可变电阻式随机存取存储器元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体元件及其制作方法，特别是涉及一种可变电阻式随机存取存储器(Resistive Random-Access Memory，ReRAM)元件及其制作方法。

背景技术

可变电阻式随机存取存储器元件，又称为忆阻器(memristor)，是通过向存储元件的金属氧化物薄膜施加脉冲电压，以产生电阻差值来作为信息存储状态例如“0”和“1”的判读依据。近年来，随着人工智能与物联网的类神经网络(Neural Network，NN)系统的崛起，可变电阻式随机存取存储器元件因为具有元件密度(device density)高、电力消耗、程序化/抹除速度快、可三维空间堆叠的优点，能满足电子突触(electrical synapse)应用的要求，被认为是最具潜力的候选元件之一。

然而，利用过渡金属氧化物丝状电阻切换(filamentary resistive switching)的可变电阻式随机存取存储器元件，易产生漏电流路径导致读取错误，导致写入及抹除仍有很大的变异性，大幅降低存储器元件的操作可靠度。

因此，有需要提供一种先进的可变电阻式随机存取存储器元件其制作方法，来解决现有技术所面临的问题。

发明内容

本发明的一实施例披露一种可变电阻式随机存取存储器(Resistive Random-Access Memory，ReRAM)元件，包括：介电层、下电极、数据存储层、金属覆盖层以及上电极。介电层具有一个凹室；下电极至少一部分通过此凹室暴露于外。数据存储层位于凹室的侧壁和底面，且与下电极电性接触，并具有一个低于凹室开口的顶部。金属覆盖层毯覆于数据存储层上方，并具有覆盖下电极的顶部的延伸部，且与凹室的侧壁连接。上电极位于凹室之中，并与金属覆盖层电性接触。

本发明的另一实施例披露一种可变电阻式随机存取存储器元件的制作方法，包括下述步骤：首先在介电层中形成一个凹室，通过此凹室将下电极的至少一部分暴露于外。接着，形成数据存储层，使其覆盖于凹室的侧壁和底面上，并与下电极电性接触。然后，形成金属覆盖层，毯覆于数据存储层上方。再对数据存储层和金属覆盖层进行一个回蚀制作工艺，使数据存储层的第一顶部和金属覆盖层的第二顶部，低于凹室的开口。之后，对金属覆盖层进行一个金属溅镀制作工艺，于第二顶部形成延伸部覆盖第一顶部，且与凹室的侧壁连接。后续，在金属覆盖层上方形成上电极，与金属覆盖层电性接触。

根据上述实施例，本发明是在提供一种可变电阻式随机存取存储器元件其制作方法。是在下电极上方的介电层中形成穿过介电层的凹室，将一部分下电极曝露于外，再于凹室底部和侧壁形成一个数据存储层(例如，过度金属氧化层)，并在过度金属氧化层上形成一个金属覆盖层(例如，金属功函数层)；回蚀数据存储层和金属覆盖层，使数据存储层和金属覆盖层的顶部低于凹室开口。之后，再以相同或不同金属材料的靶材对金属覆盖层进行一次溅镀步骤，在金属覆盖层的顶部形成一个延伸部，使其覆盖过数据存储层。再以导电材料填充凹室，覆盖金属覆盖层的顶部，形成上电极。

通过金属覆盖层的延伸部来覆盖数据存储层的顶部，可以避免数据存储层与上电极直接接触，导致数据存储层中的负电氧离子O-隧穿至上电极而造成漏电，大幅降低写入及抹除的变异性，有效增进可变电阻式随机存取存储器元件的操作可靠度。

