CN109119533A - Rram器件及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例涉及具有电极的RRAM器件以及相关的形成方法，其中，该电极具有氧阻挡结构，其中，氧阻挡结构配置为通过减轻氧移动并且由此将氧保持在介电数据存储层附近来提高RRAM的可靠性。在一些实施例中，该RRAM器件具有设置在由ILD层围绕的下部互连层上方的底部电极。具有可变电阻的介电数据存储层位于底部电极之上，并且在介电数据存储层上方设置多层顶部电极。多层顶部电极具有通过氧阻挡结构分隔的导电顶部电极层，其中，氧阻挡结构配置为减轻氧在多层顶部电极内的移动。通过在顶部电极内包括氧阻挡结构，由于使氧保持靠近电介电数据存储层，所以提高了RRAM器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明的实施例总体涉及半导体领域，更具体地，涉及RRAM器件及其形成方法。
背景技术
许多现代电子器件包含配置为存储数据的电存储器。电存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器。易失性存储器在通电时存储数据，而非易失性存储器能够在断开电源时存储数据。电阻式随机存取存储器(RRAM)由于其简单的结构和与CMOS逻辑制造工艺的兼容性，成为下一代非易失性存储器技术的颇具前景的候选者。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电阻式随机存取存储(RRAM)器件，包括：底部电极，设置在由下部层间介电(ILD)层围绕的下部互连层上方；介电数据存储层，具有可变电阻且布置在所述底部电极上方；多层顶部电极，设置在所述介电数据存储层上方，其中，所述多层顶部电极包括通过氧阻挡结构分隔的导电顶部电极层，其中，所述氧阻挡结构配置为减轻氧在所述多层顶部电极内的移动。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电阻式随机存取存储(RRAM)器件，包括：底部电极，设置在由下部层间介电(ILD)层围绕的下部互连层上方；介电数据存储层，具有可变电阻且布置在所述底部电极上方；下顶部电极层，布置在所述介电数据存储层上方并且包括金属；氧阻挡结构，布置在所述下顶部电极层上方并且包括金属氧化物层和金属氮氧化物层中的一种或多种；以及上顶部电极层，布置在所述氧阻挡结构上方并且包括金属氮化物。
根据本发明的又一个方面，提供了一种形成电阻式随机存取存储(RRAM)器件的方法，包括：在下部互连层上方形成一个或多个底部电极膜，其中，所述下部互连层包含在下部层间介电(ILD)层内；在所述一个或多个底部电极膜之上形成具有可变电阻的介电数据存储膜；在所述介电数据存储膜上方形成包括金属的下顶部电极膜；在所述下顶部电极膜上方形成一个或多个氧阻挡膜，其中，所述一个或多个氧阻挡膜包括金属氧化物膜和金属氮氧化物膜中的一种或多种；以及在所述一个或多个氧阻挡膜上方形成包括金属氮化物的上顶部电极膜。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。
图1示出具有配置为提高可靠性的氧阻挡结构的电阻式随机存取存储(RRAM)器件的一些实施例的截面图。
图2示出具有包括氧阻挡结构的多层顶部电极的RRAM器件的一些实施例的截面图。
图3A至图3B示出具有包括氧阻挡结构的多层顶部电极的RRAM器件的一些实施例的截面图。
图4示出具有包括氧阻挡结构的多层顶部电极的RRAM器件的一些额外的实施例的截面图。
图5示出具有包括氧阻挡结构的多层顶部电极的集成芯片的一些实施例的截面图。
图6至图15示出形成RRAM器件的方法的截面图的一些实施例，其中，RRAM器件具有包括氧阻挡结构的多层顶部电极。
图16示出形成具有包括氧阻挡结构的多层顶部电极的RRAM器件的方法的一些可选实施例的流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
RRAM器件具有底部电极，其中，该底部电极通过具有可变电阻的介电数据存储层与上面的顶部电极的分隔。RRAM器件配置为基于介电数据存储层的电阻状态存储数据。例如，介电数据存储层可以具有与第一数据状态(例如，a‘0’)相关联的高电阻状态或与第二数据状态(例如，a‘1’)相关联的低电阻状态。
在RRAM器件的工作期间，将偏置电压施加至底部电极和顶部电极以可逆地改变介电数据存储层的电阻状态。偏置电压通过控制氧在电极和介电数据存储层之间的移动以形成或断开延伸穿过介电数据存储层的导电细丝来改变介电数据存储层的电阻状态。例如，第一组偏置电压可以促使导电路径/导电细丝(例如，氧空位链)遍布介电数据存储层形成以实现低电阻状态，而第二组偏置电压可以使介电数据存储层内的导电路径/导电细丝断裂以实现高电阻状态。
