CN102593353A

CN102593353A - 一种阻变存储器及其制造方法

Info

Publication number: CN102593353A
Application number: CN2012100453820A
Authority: CN
Inventors: 左青云; 曾绍海; 李铭
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: CN102593353B

Abstract

本发明提出一种阻变存储器及其制造方法，所述制造方法包括下列步骤：形成下层金属互连线；在下层金属互连线上沉积扩散阻挡层和加厚层；光刻并刻蚀扩散阻挡层和加厚层形成窗口，在窗口中露出部分下层金属互连线；在上述结构上形成电阻转变层；在上述结构上淀积金属薄膜作为阻变存储器的上电极材料；对上述结构进行化学机械研磨，直至露出加厚层并进一步研磨去除部分加厚层，从而在窗口中形成阻变存储器上电极；在上述结构上淀积金属间介质层，形成上层金属互连线。本发明只需在铜后道互连工艺基础上增加一张光刻掩模板便可形成阻变存储器，降低了生产成本，避免了因表面台阶高度带来的化学机械研磨抛光工艺残留问题，提高了器件可靠性。

Description

一种阻变存储器及其制造方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，且特别涉及一种阻变存储器及其制造方法。

背景技术

非挥发性存储器的主要特点是在不加电的情况下也能够长期保持存储的信息。随着多媒体应用、移动通信等对大容量、低功耗存储的需要，非挥发性存储器，特别是闪存(Flash)，所占半导体器件的市场份额变得越来越大，也越来越成为一种相当重要的存储器类型。当前市场上的非挥发性存储器以闪存(Flash)为主流，但是闪存器件存在操作电压过大、读写速度慢、耐久力(Endurance)不够好以及由于在器件缩小化过程中过薄的隧穿氧化层将导致记忆时间(Retention)不够长等缺点。业界的各大研究机构和高校都对下一代非挥发性存储器进行了大量的研究。其中，阻变存储器由于具备操作电压低、结构简单、非破坏性读取、操作速度快、记忆时间长、器件面积小、耐久力好、能进行三维堆叠等众多优点被视为下一代非挥发存储器的强有力竞争者。

阻变存储器的典型结构为上下电极之间夹含一层能够发生电阻转变的电阻转变变材料的“三明治”结构。在外加偏压的作用下，器件的电阻会在高阻与低阻态之间发生转换从而实现“0”和“1”的存储。与闪存的电荷存储机制不一样，RRAM是非电荷存储机制，因此可以解决闪存中因隧穿氧化层变薄而造成的电荷泄露的问题，具有更好的可缩小性。

从工艺集成角度看，阻变存储器可以采用与现有CMOS工艺完全兼容的工艺，这大大节省了其研发成本和风险。此外，阻变存储器可以采用MIM的“三明治”结构，因此其可以集成于CMOS工艺的后道制程中，从而与前道工艺完全分开，既减少了芯片面积，又避免了高温工艺对阻变存储器件造成的恶化，提高了器件的稳定性。现有集成工艺中(以Cu互连工艺为例)，一般需要额外增加两张光刻掩模板来制备阻变存储器单元，如图1所示。首先，形成下层金属Cu互连线10，并作为阻变存储器的下电极(图1a)；采用CVD工艺淀积一层Cu扩散阻挡层20(图1b)；使用第一张光刻掩模板光刻并刻蚀形成窗口，暴露出部分下层Cu互连线10；氧化下层Cu金属表面形成电阻转变材料30，如CuOx(图1c)；淀积阻变存储器的上电极材料40，如TaN(图1d)；使用第二张光刻掩模板光刻并反刻，形成上电极50(图1e)；继续淀积金属层间介质IMD并制造上层金属互连线60(图1f)。该工艺采用额外增加两张光刻掩模板的方案将阻变存储器集成于Cu后道互连工艺中，其中包含对阻变存储器上电极金属的反刻蚀，需要金属刻蚀机台；另外，由于上电极金属会高于扩散阻挡层，形成一个台阶，使得在制备下一层金属互连线时在Cu的化学机械抛光工艺中容易形成残留，从而影响器件性能及良率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻变存储器及其制造方法，其只需额外增加一张光刻掩模板即可将阻变存储器集成于Cu后道互连工艺中，降低了现有的增加两张张光刻掩模板形成阻变存储器的工艺成本，同时避免了由于阻变存储器上电极台阶高度造成的化学机械研磨残留的问题。

