CN108123036A - 利用后端制程实现的器件及其制造方法 - Google Patents

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CN108123036A CN201711425961.7A CN201711425961A CN108123036A CN 108123036 A CN108123036 A CN 108123036A CN 201711425961 A CN201711425961 A CN 201711425961A CN 108123036 A CN108123036 A CN 108123036A
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金子贵昭
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Huaian Imaging Device Manufacturer Corp
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Abstract

本公开涉及在后端制程中实现的器件及其制造方法。器件可以包括:导电层(101);在导电层的一部分上的第一材料层(113),第一材料层具有底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分;在第二材料层之上的第二材料层(115);以及电极,第二材料层在第一材料层和电极之间。第一材料层和第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素。第一材料层和第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层。器件被配置为能够通过在导电层和电极之间施加预定的电压差而改变该器件中导电层和电极之间的导通状态。

Description

利用后端制程实现的器件及其制造方法
技术领域
本公开涉及利用后端制程实现的器件及其制造方法,尤其涉及利用后端制程(BEOL)实现的开关、存储器等器件及其制造方法。
背景技术
通常,在后端制程(BEOL)中,往往仅能形成无源器件,诸如电阻、电感、电容等,而不能形成诸如晶体管、存储器、开关等有源器件。一般地,有源器件通常包括有源层(其一般是半导体层)。
因此,在现有技术中,存在对在后端制程中实现有源器件功能的需求。
发明内容
本公开的一些实施例的一个目的是提供一种新颖的技术,以在后端制程中提供有源功能。根据本公开的一些实施例,还提供了一种以后端制程(BEOL)实现的器件以及与后端制程(BEOL)兼容的器件的制造方法。换而言之,根据本公开实施例的器件可以不包括有源层。
根据本公开的实施例,可以在不利用前端工艺的情况下,也能够实现有源器件功能。从而,可以降低芯片尺寸,可以提供芯片设计的便利性和灵活性,还可以降低芯片成本。
根据本公开一个方面,提供了一种利用后端制程实现的器件,包括:导电层(101);在所述导电层的一部分上的第一材料层(113),所述第一材料层具有底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分;在所述第二材料层之上的第二材料层(115);以及电极,所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间,其中,所述第一材料层和所述第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素,其中,所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层,并且其中,所述器件被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变所述器件中所述导电层和所述电极之间的导通状态。
根据本公开一个方面,提供了一种利用后端制程制造器件的方法,包括:提供衬底,所述衬底包括导电层和绝缘层,所述绝缘层具有开口,所述开口具有侧壁并露出所述导电层的至少一部分;形成第一材料层(113)和在所述第一材料层上的第二材料层(115),其中所述第一材料层覆盖所述开口的侧壁和所述导电层的所露出的部分;以及在所述第二材料层之上形成电极,所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间,其中,所述第一材料层和所述第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素,其中,所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层,并且其中,所述器件被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变所述器件中所述导电层和所述电极之间的导通状态。
