电阻式随机存取存储器及其制造方法与流程

本发明属于随机存取存储器领域，涉及一种包括阻挡层的电阻式随机存取存储器及其制造方法。

背景技术：

电阻式随机存取存储器(resistiverandom-accessmemory，reram)是一种具有称作「忆阻器(memristor)」(存储器电阻的缩写)的元件的存储器。电阻式随机存取存储器的电阻随着所施加的电压不同而改变。电阻式随机存取存储器则通过改变忆阻器的电阻来作用，以储存数据。

在制造电阻式随机存取存储器的期间，可进行后端工艺(back-endprocess)，例如是形成金属间介电质层(inter-metaldielectriclayer，imdlayer)、金属层、及保护层(passivation)的工艺。然而，这些后端工艺可能会产生一些气体(例如是氢气(h)、氨气(nh3)、硅烷(sih4)而造成电阻式随机存取存储器在数据保存上的损失。因此，目前仍须开发一种防止电阻式随机存取存储器的保存数据损失的方法，并制造出具有优异结构可靠度的电阻式随机存取存储器。

技术实现要素：

本发明有关于一种电阻式随机存取存储器及其制造方法。此电阻式随机存取存储器具有一阻挡层，阻挡层覆盖并环绕金属层，使得电阻式随机存取存储器在进行后端工艺(例如是形成金属间介电质层、金属层、及保护层的工艺)之后能够具有较低的数据保存损失，并改善电阻式随机存取存储器的可靠度。

根据一些实施例，本发明提供一种电阻式随机存取存储器。此电阻式随机存取存储器包括一底电极、一电阻转换层、一顶电极、一金属层、以及一阻挡层。电阻转换层配置于底电极上。顶电极配置于电阻转换层上。金属层配置于顶电极上。阻挡层覆盖金属层。其中，阻挡层环绕金属层及顶电极。

根据一些实施例，本发明还提供一种电阻式随机存取存储器的制造方法。此制造方法包括：形成一开口于一绝缘层中；沉积一导电材料于该开口中；移除位于该开口的上的该导电材料以形成一底电极；形成一电阻转换层于底电极上；形成一顶电极于电阻转换层上；形成一金属层于顶电极上；以及形成一阻挡层覆盖金属层，其中阻挡层环绕金属层及顶电极。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。然而，本发明的保护范围当以申请专利范围所界定的权利要求为准。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图。

图2a至图2j为根据本发明一实施例的制造电阻式随机存取存储器的剖面图。

图3为根据本发明另一实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图。

图4为根据本发明又一实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图。

【符号说明】

10、20、30：电阻式随机存取存储器；

100：基板；

101：初步结构；

110：阱；

112：轻微掺杂漏极；

120：栅极氧化物结构；

122：氧化物层；

124：栅极材料层；

210：介电层；

210a：顶表面；

220、320：导电连接结构；

230：绝缘层；

240：升口；

250、350、450：电阻式随机存取存储器单元；

252、352、452：底电极；

254、354、454：电阻转换层；

256、356、456：顶电极；

260：阻挡层；

2521：第一底电极层；

2522：第二底电极层；

2561：第一顶电极层；

2562：第二顶电极层；

m1：金属层；

m1a：侧壁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的实施例用于说明一种电阻式随机存取式存储器及其制造方法。此种电阻式随机存取式存储器及其制造方法提供一种具有阻挡层的电阻式随机存取存储器，阻挡层覆盖并环绕金属，以保护电阻式随机存取存储器单元，使得电阻式随机存取存储器在后端工艺(例如是形成金属间介电质层、金属层、及保护层的工艺)之后能够具有较低的数据保存损失，并改善电阻式随机存取存储器的可靠度。

以下参照附图叙述本发明提出的其中多个实施例，以描述相关构型与制造方法。相关的结构细节例如相关层别和空间配置等内容如下面实施例内容所述。然而，本发明并非仅限于所述实施例，本发明并非显示出所有可能的实施例。实施例中相同或类似的标号用以标示相同或类似的部分。再者，未于本发明提出的其他实施例也可能可以应用。相关领域者可在不脱离本发明的精神和范围内对实施例的结构加以变化与修饰，以符合实际应用所需。而附图已简化以便清楚说明实施例的内容，附图上的尺寸比例并非按照实际产品等比例绘制。因此，说明书和附图内容仅用于叙述实施例，而非用于限缩本发明的保护范围。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如”第一”、”第二”、”第三”等的用词，以修饰权利要求项的元件，其本身并不意含及代表该请求元件有任何之前的序数，也不代表某一请求元件与另一请求元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一请求元件得以和另一具有相同命名的请求元件能作出清楚区分。

