存储器装置及其制造方法

技术领域

本发明是关于一种存储器装置及其制造方法，且特别适用于非易失性存储器，例如导电桥接随机存取存储器(conductive-bridging random access memory，CBRAM)。

背景技术

随着半导体装置尺寸的微缩，制造半导体装置的难度也大幅提升，半导体装置的制造工艺期间可能产生不想要的缺陷，这些缺陷可能会造成装置的效能降低或损坏。因此，必须持续改善半导体装置，以提升成品率并改善制造工艺宽裕度。

发明内容

根据本发明的一些实施例，提供存储器装置的制造方法。此方法包含形成第一电极；在第一电极上方形成电阻转态层(resistive switching layer)；在电阻转态层上方形成介电层(dielectric layer)；在介电层中形成第一开口，其中第一开口穿过介电层且露出(exposes)电阻转态层；在介电层中形成第一沟槽，其中第一沟槽位于第一开口正上方；以及在第一开口和第一沟槽中形成具有阶梯状的第二电极。

根据本发明的一些实施例，提供存储器装置。此存储器装置包含第一电极；电阻转态层，设置于第一电极上方；以及第二电极，设置于电阻转态层上方且具有阶梯状，其中第二电极的底表面小于电阻转态层的顶表面。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1A～图1D是根据一些实施例绘示在制造存储器装置的各个阶段的剖面示意图；

图2A和图2B是根据一些实施例绘示存储器装置的剖面示意图；

图3是根据一些实施例绘示存储器装置的透视示意图；

图4A～图4D是根据一些实施例绘示在制造存储器装置的各个阶段的剖面示意图。

符号说明

100、300、400～存储器装置；112、112A、112B～块体层；

102～第一电极；114～漏极；

104～电阻转态层；116～源极；

106～介电层；118～栅极；

108、108A、108B～开口；120～接触件；

109、109A、109B～沟槽；122～导电丝；

110、110A、110B～阻挡层；400A～存储器单元区；

111、111A、111B～第二电极；400B～周边区。

具体实施方式

图1A～图1D是根据一些实施例绘示在制造存储器装置100的各个阶段的剖面示意图。在一些实施例中，如图1A所示，存储器装置100包含第一电极102。在一些实施例中，第一电极102的材料可以包含铜、银、类似的材料或前述的组合，且第一电极102可以包含单层结构或多层结构。

首先，如图1A所示，在第一电极102上依序形成电阻转态层104及介电层106。在一些实施例中，形成电阻转态层104及介电层106的方式例如包括物理气相沉积制造工艺、化学气相沉积制造工艺、原子层沉积制造工艺、蒸发、类似的制造工艺或前述的组合。在一些实施例中，电阻转态层104的厚度在约1纳米至约100纳米的范围，例如约5纳米至约15纳米。

在一些实施例中，电阻转态层104的材料包含氮化物、氮碳化物、类似的材料或前述的组合。举例来说，电阻转态层104的材料可以包含氮化硅、氮碳化硅、类似的材料或前述的组合。在一些实施例中，介电层106的材料包含氧化物、低介电常数介电材料、类似的材料或前述的组合。举例来说，介电层106的材料可以包含氧化硅、氮氧化硅、磷硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼磷硅酸盐玻璃、未掺杂的硅酸盐玻璃、氟硅酸盐玻璃、类似的材料或前述的组合。

然后，如图1B所示，在介电层106上设置遮罩层(未绘示)，接着使用上述遮罩层作为刻蚀遮罩进行刻蚀制造工艺，以在介电层106形成开口108。根据一些实施例，如图1B所示，开口108穿过介电层106且露出电阻转态层104。举例而言，遮罩层可以包含光刻胶，例如正型光刻胶或负型光刻胶。在一些实施例中，遮罩层可以包含硬遮罩，且可由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮碳化硅、类似的材料或前述的组合形成。遮罩层可以是单层或多层结构。遮罩层的形成可以包含沉积制造工艺、光刻制造工艺、其他适当的制造工艺或前述的组合。在一些实施例中，沉积制造工艺包含旋转涂布、化学气相沉积、原子层沉积、类似的制造工艺或前述的组合。举例来说，光刻制造工艺可以包含光刻胶涂布、软烘烤、掩膜对准、曝光、曝光后烘烤、显影、清洗、干燥(例如硬烘烤)、其他合适的制造工艺或前述的组合。