根据本公开另一方面,还提供了一种利用后端制程制造器件的方法,包括:提供衬底,所述衬底包括导电层和绝缘层,所述绝缘层具有开口,所述开口具有侧壁并露出所述导电层的至少一部分;形成第一导电缓冲层,所述第一导电缓冲层覆盖所述开口的侧壁和所述导电层的所露出的部分;在所述第一导电缓冲层上形成第一材料层(113)和在所述第一材料层上的第二材料层(115);以及在所述第二材料层之上形成电极,所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间,其中,所述第一材料层和所述第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素,其中,所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层,并且其中,所述器件被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变所述器件中所述导电层和所述电极之间的导通状态。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述,本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例,并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图,根据下面的详细描述,可以更加清楚地理解本公开,其中:
图1A、1B和1C分别示出根据本公开一个实施例的器件的示意性截面图;
图2示出根据本公开一个实施例的器件的制造方法的示例流程图;
图3A-3E分别示出根据本公开一些实施例的器件的制造方法的步骤的示意性截面图;
图4A至4G分别示出根据本公开另一个实施例的器件的制造方法的步骤的示意性截面图;
图5A至5C分别示出根据本公开又一个实施例的器件的制造方法的步骤的示意性截面图;
图6示出了根据本公开一个实施例的器件的操作的示意图。
注意,在以下说明的实施方式中,有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分,而省略其重复说明。在本说明书中,使用相似的标号和字母表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解,在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此,所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意:除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。另外,对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等,如果存在的话,用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解,这样使用的词语在适当的情况下是可互换的,使得在此所描述的本公开的实施例,例如,能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。
在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且,本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的,词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪音以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
上述描述可以指示被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的,除非另外明确说明,“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地,除非另外明确说明,“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用,即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说,“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结,包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外,仅仅为了参考的目的,还可以在下面描述中使用某种术语,并且因而并非意图限定。例如,除非上下文明确指出,否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解,“包括/包含”一词在本文中使用时,说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件,但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中,术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式,因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