图1为根据本发明一实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图。

请参照图1，电阻式随机存取存储器10包括一基板100、一介电层210(例如是层间介电质(inter-layerdielectric(ild))、一导电连接结构220、一绝缘层230、一底电极252、一电阻转换层254、一顶电极256、一金属层m1、及一阻挡层260。导电连接结构220配置于基板100上且穿过介电层210。绝缘层230配置于介电层210与导电连接结构220上。底电极252配置于基板100之上及导电连接结构220上。电阻转换层254配置于底电极252上。顶电极256配置于电阻转换层254上。金属层m1配置于顶电极256上。阻挡层260覆盖金属层m1。底电极252、电阻转换层254及顶电极256形成一电阻式随机存取存储器单元250。

在本实施例中，阻挡层260环绕绝缘层230、底电极252、电阻转换层254、顶电极256及金属层m1，且阻挡层260接触于绝缘层230的一侧壁、顶电极256的一侧壁以及金属层m1的一侧壁m1a。介电层210具有一顶表面210a，且阻挡层260连续性地覆盖顶表面210a、绝缘层230、顶电极256及金属层m1。底电极252及电阻转换层254系配置于绝缘层230的开口240中(如第2c图所示)。

在一些实施例中，基板100可由含硅氧化物或其他适合用于基板的材料所形成。阱110与轻微掺杂漏极(lightlydopeddrainimplant，ldd)112可形成于基板100中。阱110可以是一p型掺杂阱或一n型掺杂阱，且可以是一源极或一漏极。栅极氧化物结构120可形成于基板100上。栅极氧化物结构120可包括一氧化物层122及一栅极材料层124。栅极材料层124可由多晶硅所形成。间隙物(spacer)(未绘示)可形成于栅极氧化物结构120的侧壁上。场氧化物层(未绘示)可形成于基板100上。

在一些实施例中，介电层210可为多层，例如是由未掺杂的硅玻璃(undopedsilicateglass，usg)、磷掺杂的硅玻璃(phosphosilicateglass(psg)、氮化硅层(sinlayer)、及四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane，teos)所形成的多层。绝缘层230可由介电材料所形成，且厚度的范围在200埃(angstrom)至2000埃之间。在本实施例中，绝缘层230是由氧化物所形成，且厚度为1000埃。

在一些实施例中，导电连接结构220可以是单层结构或双层结构。导电连接结构220可由金属所形成，例如是钨(w)、氮化钛(tin)或其的组合。

在一些实施例中，底电极252可包括(但不限定于)钨(w)、铜(cu)、铁(fe)、钛(ti)、镍(ni)、铪(hf)、氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、及其他可应用的材料。底电极252可以是单层结构或双层结构，例如是由钨(w)及氮化钛(tin)所形成的双层结构。底电极252的厚度可以是在200埃至2000埃的范围中。在本实施例中，底电极252的厚度为1000埃。在本实施例中，底电极252是形成于介电层210的顶表面210a之上，且接触于导电连接结构220。

电阻转换层254可包括选自于氮化钛(tin)、氧化钨(wox)、氧化钽(ta2o5)、氧化铪(hfo2)、二氧化硅(sio2)的材料。电阻转换层254的材料并不限定于此，而可以是任何其他适于作为电阻式随机存取存储器的电阻转换层的材料。底电极252及导电连接结构220可包括相同的材料。

在一些实施例中，顶电极256可以是单层结构或多层结构。例如，顶电极256可以是由氮化钛(tin)及钛(ti)所形成的双层结构。

在一些实施例中，金属层m1的材料可以是任何的金属材料，例如是铝(al)、铜(cu)。

在一些实施例中，阻挡层260可包括一氮氧化物材料，例如是氮氧化硅(sion)、氮氧化钛(tion)或氮氧化钛硅(tision)。阻挡层260的厚度可以是在50埃至1000埃的范围中。在本实施例中，阻挡层260是由氮氧化硅(sion)所形成，且厚度为500埃。

在一些实施例中，电阻式随机存取存储器10可包括配置于介电层210之上的1个或大于1个的介电层(例如是金属间介电质层(imdlayer)，且保护层可形成于介电层210及金属层间介电质层之上(未绘示)。金属层间介电质层可覆盖阻挡层260，且层间连接点(via)可形成于金属层m1之上并穿透一部分的阻挡层260(未绘示)。

在一些实施例中，电阻式随机存取存储器单元250可形成于配置于金属层m1上的层间连接点上，而非配置于导电连接结构220上，阻挡层260可覆盖并接触于其他配置于层间连接点之上的金属层上，而非覆盖并接触于介电层210(未绘示)。亦即，阻挡层260可环绕位于层间连接点之上的金属层及电阻式随机存取存储器单元(未绘示)。