附图说明

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，并配合所附的附图详细说明如下：

图1为本发明的一实施例所绘示的制作可变电阻式随机存取存储器元件的方法流程图；以及

图2A至图2J为图1所述方法绘示的制作可变电阻式随机存取存储器元件的一系列制作工艺结构剖面示意图。

符号说明

100：可变电阻式随机存取存储器元件

101：下电极

101a：下电极的表面

102：介电层

102a：氮掺杂的碳化硅层

102b：超低介电系数材料层

102t：介电层的顶部

103：凹室

103s：凹室的侧壁

103b：凹室的底面

103o：凹室的开口

104：数据存储层

104a：氧含量控制层

104b：富氧阻障层

104t：第一顶部

105：金属覆盖层

105a：第一部分

105b：第二部分

105e：延伸部

105t：第二顶部

106：光致抗蚀剂层

107：蚀刻气体

108：金属溅镀制作工艺

109：上电极

109a：插塞部

109b：落着部

110：金属内连线结构

H：第一部分的厚度

h：延伸部的厚度

L：凹室中轴线

θ：圆角

S11：在介电层中形成一个凹室，通过此凹室将下电极的至少一部分暴露于外

S12：形成数据存储层，使其覆盖于凹室的侧壁和底面上，并与下电极电性接触

S13：形成金属覆盖层，毯覆于数据存储层上方

S14：对数据存储层和金属覆盖层进行回蚀制作工艺，使数据存储层的第一顶部和金属覆盖层的第二顶部，低于凹室的开口

S15：对金属覆盖层进行金属溅镀制作工艺，于金属覆盖层第二顶部形成延伸部覆盖数据存储层的第一顶部，且与凹室的侧壁连接

S16：在金属覆盖层上方形成上电极，与金属覆盖层电性接触

具体实施方式

本发明是提供一种可变电阻式随机存取存储器元件其制作方法，可达到防止漏电流产生，以提高存储器元件操作可靠度的目的。为了对本发明的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并配合所附的附图作详细说明。

但必须注意的是，这些特定的实施案例与方法，并非用以限定本发明。本发明仍可采用其他特征、元件、方法及参数来加以实施。优选实施例的提出，仅用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的权利要求。该技术领域中普通技术人员，将可根据以下说明书的描述，在不脱离本发明的精神范围内，作均等的修饰与变化。在不同实施例与附图之中，相同的元件，将以相同的元件符号加以表示。

请参照图1以及图2A至图2J，图1是根据本发明的一实施例所绘示的制作可变电阻式随机存取存储器元件100的方法流程图。图2A至图2J是根据图1所述方法绘示的制作可变电阻式随机存取存储器元件100的一系列制作工艺结构剖面示意图。

可变电阻式随机存取存储器元件100的制作方法包括下述步骤：首先如步骤S11所述：在介电层102中形成一个凹室103，通过凹室103将下电极101的至少一部分暴露于外。在本说明书的一些实施例中，下电极101可以是一个金属材料层，例如下电极101可以是形成于基材(未绘示)表面的铜质导线层。

但构成下电极101的材料并不以此为限，在本发明的一些实施例中，构成下电极101的材料可以是钨(W)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、锆(Zr)、铌(Nb)、钽(Ta)、镱(Yb)、铽(Tb)、钇(Y)、铑(La)、钪(Sc)、铪(Hf)、铬(Cr)、钒(V)、锌(Zn)、钼(Mo)、铼(Re)、钌(Ru)、钴(Co)、铑(Rh)、镉(Pd)、铂(Pt)或上述任意组合所构成的合金。

介电层102形成于下电极101的表面101a上。介电层102可以是一种多层结构，例如在本发明的一些实施例中，介电层102可以包括一个氮掺杂的碳化硅(Nitrogen doppedSilicon Carbite，NDC)层102a和一个超低介电系数(ULK)材料层102b(如图2A所绘示)。但在另一些实施例中，介电层102可以由单一材料或多种材料所构成的层间介电层(Inter-Layer Dielectric，ILD)(未绘示)。

凹室103的形成，可以包括在介电层102的顶部102t进行一个干式光致抗蚀剂蚀刻制作工艺，移除一部分介电层102，使凹室103由介电层102的顶部102t向下延伸，并通过凹室103将一部分下电极101的表面101a暴露于外(如图2B所绘示)。

接着如步骤S12所述：在介电层102上方形成数据存储层104，使其覆盖于凹室103的侧壁103s和底面103b(即被暴露于外的一部分下电极101表面101a)上，并与下电极电101性接触。

在本发明的一些实施例中，数据存储层104可以包括一个过渡金属氧化物层。过渡金属氧化物层可以由化学式AO

例如在本实施例中，数据存储层104可以包括堆叠于介电层102上方且覆盖于凹室103的侧壁103s和底面103b上的一个由钽氧化物所构成的氧含量控制层104a和一个由五氧化二钽(Ta

然后如步骤S13所述：形成金属覆盖层105，毯覆于数据存储层104上方(如图2D所绘示)。在本发明的一些实施例中，金属覆盖层105可以是一种功函数层，包括至少一种金属元素，选自于由钴(Cobalt，Co)、镍、铅(Plumbum，Pb)、金(Gold，Au)、铼(Rhenium，Re)、铱(Iridium，Ir)、钛、铪(Hafnium，Hf)、铂(Platinum，Pt)、钌(Ruthenium，Ru)、铝以及上述任意组合所形成的一族群。在本实施例中，金属覆盖层105可以包含金属元素铱。

再如步骤S14所述：对数据存储层104和金属覆盖层105进行一个回蚀制作工艺，使数据存储层104的第一顶部104t和金属覆盖层105的第二顶部105t，低于凹室103的开口103o。

