可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其形成方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括存儲(chǔ)區(qū)。在存儲(chǔ)區(qū)上設(shè)置存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包括第一電極、可變電阻層、保護(hù)間隔件以及第二電極。第一電極具有位于存儲(chǔ)區(qū)上的頂面和第一外側(cè)壁表面?？勺冸娮鑼泳哂械谝徊糠趾偷诙糠帧５谝徊糠衷O(shè)置在第一電極的頂面的上方而第二部分從第一部分處向上延伸。保護(hù)間隔件設(shè)置在第一電極的頂面的部分的上方并且至少包圍可變電阻層的第二部分。保護(hù)間隔件可被配置為保護(hù)可變電阻層內(nèi)的至少一條導(dǎo)電路徑。保護(hù)間隔件具有與第一電極的第一外側(cè)壁表面基本對(duì)齊的第二外側(cè)壁表面。第二電極設(shè)置在可變電阻層的上方。本發(fā)明還提供了一種形成可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其形成方法
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請(qǐng)要求于2013年3月15日提交的、標(biāo)題為“RESISTANCE VARIABLE MEMORYSTRUCTURE AND METHOD OF FORMING THE SAME”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)61/799，092 號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此作為參考。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，更具體地，涉及可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)以及形成可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的方法。

【背景技術(shù)】
[0004]在集成電路(IC)器件中，阻變式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)是用于下一代非易失性存儲(chǔ)器器件的新興技術(shù)。一般而言，RRAM通常使用介電材料，盡管這種材料通常是絕緣的，但是可通過(guò)施加了特定電壓之后形成的細(xì)絲或?qū)щ娐窂绞蛊鋵?dǎo)電。一旦形成細(xì)絲，可通過(guò)施加適當(dāng)?shù)碾妷簩⒓?xì)絲置位(即，重新形成，導(dǎo)致RRAM兩端的電阻較低)或復(fù)位(即，斷裂，導(dǎo)致RRAM兩端的電阻高)。低阻態(tài)和高阻態(tài)可用來(lái)表示取決于電阻狀態(tài)的數(shù)字信號(hào)“I”或“0”，由此，提供了能夠存儲(chǔ)位的非易失性存儲(chǔ)器單元。
[0005]從應(yīng)用的角度來(lái)看，RRAM具有諸多優(yōu)點(diǎn)。RRAM具有簡(jiǎn)單的單元結(jié)構(gòu)以及與CMOS邏輯兼容工藝，與其他非易失性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)相比，這降低了制造的復(fù)雜性和成本。雖然以上提及了具有吸引力的特性，但是，在發(fā)展RRAM方面存在很多挑戰(zhàn)。已經(jīng)實(shí)施了針對(duì)這些RRAM的結(jié)構(gòu)和材料的各種技術(shù)以嘗試并且進(jìn)一步提高器件性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括:存儲(chǔ)區(qū)；以及存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，設(shè)置在存儲(chǔ)區(qū)上，存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包括:第一電極，具有位于存儲(chǔ)區(qū)上的頂面和第一外側(cè)壁表面；可變電阻層，具有第一部分和第二部分，第一部分設(shè)置在第一電極的頂面的上方并且第二部分從第一部分處向上延伸；保護(hù)間隔件，設(shè)置在第一電極的頂面的一部分的上方并且至少包圍可變電阻層的第二部分，其中，保護(hù)間隔件被配置為保護(hù)可變電阻層內(nèi)的至少一條導(dǎo)電路徑，并且保護(hù)間隔件具有與第一電極的第一外側(cè)壁表面基本對(duì)齊的第二外側(cè)壁表面；和第二電極，設(shè)置在可變電阻層的上方。
[0007]優(yōu)選地，可變電阻層的第一部分選擇性地被配置為在第一電極和第二電極之間形成至少一條導(dǎo)電路徑。
[0008]優(yōu)選地中，可變電阻層包括遠(yuǎn)離第二部分而水平延伸的第三部分。
[0009]優(yōu)選地，保護(hù)間隔件包括氮化硅。
[0010]優(yōu)選地，保護(hù)間隔件包圍可變電阻層的第一部分的邊緣。
[0011]優(yōu)選地，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括:包圍第一電極的蝕刻停止層。
[0012]優(yōu)選地，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括:包圍保護(hù)間隔件的介電層，介電層在成分上與保護(hù)間隔件不同。
[0013]優(yōu)選地，可變電阻層包括高k介電材料、二元金屬氧化物或過(guò)渡金屬氧化物。
[0014]優(yōu)選地，第二電極包括延伸超出第一電極的邊緣的部分。