为了达到上述目的，本发明提出一种阻变存储器的制造方法，包括下列步骤：

形成下层金属互连线；

在所述下层金属互连线上沉积扩散阻挡层和加厚层；

光刻并刻蚀所述扩散阻挡层和加厚层形成窗口，在所述窗口中露出部分下层金属互连线；

在上述结构上形成电阻转变层；

在上述结构上淀积一层金属薄膜作为阻变存储器的上电极材料；

对上述结构进行化学机械研磨，直至露出所述加厚层并进一步研磨去除部分所述加厚层，从而在所述窗口中形成阻变存储器上电极；

在上述结构上淀积金属间介质层，形成上层金属互连线。

进一步的，所述扩散阻挡层材料为氮化硅、氮氧硅、或者碳化硅，其厚度为150埃～700埃。

进一步的，所述加厚层材料为氧化硅，氟硅酸盐玻璃，碳氧硅，其厚度为100埃～2000埃。

进一步的，所述窗口的高度为扩散阻挡层及加厚层的厚度之和，所述窗口的高度为250埃～2700埃。

进一步的，在形成窗口后采用热氧化或者等离子氧化将所述暴露出来的下层金属表面氧化，形成电阻转变层。

进一步的，所述热氧化或者等离子氧化工艺的温度为100℃～550℃，所形成的电阻转变层的厚度为100埃～1000埃。

进一步的，在形成窗口后在上述结构上淀积一层电阻转变层金属薄膜，接着，采用热氧化或者等离子氧化工艺将所述淀积的电阻转变层金属薄膜氧化成该金属的氧化物，形成电阻转变层。

进一步的，所述电阻转变层金属薄膜的材料为钨、钛、钽、铝和铜中的一种或者几种，其厚度为100埃～1000埃。

进一步的，在形成窗口后采用反应溅射淀积一层金属氧化物，形成电阻转变层。

进一步的，所述金属氧化物的材料为钨氧化物、钛氧化物、钽氧化物、铝氧化物和铜氧化物中的一种或者几种，其厚度为100埃～1000埃。

进一步的，在形成电阻转变层后，所述淀积金属薄膜采用物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺或者原子层沉积工艺淀积，所述金属薄膜厚度为300埃～3000埃。

进一步的，在形成电阻转变层后，所述淀积金属薄膜的材料为W、Ti、Ta、Al、Cu、TiN和TaN中的一种或者几种。

进一步的，所述上层金属互连线包括上层通孔和连线金属。

进一步的，所述上层金属互连线使用单大马士革工艺或者双大马士革工艺制备。

进一步的，所述窗口采用矩形、倒梯形或者T型沟槽方法形成。

为了达到上述目的，本发明还提出一种阻变存储器，包括：

下层金属互连线；

扩散阻挡层和加厚层，依次沉积在所述下层金属互连线上；

所述扩散阻挡层和加厚层形成有窗口，在所述窗口中露出部分下层金属互连线；

电阻转变层，形成在所述窗口中；

阻变存储器上电极，形成在所述窗口中；

上层金属互连线，形成在上述结构上。

进一步的，所述电阻转变层的厚度为100埃～1000埃。

进一步的，所述上层金属互连线包括上层通孔和连线金属。

在本发明提供的一种阻变存储器制造方法中，增加一张光刻掩模板便可将阻变存储器集成于金属后道互连工艺中，降低了现有技术需要使用两张光刻掩模板的成本，避免了由于阻变存储器上电极台阶高度带来的化学机械研磨残留问题，提高了所形成的阻变存储器的可靠性。

附图说明

图1a-1f是现有技术采用两张光刻掩模板形成阻变存储器的示意图。

图2所示为本发明较佳实施例的阻变存储器制造方法流程图。

图3a～3g是本发明较佳实施例一的阻变存储器制造方法的示意图。

图4a～4e是本发明较佳实施例形成倒梯形或者T型沟槽的示意图。

图5a～5h是本发明较佳实施例实施例二的阻变存储器制造方法的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种阻变存储器及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，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。

