TWI797949B - 使用界面過渡金屬化合物層的電阻式記憶體單元及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一種電阻式記憶體單元，包含下電極、電阻式過渡金屬氧化物層和上電極。下電極包含至少一個下金屬阻擋層、下金屬層，其包含第一金屬，第一金屬的熔點高於2000攝氏度、和過渡金屬化合物層，其包含選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物。電阻式過渡金屬氧化物層至少一種過渡金屬的導電絲形成介電氧化物，並位於過渡金屬化合物層上。上電極包含上金屬層和至少一個上金屬阻擋層，該上金屬層包含第二金屬，第二金屬的熔點高於2,000攝氏度。
Description
本發明實施例係關於電阻式記憶體單元及其形成方法，特別是關於一種使用界面過渡金屬化合物層的電阻式記憶體單元及其形成方法。
電阻式記憶體單元包含電阻式儲存器元件，其中資料位元可被編碼為低電阻狀態或高電阻狀態。多個電阻式記憶體單元可排列為二維陣列或三維陣列以提供隨機存取電阻式記憶體陣列。電阻式記憶體單元的可靠性取決於電阻式記憶體單元在重複編程操作、抹除操作和讀取操作後保持原始裝置特性的程度。
本發明的一實施例係關於一種包含電阻式記憶體單元的裝置結構，其中電阻式記憶體單元包含：下電極，其包含至少一個下金屬阻擋層、下金屬層以及過渡金屬化合物層，下金屬層包含第一金屬，第一金屬的熔點高於2000攝氏度，過度金屬化合物層包含選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物；電阻式過渡金屬氧化物層，其包含至少一種過渡金屬的導電絲形成介電氧化物，並位於過渡金屬化合物層上；及上電極，包含上金屬層，上金屬層包含第二金屬。
本發明的另一實施例係關於一種電阻式隨機存取記憶體(RRAM)裝置，包含：電阻式記憶體單元陣列，其位於基板上方並包含相應下電極、相應電阻式過渡金屬氧化物層和相應上電極；場效應電晶體，其位於基板上；第一金屬互連結構，其將場效應電晶體的第一節點電連接到電阻式記憶體單元陣列內的下電極；及第二金屬互連結構，其將場效應電晶體的第二節點電連接到電阻式記憶體單元陣列內的上電極；其中：每個下電極包含至少一個下金屬阻擋層、下金屬層，其包含釕、和過渡金屬化合物層，其包含選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物；每個電阻式過渡金屬氧化物層包含至少一個過渡金屬的導電絲形成介電氧化物；及每個上電極包含上金屬層，其包含第二金屬和至少一個上金屬阻擋層，第二金屬具有高於2,000攝氏度的熔點。
本發明的另一實施例係關於一種裝置結構的形成方法，包含：形成層堆疊，其包含至少一個連續下金屬阻擋層、連續下金屬層、連續過渡金屬化合物層、連續電阻式過渡金屬氧化物層、連續上金屬層和至少一個連續上金屬阻擋層在基板上，其中連續下金屬層包含第一金屬，連續過渡金屬化合物層包含選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物，連續電阻式過渡金屬氧化物層包含至少一個過渡金屬的導電絲形成介電氧化物，並且連續上金屬層包含第二金屬；及使用至少一個各向異性蝕刻製程圖案化層堆疊，其中層堆疊的圖案化部分包含：上電極，其包含至少一個連續上金屬阻擋層和連續上金屬層的圖案化部分；電阻式過渡金屬氧化物層，其包含連續電阻式過渡金屬氧化物層的圖案化部分；及下電極，其包含至少一個連續下金屬阻擋層、連續下金屬層和連續過渡金屬化合物層的圖案化部分。
優先權主張及交叉參考
本申請案主張2021年1月8日提交的題為“Resistive random access memory (RRAM) structure and method for fabricating the same”的美國臨時專利申請第63/135,089號的優先權，其全部內容透過引用併入本文以用於所有目的。
下列揭露內容提供用於實施所提供標的物之不同特徵之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且不旨在限制。舉例而言，在下列描述中之一第一構件形成於一第二構件上方或上可包含其中該第一構件及該第二構件經形成直接接觸之實施例，且亦可包含其中額外構件可形成在該第一構件與該第二構件之間，使得該第一構件及該第二構件可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複元件符號及/或字母。此重複出於簡化及清楚之目的，且本身不指示所論述之各項實施例及/或組態之間之一關係。
