CN112259682A - 存储器装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种存储器装置及其制造方法，该方法包括：形成第一电极；在第一电极上方形成电阻转态层；在电阻转态层上方形成介电层；在介电层中形成第一开口，其中第一开口穿过介电层且露出电阻转态层；在介电层中形成第一沟槽，其中第一沟槽位于第一开口正上方；以及在第一开口和第一沟槽中形成具有阶梯状的第二电极。
Description
技术领域
本发明是关于一种存储器装置及其制造方法，且特别适用于非易失性存储器，例如导电桥接随机存取存储器(conductive-bridging random access memory，CBRAM)。
背景技术
随着半导体装置尺寸的微缩，制造半导体装置的难度也大幅提升，半导体装置的制造工艺期间可能产生不想要的缺陷，这些缺陷可能会造成装置的效能降低或损坏。因此，必须持续改善半导体装置，以提升成品率并改善制造工艺宽裕度。
发明内容
根据本发明的一些实施例，提供存储器装置的制造方法。此方法包含形成第一电极；在第一电极上方形成电阻转态层(resistive switching layer)；在电阻转态层上方形成介电层(dielectric layer)；在介电层中形成第一开口，其中第一开口穿过介电层且露出(exposes)电阻转态层；在介电层中形成第一沟槽，其中第一沟槽位于第一开口正上方；以及在第一开口和第一沟槽中形成具有阶梯状的第二电极。
根据本发明的一些实施例，提供存储器装置。此存储器装置包含第一电极；电阻转态层，设置于第一电极上方；以及第二电极，设置于电阻转态层上方且具有阶梯状，其中第二电极的底表面小于电阻转态层的顶表面。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1A～图1D是根据一些实施例绘示在制造存储器装置的各个阶段的剖面示意图；
图2A和图2B是根据一些实施例绘示存储器装置的剖面示意图；
图3是根据一些实施例绘示存储器装置的透视示意图；
图4A～图4D是根据一些实施例绘示在制造存储器装置的各个阶段的剖面示意图。
符号说明
100、300、400～存储器装置；112、112A、112B～块体层；
102～第一电极；114～漏极；
104～电阻转态层；116～源极；
106～介电层；118～栅极；
108、108A、108B～开口；120～接触件；
109、109A、109B～沟槽；122～导电丝；
110、110A、110B～阻挡层；400A～存储器单元区；
111、111A、111B～第二电极；400B～周边区。
具体实施方式
图1A～图1D是根据一些实施例绘示在制造存储器装置100的各个阶段的剖面示意图。在一些实施例中，如图1A所示，存储器装置100包含第一电极102。在一些实施例中，第一电极102的材料可以包含铜、银、类似的材料或前述的组合，且第一电极102可以包含单层结构或多层结构。
首先，如图1A所示，在第一电极102上依序形成电阻转态层104及介电层106。在一些实施例中，形成电阻转态层104及介电层106的方式例如包括物理气相沉积制造工艺、化学气相沉积制造工艺、原子层沉积制造工艺、蒸发、类似的制造工艺或前述的组合。在一些实施例中，电阻转态层104的厚度在约1纳米至约100纳米的范围，例如约5纳米至约15纳米。
在一些实施例中，电阻转态层104的材料包含氮化物、氮碳化物、类似的材料或前述的组合。举例来说，电阻转态层104的材料可以包含氮化硅、氮碳化硅、类似的材料或前述的组合。在一些实施例中，介电层106的材料包含氧化物、低介电常数介电材料、类似的材料或前述的组合。举例来说，介电层106的材料可以包含氧化硅、氮氧化硅、磷硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼磷硅酸盐玻璃、未掺杂的硅酸盐玻璃、氟硅酸盐玻璃、类似的材料或前述的组合。
