TWI797653B - 半導體元件和半導體元件的製造方法 - Google Patents
半導體元件和半導體元件的製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI797653B TWI797653B TW110123439A TW110123439A TWI797653B TW I797653 B TWI797653 B TW I797653B TW 110123439 A TW110123439 A TW 110123439A TW 110123439 A TW110123439 A TW 110123439A TW I797653 B TWI797653 B TW I797653B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- layer
- oxygen
- electrode metal
- bottom electrode
- metal layer
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 97
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 160
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 160
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 49
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 27
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 25
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 claims description 10
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 5
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 3
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 12
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 2
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004205 SiNX Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- MIQVEZFSDIJTMW-UHFFFAOYSA-N aluminum hafnium(4+) oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Al+3].[Hf+4] MIQVEZFSDIJTMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/021—Formation of switching materials, e.g. deposition of layers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
- H10N70/24—Multistable switching devices, e.g. memristors based on migration or redistribution of ionic species, e.g. anions, vacancies
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/80—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/061—Shaping switching materials
- H10N70/063—Shaping switching materials by etching of pre-deposited switching material layers, e.g. lithography
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/821—Device geometry
- H10N70/826—Device geometry adapted for essentially vertical current flow, e.g. sandwich or pillar type devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/841—Electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/841—Electrodes
- H10N70/8418—Electrodes adapted for focusing electric field or current, e.g. tip-shaped
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/883—Oxides or nitrides
- H10N70/8833—Binary metal oxides, e.g. TaOx
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
Abstract
本發明提供了一種半導體元件及半導體元件的製造方法，該半導體元件包括：半導體基底；位於所述半導體基底中的底部電極金屬層和位於所述半導體基底上的頂部電極金屬層；位於所述底部電極金屬層和頂部電極金屬層之間的阻變層，所述阻變層具有可變電阻；位於所述底部電極金屬層和頂部電極金屬層之間的第一抓氧層，所述第一抓氧層位於所述阻變層之上；位於所述底部電極金屬層中的第二抓氧層，所述半導體基底、所述底部電極金屬層和第二抓氧層的上表面平齊，所述阻變層覆蓋所述半導體基底、所述底部電極金屬層和所述第二抓氧層。
Description
相關申請的交叉引用
本發明基於申請號為202010760550.9、申請日為2020年7月31日、名稱為“半導體元件和半導體元件的製造方法”的中國專利申請提出，並要求中國專利申請的優先權，該中國專利申請的全部內容在此引入本發明作為參考。
本發明涉及半導體的技術領域，具體地涉及一種半導體元件和半導體元件的製造方法。
阻變記憶體(RRAM，Resistive Random Access Memory)作為一種新型非揮發性記憶體，其具有結構簡單、工作速度快、功耗低以及資訊保持穩定等優點，是下一代非揮發性記憶體的有力競爭者之一。
圖1是現有的一種阻變記憶體的結構示意圖，所述阻變記憶體包括由下而上依次層疊設置的底部電極金屬層104、阻變層108、抓氧層110、頂部電極金屬層106，具有阻變效應的阻變層108在外加電壓作用下發生電阻狀態(高阻態和低阻態)間的相互轉換，形成“0”態和“1”態的二進位資訊儲存。包括金屬氧化物在內的許多材料都有顯著的阻變性能，阻變機理以氧空位等缺陷的聚集形成導電細絲為基礎，抓氧層抓取金屬氧化物阻變材料中的氧原子後，在阻變材料中留下氧空位，氧空位是金屬氧化物阻變材料中主要的缺陷。
現有的阻變記憶體，其阻變結構是在一次性沉積完所有薄膜後，再經過蝕刻定義出圖形而產生的。由於這種阻變結構是平板式的結構，阻變層中導電細絲形成的區域位置無法預測，導電細絲既可能形成在阻
變層的兩側區域，也可能形成在阻變層的中間區域，這就降低了阻變記憶體阻值的均一性，從而降低阻變記憶體的可靠性，阻礙阻變記憶體大規模集成和實際應用。
本發明實施例的目的是提供一種半導體元件和半導體元件的製造方法，以至少解決上述的技術問題。
為了實現上述目的，本發明實施例提供一種半導體元件，包括：半導體基底；位於所述半導體基底中的底部電極金屬層和位於所述半導體基底上的頂部電極金屬層；位於所述底部電極金屬層和頂部電極金屬層之間的阻變層，所述阻變層具有可變電阻；位於所述底部電極金屬層和頂部電極金屬層之間的第一抓氧層，所述第一抓氧層位於所述阻變層之上；位於所述底部電極金屬層中的第二抓氧層，所述半導體基底、所述底部電極金屬層和第二抓氧層的上表面平齊，所述阻變層覆蓋所述半導體基底、所述底部電極金屬層和所述第二抓氧層。
其中，所述半導體元件還包括：位於所述阻變層和第一抓氧層之間的阻氧層，所述阻氧層用於防止所述阻變層中的氧原子擴散。
其中，所述第二抓氧層位於所述底部電極金屬層的中央區域。
其中，所述底部電極金屬層的上表面的橫向寬度大於下表面的橫向寬度；所述底部電極金屬層和所述第二抓氧層的尺寸滿足如下的關係：F1=D1-(2*D3)；H2=H1*F1/(D1-D2)；
其中，所述F1為第二抓氧層的最大橫向寬度，H2為第二抓氧層的深度，H1為底部電極金屬層的深度，D1為底部電極金屬層的上表面的橫向寬度，D2為底部電極金屬層的下表面的橫向寬度，D3為底部電極金屬層的厚度)。
其中，所述第二抓氧層的最大橫向寬度小於或等於6奈米。