应当意识到，当形成导电细丝以实现低电阻状态时，偏置电压可以使来自介电数据存储层的氧移动至顶部电极内和/或上面的层内的深处。但是，如果氧远离介电数据存储层移动，则难以将氧拉回至介电数据存储层以后续断开导电细丝。随着RRAM器件在许多周期内运行，移动至顶部电极和/或上面层内的深处的氧量增加，最终导致RRAM故障。
本发明涉及具有电极的电阻式随机存取存储(RRAM)器件以及相关的形成方法，其中，该电极包括配置为通过将氧保持在介电数据存储层附近来提高RRAM可靠性的氧阻挡结构。在一些实施例中，该RRAM器件包括设置在由下部层间介电(ILD)层围绕的下部互连层上方的底部电极。具有可变电阻的介电数据存储层位于底部电极上方，并且在介电数据存储层上方设置多层顶部电极。多层顶部电极包括由氧阻挡结构分隔的导电顶部电极层，其中，氧阻挡结构配置为减轻氧在多层顶部电极内的移动。通过减轻氧在多层顶部电极内的移动，可以使氧保持靠近介电数据存储层，因此可以提高RRAM器件的可靠性。
图1示出包括电阻式随机存取存储(RRAM)器件的集成芯片100的一些实施例的截面图，其中，该电阻式随机存取存储(RRAM)器件具有配置为提高可靠性的氧阻挡结构。
集成芯片100包括由布置在衬底102上方的层间介电(ILD)结构104围绕的RRAM器件101。RRAM器件101包括底部电极108、介电数据存储层110和多层顶部电极112。底部电极108通过一个或多个下部互连层106(例如，金属通孔和/或金属线)与衬底102分隔。在底部电极108上方布置介电数据存储层110，并且在介电数据存储层110和上部互连层120(例如金属通孔和/或金属线)之间设置多层顶部电极112。
介电数据存储层110配置为通过在与第一数据状态(例如，a‘0’)相关联的高电阻状态和与第二数据状态(例如，a‘1’)相关联的低电阻状态之间经历可逆变化来存储数据状态。例如，为了在介电数据存储层110内实现低电阻状态，可以将第一组偏置条件施加至底部电极108和多层顶部电极112。第一组偏置条件将氧从介电数据存储层110驱至多层顶部电极112，由此遍布介电数据存储层110形成氧空位的导电细丝。可选地，为了实现介电数据存储层110内的低电阻状态，可以将第二组偏置条件施加至底部电极108和多层顶部电极112。第二组偏置条件通过将氧从多层顶部电极112驱至介电数据存储层110而使导电细丝断裂。
多层顶部电极112包括通过包括一个或多个氧阻挡层的氧阻挡结构分隔的导电顶部电极层。氧阻挡结构配置为通过减轻氧(例如氧离子)的移动并由此将大浓度的氧(例如氧离子)保持在介电材料数据存储层110附近来提高RRAM器件101的可靠性。通过将大浓度的氧保持在介电数据存储层110附近，可以容易地将氧拉回至介电数据存储层110以实现高电阻状态。
例如，在一些实施例中，多层顶部电极112可以包括下顶部电极层114、氧阻挡结构116和上顶部电极层118。下顶部电极层114通过氧阻挡结构116与上顶部电极层118分隔，氧阻挡结构116配置为减轻氧从下顶部电极层114至上顶部电极层118的移动。通过使用氧阻挡结构116来减轻氧从下顶部电极层114至上顶部电极层118的移动，从而从介电数据存储层110中驱出的氧(例如，当将低电阻状态写入RAM器件101时)保持靠近介电数据存储层110。这允许氧更容易地返回至介电数据存储层110(例如，当将高电阻状态写入RRAM器件101时)，由此提高数据状态之间切换的可靠性。
图2示出包括RRAM器件的集成芯片200的一些实施例的截面图，其中，RRAM器件具有顶部电极，而顶部电极包括配置为提高可靠性的氧阻挡结构。
集成芯片200包括布置在下部互连层202上方的RRAM器件201。下部层间介电(ILD)层204围绕下部互连层202。在一些实施例中，下部互连层202可以包括多个互连层(例如，金属线、通孔等)中设置在RRAM器件201与下面的衬底102之间的一个。例如，下部互连层202可以包括诸如铜、铝和/或钨的导电金属。下部介电层210位于下部互连层202的相对两侧上方。下部介电层210限定腔211，该腔211穿过下部介电层210延伸至下部互连层202。
RRAM器件201包括底部电极108，具有可变电阻的介电数据存储层212以及多层顶部电极112。底部电极108布置在腔211内并且位于下部介电层210上方。在一些实施例中，底部电极108可以包括第一底部电极层206和第二底部电极层208。第一底部电极层206包括具有延伸穿过腔211以接触下部互连层202的突起的非平坦下表面。在一些实施例中，第一底部电极层206可以包括扩散阻挡层。在第一底部电极层206上方布置第二底部电极层208。在一些实施例中，第一底部电极层206可以包括氮化钽(TaN)，而第二底部电极层208可以包括氮化钛(TiN)。
