TW202034548A - 記憶體裝置及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種記憶體裝置，其包含第一電極、電阻轉態層、蓋層、保護層以及第二電極。電阻轉態層設置於第一電極上方。蓋層設置於電阻轉態層上方，其中蓋層的底表面小於電阻轉態層的頂表面。保護層設置於電阻轉態層上方且環繞蓋層。第二電極的至少一部分設置於蓋層上方且覆蓋保護層。

Description

記憶體裝置及其製造方法

本發明是關於半導體製造技術，特別是有關於記憶體裝置及其製造方法。

隨著半導體裝置尺寸的微縮，製造半導體裝置的難度也大幅提升，半導體裝置的製程期間可能產生不想要的缺陷，這些缺陷可能會造成裝置的效能降低或損壞。因此，必須持續改善半導體裝置，以提升良率並改善製程寬裕度。

本發明揭露一種記憶體裝置及其製造方法，其特別適用於非揮發性記憶體，例如可變電阻式記憶體（RRAM）。

本發明提供一記憶體裝置，包含電阻轉態層，設置於第一電極上方；蓋層，設置於電阻轉態層上方，其中蓋層的底表面小於電阻轉態層的頂表面；保護層，設置於電阻轉態層上方且環繞蓋層；以及第二電極，其至少一部分設置於蓋層上方且覆蓋保護層。

本發明提供一記憶體裝置的製造方法，包含形成一第一電極；在第一電極上方形成電阻轉態層；在電阻轉態層上方形成蓋層，其中蓋層的底表面小於電阻轉態層的頂表面；在電阻轉態層上方形成保護層，其中保護層環繞蓋層；在蓋層上方形成第二電極，其中第二電極覆蓋保護層；在第二電極上方形成遮罩層；以及以遮罩層作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程，使得第一電極、電阻轉態層、蓋層、保護層、第二電極和遮罩層的側壁共平面。

基於上述，本發明可透過在記憶體裝置設置環繞蓋層的保護層，以避免後續製程損傷蓋層，進而改善記憶體裝置的可靠度並增加製程寬裕度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。其中，為了簡化說明，不同的實施例中可能使用重複參考數字及/或字母，然其並非用以用以限定不同實施例之間的關係。

第1A～1G圖是根據一些實施例繪示在製造記憶體裝置100的各個階段之剖面示意圖。請參照第1A圖，記憶體裝置100包含層間介電層102。在一些實施例中，層間介電層102的材料包含氧化物、介電常數小於約3.9的低介電常數（low-k）介電材料或介電常數小於約2的極低介電常數（Extreme low-k，ELK）介電材料，例如氮氧化矽、磷矽酸鹽玻璃（phosphosilicate glass，PSG）、硼矽酸鹽玻璃（borosilicate glass，BSG）、硼磷矽酸鹽玻璃（borophosphosilicate glass，BPSG）、未摻雜的矽酸鹽玻璃（undoped silicate glass，USG）、氟矽酸鹽玻璃（fluorinated silicate glass，FSG）等類似材料或其組合。

然後，在層間介電層102中形成第一接觸插塞104。在一些實施例中，可在層間介電層102上設置遮罩層（未繪示），並以其作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程，以在層間介電層102蝕刻出開口。接著，在開口中填入第一接觸插塞104的材料，並進行一平坦化製程，以形成第一接觸插塞104。舉例而言，遮罩層可以包含光阻，例如正型光阻或負型光阻。在一些實施例中，遮罩層可以包含硬遮罩，且可由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、氮碳化矽、類似的材料或前述之組合形成。遮罩層可以是單層或多層結構。形成遮罩層的方法可以包含沉積製程、微影製程等。上述蝕刻製程可以包含乾式蝕刻製程、濕式蝕刻製程或前述之組合。在開口中填入第一接觸插塞104材料的方法例如可以包含物理氣相沉積製程、化學氣相沉積製程、原子層沉積製程、蒸鍍或任何合適的沉積製程。在一些實施例中，第一接觸插塞104的材料可以包含銅、鋁、鎢或任何合適的導電材料。

然後，如第1A圖所示，在層間介電層102和第一接觸插塞104上依序形成第一電極106、電阻轉態層108、阻障層110、及蓋層112。形成第一電極106、電阻轉態層108、阻障層110及蓋層112的方法可以包含物理氣相沉積製程、化學氣相沉積製程、原子層沉積製程、蒸鍍或任何合適的沉積製程。