还应理解,以下对至少一个示例性实施例的描述仅仅是说明性的,并非是对本公开及其应用或使用的任何限制。
阻变材料是这样一种材料:在外加电场的作用下,材料的电阻可以在高阻态和低阻态之间实现可逆转换。本公开的实施例提供了BEOL兼容(友好)的基于阻变材料的器件结构及其制造方法。
图1A、1B和1C分别示出根据本公开一个实施例的利用后端制程实现的器件的示意性截面图。
如图1A所示,器件100A包括导电层101。导电层101可以由例如下列中一种或多种形成:金属、金属的氮化物或氧化物、或其组合。例如,导电层101可以是由铜或钨形成的布线或垫盘(pad)。
器件100A还包括在所述导电层101的一部分上的第一材料层113。第一材料层113可以具有底部部分1131和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分1151。
器件100A还包括在第一材料层113之上的第二材料层(115)。
在图1A所示的示例中,第二材料层115可以具有底部部分1151和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分1153。然而,本公开并不限于此。
在一些实现方式中,所述第一材料层和所述第二材料层各自可以由金属氧化物形成,并且可以包含相同的金属元素。所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层。例如,第一材料层可以由TaOx形成,而第二材料层由Ta2Oy形成。这里,x可以被设置为小于y/2。例如,第二材料层可以由Ta2O5形成,这里y可以为约等于5。在x小于y/2的情况下,第一材料层成为氧缺乏层(oxygen-deficient layer),例如,其中的氧含量小于其化学配比。从而在第一材料层中产生氧空位(oxygen vacancy)。而第二材料层则可以视为富氧层(oxygen-rich layer),其中的氧含量高于氧缺乏层中的氧含量。例如,第二材料层中的氧含量可以为或高于其化学配比。例如,在一些实施例中,y可以被设置为大于等于5。在替代的实施例中,第一材料层和第二材料层的构成材料可以替换,例如第二材料层可以由TaOx形成,而第一材料层可以由Ta2Oy形成。本领域技术人员将容易理解,所述第一材料层和第二材料层构成阻变材料层。
如此,可以通过施加电偏置,使富氧层中的氧离子进入或者离开氧缺乏层层中,从而使得电阻状态发生改变。所述器件能够在在所述导电层和所述电极之间不施加电压的情况下保持所述导通状态,从而可以记忆信息。
器件100A还可以包括电极117。所述第二材料层115设置在第一材料层113和电极117之间。电极117可以包括一层或多层导电材料。例如电极117可以由铜(Cu)形成。
器件100A被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变器件的所述导电层和所述电极之间的导通状态。例如,器件可以被置于高阻抗状态、低阻抗状态、或者在二者之间的中间阻抗状态。器件100A可以作为开关、存储器等工作。从而可以在后端制程中提供有源器件的功能,而无需有源层(例如半导体层)。
在图1所示的示例中器件100A还可以包括在导电层101之上的绝缘层103。绝缘层103可以具有露出所述导电层的一部分的开口105(如图3A所更佳地示出的)。第一材料层113可以设置在开口105的侧壁和导电层101的所露出的部分上的,以及在所述第二材料层之上的第二材料层(115)。
图1B示出了根据本公开另一实施例的器件100B。器件100B与器件100A相同或相应的部件被以相同的附图标记指示,上面就器件100A中的相同或相应部件所进行的说明可以同样适用,这里不再对其进行重复说明。器件100B还包括导电缓冲层(第一导电缓冲层)107,其设置在开口105中且在所述第一材料层和导电层101之间。
如图1B所示,开口105可以包括与导电层101相邻的第一部分和在所述第一部分之上的第二部分,其中所述第二部分的横向尺寸(例如直径或者宽度)大于所述第一部分的横向尺寸。开口的第一部分可以具有从导电层101延伸的侧壁。开口的第二部分可以具有从第一部分的侧壁横向延伸的横向表面,以及从该横向表面向上延伸的侧壁。这里,可以将开口的第一部分的侧壁、第二部分的横向表面和侧壁共同称作开口的侧表面。
在该示例中,第一导电缓冲层107被配置为覆盖在开口105的侧表面和导电层101的所露出的部分。第一导电缓冲层107可以具有底部部分1071和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分1073。然而,本公开不限于此。在适合的情况下,在第一材料层和开口的侧壁之间也可以没有缓冲层;在这种情况下,第一材料层113的侧壁部分可以覆盖开口(包括第一部分和第二部分)的侧表面。从而,如图中所示,第一材料层113的侧壁部分可以包括:从第一材料层113的底部部分向上延伸的第一部分,从第一部分横向延伸的第二部分,以及从第二部分向上延伸的第三部分。如此,在第二材料层113之上的第二材料层115的侧壁部分也可以包括:从第二材料层115的底部部分向上延伸的第一部分,从第一部分横向延伸的第二部分,以及从第二部分向上延伸的第三部分。第二材料层115的底部部分可以在第一材料层113的底部部分之上。