在一些实施例中，上述刻蚀制造工艺可以包含干式刻蚀制造工艺、湿法腐蚀制造工艺或前述的组合。举例来说，干式刻蚀制造工艺可以包含反应性离子刻蚀、感应耦合式等离子体刻蚀、中子束刻蚀、电子回旋共振式刻蚀、类似的刻蚀制造工艺或前述的组合。举例来说，湿法腐蚀制造工艺可以使用例如氢氟酸、氢氧化铵或任何合适的刻蚀剂。

然后，如图1C所示，移除介电层106的一部分，形成沟槽109，其中沟槽109位于开口108的正上方。沟槽109的形成方式类似于开口108的形成方式，故不再赘述。根据一些实施例，如图1C所示，且沟槽109的宽度大于开口108的宽度。换言之，开口108及沟槽109共同形成一阶梯状的开口。

值得一提的是，本实施例是先形成开口108后再于其上半部形成沟槽109以形成阶梯状的开口。但本发明不限于此，在另一实施例中，也可先形成沟槽109后再于其中形成开口108以形成阶梯状的开口。

接着，如图1D所示，在开口108和沟槽109中顺应性地形成阻挡层110。在一些实施例中，阻挡层110的形成方式包含物理气相沉积制造工艺、化学气相沉积制造工艺、原子层沉积制造工艺、蒸发、类似的制造工艺或前述的组合。在一些实施例中，阻挡层110的材料包含钽、氮化钽、类似的材料或前述的组合。

然后，在开口108和沟槽109的剩余部分形成块体层112。块体层112的材料可以包含铜、银、类似的材料或前述的组合。在一些实施例中，块体层112的形成方式包含物理气相沉积制造工艺、化学气相沉积制造工艺、原子层沉积制造工艺、蒸发、电镀、类似的制造工艺或前述的组合。

之后，进行一平坦化制造工艺，以形成第二电极111。在一些实施例中，前述平坦化制造工艺包括回刻蚀制造工艺、化学机械抛光制造工艺、类似的制造工艺或前述的组合。如图1D所示，第二电极111包括阻挡层110和块体层112，且阻挡层110位于块体层112与电阻转态层104之间且延伸至块体层112的侧壁。如图所示，第二电极111具有阶梯状侧壁。

相较于通过沉积及刻蚀制造工艺形成的电阻式存储器，容易受到刻蚀制造工艺的影响而使电极及电阻转换层受到损伤而言。本发明通过镶嵌制造工艺形成第二电极111，可避免第一电极102、电阻转换层104、及第二电极111受到损伤。此外，由于本发明是利用镶嵌制造工艺来形成第二电极111，因此亦可轻易地与周边区的制造工艺进行整合。

另外，本发明在使用铜、银等金属作为电极的电阻式存储器中，形成以氮化物、氮碳化物等材料做为电阻转态层。藉此，当在电阻转态层104中对应于电极处形成导电丝122时，电阻转态层104中未形成导电丝122的区域会同时具有阻挡层的特性，可防止形成导电丝122的铜、银等金属离子因扩散而损失，进而避免导电丝122被切断，提升存储器装置100的可靠度。

如图2A所示，当对存储器装置100施加正向电压时，第一电极102的金属材料氧化，金属离子扩散至电阻转态层104，并在电阻转态层104上方的电极还原，使电阻转态层104中形成金属离子构成的导电丝122，此时电阻转态层104转换为低电阻状态。反之，当对存储器装置100施加反向电压时，导电丝122中的金属离子会回到第一电极102中，导致导电丝122切断，使电阻转态层104转换为高电阻状态(如图2B所示)。存储器装置100通过上述方式转换电阻值以进行资料的储存或读取，达到储存功能。

图3是根据一些实施例绘示1T1R(One-Transistor-1-Resistor)的存储器装置300的透视示意图。如图3所示，存储器装置300包含第一电极102、电阻转态层104、第二电极111、漏极114、源极116和栅极118，且第一电极102经由接触件120与漏极114电性连接。在一些实施例中，漏极114、源极116、栅极118和接触件120可以各自独立地包含导电材料，例如掺杂的多晶硅、金属、类似的材料或前述的组合。在本实施例中，第一电极102、电阻转态层104和第二电极111形成一电阻(Resistor)器件，而漏极114、源极116和栅极118形成用以切换电阻阻值的晶体管(Transistor)器件。