本发明提出一种阻变存储器的制造方法，包括下列步骤：

步骤S100：形成下层金属互连线；

步骤S200：在所述下层金属互连线上沉积扩散阻挡层和加厚层；

步骤S300：光刻并刻蚀所述扩散阻挡层和加厚层形成窗口，在所述窗口中露出部分下层金属互连线；

步骤S400：在上述结构上形成电阻转变层；

步骤S500：在上述结构上淀积一层金属薄膜作为阻变存储器的上电极材料；

步骤S600：对上述结构进行化学机械研磨，直至露出所述加厚层并进一步研磨去除部分所述加厚层，从而在所述窗口中形成阻变存储器上电极；

步骤S700：在上述结构上淀积金属间介质层，形成上层金属互连线。

实施例一

请参考图3a～3g，其为本发明较佳实施例一的一种阻变存储器制造方法的剖面示意图。

如图3a所示，首先，形成下层金属Cu互连线100，在需要制造阻变存储器的区域该下层金属Cu互连线100作为阻变存储器的下电极。该下层金属Cu互连线100可以是除顶层金属外的其他任何层次的金属线Mx。

如图3b所示，其次，采用CVD工艺在下层金属Cu互连线100上形成扩散阻挡层200和加厚层300。其中，扩散阻挡层200材料可以为氮化硅、氮氧硅、或者碳化硅，厚度可以为150埃～700埃；加厚层300材料可以为SiO，FSG，SiOC等低k材料，其厚度可以为100埃～2000埃。通过所述加厚层300可以淀积所需厚度的上电极，为后续化学机械研磨工艺提供足够的工艺窗口。

如图3c所示，接着，采用一光刻掩模板光刻并刻蚀所述扩散阻挡层200和加厚层300形成窗口，在所述窗口中露出部分下层金属铜互连线100。所述窗口的高度为扩散阻挡层200及加厚层300的厚度之和，在此，所述窗口的高度为250埃～2700埃。

如图3d所示，接着，采用热氧化或者等离子氧化等工艺将所述暴露出来的下层金属Cu表面氧化成CuOx，形成电阻转变层400。热氧化或者等离子氧化工艺的温度为100℃～550℃，所形成的电阻转变层400的厚度为100埃～1000埃。

如图3e所示，接着，淀积一层金属薄膜500作为阻变存储器的上电极材料。在本实施例中，可以采用物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺或者原子层沉积工艺淀积所述金属薄膜500，所述金属薄膜500厚度可以为300埃～3000埃。所述金属薄膜500的材料可以为W、Ti、Ta、Al、Cu、TiN和TaN中的一种或者几种。

如图3f所示，然后，对所述阻变存储器上电极薄膜进行化学机械研磨工艺，在所述窗口中形成阻变存储器上电极600。在本实施例中，在进行化学机械研磨的过程中，可以根据需要阻变存储器上电极600厚度需要，保留部分厚度的加厚层300。

如图3g所示，最后，继续淀积金属间介质层IMD，形成上层金属Cu互连线700，所述上层金属互连线700包括上层通孔Via和连线金属Metal Mx+1。在本实施例中，上层金属互连线700既可以使用单大马士革工艺制备，也可以使用双大马士革工艺制备。由于在形成阻变存储器上电极600时没有使用现有技术中的金属反刻工艺，而是采用化学机械研磨工艺，因此消除了台阶，从而避免了制备上层金属互连线700时可能发生的化学机械研磨残留问题，提高了器件的可靠性和良率。

为了节省芯片面积，存储器单元尺寸尽量缩小。本发明提供的一种阻变存储器制备工艺中，为形成所述窗口而增加的一张光刻掩模板可以设计成一张最小尺寸的孔板(Via)，此时在制备上一层金属互连线时，相当于需要孔板与孔板之间的对准，增大了光刻的难度，而且稍有偏移就有可能发生使得上一层金属连线的孔板与所述窗口(阻变存储器上电极)错位，从而影响电连接。为此，本发明提供了形成倒梯形或者T型沟槽的方法来形成所述窗口。

