非易失性半导体存储器设备及其生产方法

专利名称：非易失性半导体存储器设备及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种非易失性半导体存储器设备，更具体来说，本发明涉及一种利用 了可变电阻元件的非易失性半导体存储器设备，所述可变电阻元件具有第一电极、第二电 极以及形成在这些电极之间的可变电阻器，其中通过在这两个电极之间施加电压来使得由 这两个电极之间的电流-电压特性所表示的电阻态可逆地变换到两个或更多个不同电阻 态，并且可以按照非易失性的方式保持所述变换后的电阻态；本发明还涉及一种用于生产 所述非易失性半导体存储器设备的方法。
背景技术：
随着移动电子设备的流行，需要大容量且便宜的非易失性存储器能够在断电时保 持所存储的数据。为了满足这一要求，已经陆续开发出多种非易失性存储器，比如闪速存储 器、铁电存储器(FeRAM),磁阻改变存储器(MRAM)、相位改变存储器(PCRAM)、固态电解质存 储器(CBRAM)、以及电阻改变存储器(RRAM)(参照W. W Zhuang等人的“Novell Colossal Magnetoresistive Thin Film Nonvolatile Resistance Random Access Memory (RRAM)"， IEDM Technical Digest，第193-196页，2002年12月)。在上述的非易失性存储器中，所 述RRAM特别引人注意，这是因为可以执行高速写入，并且可以把简单的二元过渡金属氧化 物用作其材料，从而可以令其容易生产并且对于现有的CMOS工艺具有高度亲和性。在利用了所述RRAM的存储器单元阵列中，可以实施最高容量的存储器单元与阵 列结构的组合是具有IR结构的交叉点型存储器单元阵列。然而，当使用具有IR结构的所述 交叉点型存储器单元阵列时，必须采取措施防止泄漏电流。因此，作为避免所述泄漏电流问 题的电流限制元件，已经提出了具有晶体管的被称作ITlR结构的或者具有二极管的IDlR 结构的存储器单元结构(参照日本专利申请特许公开No. 2004-363604 ；日本专利申请特 许公开No. 2008-198941 ；I. G. Baek等人的“Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses，，， IEDM Technical Digest, 2004 年 12 月；以及 Z. Wei 等人的 “Highly Reliable TaOx ReRAM and Direct Evidence of Redox Reaction Mechanism，，，IEDM Technical Digest, 第 293-296 页，2008 年 12 月)。图12是根据上述常规技术的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列500 的横截面结构图，以及图13是等效电路图。在这种配置中，一个存储器单元由选择晶体管 502和可变电阻元件504构成。所述选择晶体管502由栅极绝缘膜510、栅极电极512、漏极 区514和源极区516构成，并且被形成在半导体衬底508的上表面上，其中元件隔离区506 被形成在所述半导体衬底508中。另外，所述可变电阻元件504由下方电极522、可变电阻 器524、以及上方电极5 构成。所述晶体管502的栅极电极512充当字线(WL)，以及源极线(SL) 518通过形成在 第一层间绝缘膜532中的接触插头536被电连接到所述晶体管502的源极区516。另外， 位线(BL)520通过形成在第三层间绝缘膜534中的接触插头539被电连接到被所述层间绝缘膜5；34所覆盖的所述可变电阻元件504的上方电极526，同时所述可变电阻元件504的 下方电极522通过形成在第二层间绝缘膜533中的接触插头538和金属布线(wiring) 519 以及形成在所述第一层间绝缘膜532中的接触插头537被电连接到所述晶体管502的漏极 区514。此外，所述位线520还通过接触插头535被连接到下层金属布线521，以便连接到 外围电路。另外，在所述存储器单元阵列500中，如图13中的等效电路图所示，两个存储器 单元共享一条源极线518。因此，根据其中所述选择晶体管502和所述可变电阻元件504被串联布置的配置， 通过所述字线512的电位改变而选择的存储器单元中的晶体管被接通，并且只有在通过所 述位线520的电位改变而选择的存储器单元中的可变电阻元件504中才能选择性地执行编 程或擦除。图12中示出的常规的存储器单元阵列500通常是根据图14中所示的流程图来生 产的。另外，下面的描述中的步骤分别对应于图14中所示的流程图的步骤。首先，通过公知的技术在所述半导体衬底508上形成所述元件隔离区506 (比如 STI 浅沟槽隔离)和所述晶体管502(比如MOS晶体管)，通过公知的技术形成所述第一层间 绝缘膜532，形成用于连接到所述晶体管502的源极区516的接触插头536和用于连接到所 述晶体管502的漏极区514的接触插头537，并且分别在所述接触插头536和接触插头537 上形成所述金属布线(源极线)518和金属布线519 (步骤#601 金属布线形成步骤)。随后，形成所述第二层间绝缘膜533 (步骤#602 层间绝缘膜形成步骤)，并且通过 公知的技术在通过所述接触插头537连接到所述晶体管502的漏极区514的金属布线519 上方形成开口以便穿透所述金属布线519上的层间绝缘膜533(步骤#603 开口形成步骤)。随后，通过公知的技术填充所述金属布线519上方的开口以形成所述接触插头
538(步骤#604 插头形成步骤)，并且随后顺序地沉积所述可变电阻元件504的下方电极 522、可变电阻器5M和上方电极5 (步骤#605 下方电极膜沉积步骤；步骤#606 可变电 阻器膜沉积步骤；步骤#607 上方电极膜沉积步骤)。随后，通过公知的光刻和蚀刻来模制(pattern)所述下方电极522、可变电阻器 5 和上方电极526，以便形成所述可变电阻元件504(步骤#608 可变电阻元件形成步骤)。随后，形成所述第三层间绝缘膜534 (步骤#609 层间绝缘膜形成步骤)，并且随后 通过公知的技术在所述可变电阻元件504的上方电极5 上方形成开口(步骤#610 开口 形成步骤)。随后，通过公知的技术填充所述上方电极5 上方的开口以形成所述接触插头
539(步骤#611 插头形成步骤)，随后沉积所述金属膜(步骤#612 金属膜沉积步骤)，并且 随后通过公知的光刻和蚀刻模制所述金属膜，从而形成连接到所述接触插头539的所述上 层金属布线(位线)520 (步骤#613 金属布线形成步骤)。因此，在生产常规的非易失性半导体存储器设备时，必须通过重复利用了光刻的 所述工艺步骤来形成所述可变电阻元件504、电连接所述下方电极522与所述金属布线519 的所述接触插头538、电连接所述上方电极526与所述金属布线520的所述接触插头539、 以及电连接外围电路中的所述下层金属布线521与所述上层金属布线520的所述接触插头 535，这使得光掩模的数目增加并且使得各生产步骤变得复杂。

发明内容