另外,如图1B所示,电极117可以包括:在所述第二材料层之上的导电缓冲层(第二导电缓冲层)1171,例如可以由TaN形成;以及在所述第二导电缓冲层之上的金属材料层1173,例如可以由Cu或W等形成。
图1C示出了根据本公开另一实施例的器件100C。器件100C与器件100A和100B相同或相应的部件被以相同的附图标记指示,上面就器件100A和100B中的相同或相应部件所进行的说明可以同样适用,这里不再对其进行重复说明。器件100C还包括金属中间层111,其包含与所述第一(以及第二)材料层相同的金属元素,设置于所述第一材料层和所述第一缓冲层之间。例如,该金属中间层由钽(Ta)形成,第一或第二材料层由TaOx形成,而第二或第一材料层由Ta2O5形成。如图中所示,金属中间层111可以具有在缓冲层107的底部部分之上的底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分。金属中间层111的侧壁部分也可以包括:从的底部部分向上延伸的第一部分,从第一部分横向延伸的第二部分,以及从第二部分向上延伸的第三部分,如图1C中所示。
在一些可选实施例中,可以不存在缓冲层107,在这种情况下,金属中间层111可以被设置于所述第一材料层与所述导电层的露出部分和所述开口的侧壁之间。金属中间层可以覆盖所述开口的侧壁和所述导电层的所露出的部分。
图2示出根据本公开一个实施例的器件的制造方法的示例流程图。图3A-3E分别示出根据本公开一个实施例的器件的制造方法的步骤的示意性截面图。下面结合图2和图3A-3E进行说明。
在步骤S210,提供衬底。如图3A所示,衬底可以包括导电层,以及绝缘层103。绝缘层103可以具有开口105。开口105具有侧壁并露出导电层101的一部分。
在步骤S220,形成可选的第一导电缓冲层。如图3B所示,第一导电缓冲层107覆盖开口105的侧表面和导电层101的所露出的部分。可以通过,例如,物理气相沉积(PVD)来沉积TaN作为所述导电缓冲层107。本公开不限于此。在其他的实现方式中,也可以省略该第一导电缓冲层,例如如图1A所示的。
在步骤S230,在第一导电缓冲层上形成第一材料层113和第二材料层115,如图3D。如前所述的,所述第一材料层和所述第二材料层可以各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素。所述第一材料层和所述第二材料层中的一个可以是氧缺乏层,而另一个可以是富氧层。
在一些实现方式中,可以通过溅射,例如,利用钽(Ta)靶在氧(O2)和氩气(Ar2)的气氛下的RF反应磁控管溅射,来形成TaOx,作为所述第一材料层。另外,可以通过溅射,例如,利用钽(Ta)靶在氧(O2)和氩气(Ar2)的气氛下的RF反应磁控管溅射,来例如保形地形成Ta2Oy层,以作为所述第二材料层。可以通过,例如但不限于,调节氧气的百分比、流量比、或气体分压等,来形成不同组分的Ta的氧化物层。
在一些替代实现方式中,可以形成金属中间层111,如图3C所示。所述金属中间层包含所述金属元素,例如可以由钽(Ta)形成。接着,对所述金属中间层进行氧气氛下的等离子处理,以将所述金属中间层氧化以形成第三材料层。例如,将由Ta形成的金属中间层氧化为Ta2Oy。这里,y可以例如大约为5。之后,在所述第三材料层的表面上溅射第二金属中间层(例如,Ta层),所述第二金属中间层包含所述金属元素。使所述第二金属中间层与所述第三材料层中的氧反应,以使得形成所述第二材料层(TaOx,x<y/2),并且所述第三材料层作为所述第一材料层。注意,通过该方法形成的第一材料层和第二材料层与上面通过其它方法形成的第一材料层和第二材料层可以相同或不同。
在又一实现方式中,在含有第一氧含量的含氧气氛下,对所述金属中间层进行等离子处理,以将所述金属中间层的至少一部分氧化以形成中间材料层,例如TaOx层。之后,在含有比第一氧含量高的第二氧含量的含氧气氛下,对所述中间材料层的一部分进行等离子处理,以使得形成所述第二材料层Ta2Oy(y>2x,例如,y可以约为5或更高),并且所述中间材料层的其余部分作为所述第一材料层。如此,可以形成所述第一材料层和第二材料层。
如前面所述的,缓冲层107是可选的,容易理解,在不需要缓冲层107的情况下,第一材料层113可以被设置为覆盖开口105的侧表面和导电层101的所露出的部分,如图1A中所示以及如下面将参考图5A-5C详细说明的。
在步骤S240,在所述第二材料层之上形成电极117,如图3E所示。所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间。在一种具体实现方式中,可以例如通过PVD在所述第二材料层之上沉积例如TaN层或者TaN层和Ta层作为可选的第二导电缓冲层,并在所述第二导电缓冲层之上形成金属材料层(如从图5C更佳地看出的)。在替代实现方式中,可以通过无电镀来在第二材料层上形成铜电极。
应理解,在具体步骤过程中在开口形成某层时,在绝缘层103的表面上也可能会形成相应的层,由于绝缘层表面上的所相应形成的层并非是本公开所关注,因此在图中未示出。本领域技术人员将容易理解,可以通过某些处理,例如选择性的蚀刻或者化学机械抛光(CMP)等,来去除绝缘层表面上的所相应形成的层。