介电数据存储层212位于底部电极108上方。在一些实施例中，介电数据存储层212可以直接接触底部电极108。介电数据存储层212包括具有可变电阻的高k介电材料。在各个实施例中，介电数据存储层212可以包括氧化铪(HfOx)、氧化镍(NiOX)、氧化钽(TayOX)、氧化钛(TiOX)、氧化钨(WOX)、氧化锆(ZrOX)和/或其他类似材料的单膜或复合膜。
多层顶部电极112位于介电数据存储层212上方。多层顶部电极112包括下顶部电极层114、布置在下顶部电极层114上方的氧阻挡结构116以及布置在氧阻挡结构116上方的上顶部电极层118。氧阻挡结构116配置为在RRAM器件201的工作期间减轻氧(例如，氧离子)移动穿过多层顶部电极112。例如，氧阻挡结构116可以为下顶部电极层114提供比上顶部电极层118更大的氧浓度。在一些实施例中，氧阻挡结构116可导致在多层顶部电极112内形成氧浓度渐变分布，其中，该氧浓度渐变分布从下顶部电极层114的底部减少(例如，单调减少)至上顶部电极层118。在一些实施例中，氧阻挡结构116在与下顶部电极层114的上表面接触的下表面和与上顶部电极层118的底面接触的上表面之间连续地延伸。
在一些实施例中，下顶部电极层114可以包括诸如钛(Ti)或钽(Ta)的金属。氧阻挡结构116包括一个或多个金属氧化物和/或金属氮氧化物层。在一些实施例中，金属氧化物和/或金属氮氧化物层可以包括氧化钛(TiO)、氧化钽(TaO)、氧化锆(ZrO)、氧化铪(HfO)、氮氧化钛(TiON)、氮氧化钽(TaON)和氧化铟锡(ITO)中的一种或多种。上顶部电极层118包括诸如氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN)的金属氮化物。
在一些实施例中，下顶部电极层114和氧阻挡结构116可以包括相同的金属。例如，在一些实施例中，下顶部电极层114可以包括钛，并且氧阻挡结构116可以包括氧化钛或氮氧化钛。在其他实施例中，下顶部电极层114和氧阻挡结构116可以包括不同的金属。例如，在一些实施例中，下顶部电极层114可以包括钛，并且氧阻挡结构116可以包括氧化铪。在各个实施例中，上顶部电极层118可以包括与下顶部电极层114相同的金属或与下顶部电极层114不同的金属。
可以在多层顶部电极112上方设置掩蔽层214。在一些实施例中，掩蔽层214可以包括氮氧化硅(SiON)硬掩模层、二氧化硅(SiO2)硬掩模层或PE-SiN硬掩模。在一些实施例中，在多层顶部电极112和掩蔽层214的相对两侧上设置侧壁间隔件216。在围绕设置在多层顶部电极112上的上部互连层221的位置处的掩蔽层214上方设置上部ILD层220。上部互连层221包括上部金属通孔222，其中，上部金属通孔222从多层顶部电极112延伸穿过掩蔽层214至上部金属线224。
在一些实施例中，在RRAM器件201上方设置上部介电层218。上部介电层218从与掩蔽层214的顶面邻接的第一位置处连续地延伸至与下部介电层210的上表面邻接的第二位置处。上部介电层218将RRAM器件201与上部ILD层220分隔。在一些实施例中，例如，上部介电层218可以包括氮化硅或氧化硅。
图3A至图3B示出包括RRAM器件的集成芯片的一些实施例，其中，该RRAM器件具有顶部电极，并且顶部电极包括配置为减轻氧移动的氧阻挡结构。
如图3A的截面图300所示，当RRAM器件201处于低电阻状态时，导电细丝302延伸穿过介电数据存储层212并且氧离子304(例如，O2-离子)存在于下顶部电极层中。在下顶部电极层114内，氧离子304可以自由移动(例如，随着自由电子的移动)。然而，由于氧阻挡结构116是绝缘体，所以氧离子304不能在氧阻挡结构116内自由移动。因此，在形成导电细丝302期间，氧阻挡结构116减轻了氧离子304从介电数据存储层212的移动离开，以在下顶部电极层114内保持比在氧阻挡结构116内更高的氧离子304浓度。
图3B示出曲线图306，其示出根据多层顶部电极上方的位置(x轴)的氧离子浓度(y轴)。如曲线图306所示，下顶部电极层内的氧离子浓度大于上顶部电极层118内的氧离子浓度。这是因为氧离子(图3A的304)被氧阻挡结构116阻止移动进入到上顶部电极层118中。
图4示出包括RRAM器件的集成芯片400的一些额外的实施例的截面图，其中，该RRAM器件具有顶部电极，并且该顶部电极包括配置为减轻氧移动的氧阻挡结构。