鉴于上述问题而作出了本发明，本发明的一个目的在于提供一种非易失性半导体 存储器设备及其生产方法，所述非易失性半导体存储器设备具有的结构使得，光掩模的数 目减少，生产步骤的数目减少，成本低，并且生产率和产能较高。作为第一特征，用以实现上述目的的根据本发明的非易失性半导体存储器设备包 括布置成矩阵形式的多个可变电阻元件，所述可变电阻元件包括第一电极、第二电极以及 夹在所述第一电极和所述第二电极之间的可变电阻器，其中通过在所述第一电极和所述第 二电极之间施加电压来使得由所述第一电极与第二电极之间的电流-电压特性所表示的 电阻态变换到两个或更多个不同状态，并且按照非易失性的方式保持所述变换后的电阻 态，其中，在第一金属布线上方形成第一开口以便穿透提供在所述第一金属布线上的层间 绝缘膜，在与所述第一金属布线提供为同一层的第二金属布线上方形成第二开口以便穿透 提供在所述第二金属布线上的层间绝缘膜，在具有底部和侧壁的所述第一开口的至少整个 底部上形成所述可变电阻器以便与所述第一金属布线相接触，并且所述第一电极被形成为 覆盖提供在所述底部上的所述可变电阻器，使得所述可变电阻元件由所述可变电阻器、所 述第一电极、以及作为所述第一金属布线的至少一部分的所述第二电极形成，所述可变电 阻器沿着所述第二开口的侧壁存在于其底部的内周部分，在所述第二开口的底部的中心部 分提供不具有所述可变电阻器的接触区，并且第三金属布线被形成为通过所述接触区被直 接连接到所述第二金属布线。除了所述第一特征之外，作为第二特征，在根据本发明的非易失性半导体存储器 设备中，所述第一开口的侧壁和所述第二开口的侧壁都被所述可变电阻器所覆盖。除了所述第一或第二特征之外，作为第三特征，在根据本发明的非易失性半导体 存储器设备中，所述第一电极以插头的形式被填充在所述第一开口中。关于根据所述第一到第三特征中的任一个的非易失性半导体存储器设备，所述两 种开口被形成在同一层间绝缘膜中以便穿透该层间绝缘膜，所述可变电阻元件被形成在所 述第一开口中的所述第一金属布线上，并且在所述第二金属布线上形成一个通路孔(via hole)，以便在所述第二开口中连接所述第二金属布线与所述第三金属布线。因此，由于不需要单独形成用以连接所述第一金属布线与所述第二电极的接触插 头，所以所提供的非易失性半导体存储器设备具有的结构使得，光掩模的数目减少，成本 低，并且生产率和产能较高。此外，所提供的非易失性半导体存储器设备具有的结构使得，可以利用一个简单 的生产步骤，通过所述第二开口来确保把所述第一开口中的所述可变电阻元件的形成与所 述第二金属布线和所述第三金属布线之间的欧姆接触分开。除了所述第一到第三特征中的任一个之外，作为第四特征，在根据本发明的非易 失性半导体存储器设备中，所述第二开口的开口面积大于所述第一开口的开口面积。关于根据所述第四特征的非易失性半导体存储器设备，通过使得所述第一开口与 第二开口之间的开口面积有差异，确保分别在具有小的开口面积的所述第一开口和具有大 的开口面积的所述第二开口中分开形成所述可变电阻元件和用以连接所述第二金属布线 与第三金属布线的所述通路孔。此外，由于所述第二开口的开口面积大，因此所述第二开口中的接触区的面积大，从而减小了所述第二金属布线与第三金属布线之间的接触电阻并且实施了优选的欧姆接 触。除了所述第一到第四特征中的任一个之外，作为第五特征，在根据本发明的非易 失性半导体存储器设备中，所述第三金属布线被直接连接到所述第二金属布线和形成在所 述第一开口中的第一电极。关于根据所述第五特征的非易失性半导体存储器设备，由于所述第二金属布线通 过所述第三金属布线被电连接到所述第一电极，因此所述第三金属布线可以构成部分布 线，从而所提供的非易失性半导体存储器设备具有的结构使得，成本低，并且生产率和产能 较高。除了所述第一到第五特征中的任一个之外，作为第六特征，在根据本发明的非易 失性半导体存储器设备中，按照矩阵的形式在行和列的方向上把多个第一开口布置在所述 第一金属布线上方，属于同一列的第一电极通过在所述列方向上延伸的第三金属布线彼此 连接，关于每个所述第一开口来提供多个选择元件，每个所述选择元件的一端通过岛状的 第一金属布线被连接到所述第二电极，属于同一行的选择元件的另一端通过在所述行方向 上延伸的第四布线彼此连接。关于根据所述第六特征的非易失性半导体存储器设备，由于所述存储器单元具有 串联连接的可变电阻元件和选择元件，因此能够以低成本实施高度可靠的非易失性半导体 存储器设备，其中防止泄漏电流并且可以稳定地执行所述可变电阻元件的写和读操作。除了所述第六特征之外，作为第七特征，在根据本发明的非易失性半导体存储器 设备中，所述选择元件是晶体管。除了所述第七特征之外，作为第八特征，在根据本发明的非易失性半导体存储器 设备中，所述选择元件是薄膜晶体管。关于根据所述第七或第八特征的非易失性半导体存储器设备，由于在生产工艺中 可以使用常规上所用的通用LSI工艺，因此所提供的非易失性半导体存储器设备具有的结 构使得，可以容易地制定所述工艺。另外，由于把薄膜晶体管(TFT)用作所述选择元件，因 此可以容易地在被用来生产液晶显示器的玻璃衬底上生产所提供的非易失性半导体存储 器设备的结构。除了所述第一到第五特征中的任一个之外，作为第九特征，在根据本发明的非易 失性半导体存储器设备中，按照矩阵的形式在行和列的方向上把多个第一开口布置在所述 第一金属布线上方，属于同一列的第一电极通过在所述列方向上延伸的第三金属布线彼此 连接，属于同一行的第二电极通过在所述行方向上延伸的第一金属布线彼此连接。关于根据所述第九特征的非易失性半导体存储器设备，由于所述第一开口被形成 于在所述行方向上延伸的第一金属布线与在所述列方向上延伸的第三金属布线的交叉处， 并且所述可变电阻元件被形成在所述第一开口中，因此可以提供成本低并且生产率和产能 较高的交叉点型非易失性半导体存储器设备。除了所述第一到第九特征中的任一个之外，作为第十特征，在根据本发明的非易 失性半导体存储器设备中，所述可变电阻器由过渡金属氧化物或氧化铝或者过渡金属氮氧 化物形成。除了所述第十特征之外，作为第十一特征，在根据本发明的非易失性半导体存储器设备中，所述可变电阻器由包含从至少Ni、Co、Ti、Ta、Hf、W、Cu和Al中选择的一种元素 的氧化物或氮氧化物形成。关于根据所述第十一特征的非易失性半导体存储器设备，由于可以使用常规上在 半导体工艺中所用的通用材料，因此所提供的非易失性半导体存储器设备具有的结构使 得，可以容易地制定所述工艺。作为第一特征，用于生产根据本发明的非易失性半导体存储器设备以实现上述目 的的方法是用于生产根据所述第一特征的非易失性半导体存储器设备的方法，其包括以下 步骤在衬底上形成第一金属布线和第二金属布线，并且在所述第一金属布线和所述第二 金属布线上形成可变电阻器；在整个表面上形成层间绝缘膜以覆盖所述可变电阻器；在所 述第一金属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述可变电阻器的第一开口，并且 在所述第二金属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述可变电阻器的第二开口； 在整个表面上沉积第一电极，以便完全填充所述第一开口，但是不完全填充并且不覆盖所 述第二开口 ；对所述第一电极进行背蚀刻，直到在所述第二开口中暴露出所述可变电阻器 的表面，其中所述第一开口被所述第一电极填充；对所述第二金属布线上的所述可变电阻 器进行背蚀刻，直到在所述第二开口中暴露出所述第二金属布线的表面，其中所述第一开 口被所述第一电极填充；在所述第二开口中所暴露出的第二金属布线上以及在所述第一开 口中所形成的第一电极上形成第三金属布线。除了所述第一特征之外，作为第二特征，在用于生产根据本发明的非易失性半导 体存储器设备的方法中，在形成所述可变电阻器的步骤中把所述可变电阻器沉积在整个表 面上。作为第三特征，用于生产根据本发明的非易失性半导体存储器设备以实现上述目 的的方法是用于生产根据所述第一特征的非易失性半导体存储器设备的方法，其包括以下 步骤在衬底上形成全都包含最上方氧化目标金属膜的第一金属布线和第二金属布线；在 整个表面上形成层间绝缘膜以覆盖所述第一金属布线和所述第二金属布线；在所述第一金 属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述氧化目标金属膜的第一开口，并且在所 述第二金属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述氧化目标金属膜的第二开口； 对暴露于所述第一开口和所述第二开口的底部的所述氧化目标金属膜进行氧化，并且形成 包含所述氧化目标金属膜的氧化物的可变电阻器；在整个表面上沉积第一电极，以便完全 填充所述第一开口，但是不完全填充并且不覆盖所述第二开口 ；对所述第一电极进行背蚀 刻，直到在所述第二开口中暴露出所述可变电阻器的表面，其中所述第一开口被所述第一 电极填充；通过背蚀刻去除在所述第二开口中所暴露出的所述可变电阻器，其中所述第一 开口被所述第一电极填充；在所述第二开口中所暴露出的第二金属布线上以及在所述第一 开口中所形成的第一电极上形成第三金属布线。