本發明實施例還提供一種半導體元件的製造方法，包括下列步驟：在半導體基底中形成底部電極金屬層，其中，所述底部電極金屬層中包含第二抓氧層；所述半導體基底、底部電極金屬層和第二抓氧層的上表面平齊；在所述半導體基底、所述底部電極金屬層和所述第二抓氧層的上表面，依次沉積阻變層組成材料、第一抓氧層組成材料、頂部電極金屬層組成材料；圖案化所述阻變層組成材料、第一抓氧層組成材料、頂部電極金屬層組成材料，形成阻變層、第一抓氧層、頂部電極金屬層，其中，所述阻變層具有可變電阻。
其中，所述製造方法還包括下列步驟：在所述阻變層之上，沉積阻氧層組成材料；圖案化所述阻氧層組成材料，形成阻氧層，其中，所述阻氧層位於所述阻變層和第一抓氧層之間，所述阻氧層用於防止所述阻變層中的氧原子擴散。
其中，所述在半導體基底上形成底部電極金屬層包括下列步驟：在半導體基底上形成底部電極缺口；所述底部電極缺口的上表面的橫向寬度大於下表面的橫向寬度；在所述底部電極缺口處，沉積底部電極金屬層組成材料，並在所述底部電極金屬層組成材料的中央區域形成第二抓氧層缺口；
在所述第二抓氧層缺口沉積第二抓氧層材料；採用蝕刻製程或採用化學機械拋光CMP製程去除突出的所述底部電極金屬層組成材料和所述第二抓氧層材料，形成底部電極金屬層和第二抓氧層，使半導體基底、底部電極金屬層和第二抓氧層的上表面平齊。
其中，所述底部電極金屬層和所述第二抓氧層的尺寸滿足如下的關係：F1=D1-(2*D3)；H2=H1*F1/(D1-D2)；其中，所述F1為第二抓氧層的最大橫向寬度，H2為第二抓氧層的深度，H1為底部電極金屬層的深度，D1為底部電極金屬層的上表面的橫向寬度，D2為底部電極金屬層的下表面的橫向寬度，D3為底部電極金屬層的厚度)。
其中，所述第二抓氧層的最大橫向寬度小於或等於6奈米。
與習知技術相比，本發明實施例提供的半導體元件使用了兩層抓氧層，第一抓氧層位於半導體元件的阻變層之上，第二抓氧層位於底部電極金屬層之中，第二抓氧層在阻變層的特定區域處誘發缺陷的形成，進而在向半導體元件施加形成電壓時，導電細絲更集中在該缺陷區域形成，從而提升元件的穩定性和可靠性。
本發明實施例的其它特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。
10:抓氧層組成材料
100:半導體基底
104:底部電極金屬層
105:阻氧層
106:頂部電極金屬層
108:阻變層
110:第一抓氧層
14:底部電極金屬層組成材料
210:第二抓氧層
S21~S23,S211~S214:步驟
圖式是用來提供對本發明實施例的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明實施例，但並不構成對本發明實施例的限制。在圖式中：圖1示出了現有的一種阻變記憶體的結構示意圖；圖2示出了根據本發明一個實施例的半導體元件的截面圖；
圖3示出了根據本發明一個實施例的半導體元件的底部電極金屬層的截面圖；圖4示出了根據本發明一個實施例的半導體元件的製造方法的流程圖；圖5示出根據本發明一個實施例的半導體元件的製造方法的其中一個步驟的流程圖；圖6示出根據本發明一個實施例的半導體元件的製造過程中一個階段的結構的橫截面圖；圖7示出根據本發明一個實施例的半導體元件的製造過程中一個階段的結構的橫截面圖；圖8示出根據本發明一個實施例的半導體元件的製造過程中一個階段的結構的橫截面圖；圖9示出根據本發明一個實施例的半導體元件的製造過程中一個階段的結構的橫截面圖；圖10示出根據本發明一個實施例的半導體元件的導電細絲在阻變層中的形成過程；以及圖11示出根據本發明一個實施例的底部電極金屬層和第二抓氧層的尺寸關係示意圖。
現在將參照附圖來詳細描述本發明的各種示例性實施例。應注意到：除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對佈置、數位運算式和數值不限制本發明的範圍。
同時，應當明白，為了便於描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸並不是按照實際的比例關係繪製的。
以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。
對於相關領域通常知識者已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為授權說明書的一部分。
在這裡示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。
圖2示出了根據本發明一個實施例的半導體元件的截面圖。