图4A至4G分别示出根据本公开另一个实施例的器件的制造方法的步骤的示意性截面图。
如图4A所示,提供导电层101。在导电层101上可以形成有绝缘层103。绝缘层103可以具有开口105。开口105具有侧壁并露出导电层101的一部分。
如图4B所示,形成可选的第一导电缓冲层。第一导电缓冲层107覆盖开口105的侧表面和导电层101的所露出的部分。可以通过,例如,物理气相沉积(PVD)来沉积TaN作为所述导电缓冲层107。本公开不限于此。
之后,在第一导电缓冲层上形成第一材料113和第二材料层115。
如图4C所示,在第一导电缓冲层上形成金属中间层111。所述金属中间层包含所述金属元素,例如可以由钽(Ta)形成。在不需要第一导电缓冲层107的情况下,金属中间层111可以被配置为覆盖开口105的侧表面和导电层101的所露出的部分。
接着,对所述金属中间层进行氧气氛下的等离子处理,以将所述金属中间层的一部分氧化以形成第三材料层,如图4D所示。例如,将由Ta形成的金属中间层氧化为Ta2Oy。这里,y可以例如大约为5。
之后,如图4E所示,在所述第三材料层的表面上溅射第二金属中间层119(例如,Ta层),所述第二金属中间层包含所述金属元素。
使所述第二金属中间层与所述第三材料层中的氧反应,以使得形成所述第二材料层(TaOx,x<y/2),如图4F所示,并且所述第三材料层作为所述第一材料层。注意,通过该方法形成的第一材料层和第二材料层与上面通过其它方法形成的第一材料层和第二材料层可以相同或不同。如图所示,所述金属中间层的被氧化的部分被形成在其未被氧化的部分与所述第一材料层之间。
应理解,形成第一材料层和第二材料层的方法并不限于此。例如,也可以在含有第一氧含量的含氧气氛下,对所述金属中间层进行等离子处理,以将所述金属中间层的至少一部分氧化以形成中间材料层。之后可以在含有比第一氧含量高的第二氧含量的含氧气氛下,对所述中间材料层的一部分进行等离子处理,以使得形成所述第二材料层,并且所述中间材料层的其余部分作为所述第一材料层。
之后,在所述第二材料层之上形成电117,如图4G所示。所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间。
在本公开的优选实施例中,所述金属元素是钽(Ta),所述第一材料层由TaOx,所述第二材料层由Ta2Oy形成,其中x<y/2。
图5A至5C分别示出根据本公开又一个实施例的器件的制造方法的步骤的示意性截面图。如图5A所示,提供导电层101,在导电层101上可以形成有绝缘层103。绝缘层103可以具有开口105。开口105具有侧壁并露出导电层101的一部分。
之后,如图5C所示,形成第一材料层113和在第二材料层115。第一材料层113可以被设置为覆盖开口105的侧表面和导电层101的所露出的部分。如前所述的,所述第一材料层和所述第二材料层可以各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素。所述第一材料层和所述第二材料层中的一个可以是氧缺乏层,而另一个可以是富氧层。
在一些实现方式中,可以通过溅射,例如,利用钽(Ta)靶在氧(O2)和氩气(Ar2)的气氛下的RF反应磁控管溅射,来形成TaOx,作为所述第一材料层。另外,可以通过溅射,例如,利用钽(Ta)靶在氧(O2)和氩气(Ar2)的气氛下的RF反应磁控管溅射,来例如保形地形成Ta2Oy层,以作为所述第二材料层。可以通过,例如但不限于,调节氧气的百分比、流量比、或气体分压等,来形成不同组分的Ta的氧化物层。
在一些替代实现方式中,可以与图3C类似地形成金属中间层111。所述金属中间层包含所述金属元素,例如可以由钽(Ta)形成。接着,对所述金属中间层进行氧气氛下的等离子处理,以将所述金属中间层氧化以形成第三材料层。例如,将由Ta形成的金属中间层氧化为Ta2Oy。这里,y可以例如大约为5。之后,在所述第三材料层的表面上溅射第二金属中间层(例如,Ta层),所述第二金属中间层包含所述金属元素。使所述第二金属中间层与所述第三材料层中的氧反应,以使得形成所述第二材料层(TaOx,x<y/2),并且所述第三材料层作为所述第一材料层。注意,通过该方法形成的第一材料层和第二材料层与上面通过其它方法形成的第一材料层和第二材料层可以相同或不同。应理解,形成第一材料层和第二材料层的方法并不限于此。也可以通过在改变的氧含量的气氛下的等离子处理来形成所述第一和第二材料层。
之后,在所述第二材料层之上形成电极117,如图5C所示。所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间。在一种具体实现方式中,可以例如通过物理气相沉积(PVD)在所述第二材料层之上沉积例如TaN层或者TaN层和Ta层作为第二导电缓冲层1171,并在所述第二导电缓冲层之上形成金属材料层1173。在替代实现方式中,可以通过无电镀来在第二材料层上形成铜电极。
图6示出了根据本公开一个实施例的器件的操作的示意图。图6的(a)图示出了器件的电阻随控制脉冲的变化;而图6的(b)图示出了对应的控制脉冲。