此外，為便於描述，可在本揭露中使用諸如「在…下面」、「在…下方」、「下」、「在…上方」、「上」及類似者之空間相對術語來描述一個元件或特徵與另一(些)元件或特徵之關係，如圖中繪示。空間相對術語旨在涵蓋除在圖中描繪之定向以外之使用或操作中之裝置之不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或按其他定向)且本揭露中使用之空間相對描述符同樣可相應地解釋。除非另有明確說明，假定具有相同附圖標記的每個元件具有相同的材料成分並且具有在相同厚度範圍內的厚度。
一般而言，本發明的結構和方法可用於形成為電阻式儲存元件提供增強的耐久性同時最小化對下電極的電阻的不利影響的記憶體單元。具體地，可以在下電極中的下金屬層的高電導率金屬和具有提供不同電阻率的至少兩種電阻狀態的電阻式過渡金屬氧化物層之間提供界面過渡金屬化合物層。電阻式過渡金屬氧化物層可以包含導電絲形成介電金屬氧化物材料，並且可以透過使用下金屬層和電阻式過渡金屬氧化物層之間的界面過渡金屬化合物層來延遲透過在電阻式過渡金屬氧化物層內重複形成和抹除導電細絲而對電阻式過渡金屬氧化物層造成的永久性結構損壞。下面參考附圖描述本發明的各種實施例的方面。
圖1是根據本發明實施例的互補金屬氧化物半導體(CMOS)電晶體、形成在下級介電材料層內的金屬互連結構和連接通孔級介電層形成之後的例示性結構的垂直截面圖。例示性結構包含形成在介電材料層中的互補金屬氧化物半導體(CMOS)電晶體和金屬互連結構。具體地，例示性結構包含基板9，其可以是諸如市售矽晶片的半導體基板。可以在基板9的上部形成包含諸如氧化矽的介電材料的淺溝槽隔離結構720。合適的摻雜半導體阱，例如p型阱和n型阱，可以形成在可以被淺溝槽隔離結構720的一部分橫向包圍的每個區域內。場效應電晶體可以形成在基板9的頂面之上。例如，每個場效應電晶體可以包含源極區732、汲極區738、包含在源極區732和汲極區738之間延伸的基板9的表面部分的半導體通道735，以及閘極結構750。每個閘極結構750可以包含閘極介電質752、閘極電極754、閘極蓋介電質758和介電閘極間隔物756。源極側金屬-半導體合金區742可以形成在每個源極區732上，並且汲極側金屬-半導體合金區748可以形成在每個汲極區738上。雖然在附圖中示出了平面場效應電晶體，但在本文中明確考慮了其中場效應電晶體可以附加地或替代地包含鰭式場效應電晶體(FinFET)、環閘極場效應(GAA FET)電晶體或任何其他類型的場效應電晶體(FET)。
例示性結構可以包含其中可以隨後形成儲存元件陣列的記憶體陣列區100和其中可以形成支持儲存元件陣列的操作的邏輯裝置的外圍區200。在一實施例中，記憶體陣列區100中的裝置(例如場效應電晶體)可包含下電極存取電晶體，其提供對隨後形成的記憶體單元的下電極的存取。在該處理步驟中，可以在外圍區200中形成提供對隨後形成的記憶體單元的上電極的存取的上電極存取電晶體。外圍區200中的裝置(例如場效應電晶體)可以提供操作隨後形成的記憶體單元陣列可能需要的功能。具體地，外圍區中的裝置可以被配置為控制記憶體單元陣列的編程操作、抹除操作和感測(讀取)操作。例如，外圍區中的裝置可以包含感測電路和/或上電極偏壓電路。形成在基板9的頂面上的裝置可以包含互補金屬氧化物半導體(CMOS)電晶體和可選的附加半導體裝置(例如電阻、二極體、電容等)，並且統稱為CMOS電路700。
隨後可以在基板9和裝置(例如場效應電晶體)上方形成嵌入介電材料層中的各種金屬互連結構。介電材料層可以包含例如接觸級介電材料層601、第一金屬線級介電材料層610、第二線和通孔級介電材料層620、第三線和通孔級介電材料層630，以及第四線和通孔級介電材料層640，金屬互連結構可以包含形成在接觸級介電材料層601中的裝置接觸通孔結構612和接觸CMOS電路700的相應組件、形成在第一金屬線級介電材料層610中的第一金屬線結構618、形成在第二線和通孔級介電材料層620的下部的第一金屬通孔結構622、形成在第二線和通孔級介電材料層620的上部的第二金屬線結構628、形成在第三線和通孔級介電材料層630的下部的第二金屬通孔結構632、形成在第三線和通孔級介電材料層630的上部的第三金屬線結構638、形成在第四線路和通孔級介電材料層640的下部的第三金屬通孔結構642，以及形成在第四線和通孔級介電材料層640的上部的第四金屬線結構648。在一個實施例中，第二金屬線結構628可以包含連接到用於儲存元件陣列的源極側電源的源極線。源極線提供的電壓可以透過設置在記憶體陣列區100中的存取電晶體施加到下電極。
每個介電材料層(601、610、620、630、640)可以包含介電材料，例如未摻雜的矽酸鹽玻璃、摻雜的矽酸鹽玻璃、有機矽酸鹽玻璃、無定形氟化碳、其多孔變體或其組合。每個金屬互連結構(612、618、622、628、632、638、642、648)可以包含至少一種導電材料，該導電材料可以是金屬襯墊層(例如金屬氮化物或金屬碳化物)和金屬填充材料。每個金屬襯墊層可以包含TiN、TaN、WN、TiC、TaC和WC，並且每個金屬填充材料部分可以包含W、Cu、Al、Co、Ru、Mo、Ta、Ti、它們的合金和/或其組合。也可以使用在公開的預期範圍內的其他合適的材料。在一個實施例中，第一金屬通孔結構622和第二金屬線結構628可以透過雙鑲嵌製程形成為整合的線和通孔結構，第二金屬通孔結構632和第三金屬線結構638可以形成為整合的線和通孔結構，和/或第三金屬通孔結構642和第四金屬線結構648可以形成為整合的線和通孔結構。雖然使用其中在第四線和通孔級介電材料層640上方形成記憶體單元陣列的實施例來描述本發明，但此處明確考慮了其中記憶體單元陣列可以在不同金屬互連層級形成的實施例。