在一些實施例中，第一電極106的材料包含金屬或金屬氮化物。舉例來說，第一電極106的材料可以包含鉑、氮化鈦、金、鈦、鉭、氮化鉭、鎢、氮化鎢、銅等類似材料或其組合，且第一電極106可以包含單層結構或多層結構。在一些實施例中，電阻轉態層108的材料可以包含過渡金屬氧化物，例如氧化鎳、氧化鈦、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋅、氧化鎢、氧化鋁、氧化鉭、氧化鉬、氧化銅等類似材料或其組合。在一些實施例中，阻障層110的材料包含二氧化矽、氮氧化矽、氧化釔、氧化鑭、氧化鐠、氧化鏑、氧化鉭、氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦、氧化鋯、氧化釓、氧化鈰、氧化鈧等類似材料或其組合。在一些實施例中，蓋層112的材料可以包含金屬或金屬氮化物。舉例來說，蓋層112的材料可以包含鉑、氮化鈦、金、鈦、鉭、氮化鉭、鎢、氮化鎢、銅等類似材料或其組合，且蓋層112可以包含單層結構或多層結構。

特別說明的是，當對記憶體裝置100施加正向電壓時，電阻轉態層108中的氧離子遷移至其上方的電極，並在電阻轉態層108中形成氧空缺導電絲，使電阻轉態層108轉換為低電阻狀態。反之，對記憶體裝置100施加反向電壓時，氧離子回到電阻轉態層108中並與電阻轉態層108中的氧空缺結合，導致氧空缺導電絲消失，使電阻轉態層108轉換為高電阻狀態。記憶體裝置100藉由上述方式轉換電阻值以進行資料的儲存或讀取，達到記憶功能。

接著，如第1B圖所示，將蓋層112圖案化，以移除蓋層112的外圍部分。在一些實施例中，可在蓋層112上設置遮罩層（未繪示），接著使用上述遮罩層作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程，以形成具有預定尺寸的蓋層112。遮罩層的材料和形成方式以及蝕刻製程的範例與第1A圖使用的遮罩層類似，故不再贅述。

特別說明的是，在圖案化製程之後，蓋層112的底表面小於電阻轉態層108的頂表面。由於蓋層112的寬度縮減，可以提升在其中形成導電絲的位置的穩定性，改善記憶體裝置100的資料保持（retention）特性。

然後，如第1C圖所示，在蓋層112上順應性地形成阻障層114以覆蓋蓋層112的頂表面和側壁。阻障層114的材料和形成方式與阻障層110類似，故不再贅述。

然後，如第1D圖所示，在蓋層112上形成第二電極116，並在第二電極116上形成遮罩層118。第二電極116的材料和形成方式與第一電極106類似，故不再贅述。遮罩層的材料和形成方式以及蝕刻製程的範例與第1A圖使用的遮罩層類似，故不再贅述。在形成第二電極116之後，阻障層114位於蓋層112和第二電極116之間且延伸至第二電極116下方。

特別說明的是，如第1D圖所示，第二電極116位於電阻轉態層108上方，且第二電極116的一部分環繞蓋層112，此部分可以作為保護層保護蓋層112，使蓋層112不會受到後續製程的損傷。舉例來說，電阻轉態層108的材料較不易被蝕刻，因此通常需要使用強度較大的蝕刻製程，若在露出蓋層112的側壁的情況下進行蝕刻製程，此蝕刻製程容易對蓋層112造成損傷並且形成缺陷。因此，第二電極116包含延伸至蓋層112的頂表面下方以環繞蓋層112的第一部分以及設置於蓋層112上方且覆蓋第一部分的第二部分，第一部分使得蓋層112與進行蝕刻製程的位置隔開，以保護蓋層112免於受到蝕刻製程的影響。

接著，請參照第1E圖，進行微影製程，使遮罩層118圖案化。然後，使用圖案化的遮罩層118作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程，以使遮罩層118的側壁、第二電極116的側壁、阻障層114及110的側壁、電阻轉態層108的側壁、第一電極106的側壁和層間介電層102的上部的側壁共平面。蝕刻製程可以包括乾式蝕刻製程或濕式蝕刻製程。在一些實施例中，第二電極116環繞蓋層112的部分作為保護層，使蓋層112的側壁不會被此蝕刻製程損傷。

然後，如第1F圖所示，在遮罩層118的側壁、第二電極116的側壁、阻障層114及110的側壁、電阻轉態層108的側壁、第一電極106的側壁和層間介電層102的側壁上順應性地形成阻障層120。阻障層120的材料和形成方法與阻障層110類似，不再贅述。