作为第四特征，用于生产根据本发明的非易失性半导体存储器设备以实现上述目 的的方法是用于生产根据所述第二到第五特征中的任一个的非易失性半导体存储器设备 的方法，其包括以下步骤在衬底上形成第一金属布线和第二金属布线；在整个表面上形 成层间绝缘膜以覆盖所述第一金属布线和所述第二金属布线；在所述第一金属布线上的所 述层间绝缘膜中形成其深度达到所述第一金属布线的第一开口，并且在所述第二金属布线 上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述第二金属布线的第二开口 ；在整个表面上沉积可变电阻器，以便不完全填充所述第一开口和所述第二开口，并且不覆盖所述第一开口和 所述第二开口 ；在整个表面上沉积第一电极，以便完全填充所述第一开口，但是不完全填充 并且不覆盖所述第二开口 ；对所述第一电极进行背蚀刻，直到在所述第二开口中暴露出所 述可变电阻器的表面，其中所述第一开口被所述第一电极填充；对所述可变电阻器进行背 蚀刻，直到在所述第二开口中暴露出所述第二金属布线的表面，其中所述第一开口被所述 第一电极填充；在所述第二开口中所暴露出的第二金属布线上以及在所述第一开口中所形 成的第一电极上形成第三金属布线。关于生产根据所述第一到第四特征中的任一个的非易失性半导体存储器设备的 方法，在同一层间绝缘膜中同时形成所述两种开口以便穿透该层间绝缘膜，在沉积了所述 第一电极之后，在所述第一金属布线上的第一开口中形成所述可变电阻元件，并且同时通 过背蚀刻在所述第二金属布线上的第二开口中形成用以连接所述第二金属布线与第三金 属布线的通路孔。因此，所生产的非易失性半导体存储器设备具有的结构使得，在生产时光 掩模的数目减少，成本低，并且生产率和产能较高。当在所述第一开口和所述第二开口中沉积所述金属膜时，例如通过调节所沉积的 金属膜的厚度使得所述第一开口被所述金属膜完全填充，同时所述第二开口被所述金属膜 不完全填充。结果，在所述金属布线上方全部沉积了所述金属膜之后，当对所述金属膜进行 背蚀刻并且将之去除直到在所述第二开口中暴露出底部金属布线层的表面时，所述金属膜 被留在所述第二开口的侧壁上，同时在底部暴露出所述金属布线层，从而可以形成连接各 金属布线层的通路孔。与此同时，在所述背蚀刻之后，所填充的金属膜保留在所述第一开口 的底部和侧壁上。根据本发明，在形成了所述第一和第二开口之后，至少全部沉积所述第一 电极和所述可变电阻器，并且执行所述背蚀刻，其中可以在所述第一开口中处理所述可变 电阻元件的第一电极，并且同时在所述第二开口的底部形成其中暴露出所述第二金属布线 的接触区。因此，所述第二金属布线和所述第三金属布线可以在所述接触区中直接相连。因此，可以利用一个简单的生产步骤，通过所述第二开口确保把所述第一开口中 的所述可变电阻元件的形成与所述第二金属布线和所述第三金属布线之间的欧姆接触分 开。此外，由于可以减少所述可变电阻元件的第一电极和第二电极以及所述可变电阻 器的处理步骤数目，并且不需要分开形成用以连接所述第一金属布线和第二电极的接触插 头，因此所提供的非易失性半导体存储器设备具有的结构使得，成本低，并且生产率和产能 较高。除了所述第一到第四特征中的任一个之外，作为第五特征，在用于生产根据本发 明的非易失性半导体存储器设备的方法中，在形成所述第一开口和所述第二开口的步骤 中，所述第二开口的开口面积被形成为大于所述第一开口的开口面积。根据本发明，基于将要蚀刻的所述金属膜和可变电阻器的膜厚度以及蚀刻方法来 设置所述开口的尺寸和形状，从而通过背蚀刻在所述第一开口中形成所述可变电阻元件， 并且在所述第二开口中形成所述通路孔。关于生产根据所述第五特征的非易失性半导体存 储器设备的方法，通过使得所述第一和第二开口的开口面积有差异，确保在具有小的开口 面积的所述第一开口和具有大的开口面积的所述第二开口中分开形成所述可变电阻元件 和用以连接所述第二金属布线与第三金属布线的所述通路孔。此外，由于所述第二开口的开口面积大，因此所述第二开口中的接触区的面积大，从而减小了所述第二金属布线与第 三金属布线之间的接触电阻并且实现了优选的欧姆接触。此外，除了所述第一到第五特征中的任一个之外，作为第六特征，用于生产根据本 发明的非易失性半导体存储器设备的方法还包括形成连接到所述可变电阻元件的第二电 极的选择元件的步骤。关于生产根据所述第六特征的非易失性半导体存储器设备的方法，由于所述存储 器单元具有串联连接的可变电阻元件和选择元件，因此能够在低成本下以高可靠性实施所 生产的非易失性半导体存储器设备，其中防止泄漏电流并且可以稳定地执行所述可变电阻 元件的写和读操作。除了所述第六特征之外，作为第七特征，在用于生产根据本发明的非易失性半导 体存储器设备的方法中，所述选择元件是晶体管。除了所述第七特征之外，作为第八特征，在用于生产根据本发明的非易失性半导 体存储器设备的方法中，所述选择元件是薄膜晶体管。关于生产根据所述第七或第八特征的非易失性半导体存储器设备的方法，由于把 晶体管用作所述选择元件，因此可以使用常规上所用的通用LSI工艺，从而可以容易地制 定所述工艺。另外，由于把薄膜晶体管(TFT)用作所述选择元件，因此可以容易地在被用来 生产液晶显示器的玻璃衬底上提供所生产的非易失性半导体存储器设备。除了所述第一到第八特征中的任一个之外，作为第九特征，在用于生产根据本发 明的非易失性半导体存储器设备的方法中，所述可变电阻器由过渡金属氧化物或氧化铝或 者过渡金属氮氧化物形成。除了所述第九特征之外，作为第十特征，在用于生产根据本发明的非易失性半导 体存储器设备的方法中，所述可变电阻器由包含从至少Ni、Co、Ti、Ta、Hf、W、Cu和Al中选 择的一种元素的氧化物或氮氧化物形成。关于生产根据所述第十特征的非易失性半导体存储器设备的方法，由于可以使用 常规上在半导体工艺中所用的通用材料，因此可以容易地制定所述工艺。因此，本发明所提供的非易失性半导体存储器设备具有的结构使得，光掩模的数 目减少，生产步骤减少或简化，成本低，并且生产率和产能较高。


图1是根据本发明的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的示意性横 截面结构图2是根据本发明的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示意性横截面 结构图3是根据本发明的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示意性横截面 结构图4是根据本发明的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示意性横截面 结构图5是根据本发明的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示意性横截面 结构图；图6是根据本发明的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示意性横截面 结构图7是根据本发明的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示意性横截面 结构图8是根据本发明的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示意性横截面 结构图9是示出根据本发明的非易失性半导体存储器设备的生产步骤的流程图； 图10是根据本发明另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的 示意性横截面结构图11是根据本发明另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的 示意性横截面结构图12是常规的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的示意性横截面结构
图13是所述常规的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的等效电路图； 图14是示出所述常规的非易失性半导体存储器设备的生产步骤的流程图； 图15是根据本发明第二实施例的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的示 意性横截面结构图16是根据本发明第二实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图17是根据本发明第二实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图18是根据本发明第二实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图19是根据本发明第二实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图20是根据本发明第二实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图21是根据本发明第二实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图22是示出根据本发明第二实施例的非易失性半导体存储器设备的生产步骤的流程