介電材料層(601、610、620、630、640)可以位於相對於隨後要形成的記憶體單元陣列較低的層級。因此，介電材料層(601、610、620、630、640)在此稱為下級介電材料層，即介電材料層相對於隨後將要形成的記憶體單元陣列位於較低層級。金屬互連結構(612、618、622、628、632、638、642、648)在本文中被稱為下級金屬互連結構。金屬互連結構(612、618、622、628、632、638、642、648)的子集包含嵌入在下級介電層中的下級金屬線(例如第四金屬線結構648)並且在包含下級介電層的最頂面的水平面內具有頂面。通常，下級介電層(601、610、620、630、640)內的金屬線級的總數可以在1到10的範圍內。
介電蓋層108和下連接通孔級介電層110可以順序地形成在金屬互連結構和介電材料層上方。連續介電蓋層108和下連接通孔級介電層110可以是附加的下級介電材料層。例如，介電蓋層108可以形成在第四金屬線結構648的頂面上和第四線和通孔級介電材料層640的頂面上。介電蓋層108包含可以保護下面的金屬互連結構例如第四金屬線結構648的介電覆蓋材料。在一個實施例中，介電蓋層108可以包含一種可以提供高抗蝕刻性的材料，即介電材料，並且還可以在隨後的各向異性蝕刻製程中用作蝕刻停止材料，蝕刻下連接通孔級介電層110。例如，介電蓋層108可以包含碳化矽或氮化矽，並且可以具有在從5nm到30nm的範圍內的厚度，但是也可以使用更小和更大的厚度。
下連接通孔級介電層110可包含可用於介電材料層(601、610、620、630、640)的任何材料。例如，下連接通孔級介電層110可以包含未摻雜的矽酸鹽玻璃或透過原矽酸四乙酯(TEOS)的分解沉積的摻雜的矽酸鹽玻璃。下連接通孔級介電層110的厚度可以在從50nm到200nm的範圍內，但是也可以使用更小和更大的厚度。介電蓋層108和下連接通孔級介電層110可以形成為具有延伸貫穿記憶體陣列區100和外圍區200的相應平坦頂面和相應平坦底面的平坦覆蓋(未圖案化)層。
圖2是根據本發明的實施例在形成下連接通孔結構120的陣列之後的例示性結構的垂直截面圖。可以穿過例示性結構的下連接通孔級介電層110和介電蓋層108形成通孔腔。例如，抗光蝕劑層(未示出)可以被施加在下連接通孔級介電層110上並且可以被圖案化以在記憶體陣列區100的區域內形成開口，其覆蓋第四金屬線結構648中的相應一個。可以執行各向異性蝕刻以透過下連接通孔級介電層110和介電蓋層108轉移抗光蝕劑層中的圖案。透過各向異性蝕刻製程形成的通孔腔在本文中被稱為下電極接觸通孔腔，因為下電極連接通孔結構隨後形成在下電極接觸通孔腔中。下電極接觸通孔腔可以具有錐角(在相對於垂直方向內)在從1度到10度的範圍內的錐形側壁。第四金屬線結構648的頂面可以物理地暴露在每個下電極接觸通孔腔的底部。隨後可以例如通過灰化去除抗光蝕劑層。
金屬阻擋層可以形成為材料層。金屬阻擋層可以覆蓋物理暴露的第四金屬線結構648的頂面、下電極接觸通孔的錐形側壁和下連接通孔級介電層110的頂面，而沒有任何貫穿其的孔。金屬阻擋層可以包含諸如TiN、TaN和/或WN的導電金屬氮化物。也可以使用在公開的預期範圍內的其他合適的材料。金屬阻擋層的厚度可以在從3nm到20nm的範圍內，但是也可以使用更小和更大的厚度。
金屬填充材料例如鎢或銅可以沉積在下電極接觸通孔腔的剩餘體積中。可以透過諸如化學機械平坦化的平坦化製程去除覆蓋在包含下連接通孔級介電層110的最上表面的水平面的部分金屬填充材料和金屬阻擋層以形成。位於相應通孔腔中的金屬填充材料的每個剩餘部分包含金屬通孔填充材料部分124。相應通孔腔中的金屬阻擋層的每個剩餘部分包含金屬阻擋層122。金屬阻擋層122和填充通孔腔的金屬通孔填充材料部分124的每個組合構成下連接通孔結構120。可以在下方金屬互連結構上的下連接通孔級介電層110中形成下連接通孔結構120的陣列。下連接通孔結構120的陣列可以接觸第四金屬線結構648的子集的頂面。通常，下連接通孔結構120的陣列接觸位於下級介電層(601、610、620、630、640)的最上級的下層金屬線的子集的頂面。