然后，如图1B所示，在介电层106上设置遮罩层(未绘示)，接着使用上述遮罩层作为刻蚀遮罩进行刻蚀制造工艺，以在介电层106形成开口108。根据一些实施例，如图1B所示，开口108穿过介电层106且露出电阻转态层104。举例而言，遮罩层可以包含光刻胶，例如正型光刻胶或负型光刻胶。在一些实施例中，遮罩层可以包含硬遮罩，且可由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅、类似的材料或前述的组合形成。遮罩层可以是单层或多层结构。遮罩层的形成可以包含沉积制造工艺、光刻制造工艺、其他适当的制造工艺或前述的组合。在一些实施例中，沉积制造工艺包含旋转涂布、化学气相沉积、原子层沉积、类似的制造工艺或前述的组合。举例来说，光刻制造工艺可以包含光刻胶涂布、软烘烤、掩膜对准、曝光、曝光后烘烤、显影、清洗、干燥(例如硬烘烤)、其他合适的制造工艺或前述的组合。
在一些实施例中，上述刻蚀制造工艺可以包含干式刻蚀制造工艺、湿法腐蚀制造工艺或前述的组合。举例来说，干式刻蚀制造工艺可以包含反应性离子刻蚀、感应耦合式等离子体刻蚀、中子束刻蚀、电子回旋共振式刻蚀、类似的刻蚀制造工艺或前述的组合。举例来说，湿法腐蚀制造工艺可以使用例如氢氟酸、氢氧化铵或任何合适的刻蚀剂。
然后，如图1C所示，移除介电层106的一部分，形成沟槽109，其中沟槽109位于开口108的正上方。沟槽109的形成方式类似于开口108的形成方式，故不再赘述。根据一些实施例，如图1C所示，且沟槽109的宽度大于开口108的宽度。换言之，开口108及沟槽109共同形成一阶梯状的开口。
值得一提的是，本实施例是先形成开口108后再于其上半部形成沟槽109以形成阶梯状的开口。但本发明不限于此，在另一实施例中，也可先形成沟槽109后再于其中形成开口108以形成阶梯状的开口。
接着，如图1D所示，在开口108和沟槽109中顺应性地形成阻挡层110。在一些实施例中，阻挡层110的形成方式包含物理气相沉积制造工艺、化学气相沉积制造工艺、原子层沉积制造工艺、蒸发、类似的制造工艺或前述的组合。在一些实施例中，阻挡层110的材料包含钽、氮化钽、类似的材料或前述的组合。
然后，在开口108和沟槽109的剩余部分形成块体层112。块体层112的材料可以包含铜、银、类似的材料或前述的组合。在一些实施例中，块体层112的形成方式包含物理气相沉积制造工艺、化学气相沉积制造工艺、原子层沉积制造工艺、蒸发、电镀、类似的制造工艺或前述的组合。
之后，进行一平坦化制造工艺，以形成第二电极111。在一些实施例中，前述平坦化制造工艺包括回刻蚀制造工艺、化学机械抛光制造工艺、类似的制造工艺或前述的组合。如图1D所示，第二电极111包括阻挡层110和块体层112，且阻挡层110位于块体层112与电阻转态层104之间且延伸至块体层112的侧壁。如图所示，第二电极111具有阶梯状侧壁。
相较于通过沉积及刻蚀制造工艺形成的电阻式存储器，容易受到刻蚀制造工艺的影响而使电极及电阻转换层受到损伤而言。本发明通过镶嵌制造工艺形成第二电极111，可避免第一电极102、电阻转换层104、及第二电极111受到损伤。此外，由于本发明是利用镶嵌制造工艺来形成第二电极111，因此亦可轻易地与周边区的制造工艺进行整合。
另外，本发明在使用铜、银等金属作为电极的电阻式存储器中，形成以氮化物、氮碳化物等材料做为电阻转态层。藉此，当在电阻转态层104中对应于电极处形成导电丝122时，电阻转态层104中未形成导电丝122的区域会同时具有阻挡层的特性，可防止形成导电丝122的铜、银等金属离子因扩散而损失，进而避免导电丝122被切断，提升存储器装置100的可靠度。
如图2A所示，当对存储器装置100施加正向电压时，第一电极102的金属材料氧化，金属离子扩散至电阻转态层104，并在电阻转态层104上方的电极还原，使电阻转态层104中形成金属离子构成的导电丝122，此时电阻转态层104转换为低电阻状态。反之，当对存储器装置100施加反向电压时，导电丝122中的金属离子会回到第一电极102中，导致导电丝122切断，使电阻转态层104转换为高电阻状态(如图2B所示)。存储器装置100通过上述方式转换电阻值以进行资料的储存或读取，达到储存功能。
图3是根据一些实施例绘示1T1R(One-Transistor-1-Resistor)的存储器装置300的透视示意图。如图3所示，存储器装置300包含第一电极102、电阻转态层104、第二电极111、漏极114、源极116和栅极118，且第一电极102经由接触件120与漏极114电性连接。在一些实施例中，漏极114、源极116、栅极118和接触件120可以各自独立地包含导电材料，例如掺杂的多晶硅、金属、类似的材料或前述的组合。在本实施例中，第一电极102、电阻转态层104和第二电极111形成一电阻(Resistor)器件，而漏极114、源极116和栅极118形成用以切换电阻阻值的晶体管(Transistor)器件。