然後，如第1G圖所示，蝕刻出穿過阻障層120、遮罩層118和第二電極116的開口，接著在開口中形成第二接觸插塞122。在一些實施例中，可以藉由設置遮罩層（未繪示）覆蓋阻障層120並露出第二接觸插塞122的預定位置，並以其作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程以形成開口，然後在上述開口中沉積第二接觸插塞122的材料，以形成第二接觸插塞122。遮罩層的材料和形成方式以及蝕刻製程與第1A圖使用的遮罩層類似，故不再贅述。第二接觸插塞122的材料和形成方式與第一接觸插塞104類似，故不再贅述。在一些實施例中，如第1G圖所示，第二接觸插塞122穿過阻障層120和遮罩層118並且延伸進入第二電極116，使得第二接觸插塞122的底表面位於第二電極116內，但本發明不限於此，第二接觸插塞122也可以具有其他深度。

在本實施例中，本發明在蓋層112的周圍設置保護層，其中保護層包含第二電極116的一部分，其延伸至蓋層112的頂表面之下並且環繞蓋層112，此部分可用於隔開蓋層112與蝕刻製程進行的位置，使蓋層112免於受到蝕刻製程的影響，提升記憶體裝置100的可靠度。此外，第二電極116的一部分環繞蓋層112可限縮導電絲的形成位置，進而改善記憶體裝置100的資料保持。

第2A～2C圖是根據一些其他實施例繪示在製造記憶體裝置200的各個階段之剖面示意圖。第2A～2C圖係接續第1C圖的製程步驟，圖中以相同符號描述相似元件，如未特別說明，這些元件的材料和形成方法如前所述，故不再贅述。與前述實施例不同的是，本實施例係設置間隔物作為保護層，提升對蓋層112的保護。

如第2A圖所示，在阻障層114上形成間隔物210的材料，並進行平坦化製程，以移除間隔物的材料及阻障層114覆蓋蓋層112的頂表面的部分，形成間隔物210。其中，蓋層112的頂表面和間隔物210的頂表面共平面。在一些實施例中，間隔物210的材料可以包含介電材料，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、旋塗式玻璃、磷矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、摻雜氟的矽酸鹽玻璃、摻雜硼的磷矽酸鹽玻璃、未摻雜的矽酸鹽玻璃、四乙氧基矽烷氧化物、低介電常數介電材料等類似或其組合。在一些實施例中，形成間隔物210的方法可包含化學氣相沉積、原子層沉積、旋轉塗佈或任何合適的沉積製程。如第2A圖所示，間隔物210環繞蓋層112，且阻障層114位於蓋層112和間隔物210之間且延伸至間隔物210下方。

接著，請參照第2B圖，在間隔物210、阻障層114和蓋層112上形成阻障層220，阻障層220覆蓋間隔物210的頂表面和蓋層112的頂表面。然後，繼續在阻障層220上方依序形成第二電極116和遮罩層118。如第2B圖所示，第二電極116的至少一部分設置於蓋層112上方且覆蓋間隔物210。

接著，請參照第2C圖，進行微影製程，使遮罩層118圖案化。然後，使用圖案化的遮罩層118作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程，使遮罩層118的側壁、第二電極116的側壁、間隔物210遠離蓋層112的側壁、阻障層220、114、110的側壁、電阻轉態層108的側壁、第一電極106的側壁和層間介電層102的上部的側壁共平面，並且在這些側壁上順應性地形成阻障層120。

接著，請再參照第2C圖，蝕刻出穿過阻障層120、遮罩層118和第二電極116的開口，並在開口中形成第二接觸插塞122。此處，蝕刻出開口並於開口中形成第二接觸插塞122的方法與第1G圖類似，在此不再贅述。

在本實施例中，本發明在蓋層112的周圍設置保護層，其中保護層包含間隔物210，其環繞蓋層112以將蓋層112與蝕刻製程進行的位置隔開，使得蓋層112免於受到蝕刻製程的影響，提升記憶體裝置200的可靠度。此外，間隔物210環繞蓋層112可限縮導電絲的形成位置，改善記憶體裝置200的資料保持。另外，相較於以第二電極116的一部分作為保護層，間隔物210可以選擇更不易被蝕刻的材料，進一步提升記憶體裝置200的可靠度。