參照圖3，在形成介電蝕刻停止層112之後示出了例示性結構的記憶體單元區域。介電蝕刻停止層112可以包含可以在隨後的各向異性蝕刻製程期間用作蝕刻停止結構的介電質材料。例如，介電蝕刻停止層112可以包含介電材料，例如碳化矽、碳氮化矽、氮化矽、氮氧化矽，或介電金屬氧化物，例如氧化鋁、氧化鑭或氧化鈦。其他合適的介電材料在本公開的預期範圍內。可以透過化學氣相沉積或原子層沉積來沉積介電蝕刻停止層112。介電蝕刻停止層112的厚度可以在從3nm到100nm的範圍內，例如從10nm到50nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
抗光蝕劑層(未示出)可以施加在介電蝕刻停止層112上，並且可以被光刻圖案化以形成開口陣列。在平面圖中，每個開口可以具有從下連接通孔結構120中的下面的一個的外圍向內橫向偏移的相應外圍。換言之，抗光蝕劑層內的每個開口的區域可以完全位於下連接通孔結構120中的一個下方的區域內。抗光蝕劑層中的圖案可以透過各向異性蝕刻製程轉移通過介電蝕刻停止層112，該製程具有蝕刻化學物質，該蝕刻化學物質對下連接通孔結構120的金屬材料選擇性地蝕刻介電蝕刻停止層112的材料。隨後可以例如通過灰化去除抗光蝕劑層。
通常，可以在下級介電材料層(601、610、620、630、640)上的下連接通孔結構120的陣列上形成包含開口陣列的介電蝕刻停止層112。每個穿過介電蝕刻停止層112的開口的水平截面形狀可以是圓形、橢圓形、矩形、圓角矩形或具有封閉外圍的任何二維曲線形狀。穿過介電蝕刻停止層112的每個開口的最大橫向尺寸(例如直徑或長軸)可以在從10nm到100nm的範圍內，例如從20nm到50nm，儘管最大值越來越小也可以使用橫向尺寸。
參照圖4，堆疊層包含至少一個連續下金屬阻擋層134C、連續下金屬層136C、連續過渡金屬化合物層138C、連續電阻式過渡金屬氧化物層140C、連續上金屬層152C、至少一連續上金屬阻擋層(154C、156C)和連續介電蓋層158C可以沉積在下連接通孔結構120的物理暴露表面上的開口陣列中和介電蝕刻停止層112之上。至少一個連續下金屬阻擋層134C、連續下金屬層136C和連續過渡金屬化合物層138C的組合隨後用於圖案化下電極，因此，在本文中稱為連續下電極材料層130C。連續上金屬層152C和至少一個連續上金屬阻擋層(154C、156C)的組合隨後用於圖案化上電極，因此在本文中被稱為連續上電極材料層150C。
在一個實施例中，至少一個連續下金屬阻擋層134C可以包含多個連續下金屬阻擋層，例如從底部到頂部包含第一連續下金屬阻擋層131C、第二連續下金屬阻擋層132C和第三連續下金屬阻擋層133C的堆疊。在一個實施例中，第一連續下金屬阻擋層131C可以包含諸如TaN、TiN或WN的第一導電金屬氮化物材料。第二連續下金屬阻擋層132C可以包含諸如Ta、Ti或W的元素金屬。第三連續下金屬阻擋層133C可以包含諸如TaN、TiN或WN的第二導電金屬氮化物材料。第二導電金屬氮化物材料可以與第一導電金屬氮化物材料相同或不同。第一連續下金屬阻擋層131C、第二連續下金屬阻擋層132C和第三連續下金屬阻擋層133C中的每一個可以具有在1nm至100nm範圍內的相應厚度，例如從3nm到30nm，儘管也可以使用更小和更大的厚度。
第一連續下金屬阻擋層131C、第二連續下金屬阻擋層132C和第三連續下金屬阻擋層133C中的每一個可以透過相應的沉積製程例如物理氣相沉積或化學氣相沉積來沉積。第一連續下金屬阻擋層131C、第二連續下金屬阻擋層132C和第三連續下金屬阻擋層133C中的每一個的厚度可以在從2nm到40nm的範圍內，例如從4nm到 20 nm，但可以使用更小和更大的厚度。第一連續下金屬阻擋層131C和第三連續下金屬阻擋層133C中的每一個內的氮原子的原子百分比可以是均勻的，或者可以是漸變的，以降低電阻並增加電遷移電阻。
在一個實施例中，連續下金屬層136C包含熔點高於2,000攝氏度的第一金屬。例如，連續下金屬層136C可以包含鉿、釕、銥、鈮、鉬、鉭、鋨、錸或鎢。其他合適的金屬材料可以在本發明的預期範圍內。在一實施例中，連續下金屬層136C可包含第8族元素(例如釕或鋨)或第9族元素(例如銠或銥)。通常，為了在電阻式記憶體單元的操作期間減少或消除下電極內的第一金屬原子的目的，將具有高熔點的金屬用於連續下金屬層136C可能是有利的。在一實施例中，連續下金屬層136C可包含釕。可以透過物理氣相沉積或化學氣相沉積來沉積連續下金屬層136C。連續下金屬層136C的厚度可以在從1nm到100nm的範圍內，例如從3nm到30nm和/或從6nm到20nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
根據本發明的一方面，連續過渡金屬化合物層138C包含和/或基本上由選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物組成。在一個實施例中，連續過渡金屬化合物層138C包含和/或基本上由選自氧化鈦和氧化鉭的過渡金屬氧化物材料組成。在一實施例中，連續電阻式過渡金屬氧化物層140C可不含包含在連續下金屬層136C中的金屬。在本實施例中，連續下金屬層136C的金屬可以不含鉭、鈦或鎢。在一個實施例中，連續過渡金屬化合物層138C可以透過金屬化合物材料的沉積而不是金屬的沉積和隨後的氮化或隨後的氧化來形成。在一實施例中，連續過渡金屬化合物層138C可始終具有均勻的非金屬原子百分比。