由于阻挡层260连续性地覆盖介电层210的顶表面210a及金属层m1，亦环绕顶电极256及金属层m1，电阻式随机存取存储器单元250可受到完善的保护，可免于受到后端工艺(例如是形成金属间介电质层、金属层、及保护层的工艺)所产生的气体(例如是氢气(h)、氨气(nh3)、硅烷(sih4)的影响。由于本发明的阻挡层260是直接形成于金属层m1上且环绕顶电极256及金属层m1，阻挡层260并非是形成于金属层m1与顶电极256之间，故不需要在金属层m1与顶电极256之间形成另外的导电结构。因此，本发明的工艺方法相较于将阻挡层形成在金属层及顶电极之间的比较例而言，显得更为简单及快速。

图2a至图2j为根据本发明一实施例的制造电阻式随机存取存储器10的剖面图。

请参照图2a，提供一初步结构101。该初步结构101可通过现有的互补金属氧化物半导体工艺(cmosprocess)中的前端工艺(front-endprocess)所形成。初步结构101可包括一基板100、形成于基板100中的一阱110、形成于基板100中的一轻微掺杂漏极112、形成于基板100上的栅极氧化物结构120、形成于基板100上的一介电层210(例如是层间介电层)、及一导电连接结构220。导电连接结构220形成于基板100上且穿过介电层210。栅极氧化物结构120可包括一氧化物层122及一栅极材料层124。栅极材料层124可由多晶硅所形成。间隙物(spacer)(未绘示)可形成于栅极氧化物结构120的侧壁上。场氧化物层(未绘示)可形成于基板100上。导电连接结构220对应于形成在基板100中的阱110。可通过进行一化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing，cmp)工艺暴露介电层210的顶表面210a及导电连接结构220。

请参照图2b，绝缘层230可通过一沉积工艺(例如是等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhancedchemicalvapordeposition，pecvd)、化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd))形成于介电层210及导电连接结构220上。绝缘层230的材料可以是由介电材料所形成，且厚度的范围可以是在200埃至2000埃。在本发明中，绝缘层230是由氧化物所形成，且厚度为1000埃。

请参照图2c，通过一刻蚀工艺(例如是一干刻蚀工艺)形成开口240于绝缘层230中。开口240暴露一部分的导电连接结构220，并定义用于形成底电极252的区域。开口240的宽度是小于导电连接结构220的宽度。

请参照图2d，形成一第一底电极层2521及一第二底电极层2522于绝缘层230上及开口240中。第一底电极层2521及一第二底电极层2522可通过沉积一导电材料于绝缘层230上及开口240中所形成。在一实施例中，第一底电极层2521的材料可以是钛(ti)或氮化钛(tin)，第二底电极层2522的材料可以包括(但非限定于)钨(w)、铜(cu)、铁(fe)、钛(ti)、镍(ni)、铪(hf)、氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、及其他可应用的材料。第一底电极层2521的厚度可以是在10埃至200埃的范围中。第二底电极层2522的厚度可以是在1000至3000埃的范围中。在本实施例中，第一底电极层2521的厚度为25埃，且第二底电极层2522的厚度为2500埃。

请参照图2e，通过机械抛光法移除一部分的第一底电极层2521及第二底电极层2522，将位于开口240之上的导电材料移除。也就是说，位于开口240之上的第一底电极层2521及第二底电极层2522是被完全地移除。接着，在开口240中形成穿过绝缘层230且接触导电连接结构220的包括第一底电极层2521及第二底电极层2522的底电极252。

请参照图2f，接着通过对底电极252进行氧化工艺而形成一电阻转换层254。在一些实施例中，氧化工艺是通过一等离子体氧化工艺所进行。电阻转换层254可包括选自于氮化钛(tin)、氧化钨(wox)、氧化钽(ta2o5)、氧化铪(hfo2)、二氧化硅(sio2)的材料。在本实施例中，电阻转换层254是由氧化钨(wox)所形成。

请参照图2g，通过一沉积工艺依序形成第一顶电极层2561及第二顶电极层2562于绝缘层230上。第一顶电极层2561可由钛(ti)所形成，且厚度是在10埃至100埃的范围中。第二顶电极层2562可由氮化钛(tin)所形成，且厚度是在100埃至1000埃的范围中。

请参照图2h，通过一刻蚀工艺(例如是一干刻蚀工艺)移除一部分的绝缘层230、第一顶电极层2561及第二顶电极层2562，以便形成包括第一顶电极层2561及第二顶电极层2562的顶电极256。第一顶电极层2561可作为电阻转换层254及第二顶电极层2562之间的缓冲层(bufferlayer)。在刻蚀工艺之后，绝缘层230的剩余部分可覆盖一部分的介电层210的顶表面210a以及导电连接结构220，且绝缘层230的侧壁可对齐于顶电极256的侧壁。如此一来，即形成包括底电极252、电阻转换层254、及顶电极256的电阻式随机存取存储器单元250。顶电极256示范性地绘示为双层结构，然而顶电极256的结构并不限于此。