[0015]優(yōu)選地，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括:外圍區(qū)；以及第一金屬線層和鄰近的第二金屬線層，設(shè)置在外圍區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)上，其中，在存儲(chǔ)區(qū)中存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)位于第一金屬線層和第二金屬線層之間，而在外圍區(qū)中沒(méi)有器件結(jié)構(gòu)位于第一金屬線層和第二金屬線層之間。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括:存儲(chǔ)區(qū)；介電層，設(shè)置在存儲(chǔ)區(qū)的上方，介電層包括具有內(nèi)側(cè)壁表面的開(kāi)口 ；以及存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，設(shè)置在開(kāi)口內(nèi)，存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包括:第一電極，設(shè)置在開(kāi)口的底部上并且具有頂面；保護(hù)間隔件，在第一電極的頂面的一部分的上方并且沿著開(kāi)口的內(nèi)側(cè)壁表面設(shè)置，其中，保護(hù)間隔件被配置為保護(hù)可變電阻層內(nèi)的至少一條導(dǎo)電路徑；可變電阻層，具有第一部分和第二部分，第一部分設(shè)置在第一電極的頂面的露出部分的上方，并且第二部分從第一部分處向上延伸并且被保護(hù)間隔件包圍；和第二電極，設(shè)置在可變電阻層的上方。
[0017]優(yōu)選地，可變電阻層的第一部分選擇性地被配置為在第一電極和第二電極之間形成至少一條導(dǎo)電路徑。
[0018]優(yōu)選地，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括:外圍區(qū)；以及第一金屬線層和鄰近的第二金屬線層，設(shè)置在外圍區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)上，其中，在存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)位于第一金屬線層和第二金屬線層之間，而在外圍區(qū)中沒(méi)有器件結(jié)構(gòu)位于第一金屬線層和第二金屬線層之間。
[0019]優(yōu)選地，介電層在成分上與保護(hù)間隔件不同。
[0020]優(yōu)選地，第二電極包括垂直部分和水平部分，垂直部分延伸進(jìn)被可變電阻層的第二部分包圍的孔內(nèi)而水平部分延伸超出介電層內(nèi)的開(kāi)口的內(nèi)側(cè)壁表面。
[0021]優(yōu)選地，保護(hù)間隔件具有第二外側(cè)壁表面，第二外側(cè)壁表面與第一電極的第一外側(cè)壁表面以及介電層內(nèi)的開(kāi)口的內(nèi)側(cè)壁表面基本對(duì)齊。
[0022]優(yōu)選地，保護(hù)間隔件包括氮化硅。
[0023]優(yōu)選地，介電層包括低k介電材料。
[0024]優(yōu)選地，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括:包圍第一電極的蝕刻停止層，蝕刻停止層在成分上不同于介電層。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種形成可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括:提供導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的上方形成介電層；在介電層內(nèi)蝕刻開(kāi)口以露出導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的一部分，開(kāi)口具有側(cè)壁表面；在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上方用第一電極材料部分地填充開(kāi)口，以形成第一電極，第一電極具有頂面；在開(kāi)口的側(cè)壁表面的上方以及第一電極的頂面的一部分的上方形成保護(hù)間隔件，從而露出第一電極的頂面的一部分；在開(kāi)口內(nèi)，將可變電阻層沉積在保護(hù)間隔件的上方以及第一電極的頂面的露出部分的上方；在可變電阻層的上方形成第二電極材料；以及圖案化第二電極材料和可變電阻層以在第一電極的上方形成第二電極。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]根據(jù)下面詳細(xì)的描述和附圖可以更好地理解本發(fā)明的各方面。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各種部件沒(méi)有按比例繪制。實(shí)際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增大或減少。
[0027]圖1是根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的形成具有可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。
[0028]圖2A至圖21是根據(jù)圖1中的方法的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的具有可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在不同制造階段的截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面詳細(xì)討論示例性實(shí)施例的制造和使用。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了許多可以在各種具體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的可應(yīng)用的發(fā)明概念。所討論的具體實(shí)施例僅為示例性地而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，具有可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成在襯底的芯片區(qū)內(nèi)。通過(guò)芯片區(qū)之間的劃線在襯底上標(biāo)記出多個(gè)半導(dǎo)體芯片區(qū)。襯底將經(jīng)歷清潔、分層、圖案化、蝕刻和摻雜步驟以形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中的術(shù)語(yǔ)“襯底”通常指其上形成有各種層和器件結(jié)構(gòu)的塊狀襯底。在一些實(shí)施例中，塊狀襯底包括硅或化合物半導(dǎo)體(諸如，GaAs、InP、Si/Ge或SiC)。各層的實(shí)例包括介電層、摻雜層、多晶硅層或?qū)щ妼印Ｆ骷Y(jié)構(gòu)的實(shí)例包括晶體管、電阻器和/或電容器，可通過(guò)互連層將其與附加的集成電路互連。