集成芯片400包括具有多层顶部电极112的RRAM器件401。多层顶部电极112包括下顶部电极层114、氧阻挡结构404和上顶部电极层118。氧阻挡结构404包括布置在下顶部电极层114上方的多个氧阻挡层404a至404c。多个氧阻挡层404a至404c包括金属氧化物和/或金属氮氧化物。在一些实施例中，多个氧阻挡层404a至404c可以包括两种或多种不同的金属氧化物和/或金属氮氧化物。例如，第一氧阻挡层404a可以包括氮化钛，第二氧阻挡层404b可以包括氮氧化铪等。在一些实施例中，第一氧阻挡层404a可以包括直接接触下顶部电极层114的自然氧化物层(例如，直接布置在包括钛的下顶部电极层114上的氧化钛层)。
在一些实施例中，覆盖层402可以设置在介电数据存储层212和氧阻挡结构404之间。覆盖层402配置为存储氧，其易于介电数据存储层212内的电阻改变。在一些实施例中，覆盖层402可包括金属或氧浓度相对较低的金属氧化物。例如，在一些实施例中，覆盖层402可以包括诸如钛(Ti)、铪(Hf)、铂(Pt)和/或铝(Al)的金属。在其他实施例中，覆盖层402可以包括诸如氧化钛(TiO)、氧化铪(HfO)、氧化锆(ZrO)、氧化锗(GeO)、氧化铯(CeO)的金属氧化物。
图5示出包括RRAM器件的集成芯片500的一些实施例的截面图，该RRAM器件具有顶部电极，并且该顶部电极包括配置为阻止氧移动的氧阻挡结构。
集成芯片500包括设置在半导体衬底502内的阱区504。在阱区504内布置晶体管503。晶体管503包括通过沟道区505与漏极区506d分隔的源极区506s。在沟道区505上方布置栅极结构508。栅极结构508包括通过栅极介电层510与沟道区505分隔的栅电极512。在一些实施例中，可以在半导体衬底502内的各隔离区514(如，浅沟槽隔离区)之间布置晶体管503。
在半导体衬底502上方布置第一ILD结构518。在一些实施例中，第一ILD结构518可以包括氧化物、低k电介质和超低k电介质的一层或多层。通过第一ILD结构518围绕包括接触件516a、金属引线层516b和金属通孔层516c的多个互连层。在一些实施例中，多个接触件516a、金属引线层516b和金属通孔层516c可以包括铜、钨和/或铝。金属引线层516b包括源极线SL，其中，该源极线SL包括电连接至源极区506s的第一互连引线。在一些实施例中，源极线SL可以布置在第二金属引线层中，该第二金属引线层通过接触件、第一金属引线层和第一金属通孔层连接至源极区域506s。金属引线层516b还包括字线WL，其中，字线WL包括电连接至栅电极512的第二互连引线。在一些实施例中，字线WL可以布置在第一金属引线层中，其中，该第一金属引线层通过接触件的方式连接至栅电极512。
在第一ILD结构518上方布置RRAM器件520。RRAM器件520包括通过下部介电层210与第一ILD结构518垂直分隔的底部电极108。底部电极108通过多个互连层直接连接至漏极区506d。RRAM器件520还包括位于底部电极108上方的介电数据存储层212以及设置在介电数据存储层212上方的多层顶部电极112。多层顶部电极112包括下顶部电极层114、氧阻挡结构116和上顶部电极层118。在一些实施例中，可以在多层顶部电极112上布置掩蔽层214。上部介电层218从与掩蔽层214的顶部邻接的位置连续延伸至与下部介电层210的上表面邻接的位置。上部介电层218将RRAM器件520与围绕上部金属通孔222和上部金属引线224的第二ILD层220分隔。
图6至图15示出形成RRAM器件的方法的截面图的一些实施例，其中，该RRAM器件具有配置为减轻氧移动的氧阻挡结构。虽然关于方法描述了图6至图15，但是应该理解，图6至图15中公开的结构不限于这种方法，并且可以作为独立于该方法的结构而单独存在。
如图6的截面图600所示，在位于衬底102上方的下部层间介电(ILD)层204内形成下部互连层202。衬底102可以是诸如半导体晶圆和/或晶圆上的一个或多个管芯的任何类型的半导体主体(例如，硅、SiGe、SOI等)，以及与其相关的任何其他类型的半导体和/或外延层。在一些实施例中，可以通过选择性蚀刻下部ILD层204(例如，氧化物、低k电介质或超低k电介质)以在下部ILD层204内限定开口，从而形成下部互连层202。然后沉积金属(例如铜，铝等)以填充开口，并且实施平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)以去除多余的金属。
在下部互连层202和下部ILD层204上形成下部介电层602。在一些实施例中，下部介电层602可以包括氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)或类似的复合介电膜。在一些实施例中，可通过沉积技术(例如，物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、PE-CVD、原子层沉积(ALD)、溅射等)将下部介电层602形成为在约200埃和约300埃之间的厚度范围内。
