CN112018237B - 半导体器件和半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件及半导体器件的制造方法，该半导体器件包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底中的底部电极金属层和位于所述半导体衬底上的顶部电极金属层；位于所述底部电极金属层和顶部电极金属层之间的阻变层，所述阻变层具有可变电阻；位于所述底部电极金属层和顶部电极金属层之间的第一抓氧层，所述第一抓氧层位于所述阻变层之上；位于所述底部电极金属层中的第二抓氧层，所述半导体衬底、所述底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐，所述阻变层覆盖所述半导体衬底、所述底部电极金属层和所述第二抓氧层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体器件和半导体器件的制造方法。
背景技术
阻变存储器(RRAM，Resistive Random Access Memory)作为一种新型非挥发性存储器，其具有结构简单、工作速度快、功耗低以及信息保持稳定等优点，是下一代非挥发性存储器的有力竞争者之一。
图1是现有的一种阻变存储器的结构示意图，所述阻变存储器包括由下而上依次层叠设置的底部电极金属层104、阻变层108、抓氧层110、顶部电极金属层106，具有阻变效应的阻变层108在外加电压作用下发生电阻状态(高阻态和低阻态)间的相互转换，形成“0”态和“1”态的二进制信息存储。包括金属氧化物在内的许多材料都有显著的阻变性能，阻变机理以氧空位等缺陷的聚集形成导电细丝为基础，抓氧层抓取金属氧化物阻变材料中的氧原子后，在阻变材料中留下氧空位，氧空位是金属氧化物阻变材料中主要的缺陷。
现有的阻变存储器，其阻变结构是在一次性沉积完所有薄膜后，再经过刻蚀定义出图形而产生的。由于这种阻变结构是平板式的结构，阻变层中导电细丝形成的区域位置无法预测，导电细丝既可能形成在阻变层的两侧区域，也可能形成在阻变层的中间区域，这就降低了阻变存储器阻值的均一性，从而降低阻变存储器的可靠性，阻碍阻变存储器大规模集成和实际应用。
发明内容
本发明的发明人发现上述现有技术中存在问题，并因此针对所述问题中的至少一个问题提出了一种新的技术方案。
本发明一个实施例的目的之一是：提供一种半导体器件的结构，通过在半导体器件的底部电极金属层中形成第二抓氧层，可以使得在形成半导体器件的阻变层过程中，会在阻变层中靠近第二抓氧层的区域产生缺陷，进而在向半导体器件施加形成电压时，导电细丝更集中在该缺陷区域形成，从而提升器件的稳定性和可靠性。
本发明一方面提供了一种半导体器件，包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底中的底部电极金属层和位于所述半导体衬底上的顶部电极金属层；
位于所述底部电极金属层和顶部电极金属层之间的阻变层，所述阻变层具有可变电阻；
位于所述底部电极金属层和顶部电极金属层之间的第一抓氧层，所述第一抓氧层位于所述阻变层之上；
位于所述底部电极金属层中的第二抓氧层，所述半导体衬底、所述底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐，所述阻变层覆盖所述半导体衬底、所述底部电极金属层和所述第二抓氧层。
其中，所述半导体器件还包括：
位于所述阻变层和第一抓氧层之间的阻氧层，所述阻氧层用于防止所述阻变层中的氧原子扩散。
其中，所述第二抓氧层位于所述底部电极金属层的中央区域。
其中，所述底部电极金属层的上表面的横向宽度大于下表面的横向宽度；
所述底部电极金属层和所述第二抓氧层的尺寸满足如下的关系：
F1＝D1-(2*D3)；
H2＝H1*F1/(D1-D2)；
其中，所述F1为第二抓氧层的最大横向宽度，H2为第二抓氧层的深度，H1为底部电极金属层的深度，D1为底部电极金属层的上表面的横向宽度，D2为底部电极金属层的下表面的横向宽度，D3为底部电极金属层的厚度)。
其中，所述第二抓氧层的最大横向宽度小于或等于6纳米。
本发明的另一方面提供了一种半导体器件的制造方法，包括：
在半导体衬底中形成底部电极金属层，其中，所述底部电极金属层中包含第二抓氧层；所述半导体衬底、底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐；