[0031]圖1是根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的形成具有可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法100的流程圖。圖2A至圖21是根據(jù)圖1中的方法100的各種實(shí)施例的具有可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(200A和200B)在各個(gè)制造階段的截面圖。可在圖1中的方法100之前、期間或之后提供附加工藝。為了更好地理解本發(fā)明的發(fā)明概念，已簡(jiǎn)化了各個(gè)附圖。
[0032]現(xiàn)在參照?qǐng)D1，方法100的流程圖以操作101開(kāi)始。提供導(dǎo)電結(jié)構(gòu)并且將其嵌入在介電層中。在至少一個(gè)實(shí)施例中，介電層包括形成在襯底上方的多個(gè)介電層。至少一個(gè)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)形成在襯底的上方并且嵌入在多個(gè)介電層中。方法100繼續(xù)進(jìn)行至操作102，其中，蝕刻停止層可選地形成在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和介電層的上方。方法100繼續(xù)進(jìn)行至操作103，其中，在蝕刻停止層和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的上方形成介電層。
[0033]參照?qǐng)D2A，其為具有可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A在進(jìn)行了操作101至103之后的一部分的放大的截面圖。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A包括襯底(未示出)，諸如，碳化硅(SiC)襯底、GaAs襯底、InP襯底、Si/Ge或硅襯底。在一些實(shí)施例中，襯底包括形成在其頂面上方的多個(gè)層。各層的實(shí)例包括介電層、摻雜層、多晶娃層或?qū)щ妼?。襯底還包括形成在多個(gè)層內(nèi)的多個(gè)器件結(jié)構(gòu)。各器件結(jié)構(gòu)的實(shí)例包括晶體管、電阻器和/或電容器。
[0034]在圖2A至圖2G所示的實(shí)例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A包括形成在襯底(未示出)中位于存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202內(nèi)的頂面上方的介電層203。介電層203包括氧化硅、氟硅酸鹽玻璃(FSG)、摻碳氧化硅、正硅酸乙酯(TEOS)氧化物、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、Black Diamond "(加利福尼亞州圣塔克拉拉市的應(yīng)用材料)、氟化非晶碳、低k
介電材料或它們的組合。形成工藝可包括化學(xué)汽相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、高密度等離子體(CVD) (HDPCVD)或旋涂玻璃。
[0035]形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205并且將其嵌入在存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202內(nèi)的介電層203中。在某些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205包括導(dǎo)電互連件、摻雜區(qū)或硅化物區(qū)。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 205 包括 Al、Cu、T1、Ta、W、Mo、TaN、NiS1、CoS1、TiN、WN、硅或它們的組合。在圖 2A所示的實(shí)例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A可通過(guò)在介電層203中進(jìn)行光刻圖案化和蝕刻形成。對(duì)介電層203進(jìn)行金屬層沉積和平坦化工藝以形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205。導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205的頂面與介電層203的頂面基本共面。
[0036]蝕刻停止層207可選地形成在存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202內(nèi)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205和介電層203的上方。形成在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205的頂面上方的蝕刻停止層207可防止導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205被氧化。在某些實(shí)施例中，蝕刻停止層207包括諸如碳化硅或氮氧化硅的介電材料。形成工藝可包括化學(xué)汽相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或等離子體增強(qiáng)CVD (PECVD)。
[0037]介電層209形成在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205、介電層203以及蝕刻停止層207 (如果存在蝕刻停止層207)的上方。介電層209包括氧化娃、氟娃酸鹽玻璃(FSG)、摻碳氧化娃、正娃酸乙酯(TEOS)氧化物、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSGhBlackDiamondx (加利福尼亞州圣塔克拉拉市的應(yīng)用材料)、氟化非晶碳、低k介電材料或它們的組合。形成工藝可包括化學(xué)汽相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、高密度等離子體CVD (HDPCVD)或旋涂玻