如图7的截面图700所示，在下部介电层(图6的602)上方形成第一掩蔽层702。然后将未被第一掩蔽层702覆盖的区域中的下部介电层(图6的602)选择性地暴露于蚀刻剂704(例如，干蚀刻剂)。蚀刻剂704限定下部介电层210中的开口706，其中，开口706穿过下部介电层210延伸至下部互连层202。
如图8的截面图800所示，在下部互连层202和下部介电层210上方形成底部电极结构801。在一些实施例中，通过形成第一底部电极膜802以及在第一底部电极膜802上方形成第二底部电极膜804来形成底部电极结构801。
第一底部电极膜802从开口706内延伸至位于下部介电层210上方的位置处。在一些实施例中，例如，第一底部电极膜802可以包括氮化钽(TaN)或氮化钛(TiN)。随后可以实施平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)。在一些实施例中，平坦化工艺导致第一底部电极膜802在下部介电层210上方具有约100埃和约300埃之间的范围内的厚度。在第一底部电极膜802上方形成第二底部电极膜804。在一些实施例中，第二底部电极膜804可以包括钽(Ta)或钛(Ti)。在一些实施例中，第二底部电极膜804可以形成为具有在约100埃和约200埃之间的范围内的厚度。
如图9的截面图900所示，在底部电极结构801上方形成介电数据存储膜902。在一些实施例中，介电数据存储膜902可以包括具有可变电阻的高k介电材料。例如，在一些实施例中，介电数据存储膜902可以包括氧化铪(HfOX)、氧化锆(ZrOX)、氧化铝(AlOX)、氧化镍(NiOX)、氧化钽(TaOX)或氧化钛(TiOX)。在一些实施例中，介电数据存储膜902可以形成为在约25埃和约75埃之间的范围内的厚度。
如图10A的截面图1000所示，在介电数据存储膜902上方形成下顶部电极膜1002。在一些实施例中，下顶部电极膜1002可以包括诸如钛(Ti)或钽(Ta)的金属。在一些实施例中，可以通过沉积技术(例如PVD、CVD、PE-CVD、溅射、ALD等)的方式形成下顶部电极膜1002。下顶部电极膜1002具有第一厚度t1。在一些实施例中，第一厚度t1可以在约50埃和约150埃之间的范围内。
如图10B的截面图1004所示，在下顶部电极膜1002上形成一个或多个氧阻挡膜1006。在各个实施例中，一个或多个氧阻挡膜1006可以包括金属氧化物和/或金属氮氧化物膜。例如，在各个实施例中，一个或多个氧阻挡膜1006可以包括氧化钛(TiO)、氧化钽(TaO)、氧化锆(ZrO)、氧化铪(HfO)、氮氧化钛(TiON)、氮氧化钽(TaON)和氧化铟锡(ITO)。
在一些实施例中，一个或多个氧阻挡膜1006可以包括与下顶部电极膜1002相同的金属。例如，在一些实施例中，下顶部电极膜1002可以包括钛，并且一个或多个氧阻挡膜1006可以包括氧化钛或氮氧化钛。在其他实施例中，一个或多个氧阻挡膜1006可以包括与下顶部电极膜1002不同的金属。在一些实施例中，一个或多个氧阻挡膜1006可具有在约5埃和约150埃之间的范围内的累积厚度。在其他实施例中，一个或多个氧阻挡膜1006可具有在约50埃和约150埃之间的范围内的累积厚度。具有大于5埃的累积厚度允许一个或多个氧阻挡膜1006减轻氧从介电数据存储膜902移动离开。而且，具有小于150埃的累积厚度允许在存储器件的工作期间将氧保持在介电数据存储膜902附近。
在形成一个或多个氧阻挡膜1006之后，在一个或多个氧阻挡膜1006上形成上顶部电极膜1008。在各个实施例中，上顶部电极膜1008可以包括金属氮化物(例如，氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN))或金属(例如钛(Ti)或钽(Ta))。在一些实施例中，可以通过沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、溅射、ALD等)将上顶部电极膜1008沉积至大于下顶部电极膜1002的厚度的厚度。
在一些实施例中，可以通过沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、溅射、ALD等)形成一个或多个氧阻挡膜1006。在这种实施例中，一个或多个氧阻挡膜1006的形成不会基本减小下顶部电极膜1002的厚度(即，第二厚度t2具有5nm内的厚度或小于第一厚度t1的厚度)。在一些实施例中，可以原位沉积(例如，不破坏处理室中的真空)下顶部电极膜1002和一个或多个氧阻挡膜1006。在这种实施例中，第一厚度t1等于第二厚度t2。在其他实施例中，可以非原位形成下顶部电极膜1002和一个或多个氧阻挡膜1006。在一些这种实施例中，一个或多个氧阻挡膜1006的最底部膜可以包括形成在下顶部电极膜1002上的自然氧化物和位于自然氧化物上方的额外的氧阻挡膜。在各个实施例中，额外的氧阻挡膜可以包括与天然氧化物相同或不同的金属。