如图6的(b)中所示,对器件施加(也即,对导电层107(作为第一电极)和电极层117(作为第二电极)施加)具有一定极性的脉冲(例如,负极性的-3V脉冲,也称作形成脉冲),以对器件进行形成(forming)操作。该形成脉冲可以持续一定的时间,在图中所示的示例中约200ns。从而,使得器件进入高阻抗状态,例如约108欧姆的量级。该高阻抗状态被器件记忆。
之后,对器件施加相反极性(例如,正极性)的脉冲(复位脉冲),以将器件复位到低阻抗状态。该低阻抗状态可以为例如约104欧姆的量级。该复位脉冲的幅度可以为例如+2V。复位脉冲可以持续一定时间,在图中所示的示例中约100ns。该低阻抗状态被器件记忆。
之后,对器件施加负极性的脉冲(置位脉冲),以将器件置位到相对高的中间阻抗状态。该中间阻抗状态被设置为低于所述形成操作所形成的高阻抗状态,高于所述低阻抗状态。优选地,所述形成操作所形成的高阻抗状态为该置位操作所形成的中间阻抗状态的10倍或更高。优选地,所述中间阻抗状态为该复位操作所形成的低阻抗状态的10倍或更高。例如,该相对于高的阻抗状态可以为例如约106欧姆的量级,如图中所示。该置位脉冲的幅度可以为例如-2.2V。置位脉冲可以持续一定时间,在图中所示的示例中约100ns。该高阻抗状态被器件记忆。
应理解,本公开不限于这里所公开的脉冲的幅度和持续时间、阻抗的量值等参数。
在后段制程中,可能存在很多的无实际电连接的金属(其也被称为伪金属(dummymetal))。根据本公开,可以在这部分金属位置设计根据本公开实施例的器件结构,实现某些一般在前端制程(FEOL)中以有源器件(诸如,存储器、开关等)实现的功能。从而,可以减小芯片面积。并且,其可以和后段制程相容,使得工艺简单可行。而且不会影响正常的金属布线的导线作用。
至此还应理解,本公开还构思了以下实施方式。
项目1.一种利用后端制程实现的器件,包括:导电层(101);在所述导电层的一部分上的第一材料层(113),所述第一材料层具有底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分;在所述第二材料层之上的第二材料层(115);以及电极,所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间,其中,所述第一材料层和所述第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素,其中,所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层,并且其中,所述器件被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变所述器件中所述导电层和所述电极之间的导通状态。
项目2.如项目1所述的器件,其中所述器件能够在在所述导电层和所述电极之间不施加电压的情况下保持所述导通状态。
项目3.如项目1所述的器件,其中:所述第二材料层具有底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分,所述第二材料层的底部部分与所述第一材料层的底部部分邻接,所述第二材料层的侧壁部分与所述第一材料层的相应的侧壁部分邻接。
项目4.如项目1所述的器件,还包括:第一导电缓冲层(107),其设置在所述第一材料层和所述导电层之间。
项目5.如项目4所述的器件,其中:所述第一导电缓冲层具有在所述导电层的所述部分之上的底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分。
项目6.如项目1所述的器件,其中所述电极包括:在所述第二材料层之上的第二导电缓冲层(1171);以及在所述第二导电缓冲层之上的金属材料层(1173)。
项目7.如项目1所述的器件,其中,所述导电层为金属层,并且所述器件不包括有源层。
项目8.如项目1所述的器件,其中,所述金属元素是钽(Ta),所述第一材料层和所述第二材料层中的一个由TaOx形成,而另一个由Ta2Oy形成,其中x<y/2。
项目9.如项目4所述的器件,还包括:金属中间层,其包含所述金属元素,设置于所述第一材料层和所述第一缓冲层之间。
项目10.如项目1或9所述的器件,还包括:金属中间层,其包含所述金属元素,所述金属中间层具有在所述导电层的所述部分之上的底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分。
项目11.如项目1所述的器件,所述器件能够作为存储器或开关。
项目12.如项目1所述的器件,还包括:绝缘层(103),所述绝缘层具有露出所述导电层的所述部分的开口(105),其中,所述第一材料层的侧部部分与所述开口的相应侧壁邻接。
项目13.如项目1所述的器件,其中:所述开口包括与所述导电层相邻的第一部分和在所述第一部分之上的第二部分,其中所述第二部分的横向尺寸大于所述第一部分的横向尺寸。