3? ο
[0038]再參照?qǐng)D1，方法100繼續(xù)進(jìn)行至操作104。在操作104中，在介電層和蝕刻停止層中形成開(kāi)口以露出導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的一部分。開(kāi)口具有側(cè)壁表面。
[0039]參照?qǐng)D2B，其為半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A在進(jìn)行操作104之后的部分的截面圖。在存儲(chǔ)區(qū)201中，在介電層209 (還有蝕刻停止層207)中蝕刻開(kāi)口 211以露出導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205的一部分。開(kāi)口 211具有內(nèi)側(cè)壁表面211B。開(kāi)口 211通過(guò)合適的工藝(包括光刻圖案化工藝和蝕刻工藝)形成。蝕刻停止層207在形成開(kāi)口 211的蝕刻工藝過(guò)程中比介電層209的耐蝕刻性強(qiáng)。蝕刻停止層207可在形成開(kāi)口 211的階段中阻止蝕刻工藝進(jìn)一步向下延伸至介電層203和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205。
[0040]再參照?qǐng)D1，方法100繼續(xù)進(jìn)行至操作105。在操作105中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上方的開(kāi)口部分地填充有第一電極材料，以形成第一電極。在至少一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)口過(guò)多地填充有第一電極材料。進(jìn)行平坦化工藝和/或回蝕工藝以去除開(kāi)口外部多余的第一電極材料，以形成第一電極。第一電極具有的頂面低于介電層的頂面。第一電極具有第一外表面，其與開(kāi)口的側(cè)壁表面基本對(duì)齊。
[0041]圖2C是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A在進(jìn)行操作105之后的截面圖。在一些實(shí)施例中，第一電極材料過(guò)多地填充在存儲(chǔ)區(qū)201中的開(kāi)口 211內(nèi)。第一電極材料也形成在位于存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202內(nèi)的介電層209的頂面209A的上方?？赡艿男纬煞椒òo(wú)電鍍、濺射、電鍍、PVD或ALD。第一電極材料包括具有適當(dāng)功函數(shù)的導(dǎo)電材料，這樣使得在后續(xù)形成的第一電極和可變電阻層之間形成高功函數(shù)墻。第一電極材料213可包括Pt、AlCu、TiN、Au、T1、Ta、TaN、W、WN、Cu或它們的組合。在一些實(shí)施例中，通過(guò)平坦化工藝(諸如，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝)去除開(kāi)口 211外部多余的第一電極材料，以將介電層209的頂面209A上方的第一電極材料的厚度減少約30 A至500 A。
[0042]回蝕第一電極材料213以形成填充在存儲(chǔ)區(qū)201內(nèi)的開(kāi)口 209的底部中的第一電極213E。完全去除外圍區(qū)202內(nèi)的第一電極材料。在某些實(shí)施例中，對(duì)第一電極材料進(jìn)行平坦化工藝以產(chǎn)生基本平坦的頂面，而回蝕工藝減少了開(kāi)口 211內(nèi)的第一電極材料的厚度以使第一電極213E具有基本平坦的頂面213A。介電層209和蝕刻停止層207包圍第一電極213E。由于第一電極材料213填充在開(kāi)口 211內(nèi)，所以第一電極213E的第一外表面與開(kāi)口 211的內(nèi)側(cè)壁表面211B基本對(duì)齊。第一電極213E通過(guò)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205電連接至下面的晶體管。
[0043]再參照?qǐng)D1，方法100繼續(xù)進(jìn)行至操作106。在操作106中，在開(kāi)口的側(cè)壁表面的上方和第一電極的頂面的一部分的上方形成保護(hù)間隔件。
[0044]圖2D是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A在進(jìn)行操作106之后的截面圖。在一些實(shí)施例中，在介電層209的頂面209A的上方、沿著開(kāi)口 211的內(nèi)側(cè)壁表面211B以及在第一電極213E的頂面213A的上方共形地沉積保護(hù)材料。在至少一個(gè)實(shí)施例中，在無(wú)需光刻圖案化工藝的情況下，對(duì)保護(hù)材料進(jìn)行各向異性蝕刻以沿著開(kāi)口 211的內(nèi)側(cè)壁表面21IB并且在第一電極213E的頂面213A的一部分的上方形成保護(hù)間隔件215。保護(hù)間隔件215具有與開(kāi)口 211的內(nèi)側(cè)壁表面21IB基本對(duì)齊(也與第一電極213E的第一外側(cè)壁表面基本對(duì)齊)的第二外側(cè)壁表面。露出第一電極213E的沒(méi)有被保護(hù)間隔件215覆蓋的頂面213A。形成保護(hù)間隔件215之后的開(kāi)口 211變成孔隙217。
[0045]保護(hù)間隔件215包括基本為無(wú)氧的介電材料。在某些實(shí)施例中，保護(hù)間隔件215包括氮化硅。保護(hù)間隔件215可保護(hù)隨后形成的第一電極和第二電極之間的導(dǎo)電路徑并且可增強(qiáng)可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的電特性的穩(wěn)定性。下文會(huì)給出進(jìn)一步的描述。
[0046]再參照?qǐng)D1，方法100繼續(xù)進(jìn)行至操作107和108。在操作107中，可變電阻層沉積在開(kāi)口內(nèi)保護(hù)間隔件的上方以及第一電極的頂面的露出部分的上方。可變電阻層具有至少第一部分和第二部分。第一部分位于第一電極的頂面的上方。第二部分從第一部分處向上延伸并且延伸至保護(hù)間隔件的上方。在操作108中，在可變電阻層的上方形成第二電極材料。