參看圖2，半導體元件包括：半導體基底100，所述半導體基底100可以是由未摻雜的單晶矽、摻有雜質的單晶矽、絕緣體上矽(SOI)等晶圓經過半導體製程形成具有多個元件功能區的晶圓。位於半導體基底100中的底部電極金屬層104和位於半導體基底100之上的頂部電極金屬層106構成了半導體元件的導電連接層，底部電極金屬層104和頂部電極金屬層106分別連接至下金屬互聯層和上金屬互聯層(圖2中未示出)。底部電極金屬層104和頂部電極金屬層106的組成材料可以是鈦(Ti)、鉭(Ta)、氮化鈦(TiN)或氮化鉭(TaN)中的一種或多種。阻變層108設置在底部電極金屬層104和頂部電極金屬層106之間，並且覆蓋底部電極金屬層104。阻變層108的側壁與頂部電極金屬層106的側壁垂直對準。阻變層108的材料為經受高電阻狀態和低電阻狀態之間的、可逆相變的、具有可變電阻的材料。例如，阻變層108材料可以為過渡金屬氧化物，包括氧化鉿(HfOx)、氧化鋁(AlOx)、氧化鉭(TaOx)或諸如氧化鉿鋁(HfAlO)的其他複合組合的一個或多個。
在一些實施例中，第一抓氧層110可以設置在在底部電極金屬層104和頂部電極金屬層106之間，第一抓氧層110的側壁與頂部電極金屬層106的側壁垂直對準。第一抓氧層110具有比阻變層108低的氧濃度，可從阻變層108提取氧原子以促進阻變層108內的電阻變化。在該實施例
中，第一抓氧層110的材料可以為鈦(Ti)、鉿(Hf)、鉑(Pt)、釕(Ru)或其他複合金屬膜。
在一些實施例中，阻氧層105可以設置在底部電極金屬層104和頂部電極金屬層106之間，阻氧層105的側壁也可以與頂部電極金屬層106的側壁垂直對準。在一些實例中，阻氧層105可以由硬掩模材料組成，硬掩模材料包括三氧化二鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiOx)、氮氧化鈦(TiON)、氮氧化矽(SiON)、二氧化矽(SiO2)、碳化矽(SiC)、氮化矽(SiNx)或其他複合介電膜。阻氧層105的作用為阻止阻變層108中的氧原子向第一抓氧層110擴散。
回到圖2，半導體元件還包括第二抓氧層210，第二抓氧層210位於底部電極金屬層104中，第二抓氧層210的上表面和底部電極金屬層104的上表面、以及半導體基底100的上表面對齊，阻變層108覆蓋半導體基底100、底部電極金屬層104和第二抓氧層210。
在一些實施例中，底部電極金屬層104貫穿半導體基底100，底部電極金屬層104的下表面與下金屬互聯層連接，底部電極金屬層104的上表面的寬度大於下表面的寬度，較佳地，底部電極金屬層104的截面圖可以呈倒梯形，當然，本發明實施例對於底部電極金屬層104的截面輪廓不做限制，只要滿足底部電極金屬層104的上表面的寬度大於下表面的寬度即可。圖3示出了根據本發明一個實施例的半導體元件的底部電極金屬層104的截面圖。
在本發明實施例中，可通過改變底部電極金屬層104的厚度來控制第二抓氧層210的大小，根據圖11所示的底部電極金屬層和第二抓氧層的尺寸關係示意圖可知：F1=D1-(2*D3)；H2=H1*F1/(D1-D2)；
其中，F1為第二抓氧層210的最大橫向寬度，H2為第二抓氧層210的深度，H1為底部電極金屬層104的深度(即半導體基底的厚度)，D1為底部電極金屬層104的上表面的橫向寬度，D2為底部電極金屬層104的下表面的橫向寬度，D3為底部電極金屬層104的厚度。
在製備半導體元件時，通常半導體基底100上的底部電極缺口(用於沉積底部電極金屬層材料)是固定的，即D1、D2已知，那麼，根據上述公式可知，在該缺口中沉積底部電極金屬層材料時，可通過控制底部電極金屬層104的厚度D3來控制第二抓氧層210的大小。
在一個實施例中，第二抓氧層210的最大橫向寬度(即上表面的橫向寬度)小於或等於6奈米。
在一些實施例中，底部電極金屬層104的上表面的橫向寬度值與第二抓氧層210的最大橫向寬度值的比率大於或等於20：3。如圖3所示，例如，底部電極金屬層104上表面的橫向寬度為40奈米，底部電極金屬層104下表面的橫向寬度為30奈米，第二抓氧層210的最大橫向寬度值為6奈米。
需要指出的是，本發明實施例對於第二抓氧層210的大小不做具體限制，只要第二抓氧層210不貫穿底部電極金屬層104即可。
第二抓氧層210具有比阻變層108低的氧濃度，可從阻變層108提取氧原子以促進阻變層108內的電阻變化。在各實施例中，第二抓氧層210可以包括鈦(Ti)、鉿(Hf)、鉑(Pt)、釕(Ru)或其他複合金屬膜。
參看圖10，由於半導體元件包括第一抓氧層110和第二抓氧層210，第一抓氧層110先抓取阻變層108上部的氧原子，阻變層108上部的缺陷隨之產生，隨著缺陷的聚集會在阻變層108中形成從上往下的導電細絲。第二抓氧層210先抓取阻變層108下部的氧原子，阻變層108下部的缺陷隨之產生，隨著缺陷的聚集會在阻變層108中形成從下往上的導電細絲。也就是說，在本發明實施例中，會在半導體元件的阻變層108中形成