图23是根据本发明第三实施例的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的示 意性横截面结构图M是根据本发明第三实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图25是根据本发明第三实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图26是根据本发明第三实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图；图27是根据本发明第三实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步骤中的示 意性横截面结构图观是示出根据本发明第三实施例的非易失性半导体存储器设备的生产步骤的流程
图四是根据本发明另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的 示意性横截面结构图30是根据本发明的所述另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步 骤中的示意性横截面结构图31是根据本发明的所述另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步 骤中的示意性横截面结构图32是根据本发明的所述另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步 骤中的示意性横截面结构图33是根据本发明的所述另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步 骤中的示意性横截面结构图34是根据本发明的所述另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步 骤中的示意性横截面结构图35是根据本发明的所述另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的一个生产步 骤中的示意性横截面结构图36是根据本发明另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的 示意性横截面结构图37是根据本发明另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的 示意性横截面结构图38是根据本发明另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的 示意性横截面结构图；以及
图39是根据本发明另一个实施例的非易失性半导体存储器设备的存储器单元阵列的 示意性横截面结构图。
具体实施例方式第一实施例。下文中将参照附图描述根据本发明的一个实施例的非易失性半导体存储器设备 (下文中偶尔称为“本发明的设备100”)及其生产方法(下文中偶尔称为“本发明的方法 1”)。图1是根据本实施例的本发明的设备100中的存储器单元阵列200的示意性横截 面结构图。另外，在下面的示意性横截面结构图中，适当地强调了重要的部分，并且图中的 每个组件的尺寸比例不总是与实际尺寸比例相符。在后面的各实施例中也是如此。如图1中所示，通过按照矩阵的形式在行方向和列方向上布置形成在第一开口 128中的岛状第一金属布线119上的各个可变电阻元件104 (参照图4)来配置所述存储器 单元阵列200。第三金属布线120在所述列方向上延伸，并且充当由属于同一列的各可变 电阻元件的第一电极1 借以彼此连接的位线。与此同时，晶体管102的栅极电极112在所述行方向(垂直于图1的纸面)上延伸并且充当字线，以及源极线118在所述行方向上延 伸并且通过形成在第一层间绝缘膜132中的接触插头136被电连接到所述晶体管102的源 极区116。另外，所述晶体管102通过漏极区114、形成在所述第一层间绝缘膜132中的接 触插头137、以及所述岛状第一金属布线119被连接到所述可变电阻元件104的第二电极 122。因此，所述存储器单元阵列200具有ITlR结构。在每个第一开口 1 中，形成可变电阻器124以便覆盖所述第一开口 1 的底部 和侧壁的整个表面，并且形成插头形状的所述第一电极126以便覆盖所述可变电阻器124。 因此，所述可变电阻元件104由所述第一电极(上方电极)126、充当所述第一金属布线119 的最上层的第二电极(下方电极)122、以及所述可变电阻器IM构成。所述可变电阻器由过 渡金属氧化物或氧化铝或者过渡金属氮氧化物形成，并且这里由氧化钽(Ta2O5)形成。作为 其他优选的材料，可以使用Ni、Co、Ti、Hf、W、Cu、Al的氧化物或氮氧化物。此外，在与所述第一金属布线119提供为同一层的第二金属布线121上方形成其 开口面积大于所述第一开口 1 的开口面积的第二开口 129 (参照图4)。虽然所述第二开 口 1 的侧壁的整个表面都被所述可变电阻器IM覆盖，但是所述第二开口 1 的底部的 中心部分并不被所述可变电阻器所覆盖，并且存在借以暴露出所述第二金属布线121的接 触区，从而所述第二金属布线121和所述位线120通过所述接触区被直接相连。因此，所述 位线120通过形成在所述第二开口 1 中的通路孔被连接到所述第二金属布线121，从而所 述存储器单元阵列200被连接到诸如位线译码器(未示出)或读取电路(未示出)之类的外 围电路。所述存储器单元阵列200的每条位线被连接到所述位线译码器，并且每条字线被 连接到字线译码器，从而构成本发明的设备100。当通过所述位线译码器或字线译码器把选 择电压施加到所选择的存储器单元并且把非选择电压施加到未选择的存储器单元时，本发 明的设备100可以向存储器单元写入数据以及从存储器单元读取数据。另外，关于所述位 线译码器和字线译码器的具体配置以及在所述存储器单元的读写操作中被施加到每个存 储器单元的所述选择电压和非选择电压，可以使用多种公知的配置，因此这里省略其描述。 另外，对于在所述读取操作中使用的读取电路的配置也可以使用多种公知的配置，但是这 些并非本发明的要点，因此省略其描述。接下来将参照附图详细描述用于生产本发明的设备100的方法(本发明的方法 1)。图2到图8是用以生产本发明的设备100的步骤中的示意性横截面结构图。另外， 图9是示出本发明的设备100的生产步骤的流程图。另外，下面的描述中的每个步骤代表 图9中的流程图的每个步骤。另外，在每个生产步骤中沉积的每个膜的膜厚度的数值仅仅 是一个例子，并且所述膜厚度不限于该值。在后面的各实施例中也是如此。首先，如图2中所示，在半导体衬底108上形成元件隔离区106以及由栅极绝缘膜 110、栅极电极112、漏极区114和源极区116构成的晶体管102，随后在其上沉积第一层间 绝缘膜132，并且适当地形成用以连接到所述源极区116的接触插头136和用以连接到所述 漏极区114的接触插头137。随后，例如通过公知的蚀刻形成所述源极线118、第一金属布 线119、以及第二金属布线121(其具有通过例如溅射法沉积的TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti结构)， 这是利用通过公知的光刻形成的抗蚀图案作为掩模而实现的(步骤#301 金属布线形成步骤)。被形成为所述第一金属布线119中的具有大约60nm膜厚度的最上层的TiN膜充当所 述可变电阻元件的下方电极(第二电极)122。可替换地，可以按照以下方式形成所述源极线118、第一金属布线119和第二金属 布线121 在形成层间绝缘膜之后，通过公知的金属镶嵌技术利用Cu填充在所述层间绝缘 膜中形成的沟槽。随后，如图3中所示，通过等离子CVD在整个表面上沉积充当第二层间绝缘膜的 SiO2膜133，以便在所述金属布线上例如以200nm的厚度覆盖所述第一和第二金属布线(步 骤#302 层间绝缘膜形成步骤)。