在一個實施例中，連續過渡金屬化合物層138C包含和/或基本上由氧化鈦組成。在該實施例中，連續過渡金屬化合物層138C可以始終具有均勻的氧原子百分比或均勻的氮原子百分比。
在一實施例中，連續過渡金屬化合物層138C的氧化鈦材料可透過原子層沉積製程沉積。在本實施例中，含鈦前驅氣體(如四(二甲氨基)鈦(Ti(N(CH
3)
2)
4；TDMAT)、四氯化鈦(TiCl
4)或四異丙氧基鈦(TTIP))和氧源氣體(例如H
2O、O
3或O
2)可以在原子層沉積工藝期間交替地流入包含示例性結構的製程室。製程溫度可以在從0攝氏度到400攝氏度的範圍內，例如從10攝氏度到350攝氏度，但是也可以使用更低和更高的製程溫度。含鈦前驅氣體和氧源氣體的流速可以在從40標準立方厘米每分鐘(sccm)到1,000sccm的範圍內，但也可以使用更小和更大的流速。循環的總次數(即含鈦前驅氣體的流動和氧源氣體的流動的重複次數)可以在1至50的範圍內，例如3至20，儘管越來越少也可以使用循環數。連續過渡金屬化合物層138C的厚度可以在從0.5nm到10nm的範圍內，例如從1.5nm到4nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
在一個實施例中，連續過渡金屬化合物層138C包含和/或基本上由氧化鉭組成。在一實施例中，連續過渡金屬化合物層138C的氧化鉭材料可通過原子層沉積製程沉積。在本實施例中，含鉭前驅氣體(如Ta(OC
2H
5)
5、Ta(N(CH
3)
2)
5、TaCl
5、TaI
5或叔丁基亞氨基-三-乙基甲基酰胺-鉭)和氧源氣體(例如H
2O、O
3或O
2)可以在原子層沉積製程期間交替地流入包含例示性結構的製程室。製程溫度可以在從0攝氏度到400攝氏度的範圍內，例如從20攝氏度到350攝氏度，但是也可以使用更低和更高的製程溫度。含鉭前驅氣體和氧源氣體的流速可以在從40標準立方厘米每分鐘(sccm)到1,000sccm的範圍內，但也可以使用更小和更大的流速。循環的總次數(即含鉭前驅氣體的流動和氧源氣體的流動的重複次數)可以在1至50的範圍內，例如3至20，儘管越來越少也可以使用循環數。連續過渡金屬化合物層138C的厚度可以在從0.5nm到10nm的範圍內，例如從1.5nm到4nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
在一個實施例中，連續過渡金屬化合物層138C包含和/或基本上由選自氮化鈦、氮化鉭和氮化鎢的過渡金屬氮化物材料組成。
在一個實施例中，連續過渡金屬化合物層138C包含和/或基本上由氮化鈦組成。在一實施例中，連續過渡金屬化合物層138C的氮化鈦材料可透過原子層沉積製程沉積。在本實施例中，含鈦前驅氣體(如四(二甲氨基)鈦(Ti(N(CH
3)
2)
4；TDMAT)、四氯化鈦(TiCl
4)或四異丙醇鈦(TTIP))和氮源氣體(例如NH
3或N
2)可以在原子層沉積製程期間交替地流入包含例示性結構的製程室。製程溫度可以在從150攝氏度到400攝氏度的範圍內，例如從200攝氏度到350攝氏度，但是也可以使用更低和更高的製程溫度。含鈦前驅氣體和氮源氣體的流速可以在從40標準立方厘米每分鐘(sccm)到1,000sccm的範圍內，但也可以使用更小和更大的流速。循環的總次數(即含鈦前驅氣體的流動和氮源氣體的流動的重複次數)可以在1至50的範圍內，例如3至20，儘管越來越少也可以使用循環數。連續過渡金屬化合物層138C的厚度可以在從0.5nm到10nm的範圍內，例如從1.5nm到4nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
在一實施例中，連續過渡金屬化合物層138C的氮化鈦材料可以在超高真空室中透過物理氣相沉積來沉積。在本實施例中，在物理氣相沉積過程中，可以使用至少一種惰性氣體例如氮氣或氬氣作為環境氣體。氮氣的流速和/或氬氣的流速可以在從1sccm到300sccm的範圍內，但也可以使用更小和更大的流速。物理氣相沉積製程期間的沉積溫度可以在從0攝氏度到300攝氏度的範圍內，但是也可以使用更低和更高的溫度。在物理氣相沉積過程中使用的DC功率可以在從10瓦到6,000瓦的範圍內，例如從30瓦到2,000瓦，但是也可以使用更小和更大的功率。連續過渡金屬化合物層138C的厚度可以在從0.5nm到10nm的範圍內，例如從1.5nm到4nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