方向相反的導電細絲。第二抓氧層210在阻變層108的特定區域(即阻變層108在垂直方向上對應第二抓氧層210的區域)處誘發缺陷的形成，進而在向半導體元件施加形成電壓時，導電細絲更集中在該缺陷區域形成，從而提升元件的穩定性和可靠性。
在一些實施例中，第二抓氧層210位於底部電極金屬層104的中間區域(該中間區域是指底部電極金屬層104在橫向方向的中間區域，如圖3所示)，這樣在向半導體元件施加形成電壓時，導電細絲更集中在阻變層108的中央區域形成。
本發明還提供了一種半導體元件的製造方法，如圖4所示，包括：步驟S21：在半導體基底中形成底部電極金屬層，其中，所述底部電極金屬層中包含第二抓氧層；所述半導體基底、底部電極金屬層和第二抓氧層的上表面平齊；步驟S22：在所述半導體基底、所述底部電極金屬層和所述第二抓氧層的上表面，依次沉積阻變層組成材料、第一抓氧層組成材料、頂部電極金屬層組成材料；步驟S23：圖案化所述阻變層組成材料、第一抓氧層組成材料、頂部電極金屬層組成材料，形成阻變層、第一抓氧層、頂部電極金屬層，其中，所述阻變層具有可變電阻。
在一些實施例中，所述製作方法包括：在所述阻變層之上，沉積阻氧層組成材料；圖案化所述阻氧層組成材料，形成阻氧層，其中，所述阻氧層位於所述阻變層和第一抓氧層之間，所述阻氧層用於防止所述阻變層中的氧原子擴散。
在一些實施例中，如圖5所示，所述步驟S21包括：步驟S211，在半導體基底上形成底部電極缺口；所述底部電極缺口的上表面的橫向寬度大於下表面的橫向寬度；
步驟S212，在所述底部電極缺口處，沉積底部電極金屬層組成材料，並在所述底部電極金屬層組成材料的中央區域形成第二抓氧層缺口；步驟S213在所述第二抓氧層缺口沉積第二抓氧層材料；步驟S214，採用蝕刻製程或採用化學機械拋光CMP製程去除突出的所述底部電極金屬層組成材料和所述第二抓氧層材料，形成底部電極金屬層和第二抓氧層，使半導體基底、底部電極金屬層和第二抓氧層的上表面平齊。
下面將參考圖6至圖9，對圖5所示的在半導體基底上形成底部電極金屬層和第二抓氧層的過程進行說明。
如圖6所示，提供一個半導體基底100，並在半導體基底中形成底部電極缺口，該缺口貫穿半導體基底100，且該缺口上表面的橫向寬度大於下表面的橫向寬度。
如圖7所示，在所述底部電極缺口處，沉積底部電極金屬層組成材料14，由於底部電極金屬層組成材料的特性，在沉積底部電極金屬層組成材料14時，會在中央區域形成一個V字形的缺口。
如圖8所示，在所述V字形的缺口處，沉積抓氧層組成材料10。
如圖9所示，可採用蝕刻製程或者採用化學機械拋光CMP製程將突出的抓氧層組成材料10和底部電極金屬層組成材料14去除，形成底部電極金屬層104和第二抓氧層210，以使半導體基底100、底部電極金屬層104和第二抓氧層210的上表面平齊。
在一個實施例中，底部電極金屬層104和第二抓氧層210的尺寸滿足如下的關係：F1=D1-(2*D3)；H2=H1*F1/(D1-D2)；其中，所述F1為第二抓氧層210的最大橫向寬度，H2為第二抓氧層210的深度，H1為底部電極金屬層104的深度，D1為底部電極金屬層104的
上表面的橫向寬度，D2為底部電極金屬層104的下表面的橫向寬度，D3為底部電極金屬層104的厚度。
在製備半導體元件時，通常半導體基底100上的底部電極缺口是固定的，即D1、D2已知，那麼，根據上述公式可知，在該底部電極缺口中沉積底部電極金屬層組成材料14時，可通過控制底部電極金屬層104的厚度D3來控制第二抓氧層210的大小。
在一個實施例中，第二抓氧層210的最大橫向寬度小於或等於6奈米。
在另一個實施例中，底部電極金屬層104的上表面的橫向寬度與第二抓氧層210的最大橫向寬度的比率大於或等於20：3。
通過本發明上述實施例提供的半導體元件，第二抓氧層210在阻變層108的特定區域處誘發缺陷的形成，進而在向半導體元件施加形成電壓時，導電細絲更集中在該缺陷區域形成，從而提升元件的穩定性和可靠性。
前述描述旨在使得任何本領域的通常知識者能夠實現和使用本發明內容，並且在特定應用及其要求的上下文中提供。此外，僅出於例證和描述的目的，給出本發明的實施例的前述描述。它們並非旨在為詳盡的或將本發明限制於所公開的形式。因此，許多修改和變型對於本領域的通常知識者將顯而易見，並且本文所定義的一般性原理可在不脫離本發明的實質和範圍的前提下應用於其他實施例和應用。此外，前述實施例的論述並非旨在限制本發明。因此，本發明並非旨在限於所示出的實施例，而是將被賦予與本文所公開的原理和特徵一致的最寬範圍。
100:半導體基底
104:底部電極金屬層
105:阻氧層
106:頂部電極金屬層
108:阻變層
110:第一抓氧層
210:第二抓氧層
Claims (6)