在其他实施例中，可以通过等离子体氧化工艺和/或等离子体氮化工艺的方式来形成一个或多个氧阻挡膜1006。等离子体氧化工艺可以用于通过将下顶部电极膜1002暴露于氧等离子体来形成包括金属氧化物的氧阻挡膜，其中，通过从氧分子(例如O2气体)激发(ignite)等离子体来形成氧等离子体。等离子体氮化工艺可以用于通过将下顶部电极膜1002上的金属氧化物膜暴露于氮等离子体来形成包括金属氮氧化物的氧阻挡膜，其中，通过从氮分子(例如，N2气体)激发等离子体来形成氮等离子体。在一些实施例中，可以使用包括RF电源和RF天线的等离子体生成组件来形成氧和/或氮等离子体。RF电源配置为生成以设定频率(例如，13.56MHz)工作的RF信号，该RF信号将来自RF电源的能量经由RF天线传输至处理室内的气体。当足够的功率输送至气体时，激发等离子体。
通过等离子体氧化工艺和/或等离子体氮化工艺形成一个或多个氧阻挡膜1006消耗了下顶部电极膜1002的部分，从而将下顶部电极膜1002的厚度从第一厚度t1减小至比第一厚度t1更小的第二厚度t2。所得到的一个或多个氧阻挡膜1006包括沿着一个或多个氧阻挡膜1006中的最低一个和下顶部电极膜1002之间的界面的与下顶部电极膜1002相同的金属(例如，Ti或Ta)。
如图11的截面图1100所示，实施第一图案化工艺以限定多层顶部电极112。在一些实施例中，第一图案化工艺包括在上顶部电极膜(图10A的1008)上方形成掩蔽层1104。在各个实施例中，掩蔽层1104可以包括氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)或类似材料。然后将衬底暴露于第一蚀刻剂1102，第一蚀刻剂1102配置为通过选择性地去除上顶部电极膜(图10A的1008)、一个或多个氧阻挡膜(图10A的1006)和下顶部电极膜(图10A的1002)的未掩蔽部分来限定多层顶部电极112。在一些实施例中，第一蚀刻剂1102可以包括干蚀刻剂。
在一些实施例中，第一图案化工艺可以减小掩蔽层1104的厚度。例如，在一些实施例中，第一图案化工艺可以将掩蔽层的厚度减小约70％和约85％(例如，从约550埃至约100埃)的范围。
如图12的截面图1200所示，可以在多层顶部电极112的相对两侧上形成侧壁间隔件216。在一些实施例中，可以通过在介电数据存储膜902、多层顶部电极112和掩蔽层1104上沉积间隔件层来形成侧壁间隔件216。在一些实施例中，可通过沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD、溅射等)将间隔件层沉积至约400埃和约600埃之间的范围内的厚度。随后蚀刻间隔件层以从水平表面处去除间隔件层，将沿着多层顶部电极112的相对两侧的间隔件层作为侧壁间隔件216。在各个实施例中，间隔件层可以包括氮化硅、二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(例如SiON)或类似材料。
如图13的截面图1300所示，实施第二图案化工艺以限定介电数据存储层212和底部电极108。在一些实施例中，根据包括掩蔽层1104和侧壁间隔件216的掩模，第二图案化工艺选择性地将介电数据存储膜(图12的902)、第一底部电极膜(图12的802)和第二底部电极膜(图12的804)暴露于第二蚀刻剂1302。第二蚀刻剂1302配置为通过去除介电数据存储膜(图12的902)、第一底部电极膜(图12的802)和第二底部电极膜(图12的804)的未掩蔽部分来限定底部电极108和介电数据存储层212。在一些实施例中，第二蚀刻剂1302可以包括干蚀刻剂。
在一些实施例中，第二图案化工艺可以减小下部介电层210的未掩蔽区的厚度。例如，在一些实施例中，第二图案化工艺可以将下部介电层210的未掩蔽区的厚度减小约20％和约35％之间(例如，从约270埃至约220埃)的范围。减小下部介电层210的未掩蔽区的厚度导致下部介电层210在底部电极108下面具有比在底部电极108外部更大的厚度。
如图14的截面图1400所示，在衬底上方形成上部介电层1402。随后在上部介电层1402上方形成上部层间介电(ILD)层1404。上部介电层1402具有与底部电极108、介电数据存储层212、多层顶部电极112和掩模层1104邻接的第一侧以及与上部ILD层1404邻接的第二侧。
如图15的截面图1500所示，在与多层顶部电极112邻接的位置处形成上部互连层221。在一些实施例中，上部互连层221包括上部金属通孔222和上部金属引线224。在一些实施例中，可通过蚀刻上部ILD层220形成穿过上部介电层1402和掩蔽层214延伸至多层顶部电极112的开口来形成上部互连层221。然后用金属(例如铜和/或铝)填充开口以形成从多层顶部电极112的顶面延伸至上部金属引线224的上部金属通孔222。