在一實施例中，連續過渡金屬化合物層138C的氮化鈦材料可透過原子層沉積製程沉積。在本實施例中，含鈦前驅氣體(如四(二甲氨基)鈦(Ti(N(CH
3)
2)
4；TDMAT)、四氯化鈦(TiCl
4)或四異丙醇鈦(TTIP))和氮源氣體(例如NH
3)可以在原子層沉積製程期間交替地流入包含例示性結構的製程室。製程溫度可以在從150攝氏度到600攝氏度的範圍內，例如從300攝氏度到550攝氏度，但是也可以使用更低和更高的製程溫度。含鈦前驅氣體和氮源氣體的流速可以在從1標準立方厘米每分鐘(sccm)到500sccm的範圍內，但也可以使用更小和更大的流速。可選地，在沉積製程期間，載體氣體例如氦氣可以流入製程室。施加以產生含鈦前驅氣體和氮源氣體的等離子體的射頻(RF)功率可以在10瓦到3,000瓦的範圍內，例如從50瓦到1,000瓦，儘管RF功率越來越小也可以使用。連續過渡金屬化合物層138C的厚度可以在從0.5nm到10nm的範圍內，例如從1.5nm到4nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
在一實施例中，連續過渡金屬化合物層138C的氮化鉭材料可在超高真空室中透過物理氣相沉積來沉積。在本實施例中，在物理氣相沉積過程中，可以使用至少一種惰性氣體例如氮氣或氬氣作為環境氣體。氮氣的流速和/或氬氣的流速可以在從1sccm到300sccm的範圍內，但也可以使用更小和更大的流速。物理氣相沉積製程期間的沉積溫度可以在從0攝氏度到300攝氏度的範圍內，但是也可以使用更低和更高的溫度。在物理氣相沉積製程期間使用的DC功率可以在從10瓦到6,000瓦的範圍內，例如從30瓦到2,000瓦，但是也可以使用更小和更大的功率。可選地，可以在物理氣相沉積過程期間使用線圈功率。在該實施例中，線圈功率的量值可以在從10瓦到2,000瓦的範圍內，但是也可以使用更小和更大的量值。連續過渡金屬化合物層138C的厚度可以在從0.5nm到10nm的範圍內，例如從1.5nm到4nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
在一個實施例中，連續過渡金屬化合物層138C包含和/或基本上由氮化鎢組成。在一實施例中，連續過渡金屬化合物層138C的氮化鎢材料可通過原子層沉積製程沉積。在該實施例中，在化學氣相沉積製程期間，含鎢前驅氣體(例如六氟化鎢)和氮源氣體(例如NH
3或N
2)可以交替地流入包含示例性結構的處理室。製程溫度可以在從150攝氏度到600攝氏度的範圍內，例如從200攝氏度到500攝氏度，但是也可以使用更低和更高的製程溫度。含鎢前驅氣體和氮源氣體的流速可以在從40標準立方厘米每分鐘(sccm)到1,000sccm的範圍內，但也可以使用更小和更大的流速。循環的總次數(即含鎢前驅氣體的流動和氮源氣體的流動的重複次數)可以在1至50的範圍內，例如3至20，儘管越來越少 也可以使用循環數。連續過渡金屬化合物層138C的厚度可以在從0.5nm到10nm的範圍內，例如從1.5nm到4nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
連續電阻式過渡金屬氧化物層140包含和/或基本上由至少一種過渡金屬的導電絲形成介電氧化物組成。導電絲形成介電氧化物是指在透過其施加電場時可形成導電絲的介電氧化物。例示性的導電絲形成介電氧化物包含氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化鉿鋯和氧化鍶鈷。連續電阻式過渡金屬氧化物層140沿厚度方向(例如，沿垂直方向)的電阻率可以改變至少一個數量級，例如2至6個數量級，通過施加偏壓在其中形成導電絲。
在連續電阻式過渡金屬氧化物層140包含氧化鉿的實施例中，可以使用大小為約2.6MV/cm的垂直電場來在其中形成導電絲。可以施加沿相反極性並具有較小幅度的電場以從連續電阻式過渡金屬氧化物層140內去除導電絲。
可以透過原子層沉積、化學氣相沉積或物理氣相沉積來沉積連續的電阻式過渡金屬氧化物層140。例如，如果連續電阻式過渡金屬氧化物層140包含氧化鉿，則可以使用含鉿前驅氣體(例如四氯化鉿)和氧源氣體(例如H
2O、O
2或O
3)進行原子層沉積。交替流入包含例示性結構的處理室以沉積連續的電阻式過渡金屬氧化物層140。連續電阻式過渡金屬氧化物層140的厚度可以在從1nm到50nm的範圍內，例如從3nm到20nm和/或從6nm到10nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