请参考图4a～4e，其为本发明实施例一的一种阻变存储器制造方法中形成所述窗口过程中形成T型沟槽的剖面示意图。

如图4a所示，首先，在下层金属Cu互连线110完成扩散阻挡层120和加厚层130淀积后，涂覆一层光刻胶140。

如图4b所示，接着，采用适当的刻蚀气体刻蚀加厚层130至扩散阻挡层120，该刻蚀工艺中，扩散阻挡层120对加厚层130具有一定选择比，如大于2。

如图4c所示，接着，采用氧等离子对光刻胶140进行Trim工艺，使光刻胶140体积缩小，从而使得光刻后的尺寸变大，如100埃～1000埃。

如图4d所示，接着，继续刻蚀扩散阻挡层120至下层金属Cu互连线110，暴露出部分下层金属Cu线110。

如图4e所示，最后，去除光刻胶140并进行清洗，完成T型窗口刻蚀工艺。

在本发明中，如果需要形成倒梯形窗口，可以通过调节和优化刻蚀相关工艺菜单，将所刻蚀的沟槽的坡度变小，从而得到倒梯形的沟槽。

此外，本实施例一中所提供的形成矩形、倒梯形或者T型沟槽的方法同样适用于本发明提供的实施例二中，下文不再赘述。

实施例二

请参考图5a～5h，其为本发明实施例二的一种阻变存储器制造方法的剖面示意图。

如图5a所示，首先，形成下层金属Cu互连线100，在需要制造阻变存储器的区域该下层金属Cu互连线100作为阻变存储器的下电极。该下层金属Cu互连线100可以是除顶层金属外的其他任何层次的金属线Mx。

如图5b所示，其次，采用CVD工艺在下层金属Cu互连线100上形成扩散阻挡层200和加厚层300。其中，扩散阻挡层200材料可以为氮化硅、氮氧硅、或者碳化硅，厚度可以为150埃～700埃；加厚层300材料可以为SiO，FSG，SiOC等低k材料，其厚度可以为100埃～2000埃。通过所述加厚层300可以淀积所需厚度的上电极，为后续化学机械研磨工艺提供足够的工艺窗口。

如图5c所示，接着，采用一光刻掩模板光刻并刻蚀所述扩散阻挡层200和加厚层300形成窗口，在所述窗口中露出部分下层金属铜互连线100。所述窗口的高度为扩散阻挡层200及加厚层300的厚度之和，在此，所述窗口的高度为250埃～2700埃。

如图5d所示，接着，淀积一层电阻转变层金属薄膜材料800，所示电阻转变层金属薄膜材料800为W、Ti、Ta、Al和Cu中的一种或者几种，厚度为100埃～1000埃。

如图5e所示，接着，采用热氧化或者等离子氧化等工艺将所述淀积的一层金属的表面氧化成该金属的氧化物，形成电阻转变层400。热氧化或者等离子氧化工艺的温度为100℃～550℃，所形成的电阻转变层400的厚度为100埃～1000埃。

或者，在完成如图5c所示的形成窗口之后，直接采用反应溅射淀积一层金属的氧化物的形成电阻转变层400。本发明中，金属的氧化物材料为WOx、TiOx、TaOx、AlOx和CuOx中的一种或者几种，厚度为100埃～1000埃。

如图5f所示，接着，淀积一层金属薄膜500作为阻变存储器的上电极材料。在本实施例中，可以采用物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺或者原子层沉积工艺淀积所述金属薄膜500，所述金属薄膜500厚度可以为300埃～3000埃。所述金属薄膜500的材料可以为W、Ti、Ta、Al、Cu、TiN和TaN中的一种或者几种。

如图5g所示，然后，对所述阻变存储器上电极薄膜进行化学机械研磨工艺，在所述窗口中形成阻变存储器上电极600。在本实施例中，在进行化学机械研磨的过程中，可以根据需要阻变存储器上电极600厚度需要，保留部分厚度的加厚层300。

如图5h所示，最后，继续淀积金属间介质层IMD，形成上层金属Cu互连线700，所述上层金属互连线700包括上层通孔Via和连线金属Metal Mx+1。在本实施例中，上层金属互连线700既可以使用单大马士革工艺制备，也可以使用双大马士革工艺制备。由于在形成阻变存储器上电极600时没有使用现有技术中的金属反刻工艺，而是采用化学机械研磨工艺，因此消除了台阶，从而避免了制备上层金属互连线700时可能发生的化学机械研磨残留问题，提高了器件的可靠性和良率。