在本发明的一些实施例中，回蚀制作工艺包括下述步骤：先在金属覆盖层105上方形成光致抗蚀剂层106，并填充凹室103(如图2E所绘示)；再对光致抗蚀剂层106进行回蚀，移除位于凹室103的开口103o上方的一部分光致抗蚀剂层106，余留一部分光致抗蚀剂层106，使其仅部分地填充于凹室103之中，覆盖于金属覆盖层105位于凹室103面103b上的第一部分105a，并将金属覆盖层105位于凹室103侧壁103s上的一部分第二部分105b暴露于外(如第2F图所绘示)。接着，再使用包含有氯气、氧气和氦气(Cl

在移除剩余的光致抗蚀剂层106之后，如步骤S15所述：对金属覆盖层105进行一个金属溅镀制作工艺108，于金属覆盖层105第二顶部105t形成延伸部105e覆盖数据存储层104的第一顶部104t，且与凹室103的侧壁103s连接。

在本发明的一些实施例中，金属溅镀制作工艺108包括使用与金属覆盖层105材料相同或不同的靶材(未绘示)，利用等离子体(plasma)对靶材料进行离子轰击(ionbombardment)，而将靶材表面的原子撞击出来，再将这些靶原子以气体分子型式沉积于数据存储层104的第一顶部104t和金属覆盖层105第二顶部105t，由此形成延伸部105e由金属覆盖层105第二顶部105t向外延伸覆盖于数据存储层104的第一顶部104t，并且延伸至凹室103的侧壁103s，进而与凹室103的侧壁103s相连。

在本发明的另一些实施例中，金属溅镀制作工艺108可以直接使用等离子体对金属覆盖层105暴露于外的第二部分105b和第二顶部105t进行离子轰击，将暴露于外的第二部分105b表面的原子撞击出来，再沉积于数据存储层104第一顶部104和金属覆盖层105第二顶部105t，形成延伸部105e由金属覆盖层105第二顶部105t向外延伸至凹室103的侧壁103s。

在本实施例中金属覆盖层105的第二部分105b具有上宽下窄的截面结构。例如图2H所绘示的楔形截面结构；且金属覆盖层105延伸部105e与第二顶部105t连接的位置，具有靠近该凹室103中轴线L的圆角(round corner)θ。金属覆盖层105位于凹室103底部103b的第一部分105a的厚度H，大于延伸部105e的厚度h。

后续如步骤S16所述：在金属覆盖层105上方形成上电极109，与金属覆盖层105电性接触。在本发明的一些实施例中，上电极109的形成，包括：以导电材料填充凹室103；再以介电层102为停止层，对导电材料进行一个平坦化制作工艺，例如化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)制作工艺，完成上电极109的制备。

在本实施例中，如图2I所绘示，上电极109包括一个由插塞部109a和落着(landing)部109b所构成的T字形结构。其中插塞部109a与金属覆盖层105的第二部分105b接触；落着部109b位于金属覆盖层105的延伸部105e上方，且覆盖延伸部105e，可以提供较大的制作工艺窗(processing window)，让后续形成的金属内连线结构110(如图2J所绘示)落着于其上。在一些实施例中，构成上电极109的导电材料与构成下电极101的材料可以相同或不同。例如在本实施例中，构成下电极101的导电材料包括氮化钛。

后续，再以一系列后段制作工艺(未绘示)，例如形成金属内连线结构110与上电极109电性接触，完成如图2J所绘示可变电阻式随机存取存储器元件100的制备。通过金属覆盖层105的延伸部105e来覆盖数据存储层104的第一顶部104t，可以避免数据存储层104与上电极109直接接触，导致数据存储层104中的负电氧离子O-隧穿至上电极109而造成漏电，大幅降低写入及抹除的变异性，有效增进可变电阻式随机存取存储器元件100的操作可靠度。

根据上述实施例，本发明是在提供一种可变电阻式随机存取存储器元件其制作方法。是在下电极上方的介电层中形成穿过介电层的凹室，将一部分下电极曝露于外，再于凹室底部和侧壁形成一个数据存储层(例如，过度金属氧化层)，并在过度金属氧化层上形成一个金属覆盖层(例如，金属功函数层)；回蚀数据存储层和金属覆盖层，使数据存储层和金属覆盖层的顶部低于凹室开口。之后，再以相同金属材料对金属覆盖层进行一次溅镀步骤，在金属覆盖层的顶部形成一个延伸部，使其覆盖过数据存储层。再以导电材料填充凹室，覆盖金属覆盖层的顶部，形成上电极。

通过金属覆盖层的延伸部来覆盖数据存储层的顶部，可以避免数据存储层与上电极直接接触，导致数据存储层中的负电氧离子O-隧穿至上电极而造成漏电，大幅降低写入及抹除的变异性，有效增进可变电阻式随机存取存储器元件的操作可靠度。

虽然结合以上优选实施例已公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何该技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。