連續上金屬層152C包含和/或基本上由熔點高於2,000攝氏度的第二金屬組成。例如，連續上金屬層152C可以包含鉿、釕、銥、鈮、鉬、鉭、鋨、錸或鎢。通常，為了在電阻式記憶體單元的操作期間減少或消除下電極內的第一金屬原子的目的，將具有高熔點的金屬用於連續的上金屬層152C是有利的。在一個實施例中，連續上金屬層152C可以包含和/或可以基本上由不同於連續電阻式過渡金屬氧化物層140的任何組分金屬的金屬組成。在一實施例中，連續電阻式過渡金屬氧化物層140可基本上由鉭組成。可以透過物理氣相沉積或化學氣相沉積來沉積連續的電阻式過渡金屬氧化物層140。連續上金屬層152C的厚度可以在從4nm到100nm的範圍內，例如從8nm到50nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
至少一個連續上金屬阻擋層(154C、156C)可以包含多個連續上金屬阻擋層，例如從底部到頂部包含第一連續上金屬阻擋層154C和第二連續上金屬阻擋層156C的堆疊。在一個實施例中，第一連續上金屬阻擋層154C可以包含諸如TaN、TiN或WN的導電金屬氮化物材料。第二連續上金屬阻擋層156C可以包含另一種導電金屬氮化物材料，例如TaN、TiN或WN，其可以與導電金屬氮化物材料相同或不同。
第一連續上金屬阻擋層154C和第二連續上金屬阻擋層156C中的每一個可以透過相應的沉積製程例如物理氣相沉積或化學氣相沉積來沉積。第一連續上金屬阻擋層154C和第二連續上金屬阻擋層156C中的每一個的厚度可以在從1nm到100nm的範圍內，例如從3nm到30nm，但是更小和更大的厚度是可以適用的。第一連續上金屬阻擋層154C和第二連續上金屬阻擋層156C中的每一個內的氮原子的原子百分比可以是均勻的，或者可以是漸變的，以降低電阻並增加電遷移電阻。
連續介電蓋層158C可以形成在至少一個連續的上金屬阻擋層(154C、156C)之上。連續介電蓋層158C包含介電材料，例如氧化矽、氮氧化矽、碳化矽或碳氮化矽。在一實施例中，連續介電蓋層158C可基本上由氮化矽組成。連續介電蓋層158C可以透過化學氣相沉積製程例如等離子體增強化學氣相沉積製程來沉積。在至少一個連續的上金屬阻擋層(154C、156C)的平面部分上的連續介電蓋層158C的厚度可以在10nm到500nm的範圍內，例如從30nm到100nm，儘管也可以使用更小和更大的厚度。
通常，層堆疊(130C、140C、150C、158C)可以形成在介電蝕刻停止層112的頂面上方，並且透過介電蝕刻停止層112突出到每個開口中。層堆疊(130C、140C、150C、158C)的每個向下突出部分填充穿過介電蝕刻停止層112的相應開口。層堆疊(130C、140C、150C、158C)的平坦部分覆蓋在介電蝕刻停止層112的平坦頂面上。
在介電蝕刻停止層112中的每個開口之內和周圍，連續過渡金屬化合物層138C包含底面，該底面包含位於穿過介電蝕刻停止層112的開口區域內的平面中心底面段381、平面外圍底面段382位於穿過介電蝕刻停止層112的開口區域之外，以及連接平面中心底面段381和平面外圍底面段382的凹面連接底面段383。在介電蝕刻停止層112中的每個開口之內和周圍，連續過渡金屬化合物層138C包含頂面，該頂面包含位於穿過介電蝕刻停止層112的開口區域內的平面中心頂面段391、平面外圍頂面段392位於穿過介電蝕刻停止層112的開口區域之外，以及連接平面中心頂面段391和平面外圍頂面段392的凸面連接頂面段393。
參照圖5，蝕刻光罩層157(例如抗光蝕劑層)可以施加在層堆疊(130C、140C、150C、158C)上，並且可以被光刻圖案化以形成圖案化蝕刻光罩部分的陣列。每個圖案化蝕刻光罩部分可以覆蓋並覆蓋介電蝕刻停止層112中的相應開口之一的區域。每個圖案化蝕刻光罩部分可以具有圓形、橢圓形、矩形、圓角矩形的相應水平橫截面形狀，或具有封閉外圍的任何二維曲線水平橫截面形狀。
可以執行第一各向異性蝕刻製程以透過連續介電覆蓋層158C和連續上電極材料層150C轉移蝕刻光罩層157中的圖案。可以選擇第一各向異性蝕刻製程的蝕刻化學物質，使得第一各向異性蝕刻製程蝕刻穿過連續介電覆蓋層158C和連續上電極材料層150C的材料。第一各向異性蝕刻製程的最終步驟可以具有對連續電阻式過渡金屬氧化物層140C的材料具有選擇性的蝕刻化學物質。
連續介電蓋層158C的剩餘圖案化部分包含介電蓋158的陣列。第二連續上金屬阻擋層156C的剩餘圖案化部分包含第二上金屬阻擋層156的陣列。第一連續上金屬阻擋層154C的剩餘圖案化部分包含第一上金屬阻擋層154的陣列。連續上金屬層152C的剩餘圖案化部分包含上金屬層152。在覆蓋介電蝕刻停止層112中的開口的每個記憶體單元區域內，可以形成上金屬層152、至少一個上金屬阻擋層(154、156)和介電蓋158的堆疊。上金屬層152、至少一個上金屬阻擋層(154、156)和介電蓋158的堆疊可以具有垂直重合的側壁，即位於同一垂直平面內的側壁。上金屬層152和至少一個上金屬阻擋層(154、156)的每個連續組合構成了隨後要完成的記憶體單元的上電極150。上電極150可具有10nm至500nm範圍內的橫向尺寸，例如30nm至100nm，但也可使用更小或更大的橫向尺寸。蝕刻光罩層157可以隨後被去除，例如，透過灰化。