- 一種半導體元件，包括：一半導體基底；位於該半導體基底中的一底部電極金屬層和位於該半導體基底上的一頂部電極金屬層；位於該底部電極金屬層和該頂部電極金屬層之間的一阻變層，該阻變層具有一可變電阻；位於該底部電極金屬層和該頂部電極金屬層之間的一第一抓氧層，該第一抓氧層位於該阻變層之上；以及位於該底部電極金屬層中的一第二抓氧層，該半導體基底、該底部電極金屬層和該第二抓氧層的上表面平齊，該阻變層覆蓋該半導體基底、該底部電極金屬層和該第二抓氧層；其中，該第二抓氧層位於該底部電極金屬層的中央區域；該底部電極金屬層的上表面的橫向寬度大於下表面的橫向寬度；該底部電極金屬層和該第二抓氧層的尺寸滿足如下的關係：F1=D1-(2*D3)；H2=H1*F1/(D1-D2)；其中，F1為該第二抓氧層的最大橫向寬度，H2為該第二抓氧層的深度，H1為該底部電極金屬層的深度，D1為該底部電極金屬層的上表面的橫向寬度，D2為該底部電極金屬層的下表面的橫向寬度，D3為該底部電極金屬層的厚度。
- 根據請求項1所述的半導體元件，該半導體元件還包括：位於該阻變層和該第一抓氧層之間的一阻氧層，該阻氧層用於防止該阻變層中的氧原子擴散。
- 根據請求項1或2所述的半導體元件，該第二抓氧層的最大橫向寬度小於或等於6奈米。
- 一種半導體元件的製造方法，包括下列步驟：在一半導體基底中形成一底部電極金屬層，其中，該底部電極金屬層中包含 一第二抓氧層；該半導體基底、該底部電極金屬層和該第二抓氧層的上表面平齊；在該半導體基底、該底部電極金屬層和該第二抓氧層的上表面，依次沉積阻變層組成材料、第一抓氧層組成材料、頂部電極金屬層組成材料；以及圖案化阻變層組成材料、第一抓氧層組成材料、頂部電極金屬層組成材料，形成一阻變層、一第一抓氧層、一頂部電極金屬層，其中，該阻變層具有可變電阻；所述在該半導體基底上形成該底部電極金屬層包括下列步驟：在該半導體基底上形成一底部電極缺口；該底部電極缺口的上表面的橫向寬度大於下表面的橫向寬度；在該底部電極缺口處，沉積底部電極金屬層組成材料，並在底部電極金屬層組成材料的中央區域形成一第二抓氧層缺口；在該第二抓氧層缺口沉積第二抓氧層材料；以及採用蝕刻製程或採用化學機械拋光CMP製程去除突出的所述底部電極金屬層組成材料和所述第二抓氧層材料，形成該底部電極金屬層和該第二抓氧層，使該半導體基底、該底部電極金屬層和該第二抓氧層的上表面平齊；該底部電極金屬層和該第二抓氧層的尺寸滿足如下的關係：F1=D1-(2*D3)；H2=H1*F1/(D1-D2)；其中，F1為該第二抓氧層的最大橫向寬度，H2為該第二抓氧層的深度，H1為該底部電極金屬層的深度，D1為該底部電極金屬層的上表面的橫向寬度，D2為該底部電極金屬層的下表面的橫向寬度，D3為該底部電極金屬層的厚度。
- 根據請求項4所述的半導體元件的製造方法，所述製造方法還包括下列步驟：在該阻變層之上，沉積阻氧層組成材料；以及圖案化阻氧層組成材料，形成一阻氧層，其中，該阻氧層位於該阻變層和該第一抓氧層之間，該阻氧層用於防止該阻變層中的氧原子擴散。
- 根據請求項4或5所述的半導體元件的製造方法，該第二抓氧層的最大橫向寬度小於或等於6奈米。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010760550.9 | 2020-07-31 | ||
| CN202010760550.9A CN112018237B (zh) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | 半导体器件和半导体器件的制造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202209723A TW202209723A (zh) | 2022-03-01 |
| TWI797653B true TWI797653B (zh) | 2023-04-01 |
Family
ID=73499894
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW110123439A TWI797653B (zh) | 2020-07-31 | 2021-06-25 | 半導體元件和半導體元件的製造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230225226A1 (zh) |
| KR (1) | KR20230042219A (zh) |
| CN (1) | CN112018237B (zh) |
| TW (1) | TWI797653B (zh) |