请参照图2i，形成金属层m1于导电连接结构220及顶电极256上。接着，通过一刻蚀工艺形成对应于导电连接结构220的金属层m1。金属层m1的一侧壁m1a对齐于顶电极256的侧壁及绝缘层230的侧壁。金属层m1的材料可以是任何的金属材料，例如是铝(a1)、铜(cu)。

请参照图2j，通过一沉积工艺形成阻挡层260，阻挡层260覆盖介电层210的顶表面210a、绝缘层230、电阻式随机存取存储器单元250及金属层m1。在一些实施例中，阻挡层260可包括一氮氧化物材料，例如是氮氧化硅(sion)、氮氧化钛(tion)或氮氧化钛硅(tision)。阻挡层260的厚度可以是在50埃至1000埃的范围中。在本实施例中，阻挡层260是由氮氧化硅(sion)所形成，且厚度为500埃。如此一来，即形成根据本发明一实施例的电阻式随机存取存储器10。

图3为根据本发明另一实施例的电阻式随机存取存储器20的剖面图。请同时参照图1。再者，图3和图1中相同和/或相似元件沿用相同和/或相似标号，且相同元件/层的构型、制法与各层功能在此不再赘述。

请参照图3，可通过不同的沉积工艺形成具有相同材料及宽度的底电极352与导电连接结构320。或者，可通过相同的工艺形成结构实质上相同的底电极352及导电连接结构320。底电极352可形成于介电材料210的一开口中，且可通过对于底电极352进行一氧化工艺形成电阻转换层354。底电极352及电阻转换层354可形成于顶表面210a之下。顶电极356可形成于一部分的顶表面210a及电阻转换层354上。如此一来，可在导电连接结构320上形成包括底电极352、电阻转换层354及顶电极356的电阻式随机存取存储器单元350。金属层m1配置于顶电极356上。阻挡层260连续性地覆盖顶表面210a及金属层m1，并环绕金属层m1及顶电极356。阻挡层260也接触顶电极356的侧壁及金属层m1的侧壁m1a。

图4为根据本发明又一实施例的电阻式随机存取存储器30的剖面图。请同时参照图1。再者，图4和图1中相同和/或相似元件沿用相同和/或相似标号，且相同元件/层的构型、制法与各层功能在此不再赘述。

请参照图4，底电极452并非是形成于介电层上的绝缘层的开口中，而是直接形成于顶表面210a及导电连接结构220上。介电层210的顶表面210a上可能没有剩余的绝缘层，且底电极452覆盖并接触于一部分的顶表面210a及导电连接结构220。底电极452的宽度大于导电连接结构220的宽度。电阻转换层454配置于底电极452上，且顶电极456配置于电阻转换层454。如此一来，即在导电连接结构220上形成包括底电极452、电阻转换层454及顶电极456的电阻式随机存取存储器单元450。金属层m1配置于顶电极456上。阻挡层260是连续性地覆盖顶表面210a及金属层m1，并环绕金属层m1及电阻式随机存取存储器单元450。并且，阻挡层260接触于底电极452的侧壁、电阻转换层454的侧壁、顶电极456的侧壁及金属层m1的侧壁m1a。

根据上文的叙述，阻挡层覆盖金属层，且环绕顶电极及金属层，使得电阻式随机存取存储器单元可受到完善的保护，可免于受到后端工艺(例如是形成金属间介电质层、金属层、及保护层的工艺)所产生的气体(例如是氢气(h)、氨气(nh3)、硅烷(sih4)的影响。通过在形成金属层之后才形成阻挡层，阻挡层可直接形成于金属层上。也就是说，金属层与顶电极之间的电性连接可不受到阻挡层的中断，而不需要在金属层与顶电极之间形成另外的导电结构，故本发明的工艺方法相较于将阻挡层形成在金属层及顶电极之间的比较例而言，显得更为简单及快速。因此，本发明的电阻式随机存取存储器可具有较低的数据保存损失，并具备较佳的电阻式随机存取存储器可靠度，且本发明的电阻式随机存取存储器的制造方法可花费较低的成本及时间。

其他实施例，例如元件的已知构件有不同的设置与排列等，也可能可以应用，根据应用时的实际需求与条件而可作适当的调整或变化。因此，说明书与附图中所示的结构仅用于说明，并非用以限制本发明欲保护的范围。另外，本领域技术人员应当明确，实施例中构成部件的形状和位置也并不限于附图表达的实施例，也是根据实际应用时的需求和/或制造步骤在不悖离本发明的精神的情况下而可作相应调整。

综上所述，虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有本领域公知常识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的改动与润饰。因此，本发明的保护范围当以申请专利范围所界定的权利要求为准。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。