项目14.一种利用后端制程制造器件的方法,包括:提供衬底,所述衬底包括导电层和绝缘层,所述绝缘层具有开口,所述开口具有侧壁并露出所述导电层的至少一部分;形成第一材料层(113)和在所述第一材料层上的第二材料层(115),其中所述第一材料层覆盖所述开口的侧壁和所述导电层的所露出的部分;以及在所述第二材料层之上形成电极,所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间,其中,所述第一材料层和所述第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素,其中,所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层,并且其中,所述器件被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变所述器件中所述导电层和所述电极之间的导通状态。
项目15.一种利用后端制程制造器件的方法,包括:提供衬底,所述衬底包括导电层和绝缘层,所述绝缘层具有开口,所述开口具有侧壁并露出所述导电层的至少一部分;形成第一导电缓冲层,所述第一导电缓冲层覆盖所述开口的侧壁和所述导电层的所露出的部分;在所述第一导电缓冲层上形成第一材料层(113)和在所述第一材料层上的第二材料层(115);以及在所述第二材料层之上形成电极,所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间,其中,所述第一材料层和所述第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素,其中,所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层,并且其中,所述器件被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变所述器件中所述导电层和所述电极之间的导通状态。
项目16.如项目14或15所述的方法,其中所述器件能够在所述导电层和所述电极之间不施加电压的情况下保持所述导通状态。
项目17.如项目14或15所述的方法,其中:所述开口包括与所述导电层相邻的第一部分和在所述第一部分之上的第二部分,其中所述第二部分的横向尺寸大于所述第一部分的横向尺寸。
项目18.如项目14或15所述的方法,形成第一材料层和第二材料层包括:通过溅射形成所述第一材料层;以及通过溅射在所述第一材料层上保形地形成所述第二材料层。
项目19.如项目14或15所述的方法,形成第一材料层和在所述第一材料层上的第二材料层包括:形成金属中间层,所述金属中间层包含所述金属元素;在含有第一氧含量的含氧气氛下,对所述金属中间层进行等离子处理,以将所述金属中间层的至少一部分氧化以形成中间材料层;以及在含有比第一氧含量高的第二氧含量的含氧气氛下,对所述中间材料层的一部分进行等离子处理,以使得形成所述第二材料层,并且所述中间材料层的其余部分作为所述第一材料层。
项目20.如项目14或15所述的方法,形成第一材料层和在所述第一材料层上的第二材料层包括:形成金属中间层,所述金属中间层包含所述金属元素;对所述金属中间层进行氧气氛下的等离子处理,以将所述金属中间层的至少一部分氧化以形成第三材料层;在所述第三材料层的表面上溅射第二金属中间层,所述第二金属中间层包含所述金属元素;以及使所述第二金属中间层与所述第三材料层中的氧反应,以使得形成所述第二材料层并且所述第三材料层作为所述第一材料层。
项目21.如项目20所述的方法,其中:所述金属中间层的被部分地氧化,并且所述金属中间层的被氧化的部分被形成在其未被氧化的部分与所述第一材料层之间。
项目22.如项目14或15所述的方法,在所述第二材料层之上形成电极包括:在所述第二材料层之上形成第二导电缓冲层;以及在所述第二导电缓冲层之上形成金属材料层。
项目23.如项目14或15所述的方法,其中,所述导电层为金属层,所述器件包括有缘层。
项目24.如项目14或15所述的方法,所述金属元素是钽(Ta),所述第一材料层和所述第二材料层中的一个由TaOx形成,而另一个由Ta2Oy形成,其中x<y/2。
项目25.如项目14或15所述的方法,其中:所述第一材料层具有底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分;所述第二材料层具有底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分,所述第二材料层的底部部分与所述第一材料层的底部部分邻接,所述第二材料层的侧壁部分与所述第一材料层的相应的侧壁部分邻接。
项目26.如项目14或15所述的方法,所述器件能够作为存储器或开关。
项目27.一种操作如项目1-13中任一项所述的器件的方法,包括:在所述导电层和所述电极之间提供第一极性的第一脉冲,以将器件置于高阻抗状态。
项目28.如项目27所述的方法,还包括:在所述导电层和所述电极之间提供与第一极性相反的第二极性的第二脉冲,以将器件置于低阻抗状态。
项目29.如项目28所述的方法,还包括:在所述导电层和所述电极之间提供第一极性的第三脉冲,以将器件置于处于所述高阻抗状态和所述低阻抗状态之间的中间阻抗状态。