| WO (1) | WO2022022201A1 (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112018237B (zh) * | 2020-07-31 | 2021-11-23 | 厦门半导体工业技术研发有限公司 | 半导体器件和半导体器件的制造方法 |
| CN113363380A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-07 | 上海华力微电子有限公司 | 阻变存储器及其形成方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102683583A (zh) * | 2011-03-15 | 2012-09-19 | 北京大学 | 单极阻变存储器及其制造方法 |
| US20150295172A1 (en) * | 2014-04-14 | 2015-10-15 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | RRAM Cell with Bottom Electrode |
| CN106654004A (zh) * | 2015-10-29 | 2017-05-10 | 华邦电子股份有限公司 | 电阻式存储器及其制造方法 |
| CN107403822A (zh) * | 2016-05-20 | 2017-11-28 | 华邦电子股份有限公司 | 电阻式随机存取内存及其制造方法 |
| US20190273205A1 (en) * | 2018-03-05 | 2019-09-05 | International Business Machines Corporation | ReRAM DEVICE RESISTIVITY CONTROL BY OXIDIZED ELECTRODE |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8362454B2 (en) * | 2008-08-12 | 2013-01-29 | Industrial Technology Research Institute | Resistive random access memory having metal oxide layer with oxygen vacancies and method for fabricating the same |
| US20150137286A1 (en) * | 2013-05-31 | 2015-05-21 | T3Memory, Inc. | Method to form mram by dual ion implantation |
| US20150188039A1 (en) * | 2013-12-26 | 2015-07-02 | Intermolecular Inc. | Embedded Resistors with Oxygen Gettering Layers |
| US10903421B2 (en) * | 2018-10-01 | 2021-01-26 | International Business Machines Corporation | Controlling filament formation and location in a resistive random-access memory device |
| CN112018237B (zh) * | 2020-07-31 | 2021-11-23 | 厦门半导体工业技术研发有限公司 | 半导体器件和半导体器件的制造方法 |
-
2020
- 2020-07-31 CN CN202010760550.9A patent/CN112018237B/zh active Active
-
2021
- 2021-06-25 TW TW110123439A patent/TWI797653B/zh active
- 2021-06-29 KR KR1020227043425A patent/KR20230042219A/ko active Search and Examination
- 2021-06-29 WO PCT/CN2021/103127 patent/WO2022022201A1/zh active Application Filing
- 2021-06-29 US US18/009,530 patent/US20230225226A1/en active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102683583A (zh) * | 2011-03-15 | 2012-09-19 | 北京大学 | 单极阻变存储器及其制造方法 |