[0047]圖2E是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A在進(jìn)行操作107和108之后的截面圖?？勺冸娮鑼?19形成在存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202的上方。在一些實(shí)施例中，在介電層209的頂面209A的上方、沿著孔隙217的內(nèi)側(cè)壁表面以及在第一電極213E的頂面213A的上方共形地沉積可變電阻層219。在形成可變電阻層219之后，孔隙217成為被可變電阻層219包圍的剩余孔(未示出)?？勺冸娮鑼?19具有通過(guò)施加電壓能夠在高阻態(tài)和低阻態(tài)(或?qū)щ?之間轉(zhuǎn)換的電阻率。在各個(gè)實(shí)施例中，可變電阻層219包括介電材料(包括高k介電材料)、二元金屬氧化物以及過(guò)渡金屬氧化物中的至少一種。在一些實(shí)施例中，可變電阻層219包括氧化鎳、氧化鈦、氧化鉿、氧化錯(cuò)、氧化鋅、氧化鶴、氧化招、氧化鉭、氧化鑰或氧化銅。可變電阻層219可能的形成方法包括脈沖激光沉積(PLD)或ALD，諸如，使用含有鋅和氧的前體的ALD。在一個(gè)實(shí)例中，可變電阻層219的厚度介于約]O A 1:約500 A的范圍內(nèi)。
[0048]第二電極材料221沉積在存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202內(nèi)的可變電阻層219的上方。在存儲(chǔ)區(qū)201中，第二電極材料221還填充由可變電阻層219包圍的孔(未示出)。第二電極材料221可包括合適的導(dǎo)電材料以將后續(xù)形成的可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)電連接至互連件結(jié)構(gòu)的其他部分從而實(shí)現(xiàn)電氣布線。第二電極材料221可包括Pt、AlCu, TiN、Au、T1、Ta、TaN、W、WN、Cu或它們的組合。在一些實(shí)例中，第一電極材料和第二電極材料221具有相同的成分。在某些實(shí)例中，第一電極材料和第二電極材料221具有不同的成分。第二電極材料221的可能的形成方法包括無(wú)電鍍、濺射、電鍍、PVD或ALD。
[0049]再參照?qǐng)D1，方法100繼續(xù)進(jìn)行至操作109。在操作109中，圖案化第二電極材料和可變電阻層以在第一電極的上方形成第二電極。
[0050]圖2F是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A在進(jìn)行操作109之后的截面圖。通過(guò)合適的圖案化工藝來(lái)處理第二電極材料221和可變電阻層219以在第一電極213E的上方形成第二電極(221V和221H)。圖案化工藝包括光刻圖案化工藝和蝕刻工藝。介電層209可在形成第二電極(221V和221H)的階段中阻止蝕刻工藝進(jìn)一步向下延伸至下面的各層。在外圍區(qū)202內(nèi)，去除介電層209之上的所有層。在存儲(chǔ)區(qū)201內(nèi)形成可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)230。
[0051]可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)230包括第一電極213E、可變電阻層219A至219C、第二電極(221V和221H)以及保護(hù)間隔件215。第一電極213E位于開(kāi)口 211的底部?jī)?nèi)并且由蝕刻停止層207和介電層209包圍。可變電阻層219A至219C具有第一部分219A、第二部分219B以及第三部分219C。第一部分219A設(shè)置在第一電極213E的頂面213A的上方。第二部分219B從第一部分219A開(kāi)始向上延伸并且位于保護(hù)間隔件215的上方。第三部分219C以遠(yuǎn)離第二部分219B的方向水平延伸，進(jìn)而超過(guò)第一電極213E的邊緣并且覆蓋介電層209的頂面209A。
[0052]第二電極(22IV和221H)包括垂直部分22IV和水平部分221H。垂直部分22IV延伸進(jìn)被可變電阻層的第二部分219B包圍的孔內(nèi)。水平部分221H延伸超過(guò)保護(hù)間隔件215的第二外側(cè)壁表面(其與開(kāi)口 211在介電層209內(nèi)的內(nèi)側(cè)壁表面2IlB相同)。在一些實(shí)例中，第二電極的水平部分221H的邊緣與可變電阻層的第三部分219C的邊緣基本對(duì)齊。
[0053]保護(hù)間隔件215包圍可變電阻層的第一部分219A和第二部分219B。如前文所述，保護(hù)間隔件215的第二外側(cè)壁表面與開(kāi)口 211在介電層209內(nèi)的內(nèi)側(cè)壁表面211B基本對(duì)齊(也與第一電極213E的第一外側(cè)壁表面基本對(duì)齊)。
[0054]再參照?qǐng)D1，方法100可選地繼續(xù)進(jìn)行至操作110，其中，形成與第二電極接觸的導(dǎo)電插塞。
[0055]圖2G是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A在進(jìn)行操作110之后的截面圖。層間介電(ILD)層223形成在圖2F中示出的存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202的上方。將化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝進(jìn)一步地應(yīng)用于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A以平坦化ILD層223。ILD層223可包括多個(gè)介電層。ILD層223可包括氧化硅、氟硅酸鹽玻璃(FSG)、摻碳氧化硅、正硅酸乙酯(TEOS)氧化物、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、Black Diamond-(加利福尼亞州的圣塔克拉拉市的應(yīng)用材料)、氟化非晶碳、低k介電材料或它們的組合。在一些實(shí)例中，ILD層223和介電層209具有相同的成分。在某些實(shí)例中，ILD層223和介電層209具有不同的成分。