本领域技术人员应当意识到,在上述实施例中描述的操作(或步骤)之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作,单个操作可以分布于附加的操作中,并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且,另选的实施例可以包括特定操作的多个实例,并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是,其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此,本说明书和附图应当被看作是说明性的,而非限制性的。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明,但是本领域的技术人员应该理解,以上示例仅是为了进行说明,而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合,而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解,可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种利用后端制程实现的器件,其特征在于,包括:
导电层(101);
在所述导电层的一部分上的第一材料层(113),所述第一材料层具有底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分;
在所述第二材料层之上的第二材料层(115);以及
电极,所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间,
其中,所述第一材料层和所述第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素,
其中,所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层,并且
其中,所述器件被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变所述器件中所述导电层和所述电极之间的导通状态。
2.如权利要求1所述的器件,其特征在于,其中所述器件能够在在所述导电层和所述电极之间不施加电压的情况下保持所述导通状态。
3.如权利要求1所述的器件,其特征在于,其中:
所述第二材料层具有底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分,
所述第二材料层的底部部分与所述第一材料层的底部部分邻接,所述第二材料层的侧壁部分与所述第一材料层的相应的侧壁部分邻接。
4.如权利要求1所述的器件,其特征在于,还包括:
第一导电缓冲层(107),其设置在所述第一材料层和所述导电层之间。
5.如权利要求4所述的器件,其特征在于,其中:
所述第一导电缓冲层具有在所述导电层的所述部分之上的底部部分和在底部部分的两侧从底部部分向上延伸的侧壁部分。
6.如权利要求1所述的器件,其特征在于,其中所述电极包括:
在所述第二材料层之上的第二导电缓冲层(1171);以及
在所述第二导电缓冲层之上的金属材料层(1173)。
7.如权利要求1所述的器件,其特征在于,其中,所述导电层为金属层,并且所述器件不包括有源层。
8.一种利用后端制程制造器件的方法,其特征在于,包括:
提供衬底,所述衬底包括导电层和绝缘层,所述绝缘层具有开口,所述开口具有侧壁并露出所述导电层的至少一部分;
形成第一材料层(113)和在所述第一材料层上的第二材料层(115),其中所述第一材料层覆盖所述开口的侧壁和所述导电层的所露出的部分;以及
在所述第二材料层之上形成电极,所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间,
其中,所述第一材料层和所述第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素,
其中,所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层,并且
其中,所述器件被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变所述器件中所述导电层和所述电极之间的导通状态。
9.一种利用后端制程制造器件的方法,其特征在于,包括:
提供衬底,所述衬底包括导电层和绝缘层,所述绝缘层具有开口,所述开口具有侧壁并露出所述导电层的至少一部分;
形成第一导电缓冲层,所述第一导电缓冲层覆盖所述开口的侧壁和所述导电层的所露出的部分;
在所述第一导电缓冲层上形成第一材料层(113)和在所述第一材料层上的第二材料层(115);以及
在所述第二材料层之上形成电极,所述第二材料层在所述第一材料层和所述电极之间,
其中,所述第一材料层和所述第二材料层各自由金属氧化物形成,并且包含相同的金属元素,
其中,所述第一材料层和所述第二材料层中的一个是氧缺乏层,而另一个是富氧层,并且
其中,所述器件被配置为能够通过在所述导电层和所述电极之间施加预定的电压差而改变所述器件中所述导电层和所述电极之间的导通状态。
10.一种操作如权利要求1-7中任一项所述的器件的方法,其特征在于,包括:
在所述导电层和所述电极之间提供第一极性的第一脉冲,以将器件置于高阻抗状态。
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