可替换地，此时可以通过等离子CVD来沉积厚度为SOOnm 的所述第二层间绝缘膜133，并且随后通过公知的CMP在所述第一和第二金属布线上研磨 成200nm的厚度。随后，如图4中所示，利用通过公知的光刻形成的抗蚀图案作为掩模，在所述第一 金属布线119上的第二层间绝缘膜133中的可变电阻元件形成区中形成所述第一开口 1 以便达到所述第一金属布线119，并且在所述第二金属布线121上的第二层间绝缘膜133中 的接触孔形成区中形成所述第二开口 1 以便达到所述第二金属布线121，这是通过公知 的蚀刻同时实现的(步骤#303 开口形成步骤)。此时，所述第一开口 1 和第二开口 1 的形状和尺寸被设置成使得在下面将描 述的沉积上方电极(第一电极)的步骤中，所述第一开口 1 被所述第一电极完全填充，同时 所述第二开口 1 被所述第一电极不完全填充。举例来说，可以通过以下措施来控制所述 第一电极在各开口中的填充状态当所述开口为椭圆形时使其短径有差异，以及当所述开 口为矩形时使其短边有差异。另外，为了令所述第一开口 1 被所述第一电极完全填充并 且令所述第二开口 1 被所述第一电极不完全填充，所述第二开口 1 的开口面积优选地 大于所述第一开口 1 的开口面积。这里，所述第一开口的直径为200nm，所述第二开口的 直径为600nm。随后，如图5中所示，作为所述可变电阻器的一个例子，通过溅射法在整个表面上 沉积厚度为IOnm的Ta2O5膜124，以便不完全填充所述第一开口 1 和第二开口 1 并且 不覆盖所述第一开口 1 和第二开口 129 (步骤#304:可变电阻器膜沉积步骤)。另外，例如恰好在沉积所述可变电阻器IM之前，此时优选地通过用氩气进行反 溅射来对充当所述下方电极122的金属布线119执行表面清洁处理。随后，如图6中所示，作为所述上方电极(第一电极)的一个例子，例如通过溅射法 和CVD在整个表面上沉积厚度为200nm/10nm/20nm的具有W/TiN/Ta结构的膜126，以便完 全填充所述第一开口 1 但是不完全填充所述第二开口 129 (步骤#305:上方电极膜沉积 步骤)。随后，如图7中所示，对所述第一电极1 进行背蚀刻，直到在所述第二开口 1 的底部暴露出所述可变电阻器1 的表面(通过利用3&进行干蚀刻实现)，从而例如去除形 成在所述第二层间绝缘膜133上的第一电极126。此外，对所述可变电阻器IM进行背蚀刻， 直到在所述第二开口 1 的底部暴露出所述第二金属布线的表面，从而去除所述第二开口 129的底部中的所述可变电阻器124 (步骤#306 背蚀刻步骤)。另外，对所述第一电极1 的背蚀刻和对所述可变电阻器124的背蚀刻是顺序地执行的。此时，对背蚀刻时间进行调 节，从而在所述第一开口 1 中提供所述可变电阻元件104时使得所述第一电极1 保持插头的形状，并且所述Ta2O5膜作为所述可变电阻器IM夹在所述第一电极1 与所述第二 电极122之间。因此，在所述第一开口 1 中形成所述可变电阻元件104，同时在所述第二开口 129中形成用以连接所述第二金属布线121和上方金属布线的通路孔130。随后，如图8中所示，通过溅射法或类似方法在整个表面上沉积具有TiN/Ti/ AlCu/TiN/Ti结构的金属膜120(步骤#307 金属膜沉积步骤)，随后利用通过公知的光刻形 成的抗蚀图案作为掩模，通过公知的蚀刻来模制所述金属膜，从而形成被连接到所述可变 电阻元件104的第一电极1 和所述第二金属布线121的第三金属布线120 (步骤#308 金属布线形成步骤)。因此提供如图1中所示的存储器单元阵列200。随后，在一个后续步骤中，在整个表面上沉积一个层间绝缘膜。当需要时，在该层 间绝缘膜上可以形成用以连接所述存储器单元阵列200的外围电路的上方布线。这样就生 产出本发明的设备100。第二实施例。在第一实施例中描述了以下情况形成所述第一开口 1 和第二开口 129，随后在 整个表面上沉积所述可变电阻器IM和第一电极126，随后进行背蚀刻，从而在所述第一开 口 1 中形成所述可变电阻元件104并且同时在所述第二开口 1 中形成所述通路孔130， 但是可以在形成所述第一开口和第二开口之前形成所述可变电阻器124以便穿透所述层 间绝缘膜。下文中将参照附图描述根据本发明一个实施例的非易失性半导体存储器设备(下 文中偶尔称为“本发明的设备100a”)及其生产方法(下文中偶尔称为“本发明的方法2”)。 图15是本发明的设备IOOa中的存储器单元阵列203的示意性横截面结构图。如图15中所示，与第一实施例中的存储器单元阵列200类似，通过按照矩阵的形 式在行方向和列方向上布置各个可变电阻元件104来配置所述存储器单元阵列203，所述 存储器单元阵列203具有ITlR结构，其由在所述列方向上延伸的第三金属布线(位线)120、 在所述行方向上延伸的晶体管102的栅极电极(字线)112、以及在所述行方向上延伸的源极 线118构成。在所述岛状第一金属布线119上形成可变电阻器124，并且在所述可变电阻器IM 上方形成第一开口 1 以便穿透所述可变电阻器1 上的层间绝缘膜133。每个第一开 口 1 被插头形式的第一电极所填充，从而所述可变电阻元件104由第一电极(上方电极) 126、充当第一金属布线119的最上层的第二电极(下方电极)122、以及所述可变电阻器IM 构成。所述可变电阻器由过渡金属氧化物或氧化铝或者过渡金属氮氧化物形成，并且这里 由氧化钽(Ta2O5)形成。作为其他优选的材料，可以使用Ni、Co、Ti、Hf、W、Cu、Al的氧化物 或氮氧化物。与此同时，在与所述第一金属布线119提供为同一层的第二金属布线121上方形 成其开口面积大于所述第一开口 1 的开口面积的第二开口 129(参照图18)。所述第一电 极1 被形成在所述第二开口 1 的侧壁上，所述可变电阻器沿着所述侧壁保留在所述第 二开口 1 的底部的内周部分。与此同时，在所述第二开口 1 的底部的中心部分提供未 在其中形成所述可变电阻器并且暴露出所述第二金属布线121的接触区，所述第二金属布 线121和所述位线120通过所述接触区被直接相连。因此，所述位线120还通过形成在所述第二开口 1 中的通路孔被连接到所述第二金属布线121，从而所述存储器单元阵列203 被连接到诸如位线译码器(未示出)或读取电路(未示出)之类的外围电路。所述存储器单元阵列203的每条位线被连接到所述位线译码器，并且每条字线被 连接到字线译码器，从而构成本发明的设备100a。与根据第一实施例的存储器单元阵列 200类似，当通过所述位线译码器或字线译码器把选择电压施加到所选择的存储器单元并 且把非选择电压施加到未选择的存储器单元时，本发明的设备IOOa可以向存储器单元写 入数据以及从存储器单元读取数据。下文中将参照附图详细描述用于生产本发明的设备IOOa的方法(本发明的方法 2)。图16到图21是用以生产本发明的设备IOOa的步骤中的示意性横截面结构图。另 外，图22是示出本发明的设备IOOa的生产步骤的流程图。另外，下面的描述中的每个步骤 代表图22中的流程图的每个步骤。首先，如图16中所示，在半导体衬底108上形成元件隔离区106以及由栅极绝缘 膜110、栅极电极112、漏极区114和源极区116构成的晶体管102，随后沉积第一层间绝缘 膜132，并且适当地形成用以连接到所述源极区116的接触插头136和用以连接到所述漏 极区114的接触插头137。随后，通过溅射法来沉积厚度大约为300nm的所述源极线118、 第一金属布线119和第二金属布线121 (其具有TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti结构)，并且沉积厚度 为大约IOnm的氧化钽膜( )以作为所述金属布线118、119和121上的可变电阻器124， 其中所述金属布线是利用(通过公知的光刻形成的)抗蚀图案作为掩模通过公知的蚀刻而 模制的(步骤#701 金属布线和可变电阻器形成步骤)。被形成为所述第一金属布线119中 的具有大约60nm膜厚度的最上层的TiN膜充当所述可变电阻元件的下方电极(第二电极) 122。可替换地，可以按照以下方式形成所述源极线118、第一金属布线119和第二金属 布线121 在沉积了所述层间绝缘膜之后，通过公知的金属镶嵌技术填充在所述层间绝缘 膜中形成的沟槽。随后，如图17中所示，通过等离子CVD在整个表面上沉积充当所述第二层间绝缘 膜的SiO2膜133，以便在所述金属布线上例如以200nm的厚度覆盖所述可变电阻器124(步 骤#702 层间绝缘膜形成步骤)。