在所述半导体衬底、所述底部电极金属层和所述第二抓氧层的上表面，依次沉积阻变层组成材料、第一抓氧层组成材料、顶部电极金属层组成材料；
图案化所述阻变层组成材料、第一抓氧层组成材料、顶部电极金属层组成材料，形成阻变层、第一抓氧层、顶部电极金属层，其中，所述阻变层具有可变电阻。
其中，所述制造方法还包括：
在所述阻变层之上，沉积阻氧层组成材料；
图案化所述阻氧层组成材料，形成阻氧层，其中，所述阻氧层位于所述阻变层和第一抓氧层之间，所述阻氧层用于防止所述阻变层中的氧原子扩散。
其中，所述在半导体衬底上形成底部电极金属层包括：
在半导体衬底上形成底部电极缺口；所述底部电极缺口的上表面的横向宽度大于下表面的横向宽度；
在所述底部电极缺口处，沉积底部电极金属层组成材料，并在所述底部电极金属层组成材料的中央区域形成第二抓氧层缺口；
在所述第二抓氧层缺口沉积第二抓氧层材料；
采用蚀刻工艺或采用化学机械抛光CMP工艺去除突出的所述底部电极金属层组成材料和所述第二抓氧层材料，形成底部电极金属层和第二抓氧层，使半导体衬底、底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐。
其中，所述底部电极金属层和所述第二抓氧层的尺寸满足如下的关系：
F1＝D1-(2*D3)；
H2＝H1*F1/(D1-D2)；
其中，所述F1为第二抓氧层的最大横向宽度，H2为第二抓氧层的深度，H1为底部电极金属层的深度，D1为底部电极金属层的上表面的横向宽度，D2为底部电极金属层的下表面的横向宽度，D3为底部电极金属层的厚度)。
其中，所述第二抓氧层的最大横向宽度小于或等于6纳米。
与现有技术相比，本发明实施例提供的半导体器件使用了两层抓氧层，第一抓氧层位于半导体器件的阻变层之上，第二抓氧层位于底部电极金属层之中，第二抓氧层在阻变层的特定区域处诱发缺陷的形成，进而在向半导体器件施加形成电压时，导电细丝更集中在该缺陷区域形成，从而提升器件的稳定性和可靠性。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：
图1示出了现有的一种阻变存储器的结构示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的半导体器件的截面图；
图3示出了根据本发明一个实施例的半导体器件的底部电极金属层的截面图；
图4示出了根据本发明一个实施例的半导体器件的制造方法的流程图；
图5示出根据本发明一个实施例的半导体器件的制造方法的其中一个步骤的流程图；
图6示出根据本发明一个实施例的半导体器件的制造过程中一个阶段的结构的横截面图；
图7示出根据本发明一个实施例的半导体器件的制造过程中一个阶段的结构的横截面图；
图8示出根据本发明一个实施例的半导体器件的制造过程中一个阶段的结构的横截面图；
图9示出根据本发明一个实施例的半导体器件的制造过程中一个阶段的结构的横截面图；
图10示出根据本发明一个实施例的半导体器件的导电细丝在阻变层中的形成过程；
图11示出根据本发明一个实施例的底部电极金属层和第二抓氧层的尺寸关系示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：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发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
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。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
图2示出了根据本发明一个实施例的半导体器件的截面图。