图4A～图4D是根据一些实施例绘示在制造存储器装置400的各个阶段的剖面示意图。图4A～图4D与图1A～图1D以相同符号描述相同器件，并且这些器件的形成方法和材料如前所述，故不再赘述。图4A～图4D的实施例说明通过镶嵌制造工艺整合存储器单元区和周边区的形成。
在一些实施例中，如图4A所示，存储器装置400包含存储器单元区400A和周边区400B。如图所示，存储器装置400包含第一电极102、电阻转态层104及介电层106。第一电极102、电阻转态层104和介电层106的材料和形成方式的范例如前所述，故不再赘述。
然后，在介电层106上设置遮罩层(未绘示)，接着使用上述遮罩层作为刻蚀遮罩进行刻蚀制造工艺，以在介电层106形成位于存储器单元区400A的开口108A和位于周边区400B的开口108B。开口108A和开口108B的形成方式的范例如前所述，故不再赘述。
然后，如图4B所示，在介电层106上设置遮罩层(未绘示)，接着使用上述遮罩层作为刻蚀遮罩进行刻蚀制造工艺，以刻蚀开口108B露出的电阻转态层104的一部分，使开口108B穿过电阻转态层104并露出第一电极102。
然后，如图4C所示，移除介电层106的一部分，形成沟槽109A和109B，其中沟槽109A位于开口108A的正上方，且沟槽109B位于开口108B的正上方。沟槽109A和109B的形成方式类似于开口108A和开口108B的形成方式，故不再赘述。本实施例是先形成开口108A和108B后再于其上半部分别形成沟槽109A和109B以形成阶梯状的开口。但本发明不限于此，在另一实施例中，也可先形成沟槽109A和109B后再于其中形成开口108A和108B以形成阶梯状的开口。
接着，如图4D所示，在开口108A、108B和沟槽109A、109B中顺应性地形成阻挡层110A和110B。然后，在开口108A、108B和沟槽109A、109B的剩余部分分别形成块体层112A和112B。阻挡层110A、110B和块体层112A、112B的材料和形成方式的范例如前所述，故不再赘述。
之后，进行一平坦化制造工艺，以形成第二电极111A和111B。在一些实施例中，前述平坦化制造工艺包括回刻蚀制造工艺、化学机械抛光制造工艺、类似的制造工艺或前述的组合。如图4D所示，第二电极111A包括阻挡层110A和块体层112A，且阻挡层110A位于块体层112A与电阻转态层104A之间且延伸至块体层112A的侧壁。如图4D所示，第二电极111B包括阻挡层110B和块体层112B，且阻挡层110B位于块体层112B与电阻转态层104B之间且延伸至块体层112B的侧壁。由于第二电极111A和111B同时形成，第二电极111A和111B包含相同的材料。
在上述实施例中，本发明利用镶嵌制造工艺形成存储器单元区400A的第二电极111B和周边区400B的第二电极111B，可轻易地整合存储器单元区400A和周边区400B的制造工艺，减少制造工艺步骤，提升存储器装置400的成品率。
综上所述，本发明通过形成以氮化物、氮碳化物、等类似的材料做为电阻转态层的电阻式存储器，可以使形成导电丝的金属离子不易扩散，避免形成于其中的导电丝因扩散而切断，进而提升存储器装置的可靠度。此外，本发明通过镶嵌制造工艺形成电极，可避免现有技术中使用刻蚀制造工艺形成电极而造成的损伤，可改善存储器装置的可靠度，更可轻易地与周边区的制造工艺进行整合。
虽然本发明实施例已以多个实施例描述如上，但这些实施例并非用于限定本发明实施例。本发明所属技术领域中具有通常知识者应可理解，他们能以本发明实施例为基础，做各式各样的改变、取代和替换，以达到与在此描述的多个实施例相同的目的及/或优点。本发明所属技术领域中技术人员也可理解，此类修改或设计并未悖离本发明实施例的精神和范围。因此，本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (20)
1.一种存储器装置的制造方法，其特征在于，包括：
形成一第一电极；
在所述第一电极上方形成一电阻转态层；
在所述电阻转态层上方形成一介电层；
在所述介电层中形成一第一开口，其中所述第一开口穿过所述介电层且露出所述电阻转态层；