综上所述，在本发明提供的一种阻变存储器制造方法中，增加一张光刻掩模板便可将阻变存储器集成于Cu后道互连工艺中，降低了现有技术需要采用两张光刻掩模板的研发和生产成本，同时避免了由于台阶高度带来的化学机械研磨工艺时的残留问题，从而提高了所形成的阻变存储器的可靠性和良率。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种阻变存储器的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

形成下层金属互连线；

在所述下层金属互连线上沉积扩散阻挡层和加厚层；

在上述结构上形成电阻转变层；

在上述结构上淀积金属间介质层，形成上层金属互连线。

2.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述扩散阻挡层材料为氮化硅、氮氧硅、或者碳化硅，其厚度为150埃～700埃。

3.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述加厚层材料为氧化硅，氟硅酸盐玻璃，碳氧硅，其厚度为100埃～2000埃。

4.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述窗口的高度为扩散阻挡层及加厚层的厚度之和，所述窗口的高度为250埃～2700埃。

5.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，在形成窗口后采用热氧化或者等离子氧化将所述暴露出来的下层金属表面氧化，形成电阻转变层。

6.根据权利要求5所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述热氧化或者等离子氧化工艺的温度为100℃～550℃，所形成的电阻转变层的厚度为100埃～1000埃。

7.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，在形成窗口后在上述结构上淀积一层电阻转变层金属薄膜，接着，采用热氧化或者等离子氧化工艺将所述淀积的电阻转变层金属薄膜氧化成该金属的氧化物，形成电阻转变层。

8.根据权利要求7所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述电阻转变层金属薄膜的材料为钨、钛、钽、铝和铜中的一种或者几种，其厚度为100埃～1000埃。

9.根据权利要求7所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述热氧化或者等离子氧化工艺的温度为100℃～550℃，所形成的电阻转变层的厚度为100埃～1000埃。

10.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，在形成窗口后采用反应溅射淀积一层金属氧化物，形成电阻转变层。

11.根据权利要求10所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述金属氧化物的材料为钨氧化物、钛氧化物、钽氧化物、铝氧化物和铜氧化物中的一种或者几种，其厚度为100埃～1000埃。

12.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，在形成电阻转变层后，所述淀积金属薄膜采用物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺或者原子层沉积工艺淀积，所述金属薄膜厚度为300埃～3000埃。

13.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，在形成电阻转变层后，所述淀积金属薄膜的材料为W、Ti、Ta、Al、Cu、TiN和TaN中的一种或者几种。

14.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述上层金属互连线包括上层通孔和连线金属。

15.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述上层金属互连线使用单大马士革工艺或者双大马士革工艺制备。

16.根据权利要求1所述的阻变存储器的制造方法，其特征在于，所述窗口采用矩形、倒梯形或者T型沟槽方法形成。

17.一种由权利要求1所述的制造方法所形成的阻变存储器，其特征在于，包括：

下层金属互连线；

扩散阻挡层和加厚层，依次沉积在所述下层金属互连线上；

电阻转变层，形成在所述窗口中；阻变存储器上电极，形成在所述窗口中；

上层金属互连线，形成在上述结构上。

18.根据权利要求17所述的阻变存储器，其特征在于，所述扩散阻挡层材料为氮化硅、氮氧硅、或者碳化硅，其厚度为150埃～700埃。

19.根据权利要求17所述的阻变存储器，其特征在于，所述加厚层材料为氧化硅，氟硅酸盐玻璃，碳氧硅，其厚度为100埃～2000埃。

20.根据权利要求17所述的阻变存储器，其特征在于，所述窗口的高度为扩散阻挡层及加厚层的厚度之和，所述窗口的高度为250埃～2700埃。

21.根据权利要求17所述的阻变存储器，其特征在于，所述电阻转变层的厚度为100埃～1000埃。

22.根据权利要求17所述的阻变存储器，其特征在于，所述上层金属互连线包括上层通孔和连线金属。