[0056]在某些實(shí)施例中，在ILD層223中進(jìn)行雙鑲嵌工藝以在存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202中分別形成導(dǎo)線227A和227B以及接觸插塞225A和225B。存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202內(nèi)的導(dǎo)線227A和227B位于在下面的第一金屬線層之上的同一第二金屬線層內(nèi)。在存儲(chǔ)區(qū)201內(nèi)，可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)230介于第一金屬線層和第二金屬線層之間。接觸插塞225A與第二電極的水平部分221H相接觸并且連接至第二金屬線層內(nèi)的導(dǎo)線227A。在外圍區(qū)202內(nèi)，沒(méi)有插入器件結(jié)構(gòu)介入在第一金屬線層和第二金屬線層之間。器件結(jié)構(gòu)包括二極管、晶體管、PN結(jié)、電阻器、電容器或電感器。接觸插塞225B連接第二金屬線層內(nèi)的導(dǎo)線227B和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205是第一金屬線層內(nèi)的導(dǎo)線。在某些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205是第一金屬線層內(nèi)的導(dǎo)線上方的接觸插塞。導(dǎo)線227A和227B以及接觸插塞225A和225B的導(dǎo)電材料包括銅、銅合金、鋁或鎢。
[0057]有利地，可至少部分使用與同時(shí)在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A的外圍區(qū)202(或邏輯區(qū))內(nèi)形成期望結(jié)構(gòu)相同的一些工藝步驟從而在存儲(chǔ)區(qū)201內(nèi)形成可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)230。根據(jù)一些實(shí)施例，降低了制造復(fù)雜度和成本。
[0058]圖2G也示出了處于各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的操作階段的可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)230。在“形成”操作中，將“形成”電壓分別施加給第一電極213E和第二電極221H?！靶纬伞彪妷鹤銐蚋咭栽诳勺冸娮鑼拥牡谝徊糠?19A內(nèi)生成導(dǎo)電部分。在一個(gè)實(shí)例中，導(dǎo)電部分包括一個(gè)或多個(gè)提供導(dǎo)電路徑的導(dǎo)電細(xì)絲250，使得可變電阻層的第一部分219A呈“導(dǎo)通”或低阻狀態(tài)。導(dǎo)電路徑可與可變電阻層中位于第一電極213E和第二電極221H之間的第一部分219A內(nèi)的空位缺陷(例如，氧原子)的排列有關(guān)。在一些實(shí)施例中，只施加一次“形成”電壓。一旦形成導(dǎo)電路徑，導(dǎo)電路徑將存在于可變電阻層的第一部分219A內(nèi)。其他操作(復(fù)位操作和置位操作)可使用較小的電壓或不同電壓來(lái)斷開(kāi)或重新連接導(dǎo)電路徑。
[0059]有利地，保護(hù)間隔件215包括基本為無(wú)氧的介電材料。保護(hù)間隔件215包圍可變電阻層的第一部分219A和第二部分219B。保護(hù)間隔件215可防止第一部分219A內(nèi)的導(dǎo)電路徑250的空位缺陷(例如，氧原子)的排列受鄰近層的氧原子的干擾。增強(qiáng)了可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)200A的電特性的穩(wěn)定性和可靠性。在一些實(shí)施例中，介電層209的成分不同于保護(hù)間隔件215的成分。介電層209包括低k介電材料。保護(hù)間隔件215包括氮化硅。介電層209內(nèi)的低k介電材料可降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A的RC延遲。保護(hù)間隔件215內(nèi)的氮化硅可保護(hù)可變電阻層內(nèi)的導(dǎo)電路徑250以增強(qiáng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A的電特性的穩(wěn)定性。
[0060]圖2H至圖21是具有可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200B在圖1中方法100的各種制造階段的某些實(shí)施例。
[0061]參照?qǐng)D2H，其示出了在圖2E中的工藝操作之后繼續(xù)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200B的截面圖。在一些實(shí)施例中，圖2H之前的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200B的材料和制造方法的細(xì)節(jié)與圖2A至圖2E所公開(kāi)的實(shí)施例基本相似。因此，在與圖2A至圖2E中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A相關(guān)的文本中包含的關(guān)于常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的描述在此處不再贅述。
[0062]在圖2H中，進(jìn)行諸如CMP的平坦化工藝，以去除圖2E中開(kāi)口 211外部的多余的第二電極材料221和可變電阻層219。通過(guò)平坦化工藝來(lái)圖案化開(kāi)口 211內(nèi)的第二電極材料221和可變電阻層219從而在第一電極213E的上方形成第二電極221E。因此，形成可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)230。
