述阻挡层选用的金属包括Al、Ti、Ta、Zn及其相互之间组成的合金；

[0043] 第四步，如图4所示，采用磁控溅射，利用Ta靶材与Ge靶材在O2和Ar2气氛中交替溅射，可控制Ta靶材与Ge靶材或Si靶材溅射时间，制备不同组分TaGeOx固体电解质3，沉积厚度20nm～30nm；随即采用PVD沉积惰性金属电极4，厚度为10～25nm。阻挡层金属Al在此过程中氧化形成固体电解质Al2O36，并在Cu表面形成合金5；所述惰性金属电极具有良好的电导率，其金属元素包括Ru、Pt、W、Au；

[0044] 第五步，如图5所示，对开孔两侧区域进行刻蚀，刻蚀去除开孔两侧的惰性金属电极、TaGeOx固体电解质、阻挡层，露出开孔两侧的SiN，然后利用PECVD沉积15nm厚SiN保护层；

[0045] 第六步，如图6所示，采用双大马士革工艺将上层Cu互连与惰性金属电极层相连。

[0046] 如图7所示为一种抗辐射原子开关器件结构，包含活性金属电极1、金属阻挡层2、固体电解质层3及一个惰性金属电极4。在本实施例中，原子开关中的活性金属电极采用Cu，金属阻挡层采用Al，固体电解质采用TaGeOx，惰性金属电极采用Ru，在实际应用中可根据实际情况选择合适材料。金属阻挡层的作用在于：(1)一定温度下，在活性金属电极表面形成合金，在Set过程中形成合金导电细丝，提高细丝稳定性；(2)防止氧化物固体电解质沉积过程中造成活性金属电极的氧化；(3)金属阻挡层在氧化物固体电解质沉积过程中被氧化，从而构成双层具有不同金属离子迁移率的固体电解质，有助于提高器件参数一致性。采用磁控溅射制备的TaGeOx固体电解质能够提高原子开关在BEOL(Back End Of Line，BEOL)工艺热过程中的热稳定性。

[0047] 如图8所示，由于Al的氧化物生成的标准吉布斯自由能ΔfG应小于Cu的氧化物，因此在TaGeOx固体电解质在沉积过程中，Al阻挡层保护Cu电极不被氧化形成CuxO而导致Cu电极表面变得粗糙，更重要的是CuxO在Set操作中，难以还原成Cu原子，会导致AS器件良率下降。Al阻挡层被氧化形成Al2O36后，可与TaGeOx构成具有不同Cu离子迁移率的双层固体电解质。其次，Al阻挡层还会在Cu表面形成合金层5。

[0048] 如图9所示，原子开关主要利用活性金属电极的氧化还原反应主导金属导电细丝n+ ‑的形成和湮灭M +ne 工作的。当向活性金属电极(阳极)加正电压Vset，惰性金属电极(阴n+
极)接地时，金属离子M 发生还原反应(→M)，形成金属导电细丝。由于在Cu表面形成了合金层，在形成的Cu导电细丝中也会掺入Al原子，有利于提高导电细丝稳定性。

[0049] 如图10所示，在Reset操作后，导电细丝优先在Cu离子扩散速率快的固体电解质中溶解断开，而Cu离子扩散速率慢的固体电解质会残留一些Cu导电细丝，其在接下来Set过程中会起到电场增强的作用，诱导导电细丝在该位置成核生长，从而减小导电细丝生长的随机性，提高参数一致性。

[0050] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。