在所述介电层中形成一第一沟槽，其中所述第一沟槽位于所述第一开口正上方；以及
在所述第一开口和所述第一沟槽中形成具有阶梯状的一第二电极。
2.如权利要求1所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，所述第二电极的形成包括：
在所述第一开口和所述第一沟槽中顺应性地形成一阻挡层；以及
在所述第一开口和所述第一沟槽的剩余部分形成一块体层，其中所述块体层包括铜、银或铜及银的组合。
3.如权利要求2所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，所述阻挡层包括钽、氮化钽或钽及氮化钽的组合。
4.如权利要求1所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，所述第一沟槽的宽度大于所述第一开口的宽度。
5.如权利要求1所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，在形成所述第一开口之后，形成所述第一沟槽。
6.如权利要求1所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，在形成所述第一沟槽之后，形成所述第一开口。
7.如权利要求1所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，所述第二电极的底表面小于所述电阻转态层的顶表面。
8.如权利要求1所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，所述电阻转态层包括氮化物、氮碳化物或氮化物及氮碳化物的组合。
9.如权利要求1所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，所述电阻转态层包括氮化硅、氮碳化硅或氮化硅及氮碳化硅的组合。
10.如权利要求1所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，所述第一电极包括铜、银或铜及银的组合。
11.如权利要求1所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，还包括：
在所述介电层中形成一第二开口，其中所述第二开口穿过所述电阻转态层且露出所述第一电极；
在所述介电层中形成一第二沟槽，其中所述第二沟槽位于所述第二开口正上方；以及
在所述第一开口、第二开口、所述第一沟槽和第二沟槽中形成所述第二电极。
12.如权利要求11项所述的存储器装置的制造方法，其特征在于，所述第二开口的形成包括：
在形成所述第一开口时，形成所述第二开口穿过所述介电层且露出所述电阻转态层；以及，
刻蚀所述第二开口露出的所述电阻转态层的一部分，使所述第二开口穿过所述电阻转态层且露出所述第一电极。
13.一种存储器装置，其特征在于，包括：
一第一电极；
一电阻转态层，设置于所述第一电极上方；以及
一第二电极，设置于所述电阻转态层上方且具有阶梯状，其中所述第二电极的底表面小于所述电阻转态层的顶表面。
14.如权利要求13所述的存储器装置，其特征在于，所述第二电极包括：
一块体层，包括铜、银或铜及银的组合；以及
一阻挡层，设置于所述块体层与所述电阻转态层之间且延伸至所述块体层的侧壁。
15.如权利要求14所述的存储器装置，其特征在于，所述阻挡层包括钽、氮化钽或钽及氮化钽的组合。
16.如权利要求13所述的存储器装置，其特征在于，所述第二电极远离所述电阻转态层的部分的宽度大于所述第二电极邻近所述电阻转态层的部分的宽度。
17.如权利要求13所述的存储器装置，其特征在于，所述电阻转态层包括氮化物、氮碳化物或氮化物及氮碳化物的组合。
18.如权利要求13所述的存储器装置，其特征在于，所述电阻转态层包括氮化硅、氮碳化硅或氮化硅及氮碳化硅的组合。
19.如权利要求13所述的存储器装置，其特征在于，所述第一电极包括铜、银或铜及银的组合。
20.如权利要求13所述的存储器装置，其特征在于，还包括一第三电极，设置于所述第一电极上方且穿过所述电阻转态层，其中所述第三电极的材料和所述第二电极的材料相同。
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