[0063]可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)230包括第一電極213E、可變電阻層219A和219B、第二電極221E和保護(hù)間隔件215。蝕刻停止層207和介電層209包圍第一電極213E。可變電阻層219A和219B具有第一部分219A和第二部分219B。第一部分219A設(shè)置在第一電極213E的頂面213A的上方。第二部分219B從第一部分219A開(kāi)始向上延伸并且位于保護(hù)間隔件215的上方。可變電阻層的第二部分219B包圍第二電極221E。
[0064]保護(hù)間隔件215具有與開(kāi)口 211在介電層209內(nèi)的內(nèi)側(cè)壁表面21IB基本對(duì)齊(也與第一電極213E的第一外側(cè)壁表面基本對(duì)齊)的第二外側(cè)壁表面。第二電極221E、可變電阻層的第二部分219B和介電層209具有同一的基本平坦的頂面209A。保護(hù)間隔件215包圍可變電阻層的第一部分219A和第二部分219B。保護(hù)間隔件215可防止第一部分219A內(nèi)的導(dǎo)電路徑250的空位缺陷(例如，氧原子)的排列受鄰近層的氧原子干擾。
[0065]圖21是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200B在介電層209的頂面209A的上方形成ILD層223和在存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202內(nèi)形成導(dǎo)線227A和227B以及接觸插塞225A和225B之后的的截面圖。能夠在與圖2G中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200A相關(guān)的文本中找到圖21中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200B的材料和制造方法的細(xì)節(jié)，所以此處不再贅述。
[0066]存儲(chǔ)區(qū)201和外圍區(qū)202內(nèi)的導(dǎo)線227A和227B位于在下面的第一金屬線層之上的同一第二金屬線層內(nèi)。在存儲(chǔ)區(qū)201中，可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)230介于第一金屬線層和第二金屬線層之間。接觸插塞225A與第二電極221E相接觸并且連接至第二金屬線層內(nèi)的導(dǎo)線227A。在外圍區(qū)202中，沒(méi)有器件結(jié)構(gòu)介入在第一金屬線層和第二金屬線層之間。器件結(jié)構(gòu)包括二極管、晶體管、PN結(jié)、電阻器、電容器或電感器。接觸插塞225B連接第二金屬線層內(nèi)的導(dǎo)線227B和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205是第一金屬線層內(nèi)的導(dǎo)線。在某些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)205是位于第一金屬線層內(nèi)的導(dǎo)線上方的接觸插塞。
[0067]本發(fā)明的一個(gè)方面描述了一種包括存儲(chǔ)區(qū)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)設(shè)置在存儲(chǔ)區(qū)上。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包括第一電極、可變電阻層、保護(hù)間隔件以及第二電極。第一電極具有在存儲(chǔ)區(qū)上的頂面和第一外側(cè)壁表面。可變電阻層具有第一部分和第二部分。第一部分設(shè)置在第一電極的頂面的上方而第二部分從第一部分開(kāi)始向上延伸。保護(hù)間隔件設(shè)置在第一電極的頂面的部分的上方并且至少包圍可變電阻層的第二部分。保護(hù)間隔件可配置為保護(hù)可變電阻層內(nèi)的至少一條導(dǎo)電路徑。保護(hù)間隔件具有與第一電極的第一外側(cè)壁表面基本對(duì)齊的第二外側(cè)壁表面。第二電極設(shè)置在可變電阻層的上方。
[0068]本發(fā)明的另一個(gè)方面描述了一種包括存儲(chǔ)區(qū)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。介電層設(shè)置在存儲(chǔ)區(qū)的上方。介電層包括具有內(nèi)側(cè)壁表面的開(kāi)口。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)設(shè)置在開(kāi)口內(nèi)。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包括第一電極、保護(hù)間隔件、可變電阻層以及第二電極。第一電極設(shè)置在開(kāi)口的底部并且具有頂面。在第一電極的頂面的部分的上方并且沿著開(kāi)口的內(nèi)側(cè)壁表面設(shè)置保護(hù)間隔件。保護(hù)間隔件可配置為保護(hù)可變電阻層內(nèi)的至少一條導(dǎo)電路徑?？勺冸娮鑼泳哂械谝徊糠趾偷诙糠?。第一部分設(shè)置在第一電極的頂面的露出部分的上方。第二部分從第一部分開(kāi)始向上延伸并且被保護(hù)間隔件包圍。第二電極設(shè)置在可變電阻層的上方。
[0069]本發(fā)明還描述了形成可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)方面。該方法包括提供導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的上方形成介電層。在介電層內(nèi)蝕刻開(kāi)口以露出導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的一部分。開(kāi)口具有側(cè)壁表面。開(kāi)口在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上方部分填充有第一電極材料以形成第一電極。第一電極具有頂面。保護(hù)間隔件形成在開(kāi)口的側(cè)壁表面的上方和第一電極的頂面的部分的上方。露出第一電極的頂面的一部分?？勺冸娮鑼映练e在開(kāi)口內(nèi)的保護(hù)間隔件上方以及第一電極的頂面的露出部分的上方。第二電極材料形成在可變電阻層的上方。圖案化第二電極材料和可變電阻層以在第一電極的上方形成第二電極。