可替换地，此时可以通过等离子CVD来沉积厚度为SOOnm 的所述第二层间绝缘膜133，并且随后通过公知的CMP在所述第一和第二金属布线上研磨 成200nm的厚度。随后，如图18中所示，利用通过公知的光刻形成的抗蚀图案作为掩模，在所述第 一金属布线119上的第二层间绝缘膜133中的可变电阻元件形成区中形成达到所述第一金 属布线119的第一开口 128，并且在所述第二金属布线121上的第二层间绝缘膜133中的接 触孔形成区中形成达到所述第二金属布线121的第二开口 129，这是通过公知的蚀刻同时 实现的(步骤#703:开口形成步骤)。此时，与第一实施例类似，所述第一开口 1 和第二开 口 1 的形状和尺寸被设置成使得在下面将描述的沉积上方电极(第一电极)的步骤中，所 述第一开口 1 被所述第一电极完全填充，并且所述第二开口 1 被所述第一电极不完全 填充。这里，所述第一开口的直径为200nm，所述第二开口的直径为600nm。随后，如图19中所示，作为所述上方电极(第一电极)的一个例子，例如通过溅射法和CVD在整个表面上沉积厚度为200nm/10nm/20nm的具有W/TiN/Ta结构的膜126，以便完 全填充所述第一开口 128，而不完全填充并且不覆盖所述第二开口 129 (步骤#704:上方电 极膜沉积步骤)。随后，如图20中所示，对所述第一电极1 进行背蚀刻，直到在所述第二开口 1 的底部暴露出所述可变电阻器1 的表面(通过利用3&进行干蚀刻实现)，从而例如去除所 述第二层间绝缘膜133上的第一电极126。随后，对所述可变电阻器IM进行背蚀刻，直到 在所述第二开口 1 的底部暴露出所述第二金属布线的表面，从而去除所述第二开口 1 的底部中的所述可变电阻器124 (步骤#705:背蚀刻步骤)。另外，对所述第一电极126的 背蚀刻和对所述可变电阻器1 的背蚀刻是顺序地执行的。此时，对背蚀刻时间进行调节， 从而在所述第一开口 1 中提供所述可变电阻元件104时使得所述第一电极126以插头的 形式留下，并且使得作为所述可变电阻器1 的Ta2O5膜夹在所述第一电极1 与所述第二 电极122之间。因此，在所述第一开口 1 中形成所述可变电阻元件104，同时在所述第二开口 129中形成用以连接所述第二金属布线121和上方金属布线的通路孔130。随后，如图21中所示，通过溅射法或类似方法在整个表面上沉积厚度为大约 300nm的具有TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti结构的所述金属膜120 (步骤#706 金属膜沉积步骤)， 随后利用通过公知的光刻形成的抗蚀图案作为掩模，通过公知的蚀刻来模制所述金属膜， 从而形成被连接到所述可变电阻元件104的第一电极1 和所述第二金属布线121的第三 金属布线120 (步骤#707:金属布线形成步骤)。因此提供如图15中所示的存储器单元阵 列 203。随后，在一个后续步骤中，在整个表面上沉积一个层间绝缘膜。当需要时，在该层 间绝缘膜上可以形成用以连接所述存储器单元阵列203的外围电路的上方布线。这样就生 产出本发明的设备100a。第三实施例。下文中将参照附图描述根据本发明一个实施例的非易失性半导体存储器设备(下 文中偶尔称为“本发明的设备100b”)及其生产方法(下文中偶尔称为“本发明的方法3”)。 图23是本发明的设备IOOb中的存储器单元阵列204的示意性横截面结构图。如图23中所示，与第一实施例中的存储器单元阵列200类似，通过按照矩阵的形 式在行方向和列方向上布置各个可变电阻元件104来配置所述存储器单元阵列204，所述 存储器单元阵列204具有ITlR结构，其由在所述列方向上延伸的第三金属布线(位线)120、 在所述行方向上延伸的晶体管102的栅极电极(字线)112、以及在所述行方向上延伸的源极 线118构成。在岛状第一金属布线119的最上层上形成可变电阻器124，并且在所述可变电阻 器IM上方形成第一开口 1 以便穿透所述可变电阻器IM上的层间绝缘膜133。每个第一 开口 1 被插头形式的第一电极1 所填充，所述第一电极1 在所述第一开口的底部与 所述可变电阻器1 相接触，从而所述可变电阻元件104由所述第一电极(上方电极)126、 充当所述第一金属布线119的一部分的第二电极(下方电极)122、以及所述可变电阻器124 构成。所述可变电阻器由过渡金属氧化物或氧化铝或者过渡金属氮氧化物形成，并且这里 由氧化钽(Ta2O5)形成。作为其他优选的材料，可以使用Ni、Co、Ti、Hf、W、Cu、Al的氧化物或氮氧化物。与此同时，在与所述第一金属布线119提供为同一层的第二金属布线121上方形 成其开口面积大于所述第一开口 1 的开口面积的第二开口 129 (参照图M)。所述第一 电极1 被形成在所述第二开口 1 的侧壁上，所述可变电阻器沿着所述侧壁保留在所述 第二开口 1 的底部的内周部分。另一方面，在所述第二开口 1 的底部的中心提供未在 其中形成所述可变电阻器并且暴露出所述第二金属布线121的接触区，所述第二金属布线 121和所述位线120通过所述接触区被直接相连。因此，所述位线120通过形成在所述第二 开口 1 中的通路孔被连接到所述第二金属布线121，从而所述存储器单元阵列203被连接 到诸如位线译码器(未示出)或读取电路(未示出)之类的外围电路。所述存储器单元阵列204的每条位线被连接到所述位线译码器，并且每条字线被 连接到字线译码器，从而构成本发明的设备100b。与根据第一实施例的存储器单元阵列 200类似，当通过所述位线译码器或字线译码器把选择电压施加到所选择的存储器单元并 且把非选择电压施加到未选择的存储器单元时，所述存储器单元阵列204可以向存储器单 元写入数据以及从存储器单元读取数据。下文中将参照附图详细描述用于生产本发明的设备IOOb的方法(本发明的方法 3)。图2到图4以及图M到图27是用以生产本发明的设备IOOb的步骤中的示意性 横截面结构图。另外，图观是示出本发明的设备IOOb的生产步骤的流程图。另外，下面的 描述中的每个步骤代表图观中的流程图的每个步骤。首先，与图2中的第一实施例类似，在所述晶体管102被形成于其上的衬底上形成 所述源极线118、第一金属布线119和第二金属布线121，这是利用(通过公知的光刻形成 的)抗蚀图案作为掩模通过公知的蚀刻而实现的(步骤#801 金属布线形成步骤)。这里应 当注意，在本实施例中，通过在第一实施例中的TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti结构上进行溅射而进 一步沉积膜厚度为大约IOnm的Ta以作为所述金属布线层118、119和121。通过下面将描 述的氧化处理步骤，形成为所述第一金属布线119的最上层的膜厚度大约为IOnm的所述Ta 膜的一部分发生氧化并且变为所述可变电阻器124，并且紧接在所述Ta膜下方形成的膜厚 度大约为60nm的所述TiN膜变为所述可变电阻元件的下方电极(第二电极)122。随后，与图3中的第一实施例类似，通过等离子CVD在整个表面上沉积充当第二层 间绝缘膜的SW2膜133，以便在所述金属布线上例如以200nm的厚度覆盖所述第一和第二 金属布线(步骤#802 层间绝缘膜形成步骤)。随后，与图4中的第一实施例类似，利用通过公知的光刻形成的抗蚀图案作为掩 模，在所述第一金属布线119上的第二层间绝缘膜133中的可变电阻元件形成区中形成达 到所述第一金属布线119的第一开口 128，并且在所述第二金属布线121上的第二层间绝缘 膜133中的接触孔形成区中形成达到所述第二金属布线121的第二开口 129，这是通过公知 的蚀刻同时实现的(步骤#803 开口形成步骤)。与第一和第二实施例类似，所述第一开口 128和第二开口 1 的形状和尺寸被设置成使得在下面将描述的沉积上方电极(第一电极) 的步骤中，所述第一开口 1 被所述第一电极完全填充，并且所述第二开口 1 被所述第一 电极不完全填充。这里，所述第一开口的直径为200nm，所述第二开口的直径为600nm。随后，如图M中所示，在包含氧气的大气中，在250到450°C (这里是400°C)下对充当暴露于所述第一开口 1 底部的所述第一金属布线119的最上层的所述Ta膜进行热 氧化，从而在所述第一开口 1 的底部形成充当所述可变电阻器的一个例子的所述Ta2O5膜 124(步骤#804 氧化处理步骤)。