第3A～3E圖是根據一些其他實施例繪示在製造記憶體裝置300的各個階段之剖面示意圖。第3A～3E圖與第1A～1C、2A～2C圖所示的實施例類似，差異在於係以不同製程順序形成作為保護層的間隔物210，圖中以相同符號描述相似元件，如未特別說明，這些元件的材料和形成方法如前所述，故不再贅述。

在本實施例中，如第3A圖所示，在阻障層110上形成間隔層210L。形成間隔層210L的方法可包含化學氣相沉積、原子層沉積、旋轉塗佈或任何合適的沉積製程。而間隔層210L的材料與前述實施例的間隔物210相同，在此不再贅述。

然後，如第3B圖所示，蝕刻出穿過間隔層210L的開口310。在形成開口310之後，間隔層210L形成間隔物210。開口310的位置對應後續形成蓋層112的位置。在一些實施例中，可以藉由設置遮罩層（未繪示）覆蓋間隔層210L並露出開口310的預定位置，接著以其作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程以形成開口310。

接著，如第3C圖所示，在間隔層210上及開口310中順應性地形成阻障層320。然後，請參照第3D圖，在阻障層320上形成蓋層112，並進行一平坦化製程，使間隔層210、阻障層320及蓋層112的頂面共平面。如第3D圖所示，本實施例的阻障層320位於蓋層112和保護層210之間，且阻障層320延伸至蓋層112下方。

然後，請參照第3E圖，在間隔物210、阻障層320和蓋層112上方依序形成阻障層220、第二電極116和遮罩層118。然後，類似於第2C圖，進行微影及蝕刻製程，使遮罩層118的側壁、第二電極116的側壁、間隔物210遠離蓋層112的側壁、阻障層220及110的側壁、電阻轉態層108的側壁、第一電極106的側壁和層間介電層102的上部的側壁共平面，並且順應性地形成阻障層120。

接著，請再參照第3E圖，蝕刻出穿過阻障層120、遮罩層118和第二電極116的開口，並在開口中形成第二接觸插塞122。此處，蝕刻出開口並於開口中形成第二接觸插塞122的方法與第1G圖類似，在此不再贅述。

在本實施例中，本發明在蓋層112的周圍設置保護層，其中保護層包含間隔物210，其環繞蓋層112以將蓋層112與蝕刻製程進行的位置隔開，使得蓋層112免於受到蝕刻製程的影響，提升記憶體裝置300的可靠度。相較於以第二電極116的一部分作為保護層，間隔物210可以選擇更不易被蝕刻的材料，進一步提升記憶體裝置200的可靠度。

綜上所述，本發明在記憶體裝置設置環繞蓋層的保護層，保護層可用於蓋層與蝕刻製程進行的位置隔開，以避免後續製程損傷蓋層，進而提升記憶體裝置的可靠度及製程寬裕度。此外，根據一些實施例，保護層環繞蓋層可以限縮導電絲的形成位置，提升導電絲的位置的穩定性，進而改善記憶體裝置的資料保持。

在一些實施例中，保護層包含第二電極的一部分，相較於以間隔物作為保護層，需要的製程步驟較少。在另一些實施例中，保護層包含間隔物，相較於以第二電極的一部分作為保護層，間隔物可以選擇更不易被蝕刻的材料，進一步降低蓋層被蝕刻的可能性，提升記憶體裝置的可靠度。

雖然本發明實施例已以多個實施例描述如上，但這些實施例並非用於限定本發明實施例。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可在未悖離本發明實施例的精神和範圍下進行適當的改變、取代和替換。因此，本發明之保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300:記憶體裝置102:層間介電層104:第一接觸插塞 106:第一電極 108:電阻轉態層 110:阻障層 112:蓋層 114、120、220、320:阻障層116:第二電極118:遮罩層 122:第二接觸插塞層 210:間隔物 210L:間隔層 310:開口

第1A～1G圖是根據一些實施例繪示在製造記憶體裝置的各個階段之剖面示意圖。 第2A～2C圖是根據一些實施例繪示在製造記憶體裝置的各個階段之剖面示意圖。 第3A～3E圖是根據一些實施例繪示在製造記憶體裝置的各個階段之剖面示意圖。

100:記憶體裝置

102:層間介電層

104:第一接觸插塞

106:第一電極

108:電阻轉態層

110、114、120:阻障層

112:蓋層

116:第二電極

118:遮罩層

122:第二接觸插塞

Claims (20)