图16示出形成RRAM器件的方法1600的一些实施例的流程图，该RRAM器件具有配置为减轻氧移动的氧阻挡结构。
虽然方法1600在下文中示出和描述为一系列的步骤或事件，但是将理解，这些步骤或事件的示出的顺序不应解释为限制意义。例如，一些步骤可以以不同的顺序发生和/或与除了本文描述和示出之外的其他步骤或事件同时发生。另外，并不要求所有示出的步骤都用来实施本文所描述的一个或多个方面或实施例。此外，可在一个或多个独立的步骤和/或阶段中执行本文所述步骤的一个或多个。
在步骤1602处，在由设置在半导体衬底上方的下部层间介电(ILD)层围绕的下部互连层上方形成下部介电层。图6示出对应于步骤1602的截面图600的一些实施例。
在步骤1604处，选择性地蚀刻下部介电层以限定延伸穿过下部介电层以暴露下部互连层的开口。图7示出对应于步骤1604的截面图700的一些实施例。
在步骤1606处，在下部互连层和下部介电层上方形成底部电极结构。图8示出对应于步骤1606的截面图800的一些实施例。
在步骤1608处，在底部电极结构上方形成介电数据存储膜。图9示出对应于步骤1608的截面图900的一些实施例。
在步骤1610处，在介电数据存储膜上方形成具有一个或多个氧阻挡膜的多层顶部电极结构。一个或多个氧阻挡膜配置为减轻氧(例如氧离子)的移动。图10A至图10B示出对应于步骤1610的截面图的一些实施例。
在一些实施例中，可以根据步骤1612至1616形成多层顶部电极结构。在步骤1612处，在介电数据存储膜上方形成下顶部电极膜。在步骤1614处，在下顶部电极膜上方形成一个或多个氧阻挡膜。在步骤1616处，在一个或多个氧阻挡膜上方形成上顶部电极膜。
在步骤1618处，使用第一图案化工艺选择性地图案化多层顶部电极结构以限定多层顶部电极。图11示出对应于步骤1618的截面图1100的一些实施例。
在步骤1620处，在介电数据存储膜上方并且在多层顶部电极的相对两侧上形成侧壁间隔件。图12示出对应于步骤1620的截面图1200的一些实施例。
在步骤1622处，使用第二图案化工艺选择性地图案化介电数据存储膜和底部电极结构以限定介电数据存储层和底部电极。图13示出对应于步骤1622的截面图1300的一些实施例。
在步骤1624处，在下部ILD层上方形成上部层间介电(ILD)层。图14示出对应于步骤1626的截面图1400的一些实施例。
在步骤1626处，在多层顶部电极上形成上部互连层。图15示出对应于步骤1626的截面图1500的一些实施例。
因此，本发明涉及具有电极的电阻式随机存取存储(RRAM)器件以及相关的形成方法，其中，该电极包括配置成通过减轻氧移动并因此将氧保持在介电数据存储层附近来提高RRAM可靠性的氧阻挡结构。
在一些实施例中，本发明涉及一种电阻式随机存取存储(RRAM)器件。RRAM器件包括设置在由下部层间介电(ILD)层围绕的下部互连层上方的底部电极。在底部电极上方布置具有可变电阻的介电数据存储层，并且在介电数据存储层上方设置多层顶部电极。多层顶部电极包括由氧阻挡结构分隔的导电顶部电极层，其中，氧阻挡结构配置为减轻氧在多层顶部电极内的移动。
在一些实施例中，所述氧阻挡结构包括金属氧化物层和金属氮氧化物层中的一个或多个。
在一些实施例中，所述多层顶电极包括：下顶部电极层，布置在所述介电数据存储层上方，其中，所述下顶部电极层将所述介电数据存储层与所述氧阻挡结构分隔；以及上顶部电极层，布置在所述下顶部电极层上方，其中，所述氧阻挡结构具有接触所述下顶部电极层的底面和接触所述上顶部电极层的上表面。
在一些实施例中，所述下顶部电极层包括金属，并且所述上顶部电极层包括金属氮化物。
在一些实施例中，所述金属和所述金属氮化物包括相同的金属。
在一些实施例中，所述金属和所述金属氮化物包括不同的金属。
在一些实施例中，所述下顶部电极层具有比所述上顶部电极层更小的厚度。
在一些实施例中，所述下顶部电极层和所述氧阻挡结构包括相同的金属。
在一些实施例中，所述下顶部电极层和所述氧阻挡结构包括不同的金属。
在一些实施例中，所述下顶部电极层包括钛，所述氧阻挡结构包括氧化钛或氮氧化钛，并且所述上顶部电极层包括氮化钛。
在一些实施例中，所述氧阻挡结构包括两种或多种不同的金属氧化物层或金属氮氧化物层。
在其他实施例中，本发明涉及一种电阻式随机存取存储(RRAM)器件。RRAM器件包括设置在由下部层间介电(ILD)层围绕的下部互连层上方的底部电极。在底部电极上方设置具有可变电阻的介电数据存储层。下顶部电极层布置在介电数据存储层上方并且包括金属。氧阻挡结构布置在下顶部电极层上方并且包括金属氧化物层和金属氮氧化物层中的一个或多个。上顶部电极层布置在氧阻挡结构上方并且包括金属氮化物。