图4A～图4D是根据一些实施例绘示在制造存储器装置400的各个阶段的剖面示意图。图4A～图4D与图1A～图1D以相同符号描述相同器件，并且这些器件的形成方法和材料如前所述，故不再赘述。图4A～图4D的实施例说明通过镶嵌制造工艺整合存储器单元区和周边区的形成。

在一些实施例中，如图4A所示，存储器装置400包含存储器单元区400A和周边区400B。如图所示，存储器装置400包含第一电极102、电阻转态层104及介电层106。第一电极102、电阻转态层104和介电层106的材料和形成方式的范例如前所述，故不再赘述。

然后，在介电层106上设置遮罩层(未绘示)，接着使用上述遮罩层作为刻蚀遮罩进行刻蚀制造工艺，以在介电层106形成位于存储器单元区400A的开口108A和位于周边区400B的开口108B。开口108A和开口108B的形成方式的范例如前所述，故不再赘述。

然后，如图4B所示，在介电层106上设置遮罩层(未绘示)，接着使用上述遮罩层作为刻蚀遮罩进行刻蚀制造工艺，以刻蚀开口108B露出的电阻转态层104的一部分，使开口108B穿过电阻转态层104并露出第一电极102。

然后，如图4C所示，移除介电层106的一部分，形成沟槽109A和109B，其中沟槽109A位于开口108A的正上方，且沟槽109B位于开口108B的正上方。沟槽109A和109B的形成方式类似于开口108A和开口108B的形成方式，故不再赘述。本实施例是先形成开口108A和108B后再于其上半部分别形成沟槽109A和109B以形成阶梯状的开口。但本发明不限于此，在另一实施例中，也可先形成沟槽109A和109B后再于其中形成开口108A和108B以形成阶梯状的开口。

接着，如图4D所示，在开口108A、108B和沟槽109A、109B中顺应性地形成阻挡层110A和110B。然后，在开口108A、108B和沟槽109A、109B的剩余部分分别形成块体层112A和112B。阻挡层110A、110B和块体层112A、112B的材料和形成方式的范例如前所述，故不再赘述。

之后，进行一平坦化制造工艺，以形成第二电极111A和111B。在一些实施例中，前述平坦化制造工艺包括回刻蚀制造工艺、化学机械抛光制造工艺、类似的制造工艺或前述的组合。如图4D所示，第二电极111A包括阻挡层110A和块体层112A，且阻挡层110A位于块体层112A与电阻转态层104A之间且延伸至块体层112A的侧壁。如图4D所示，第二电极111B包括阻挡层110B和块体层112B，且阻挡层110B位于块体层112B与电阻转态层104B之间且延伸至块体层112B的侧壁。由于第二电极111A和111B同时形成，第二电极111A和111B包含相同的材料。

在上述实施例中，本发明利用镶嵌制造工艺形成存储器单元区400A的第二电极111B和周边区400B的第二电极111B，可轻易地整合存储器单元区400A和周边区400B的制造工艺，减少制造工艺步骤，提升存储器装置400的成品率。

综上所述，本发明通过形成以氮化物、氮碳化物、等类似的材料做为电阻转态层的电阻式存储器，可以使形成导电丝的金属离子不易扩散，避免形成于其中的导电丝因扩散而切断，进而提升存储器装置的可靠度。此外，本发明通过镶嵌制造工艺形成电极，可避免现有技术中使用刻蚀制造工艺形成电极而造成的损伤，可改善存储器装置的可靠度，更可轻易地与周边区的制造工艺进行整合。

虽然本发明实施例已以多个实施例描述如上，但这些实施例并非用于限定本发明实施例。本发明所属技术领域中具有通常知识者应可理解，他们能以本发明实施例为基础，做各式各样的改变、取代和替换，以达到与在此描述的多个实施例相同的目的及/或优点。本发明所属技术领域中技术人员也可理解，此类修改或设计并未悖离本发明实施例的精神和范围。因此，本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。