1. 一種記憶體裝置，包括： 一電阻轉態層，設置於一第一電極上方； 一蓋層，設置於該電阻轉態層上方，其中該蓋層的底表面小於該電阻轉態層的頂表面； 一保護層，設置於該電阻轉態層上方且環繞該蓋層；以及 一第二電極，其至少一部分設置於該蓋層上方且覆蓋該保護層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之記憶體裝置，其中該保護層的材料與該第二電極的材料相同。
3. 如申請專利範圍第1項所述之記憶體裝置，其中該保護層包括一間隔物，且該間隔物包括介電材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之記憶體裝置，其中該保護層遠離該蓋層的一側壁與該第二電極的一側壁以及該第一電極的一側壁共平面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之記憶體裝置，其中該保護層的該側壁與該電阻轉態層的一側壁共平面。
6. 如申請專利範圍第4項所述之記憶體裝置，更包括一遮罩層設置於該第二電極上方，其中該遮罩層的一側壁與該保護層的該側壁共平面。
7. 如申請專利範圍第1項所述之記憶體裝置，更包括一阻障層設置於該蓋層和該保護層之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之記憶體裝置，其中該阻障層延伸至該蓋層下方。
9. 如申請專利範圍第7項所述之記憶體裝置，其中該阻障層延伸至該保護層下方。
10. 如申請專利範圍第9項所述之記憶體裝置，其中該阻障層覆蓋該蓋層的頂表面。
11. 如申請專利範圍第1項所述之記憶體裝置，其中該蓋層包括金屬、金屬氮化物或前述之組合。
12. 一種記憶體裝置的製造方法，包括： 形成一第一電極； 在該第一電極上方形成一電阻轉態層； 在該電阻轉態層上方形成一蓋層，其中該蓋層的底表面小於該電阻轉態層的頂表面； 在該電阻轉態層上方形成一保護層，其中該保護層環繞該蓋層； 在該蓋層上方形成一第二電極，其中該第二電極覆蓋該保護層； 在該第二電極上方形成一遮罩層；以及 以該遮罩層作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程，使得該第一電極、該電阻轉態層、該蓋層、該保護層、該第二電極和該遮罩層的側壁共平面。
13. 如申請專利範圍第12項所述之記憶體裝置的製造方法，其中該保護層包括該第二電極的一部分，且該第二電極的該部分的形成包括： 在形成該蓋層之後，移除該蓋層的一外圍部分；以及 在該蓋層上方形成該第二電極，且該第二電極的該部分延伸至該蓋層的頂表面下方以環繞該蓋層。
14. 如申請專利範圍第13項所述之記憶體裝置的製造方法，更包括： 在移除該蓋層的該外圍部分之後，在該蓋層和該電阻轉態層上順應性地形成一阻障層；以及 在形成該第二電極之後，該阻障層位於該蓋層和該第二電極之間。
15. 如申請專利範圍第12項所述之記憶體裝置的製造方法，其中該保護層包括一間隔物，其中該間隔物包括介電材料，且該間隔物的形成包括： 在形成蓋層之後，移除該蓋層的一外圍部分； 在該電阻轉態層上方形成該間隔物，且該間隔物環繞該蓋層；以及 進行一平坦化製程，使得該蓋層的頂表面與該間隔物的頂表面共平面。
16. 如申請專利範圍第15項所述之記憶體裝置的製造方法，更包括： 在移除該蓋層的該外圍部分之後，在該蓋層和該電阻轉態層上順應性地形成一阻障層；以及 在形成該間隔物之後，該阻障層位於該蓋層和該間隔物之間。
17. 如申請專利範圍第12項所述之記憶體裝置的製造方法，其中該保護層包括一間隔物，其中該間隔物包括介電材料，且該間隔物的形成包括： 在該電阻轉態層上方形成該間隔物； 移除該間隔物的一部分以形成一開口； 在該開口內形成該蓋層；以及 進行一平坦化製程，使得該蓋層的頂表面與該間隔物的頂表面共平面。
18. 如申請專利範圍第17項所述之記憶體裝置的製造方法，更包括： 在形成該開口之後，在該開口內和該間隔物上順應性地形成一阻障層；以及 在該開口的剩餘部分內形成該蓋層，且該阻障層位於該蓋層和該間隔物之間。
19. 如申請專利範圍第12項所述之記憶體裝置的製造方法，其中該蓋層包括金屬、金屬氮化物或前述之組合。
20. 如申請專利範圍第12項所述之記憶體裝置的製造方法，更包括在該第一電極、該電阻轉態層、該蓋層、該保護層、該第二電極和該遮罩層的該側壁上形成一阻障層。

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