[0070]盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了實(shí)施例及其優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明精神和范圍的情況下，可做各種不同的改變，替換和更改。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，根據(jù)本發(fā)明，可以使用用于執(zhí)行與根據(jù)本發(fā)明所采用的相應(yīng)實(shí)施例基本相同的功能或獲得基本相同結(jié)構(gòu)的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求意指包括在這樣的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括: 存儲(chǔ)區(qū)；以及 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述存儲(chǔ)區(qū)上，所述存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包括: 第一電極，具有位于所述存儲(chǔ)區(qū)上的頂面和第一外側(cè)壁表面； 可變電阻層，具有第一部分和第二部分，所述第一部分設(shè)置在所述第一電極的頂面的上方并且所述第二部分從所述第一部分處向上延伸； 保護(hù)間隔件，設(shè)置在所述第一電極的頂面的一部分的上方并且至少包圍所述可變電阻層的第二部分，其中，所述保護(hù)間隔件被配置為保護(hù)所述可變電阻層內(nèi)的至少一條導(dǎo)電路徑，并且所述保護(hù)間隔件具有與所述第一電極的第一外側(cè)壁表面基本對(duì)齊的第二外側(cè)壁表面；和 第二電極，設(shè)置在所述可變電阻層的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述可變電阻層的第一部分選擇性地被配置為在所述第一電極和所述第二電極之間形成所述至少一條導(dǎo)電路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述可變電阻層包括遠(yuǎn)離所述第二部分而水平延伸的第三部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述保護(hù)間隔件包括氮化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述保護(hù)間隔件包圍所述可變電阻層的第一部分的邊緣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括:包圍所述第一電極的蝕刻停止層。
7.—種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括: 存儲(chǔ)區(qū)； 介電層，設(shè)置在所述存儲(chǔ)區(qū)的上方，所述介電層包括具有內(nèi)側(cè)壁表面的開(kāi)口 ；以及 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述開(kāi)口內(nèi)，所述存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包括: 第一電極，設(shè)置在所述開(kāi)口的底部上并且具有頂面； 保護(hù)間隔件，在所述第一電極的頂面的一部分的上方并且沿著所述開(kāi)口的內(nèi)側(cè)壁表面設(shè)置，其中，所述保護(hù)間隔件被配置為保護(hù)所述可變電阻層內(nèi)的至少一條導(dǎo)電路徑； 可變電阻層，具有第一部分和第二部分，所述第一部分設(shè)置在所述第一電極的頂面的露出部分的上方，并且所述第二部分從所述第一部分處向上延伸并且被所述保護(hù)間隔件包圍；和 第二電極，設(shè)置在所述可變電阻層的上方。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述可變電阻層的第一部分選擇性地被配置為在所述第一電極和所述第二電極之間形成至少一條導(dǎo)電路徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括: 外圍區(qū)；以及 第一金屬線層和鄰近的第二金屬線層，設(shè)置在所述外圍區(qū)和所述存儲(chǔ)區(qū)上， 其中，在所述存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)所述存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)位于所述第一金屬線層和所述第二金屬線層之間，而在所述外圍區(qū)中沒(méi)有器件結(jié)構(gòu)位于所述第一金屬線層和所述第二金屬線層之間。
10.一種形成可變電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括: 提供導(dǎo)電結(jié)構(gòu)； 在所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的上方形成介電層； 在所述介電層內(nèi)蝕刻開(kāi)口以露出所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的一部分，所述開(kāi)口具有側(cè)壁表面； 在所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上方用第一電極材料部分地填充所述開(kāi)口，以形成第一電極，所述第一電極具有頂面； 在所述開(kāi)口的側(cè)壁表面的上方以及所述第一電極的頂面的一部分的上方形成保護(hù)間隔件，從而露出所述第一電極的頂面的一部分； 在所述開(kāi)口內(nèi)，將可變電阻層沉積在所述保護(hù)間隔件的上方以及所述第一電極的頂面的露出部分的上方； 在所述可變電阻層的上方形成第二電極材料；以及 圖案化所述第二電極材料和所述可變電阻層以在所述第一電極的上方形成第二電極。
【文檔編號(hào)】H01L27/24GK104167422SQ201410206061
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】涂國(guó)基, 張至揚(yáng), 陳俠威, 廖鈺文, 楊晉杰, 游文俊, 石昇弘, 朱文定 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司