参看图2，半导体器件包括：半导体衬底100，所述半导体衬底100可以是由未掺杂的单晶硅、掺有杂质的单晶硅、绝缘体上硅(SOI)等晶圆经过半导体工艺形成具有多个器件功能区的晶圆。位于半导体衬底100中的底部电极金属层104和位于半导体衬底100之上的顶部电极金属层106构成了半导体器件的导电连接层，底部电极金属层104和顶部电极金属层106分别连接至下金属互联层和上金属互联层(图2中未示出)。底部电极金属层104和顶部电极金属层106的组成材料可以是钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN)中的一种或多种。阻变层108设置在底部电极金属层104和顶部电极金属层106之间，并且覆盖底部电极金属层104。阻变层108的侧壁与顶部电极金属层106的侧壁垂直对准。阻变层108的材料为经受高电阻状态和低电阻状态之间的、可逆相变的、具有可变电阻的材料。例如，阻变层108材料可以为过渡金属氧化物，包括氧化铪(HfOx)、氧化铝(AlOx)、氧化钽(TaOx)或诸如氧化铪铝(HfAlO)的其他复合组合的一个或多个。
在一些实施例中，第一抓氧层110可以设置在在底部电极金属层104和顶部电极金属层106之间，第一抓氧层110的侧壁与顶部电极金属层106的侧壁垂直对准。第一抓氧层110具有比阻变层108低的氧浓度，可从阻变层108提取氧原子以促进阻变层108内的电阻变化。在该实施例中，第一抓氧层110的材料可以为钛(Ti)、铪(Hf)、铂(Pt)、钌(Ru)或其他复合金属膜。
在一些实施例中，阻氧层105可以设置在底部电极金属层104和顶部电极金属层106之间，阻氧层105的侧壁也可以与顶部电极金属层106的侧壁垂直对准。在一些实例中，阻氧层105可以由硬掩模材料组成，硬掩模材料包括三氧化二铝(Al2O3)、氧化钛(TiOx)、氮氧化钛(TiON)、氮氧化硅(SiON)、二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiNx)或其他复合介电膜。阻氧层105的作用为阻止阻变层108中的氧原子向第一抓氧层110扩散。
回到图2，半导体器件还包括第二抓氧层210，第二抓氧层210位于底部电极金属层104中，第二抓氧层210的上表面和底部电极金属层104的上表面、以及半导体衬底100的上表面对齐，阻变层108覆盖半导体衬底100、底部电极金属层104和第二抓氧层210。
在一些实施例中，底部电极金属层104贯穿半导体衬底100，底部电极金属层104的下表面与下金属互联层连接，底部电极金属层104的上表面的宽度大于下表面的宽度，较佳地，底部电极金属层104的截面图可以呈倒梯形，当然，本发明实施例对于底部电极金属层104的截面轮廓不做限制，只要满足底部电极金属层104的上表面的宽度大于下表面的宽度即可。图3示出了根据本发明一个实施例的半导体器件的底部电极金属层104的截面图。
在本发明实施例中，可通过改变底部电极金属层104的厚度来控制第二抓氧层210的大小，根据图11所示的底部电极金属层和第二抓氧层的尺寸关系示意图可知：
F1＝D1-(2*D3)；
H2＝H1*F1/(D1-D2)；
其中，F1为第二抓氧层的最大横向宽度，H2为第二抓氧层的深度，H1为底部电极金属层的深度(即半导体衬底的厚度)，D1为底部电极金属层的上表面的横向宽度，D2为底部电极金属层的下表面的横向宽度，D3为底部电极金属层的厚度。
在制备半导体器件时，通常半导体衬底上的底部电极缺口(用于沉积底部电极金属层材料)是固定的，即D1、D2已知，那么，根据上述公式可知，在该缺口中沉积底部电极金属层材料时，可通过控制底部电极金属层的厚度D3来控制第二抓氧层的大小。
在一个实施例中，第二抓氧层210的最大横向宽度(即上表面的横向宽度)小于或等于6纳米。
在一些实施例中，底部电极金属层104的上表面的横向宽度值与第二抓氧层210的最大横向宽度值的比率大于或等于20:3。如图3所示，例如，底部电极金属层104上表面的横向宽度为40纳米，底部电极金属层104下表面的横向宽度为30纳米，第二抓氧层210的最大横向宽度值为6纳米。
需要指出的是，本发明实施例对于第二抓氧层210的大小不做具体限制，只要第二抓氧层210不贯穿底部电极金属层104即可。
第二抓氧层210具有比阻变层108低的氧浓度，可从阻变层108提取氧原子以促进阻变层108内的电阻变化。在各实施例中，第二抓氧层110可以包括钛(Ti)、铪(Hf)、铂(Pt)、钌(Ru)或其他复合金属膜。