| US20150295172A1 (en) * | 2014-04-14 | 2015-10-15 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | RRAM Cell with Bottom Electrode |
| CN106654004A (zh) * | 2015-10-29 | 2017-05-10 | 华邦电子股份有限公司 | 电阻式存储器及其制造方法 |
| CN107403822A (zh) * | 2016-05-20 | 2017-11-28 | 华邦电子股份有限公司 | 电阻式随机存取内存及其制造方法 |
| US20190273205A1 (en) * | 2018-03-05 | 2019-09-05 | International Business Machines Corporation | ReRAM DEVICE RESISTIVITY CONTROL BY OXIDIZED ELECTRODE |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112018237B (zh) | 2021-11-23 |
| TW202209723A (zh) | 2022-03-01 |
| KR20230042219A (ko) | 2023-03-28 |
| WO2022022201A1 (zh) | 2022-02-03 |
| US20230225226A1 (en) | 2023-07-13 |
| CN112018237A (zh) | 2020-12-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101625762B1 (ko) | 바닥 전극을 갖는 ｒｒａｍ 셀 | |
| TWI797653B (zh) | 半導體元件和半導體元件的製造方法 | |
| US11751406B2 (en) | 3D RRAM cell structure for reducing forming and set voltages | |
| TW201731089A (zh) | 電阻式隨機存取記憶體單元 | |
| CN110140212A (zh) | 三维存储器件的字线接触结构及其制作方法 | |
| US10096654B2 (en) | Three-dimensional resistive random access memory containing self-aligned memory elements | |
| TWI776362B (zh) | 記憶體胞元及其製造方法 | |
| WO2012162867A1 (zh) | 一种采用电场增强层的阻变存储器结构及其制备方法 | |
| CN102217067A (zh) | 非易失性存储装置及其制造方法 | |
| TWI612565B (zh) | 電阻式隨機存取記憶體裝置 | |
| TWI391993B (zh) | 形成具矽化物層之半導體裝置之方法 | |
| TW202201650A (zh) | 記憶體裝置及其形成方法 | |
| CN111584711B (zh) | 一种rram器件及形成rram器件的方法 | |
| WO2022017137A1 (zh) | 半导体器件和半导体器件的制造方法 | |
| JP2012059862A (ja) | 不揮発性記憶装置及びその製造方法 | |
| CN112018234A (zh) | 半导体器件和半导体器件的制造方法 | |
| US20220085288A1 (en) | Rram bottom electrode | |
| TWI737308B (zh) | 用於電容匹配的積體電路及製造包括mfmis-fet的積體電路的方法 | |
| WO2013003978A1 (zh) | 包含钌掺杂的氧化钽基电阻型存储器及其制备方法 | |
| JP5572056B2 (ja) | 記憶装置及びその製造方法 | |
| JP2015065240A (ja) | 電流制御素子およびその製造方法 | |
| WO2024139948A1 (zh) | 磁性存储单元的制造方法 | |
| US11222844B2 (en) | Via structures for use in semiconductor devices | |
| CN112018235B (zh) | 半导体器件和半导体器件的制造方法 | |
| WO2022095609A1 (zh) | 存储器的电容连接线的制作方法和存储器 |