此时，充当暴露于所述第二开口 1 底部的所述第二金属 布线121的最上层的所述Ta膜也被氧化，从而在所述第二开口 1 的底部形成充当所述可 变电阻器的所述Tii2O5膜124。随后，如图25中所示，作为所述上方电极(第一电极)的一个例子，例如通过溅射法 和CVD在整个表面上沉积厚度为200nm/10nm/20nm的具有W/TiN/Ta结构的膜126，以便完 全填充所述第一开口 128，而不完全填充并且不覆盖所述第二开口 129 (步骤#805:上方电 极膜沉积步骤)。随后，如图沈中所示，对所述第一电极1 进行背蚀刻，直到在所述第二开口 1 的底部暴露出所述可变电阻器1 的表面(通过利用3&进行干蚀刻实现)，从而例如去除所 述第二层间绝缘膜133上的第一电极126。此外，对所述可变电阻器IM进行背蚀刻，直到 在所述第二开口 1 的底部暴露出紧接在所述可变电阻器1 下方的所述第二金属布线的 TiN膜，从而去除所述第二开口 1 底部的所述可变电阻器124 (步骤#806:背蚀刻步骤)。 另外，对所述第一电极126的背蚀刻和对所述可变电阻器124的背蚀刻是顺序地执行的。此 时，对背蚀刻时间进行调节，从而在所述第一开口 1 中提供所述可变电阻元件104时使得 所述第一电极126以插头的形式留下，并且使得作为所述可变电阻器IM的Ta2O5膜夹在所 述第一电极126与所述第二电极122之间。因此，在所述第一开口 1 中形成所述可变电阻元件104，同时在所述第二开口 129中形成用以连接所述第二金属布线121和上方金属布线的通路孔130。随后，如图27中所示，通过溅射法或类似方法在整个表面上沉积厚度大约为 300nm的具有TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti结构的所述金属膜120 (步骤#807 金属膜沉积步骤)， 随后利用通过公知的光刻形成的抗蚀图案作为掩模，通过公知的蚀刻来模制所述金属膜， 从而形成被连接到所述可变电阻元件104的第一电极1 和所述第二金属布线121的第三 金属布线120 (步骤#808:金属布线形成步骤)。因此提供如图23中所示的存储器单元阵 列 204。随后，在一个后续步骤中，在整个表面上沉积一个层间绝缘膜。当需要时，在该层 间绝缘膜上可以形成用以连接所述存储器单元阵列204的外围电路的上方布线。这样就生 产出本发明的设备100b。根据本发明的上述方法1到3，在所述第一金属布线119上的第一开口 1 中形成 所述可变电阻元件104，与此同时在所述第二金属布线121上的第二开口 1 中形成用以连 接所述第二金属布线121和所述第三金属布线120的所述通路孔，从而与图12中所示的常 规的存储器单元阵列500的生产步骤相比，不需要分开形成用以连接金属布线519和第二 电极522的接触插头538、用以连接金属布线520和第一电极526的接触插头539、以及用以 连接金属布线520和金属布线521的接触插头535。结果，在实施所述非易失性半导体存储 器设备时使得，光掩模的数目减少，生产步骤的数目减少，成本低，并且生产率和产能较高。也就是，根据本发明的方法1到3以及本发明的设备IOOUOOa和IOOb中的任何 一项，通过使得形成在所述层间绝缘膜中的各金属布线上方的开口的尺寸和形状有差异， 可以同时形成所述可变电阻元件和用以连接所述各金属布线的通路孔，从而与常规的步骤相比，所述非易失性半导体存储器设备具有的结构使得，光掩模的数目减少，生产步骤的数 目减少，成本降低，并且生产率和产能较高。另外，上述实施例是本发明的优选实施例的例子，因此本发明的实施例不限于上 述实施例，并且在不偏离本发明的范围的情况下可以作出多种修改。下文中将描述其他实施例。(1)根据第二实施例的本发明的设备IOOa的生产方法，在具有TiN/Ti/AlCu/TiN/ Ti结构的所述金属膜上沉积了所述可变电阻器IM之后，同时通过蚀刻形成所述源极线 118、第一金属布线119、第二金属布线121和可变电阻器124，但是可以在通过蚀刻形成所 述第一金属布线119和第二金属布线121之后在整个表面上沉积所述可变电阻器。图四是 采用上述生产方法的存储器单元阵列205的示意性横截面结构图。另外，图30到图35是 通过上述生产方法来生产所述存储器单元阵列205的步骤中的示意性横截面结构图。图30 到图35中所示的生产步骤分别对应于示出了在第二实施例中描述的本发明的方法2的生 产步骤的图16到图21。当形成所述膜之后的可变电阻器124的状态是绝缘体并且在第一 电极1 与第二电极122之间施加预定电压脉冲时(也就是执行所谓的成形工艺)，只有提 供在第一开口底部并且夹在所述第一电极1 和第二电极122之间的所述可变电阻器IM 中的电阻被降低，从而可以使用可变电阻元件来把所述第一电极126与第二电极122之间 的电流-电压特性变换到两个或更多个不同状态。因此，即使当所述可变电阻器1 被沉 积在整个表面上时，所述存储器单元阵列的操作也不受其影响。(2)虽然在上述实施例中利用具有ITlR结构(其中在衬底上形成选择晶体管并且 在其上形成可变电阻元件)的存储器单元阵列200描述了本发明的配置，但是本发明并不限 于这种配置。图10是当应用本发明的方法1来生产具有IR结构的存储器单元阵列时的存 储器单元阵列201的横截面结构图。在绝缘膜132上形成第一金属布线119和第二金属布 线121，并且在所述第一金属布线119上的每个行方向(相对于纸面的垂直方向)和每个列 方向(相对于附图的水平方向)上布置各第一开口 128 (参照图4)，从而具有矩阵形式。因 此，属于同一列的各可变电阻元件的第一电极126通过充当在所述列方向上延伸的位线的 第三金属布线120彼此相连，并且属于同一行的各可变电阻元件的第二电极122通过在所 述行方向上延伸的第一金属布线119彼此相连，从而构成所述存储器单元阵列。此外，充当 所述位线的第三金属布线120通过形成在第二开口 1 中的通路孔被连接到所述第二金属 布线121 (参照图4)。类似地，图36示出当应用本发明的方法2来生产具有IR结构的存储器单元阵列 时的存储器单元阵列206的横截面结构图，图37示出当应用本发明的方法3来生产具有IR 结构的存储器单元阵列时的存储器单元阵列207的横截面结构图。类似地，本发明的方法可以生产具有IDlR结构的存储器单元阵列的非易失性半 导体存储器设备，所述IDlR结构具有二极管或非线性元件以作为将被连接到所述第一金 属布线119的选择元件。(3)另外，在上述实施例中的沉积所述可变电阻器膜的步骤中，可以通过使用适当 的沉积技术来控制所述可变电阻器的膜厚度，比如准直溅射、长抛溅射或电离溅射之类的 定向溅射或者CVD方法、ALD方法。(4)另外，虽然上面把氧化钽(Ta2O5)用于所述可变电阻器，但是也可以使用诸如NiO、CoO2, TiO2或HfO2之类的过渡金属氧化物、氧化铝或者过渡金属氮氧化物。(5)此外，虽然在上述实施例中所述基本衬底是半导体衬底，但是也可以使用玻璃 衬底或塑料衬底。另外，虽然在上面充当选择元件的晶体管是MOS晶体管，但是也可以使用 双极型晶体管或薄膜晶体管(TFT)。在这种配置中，可以在用于液晶显示器的衬底上形成所 述非易失性半导体存储器设备。图11示出把薄膜晶体管用作本发明的设备100中的选择元件的配置，其中薄膜晶 体管102由栅极绝缘膜110、栅极电极112、漏极电极115和源极电极117构成并且被形成 在玻璃衬底108的上表面上，所述薄膜晶体管102的漏极电极115通过接触插头137和第 一金属布线119被连接到所述可变电阻元件104，从而形成存储器单元阵列202。类似地，图38示出把薄膜晶体管用作本发明的设备IOOa中的选择元件的存储器 单元阵列208，图39示出把薄膜晶体管用作本发明的设备IOOb中的选择元件的存储器单元 阵列209。本发明可以应用于非易失性半导体存储器设备，并且可以特别应用于具有可变电 阻元件的非易失性半导体存储器设备，在所述可变电阻元件中，通过施加电压来变换电阻 态，并且按照非易失性的方式保持其变换后的电阻态。
权利要求