参看图10，由于半导体器件包括第一抓氧层110和第二抓氧层210，第一抓氧层110先抓取阻变层108上部的氧原子，阻变层108上部的缺陷随之产生，随着缺陷的聚集会在阻变层108中形成从上往下的导电细丝。第二抓氧层210先抓取阻变层108下部的氧原子，阻变层108下部的缺陷随之产生，随着缺陷的聚集会在阻变层108中形成从下往上的导电细丝。也就是说，在本发明实施例中，会在半导体器件的阻变层108中形成方向相反的导电细丝。第二抓氧层210在阻变层108的特定区域(即阻变层108在垂直方向上对应第二抓氧层210的区域)处诱发缺陷的形成，进而在向半导体器件施加形成电压时，导电细丝更集中在该缺陷区域形成，从而提升器件的稳定性和可靠性。
在一些实施例中，第二抓氧层210位于底部电极金属层104的中间区域(该中间区域是指底部电极金属层104在横向方向的中间区域，如图3所示)，这样在向半导体器件施加形成电压时，导电细丝更集中在阻变层108的中央区域形成。
本发明还提供了一种半导体器件的制造方法，如图4所示，包括：
步骤S21：在半导体衬底中形成底部电极金属层，其中，所述底部电极金属层中包含第二抓氧层；所述半导体衬底、底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐；
步骤S22：在所述半导体衬底、所述底部电极金属层和所述第二抓氧层的上表面，依次沉积阻变层组成材料、第一抓氧层组成材料、顶部电极金属层组成材料；
步骤S23：图案化所述阻变层组成材料、第一抓氧层组成材料、顶部电极金属层组成材料，形成阻变层、第一抓氧层、顶部电极金属层，其中，所述阻变层具有可变电阻。
在一些实施例中，所述制作方法包括：在所述阻变层之上，沉积阻氧层组成材料；图案化所述阻氧层组成材料，形成阻氧层，其中，所述阻氧层位于所述阻变层和第一抓氧层之间，所述阻氧层用于防止所述阻变层中的氧原子扩散。
在一些实施例中，如图5所示，所述步骤S21包括：
步骤S211，在半导体衬底上形成底部电极缺口；所述底部电极缺口的上表面的横向宽度大于下表面的横向宽度；
步骤S212，在所述底部电极缺口处，沉积底部电极金属层组成材料，并在所述底部电极金属层组成材料的中央区域形成第二抓氧层缺口；
步骤S213在所述第二抓氧层缺口沉积第二抓氧层材料；
步骤S214，采用蚀刻工艺或采用化学机械抛光CMP工艺去除突出的所述底部电极金属层组成材料和所述第二抓氧层材料，形成底部电极金属层和第二抓氧层，使半导体衬底、底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐。
下面将参考图6至图9，对图5所示的在半导体衬底上形成底部电极金属层和第二抓氧层的过程进行说明。
如图6所示，提供一个半导体衬底100，并在半导体衬底中形成底部电极缺口，该缺口贯穿半导体衬底100，且该缺口上表面的横向宽度大于下表面的横向宽度。
如图7所示，在所述底部电极缺口处，沉积底部电极金属层组成材料14，由于底部电极金属层组成材料的特性，在沉积底部电极金属层组成材料时，会在中央区域形成一个V字形的缺口。
如图8所示，在所述V字形的缺口处，沉积抓氧层组成材料10。
如图9所示，可采用蚀刻工艺或者采用化学机械抛光CMP工艺将突出的抓氧层组成材料10和底部电极金属层组成材料14去除，形成底部电极金属层104和第二抓氧层210，以使半导体衬底、底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐。
在一个实施例中，底部电极金属层和第二抓氧层的尺寸满足如下的关系：
F1＝D1-(2*D3)；
H2＝H1*F1/(D1-D2)；
其中，所述F1为第二抓氧层的最大横向宽度，H2为第二抓氧层的深度，H1为底部电极金属层的深度，D1为底部电极金属层的上表面的横向宽度，D2为底部电极金属层的下表面的横向宽度，D3为底部电极金属层的厚度。
在制备半导体器件时，通常半导体衬底上的底部电极缺口是固定的，即D1、D2已知，那么，根据上述公式可知，在该底部电极缺口中沉积底部电极金属层材料时，可通过控制底部电极金属层的厚度D3来控制第二抓氧层的大小。
在一个实施例中，第二抓氧层210的最大横向宽度小于或等于6纳米。
在另一个实施例中，底部电极金属层104的上表面的横向宽度与第二抓氧层210的最大横向宽度的比率大于或等于20:3。
通过本发明上述实施例提供的半导体器件，第二抓氧层在阻变层的特定区域处诱发缺陷的形成，进而在向半导体器件施加形成电压时，导电细丝更集中在该缺陷区域形成，从而提升器件的稳定性和可靠性。