在一些实施例中，所述氧阻挡结构具有接触所述下顶部电极层的底面和接触所述上顶部电极层的上表面。
在一些实施例中，所述氧阻挡结构包括两种或多种不同的金属氧化物层或金属氮氧化物层。
在一些实施例中，所述金属和所述金属氮化物包括相同的金属。
在一些实施例中，所述金属和所述金属氮化物包括不同的金属。
在一些实施例中，所述下顶部电极层包括钽，所述氧阻挡结构包括氧化钽或氮氧化钽，并且所述上顶部电极层包括氮化钽。
在另外的其他实施例中，本发明涉及一种形成电阻式随机存取存储(RRAM)器件的方法。该方法包括在下部互连层上方形成一个或多个底部电极薄膜，其中，下部互连层包括在下部层间介电(ILD)层内。该方法还包括在一个或多个底部电极膜之上形成具有可变电阻的介电数据存储膜。该方法还包括在介电数据存储膜上方形成包括金属的下顶部电极膜，在下顶部电极膜上方形成一个或多个氧阻挡膜，以及在一个或多个氧阻挡膜上方形成包括金属氮化物的上顶部电极膜。一个或多个氧阻挡膜包括金属氧化物膜和金属氮氧化物膜中的一种或多种。
在一些实施例中，通过一个或多个沉积工艺形成所述一个或多个氧阻挡膜。
在一些实施例中，通过等离子体氧化工艺或等离子体氮化工艺形成所述一个或多个氧阻挡膜。
以上论述了若干实施例的部件，使得本领域的技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他的处理和结构以用于达到与本发明所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点。例如，尽管本发明将氧阻挡层描述为位于多层顶部电极内，但应当理解，氧阻挡层不限于顶部电极。相反，氧阻挡层也可以或可选地存在于多层底部电极中。
本领域技术人员也应该意识到，这些等效结构并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。
Claims (10)
1.一种电阻式随机存取存储(RRAM)器件，包括：
底部电极，设置在由下部层间介电(ILD)层围绕的下部互连层上方；
介电数据存储层，具有可变电阻且布置在所述底部电极上方；
多层顶部电极，设置在所述介电数据存储层上方，其中，所述多层顶部电极包括通过氧阻挡结构分隔的导电顶部电极层，其中，所述氧阻挡结构配置为减轻氧在所述多层顶部电极内的移动。
2.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器件，其中，所述氧阻挡结构包括金属氧化物层和金属氮氧化物层中的一个或多个。
3.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器件，其中，所述多层顶电极包括：
下顶部电极层，布置在所述介电数据存储层上方，其中，所述下顶部电极层将所述介电数据存储层与所述氧阻挡结构分隔；以及
上顶部电极层，布置在所述下顶部电极层上方，其中，所述氧阻挡结构具有接触所述下顶部电极层的底面和接触所述上顶部电极层的上表面。
4.根据权利要求3所述的电阻式随机存取存储器件，其中，所述下顶部电极层包括金属，并且所述上顶部电极层包括金属氮化物。
5.根据权利要求4所述的电阻式随机存取存储器件，其中，所述金属和所述金属氮化物包括相同的金属。
6.根据权利要求4所述的电阻式随机存取存储器件，其中，所述金属和所述金属氮化物包括不同的金属。
7.根据权利要求3所述的电阻式随机存取存储器件，其中，所述下顶部电极层具有比所述上顶部电极层更小的厚度。
8.一种电阻式随机存取存储(RRAM)器件，包括：
底部电极，设置在由下部层间介电(ILD)层围绕的下部互连层上方；
介电数据存储层，具有可变电阻且布置在所述底部电极上方；
下顶部电极层，布置在所述介电数据存储层上方并且包括金属；
氧阻挡结构，布置在所述下顶部电极层上方并且包括金属氧化物层和金属氮氧化物层中的一种或多种；以及
上顶部电极层，布置在所述氧阻挡结构上方并且包括金属氮化物。
9.根据权利要求8所述的电阻式随机存取存储器件，其中，所述氧阻挡结构具有接触所述下顶部电极层的底面和接触所述上顶部电极层的上表面。
10.一种形成电阻式随机存取存储(RRAM)器件的方法，包括：
在下部互连层上方形成一个或多个底部电极膜，其中，所述下部互连层包含在下部层间介电(ILD)层内；
在所述一个或多个底部电极膜之上形成具有可变电阻的介电数据存储膜；
在所述介电数据存储膜上方形成包括金属的下顶部电极膜；
在所述下顶部电极膜上方形成一个或多个氧阻挡膜，其中，所述一个或多个氧阻挡膜包括金属氧化物膜和金属氮氧化物膜中的一种或多种；以及
在所述一个或多个氧阻挡膜上方形成包括金属氮化物的上顶部电极膜。
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