1.一种非易失性半导体存储器设备，包括布置成矩阵形式的多个可变电阻元件，每个所述可变电阻元件包括第一电极、第二电 极、以及夹在所述第一电极和所述第二电极之间的可变电阻器，其中通过在所述第一电极 和所述第二电极之间施加电压来使得由所述第一电极与所述第二电极之间的电流-电压 特性所表示的电阻态变换到两个或更多个不同状态，并且按照非易失性的方式保持所述变 换后的电阻态，其中，在第一金属布线上方形成第一开口，以便穿透提供在所述第一金属布线上的层间绝缘膜；在与所述第一金属布线提供为同一层的第二金属布线上方形成第二开口，以便穿透提 供在所述第二金属布线上的层间绝缘膜；在具有底部和侧壁的所述第一开口的至少整个底部上形成所述可变电阻器以便与所 述第一金属布线相接触，并且所述第一电极被形成为覆盖所述第一开口中的所述可变电阻 器，使得所述可变电阻元件由所述可变电阻器、所述第一电极、以及作为所述第一金属布线 的至少一部分的所述第二电极形成；以及所述可变电阻器沿着所述第二开口的侧壁存在于其底部的内周部分，在所述第二开口 的底部的中心部分提供不具有所述可变电阻器的接触区；以及第三金属布线被形成为通过所述接触区被直接连接到所述第二金属布线。
2.根据权利要求1所述的非易失性半导体存储器设备，其中，所述第一开口的侧壁和所述第二开口的侧壁都被所述可变电阻器所覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的非易失性半导体存储器设备，其中， 所述第一电极以插头的形式被填充在所述第一开口中。
4.根据权利要求1或2所述的非易失性半导体存储器设备，其中， 所述第二开口的开口面积大于所述第一开口的开口面积。
5.根据权利要求1或2所述的非易失性半导体存储器设备，其中，所述第三金属布线被直接连接到所述第二金属布线和形成在所述第一开口中的第一 电极。
6.根据权利要求1或2所述的非易失性半导体存储器设备，其中，按照矩阵的形式在行和列的方向上把多个第一开口布置在所述第一金属布线上方； 属于同一列的第一电极通过在所述列方向上延伸的第三金属布线彼此连接； 关于每个所述第一开口来提供多个选择元件，每个所述选择元件的一端通过岛状的第 一金属布线被连接到所述第二电极；以及属于同一行的选择元件的另一端通过在所述行方向上延伸的第四布线彼此连接。
7.根据权利要求6所述的非易失性半导体存储器设备，其中， 所述选择元件是晶体管。
8.根据权利要求7所述的非易失性半导体存储器设备，其中， 所述选择元件是薄膜晶体管。
9.根据权利要求1或2所述的非易失性半导体存储器设备，其中，按照矩阵的形式在行和列的方向上把多个第一开口布置在所述第一金属布线上方； 属于同一列的第一电极通过在所述列方向上延伸的第三金属布线彼此连接；以及属于同一行的第二电极通过在所述行方向上延伸的第一金属布线彼此连接。
10.根据权利要求1或2所述的非易失性半导体存储器设备，其中， 所述可变电阻器由过渡金属氧化物或氧化铝或者过渡金属氮氧化物形成。
11.根据权利要求10所述的非易失性半导体存储器设备，其中，所述可变电阻器由包含从至少Ni、Co、Ti、Ta、Hf、W、Cu和Al中选择的一种元素的氧化 物或氮氧化物形成。
12.一种用于生产非易失性半导体存储器设备的方法，包括在衬底上形成第一金属布线和第二金属布线，并且在所述第一金属布线和所述第二金 属布线上形成可变电阻器；在整个表面上形成层间绝缘膜以覆盖所述可变电阻器；在所述第一金属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述可变电阻器的第一 开口，并且在所述第二金属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述可变电阻器的第二开口 ；在整个表面上沉积第一电极，以便完全填充所述第一开口，但是不完全填充并且不覆 盖所述第二开口；对所述第一电极进行背蚀刻，直到在所述第二开口中暴露出所述可变电阻器的表面， 其中所述第一开口被所述第一电极填充；对所述第二金属布线上的所述可变电阻器进行背蚀刻，直到在所述第二开口中暴露出 所述第二金属布线的表面，其中所述第一开口被所述第一电极填充；以及在所述第二开口中所暴露出的第二金属布线上以及在所述第一开口中所形成的第一 电极上形成第三金属布线。
13.一种用于生产非易失性半导体存储器设备的方法，包括在衬底上形成全都包含最上方氧化目标金属膜的第一金属布线和第二金属布线； 在整个表面上形成层间绝缘膜以覆盖所述第一金属布线和所述第二金属布线； 在所述第一金属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述氧化目标金属膜的 第一开口，并且在所述第二金属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述氧化目标 金属膜的第二开口；对暴露于所述第一开口和所述第二开口的底部的所述氧化目标金属膜进行氧化，并且 形成包含所述氧化目标金属膜的氧化物的可变电阻器；在整个表面上沉积第一电极，以便完全填充所述第一开口，但是不完全填充并且不覆 盖所述第二开口；对所述第一电极进行背蚀刻，直到在所述第二开口中暴露出所述可变电阻器的表面， 其中所述第一开口被所述第一电极填充；通过背蚀刻去除在所述第二开口中所暴露出的所述可变电阻器，其中所述第一开口被 所述第一电极填充；以及在所述第二开口中所暴露出的第二金属布线上以及在所述第一开口中所形成的第一 电极上形成第三金属布线。
14.一种用于生产非易失性半导体存储器设备的方法，包括 在衬底上形成第一金属布线和第二金属布线；在整个表面上形成层间绝缘膜以覆盖所述第一金属布线和所述第二金属布线； 在所述第一金属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述第一金属布线的第 一开口，并且在所述第二金属布线上的所述层间绝缘膜中形成其深度达到所述第二金属布 线的第二开口；在整个表面上沉积可变电阻器，以便不完全填充所述第一开口和所述第二开口，并且 不覆盖所述第一开口和所述第二开口 ；在整个表面上沉积第一电极，以便完全填充所述第一开口，但是不完全填充并且不覆 盖所述第二开口；对所述第一电极进行背蚀刻，直到在所述第二开口中暴露出所述可变电阻器的表面， 其中所述第一开口被所述第一电极填充；对所述可变电阻器进行背蚀刻，直到在所述第二开口中暴露出所述第二金属布线的表 面，其中所述第一开口被所述第一电极填充；以及在所述第二开口中所暴露出的第二金属布线上以及在所述第一开口中所形成的第一 电极上形成第三金属布线。
15.根据权利要求12所述的用于生产所述非易失性半导体存储器设备的方法，其中， 在形成所述可变电阻器的步骤中，在整个表面上沉积所述可变电阻器。
16.根据权利要求12到14中的任一项所述的用于生产所述非易失性半导体存储器设 备的方法，其中，在形成所述第一开口和所述第二开口的步骤中，所述第二开口的开口面积被形成为大 于所述第一开口的开口面积。
17.根据权利要求12到14中的任一项所述的用于生产所述非易失性半导体存储器设 备的方法，还包括形成连接到所述第一金属布线的选择元件。
18.根据权利要求17所述的用于生产所述非易失性半导体存储器设备的方法，其中， 所述选择元件是晶体管。
19.根据权利要求18所述的用于生产所述非易失性半导体存储器设备的方法，其中， 所述选择元件是薄膜晶体管。
20.根据权利要求12到14中的任一项所述的用于生产所述非易失性半导体存储器设 备的方法，其中，所述可变电阻器由过渡金属氧化物或氧化铝或者过渡金属氮氧化物形成。
21.根据权利要求20所述的用于生产所述非易失性半导体存储器设备的方法，其中， 所述可变电阻器由包含从至少Ni、Co、Ti、Ta、Hf、W、Cu和Al中选择的一种元素的氧化物或氮氧化物形成。
全文摘要
本发明公开了非易失性半导体存储器设备及其生产方法。所述非易失性半导体存储器设备具有的结构使得，成本低，并且生产率和产能较高。在第一金属布线119和第二金属布线121上方同时分别形成第一开口128和第二开口129，所述第一金属布线119和所述第二金属布线121被提供为在其上形成用于选择存储器单元的晶体管的衬底上的同一层。随后，在整个表面上沉积可变电阻器124和上方电极126，以便用所述上方电极126完全填充所述第一开口128但是用其不完全填充所述第二开口129。其后，在所述第一开口128中形成可变电阻元件104并且同时在所述第二开口129中形成用以连接到第三金属布线(位线)的通路孔。
文档编号H01L21/768GK102104047SQ20101059156
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者井上雄史 申请人:夏普株式会社