前述描述旨在使得任何本领域的技术人员能够实现和使用本公开内容，并且在特定应用及其要求的上下文中提供。此外，仅出于例证和描述的目的，给出本公开的实施例的前述描述。它们并非旨在为详尽的或将本公开限制于所公开的形式。因此，许多修改和变型对于本领域熟练的从业者将显而易见，并且本文所定义的一般性原理可在不脱离本公开的实质和范围的前提下应用于其他实施例和应用。此外，前述实施例的论述并非旨在限制本公开。因此，本公开并非旨在限于所示出的实施例，而是将被赋予与本文所公开的原理和特征一致的最宽范围。
Claims (6)
1.一种半导体器件，其特征在于，包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底中的底部电极金属层和位于所述半导体衬底上的顶部电极金属层；
位于所述底部电极金属层和顶部电极金属层之间的阻变层，所述阻变层具有可变电阻；
位于所述底部电极金属层和顶部电极金属层之间的第一抓氧层，所述第一抓氧层位于所述阻变层之上；
位于所述底部电极金属层中的第二抓氧层，所述半导体衬底、所述底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐，所述阻变层覆盖所述半导体衬底、所述底部电极金属层和所述第二抓氧层；
所述第二抓氧层位于所述底部电极金属层的中央区域；
所述底部电极金属层的上表面的横向宽度大于下表面的横向宽度；
所述底部电极金属层和所述第二抓氧层的尺寸满足如下的关系：
F1＝D1-(2*D3)；
H2＝H1*F1/(D1-D2)；
其中，所述F1为第二抓氧层的最大横向宽度，H2为第二抓氧层的深度，H1为底部电极金属层的深度，D1为底部电极金属层的上表面的横向宽度，D2为底部电极金属层的下表面的横向宽度，D3为底部电极金属层的厚度。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件还包括：
位于所述阻变层和第一抓氧层之间的阻氧层，所述阻氧层用于防止所述阻变层中的氧原子扩散。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于，所述第二抓氧层的最大横向宽度小于或等于6纳米。
4.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括：
在半导体衬底中形成底部电极金属层，其中，所述底部电极金属层中包含第二抓氧层；所述半导体衬底、底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐；
在所述半导体衬底、所述底部电极金属层和所述第二抓氧层的上表面，依次沉积阻变层组成材料、第一抓氧层组成材料、顶部电极金属层组成材料；
图案化所述阻变层组成材料、第一抓氧层组成材料、顶部电极金属层组成材料，形成阻变层、第一抓氧层、顶部电极金属层，其中，所述阻变层具有可变电阻；
所述在半导体衬底上形成底部电极金属层包括：
在半导体衬底上形成底部电极缺口；所述底部电极缺口的上表面的横向宽度大于下表面的横向宽度；
在所述底部电极缺口处，沉积底部电极金属层组成材料，并在所述底部电极金属层组成材料的中央区域形成第二抓氧层缺口；
在所述第二抓氧层缺口沉积第二抓氧层材料；
采用蚀刻工艺或采用化学机械抛光CMP工艺去除突出的所述底部电极金属层组成材料和所述第二抓氧层材料，形成底部电极金属层和第二抓氧层，使半导体衬底、底部电极金属层和第二抓氧层的上表面平齐；
所述底部电极金属层和所述第二抓氧层的尺寸满足如下的关系：
F1＝D1-(2*D3)；
H2＝H1*F1/(D1-D2)；
其中，所述F1为第二抓氧层的最大横向宽度，H2为第二抓氧层的深度，H1为底部电极金属层的深度，D1为底部电极金属层的上表面的横向宽度，D2为底部电极金属层的下表面的横向宽度，D3为底部电极金属层的厚度。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
在所述阻变层之上，沉积阻氧层组成材料；
图案化所述阻氧层组成材料，形成阻氧层，其中，所述阻氧层位于所述阻变层和第一抓氧层之间，所述阻氧层用于防止所述阻变层中的氧原子扩散。
6.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，所述第二抓氧层的最大横向宽度小于或等于6纳米。
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