通常，上電極150包含上金屬層152，該上金屬層152包含和/或基本上由具有高於2,000攝氏度的熔點的第二金屬和至少一個上金屬阻擋層(154、156)組成。在一個實施例中，連續下金屬層136C的第一金屬包含和/或基本上由選自釕、鉭、鎢、錸、鈮、鉬、鋨和銥的元素組成，以及每個上金屬層152的第二金屬包含和/或基本上由選自釕、鉭、鎢、錸、鈮、鉬、鋨和銥的元素組成。
參照圖6，介電材料層可以通過共形沉積製程例如化學氣相沉積製程共形沉積。介電材料層包含和/或基本上由至少一種介電材料組成，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、碳化矽或其層堆疊。介電材料層的厚度可以在從4nm到200nm的範圍內，例如從8nm到100nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。在一實施例中，介電材料層的材料可以不同於介電蓋158的材料。
可以執行第二各向異性蝕刻製程以蝕刻介電材料層的水平部分。第二各向異性蝕刻製程可以對介電蓋158的材料具有選擇性，並且可以可選地對連續電阻式過渡金屬氧化物層140C的材料具有選擇性。介電材料層的每個剩餘的垂直延伸部分包含介電間隔物160，其橫向圍繞上電極150和介電蓋158的相應堆疊。每個介電間隔物160可以接觸上電極150和介電蓋158的相應疊層的側壁。每個介電間隔物160可以具有相應的筆直的垂直內側壁和相應的錐形凸面的外側壁。筆直的垂直內側壁和錐形凸面的外側壁之間的橫向距離可以隨著距包含連續電阻式過渡金屬氧化物層140C的最上表面的水平面的垂直距離而減小。
參照圖7，可以使用介電蓋158和介電間隔物160的組合作為蝕刻光罩來執行第三各向異性蝕刻製程以蝕刻連續電阻式過渡金屬氧化物層140C和連續下電極材料層130C的部分。介電蝕刻停止層112可以用作第三各向異性蝕刻製程的蝕刻停止結構。
連續電阻式過渡金屬氧化物層140C的每個圖案化部分包含電阻式過渡金屬氧化物層140。連續過渡金屬化合物層138C的每個圖案化部分包含過渡金屬化合物層138。連續下金屬層136C的每個圖案化部分包含下金屬層136。至少一個連續下金屬阻擋層134C的每個圖案化部分包含至少一個下金屬阻擋層134。在一個實施例中，至少一個下金屬阻擋層134可以包含從下到上包含第一下金屬阻擋層131、第二下金屬阻擋層132和第三下金屬阻擋層133的層堆疊。第一下金屬阻擋層131是第一連續下金屬阻擋層131C的圖案化剩餘部分。第二下金屬阻擋層132是第二連續下金屬阻擋層132C的圖案化剩餘部分。第三下金屬阻擋層133是第三連續下金屬阻擋層133C的圖案化剩餘部分。每個層堆疊內的第一下金屬阻擋層131、第二下金屬阻擋層132和第三下金屬阻擋層133可以具有垂直重合的側壁。
至少一個下金屬阻擋層134、下金屬層136和過渡金屬化合物層138的每個連續組合構成下電極130。每個電阻式過渡金屬氧化物層140可以形成在相應的下電極130和相應的上電極150之間。下電極130、電阻式過渡金屬氧化物層140、上電極150、介電間隔物160和介電蓋158的每個連續組合構成電阻式記憶體單元101。每個電阻式記憶體單元內的下電極130和電阻式過渡金屬氧化物層140的側壁可以垂直重合。上電極150的側壁可以相對於每個電阻式記憶體單元內的下電極130和電阻式過渡金屬氧化物層140的側壁橫向向內凹陷。下電極130可具有15nm至1,000nm範圍內的橫向尺寸，例如40nm至150nm，但也可使用更小或更大的橫向尺寸。下電極130的橫向尺寸與上電極130的橫向尺寸的比率可以在從1.1到3的範圍內，例如從1.2到2，但是也可以使用更小和更大的比率。
在一個實施例中，下電極130包含至少一個下金屬阻擋層134、包含熔點高於2,000攝氏度的第一金屬的下金屬層136和包含選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物的過渡金屬化合物層138。電阻式過渡金屬氧化物層140包含至少一種過渡金屬的導電絲形成介電氧化物並且位於過渡金屬化合物層138上。在一個實施例中，過渡金屬化合物層138包括和/或基本上由選自氧化鈦和氧化鉭的過渡金屬氧化物材料，或選自氮化鈦、氮化鉭和氮化鎢的過渡金屬氮化物材料組成。
在一個實施例中，過渡金屬化合物層138的頂面的整體可以與每個電阻式記憶體單元101內的電阻式過渡金屬氧化物層140的底面的整體接觸。在一個實施例中，電阻式過渡金屬氧化物層140的導電絲形成介電氧化物包括選自氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、鉿鋯氧化物和鍶鈷氧化物的材料。在一個實施例中，每個電阻式記憶體單元101包含橫向圍繞上電極150的介電間隔物160。
在每個電阻式記憶體單元101內，上金屬層152的底面的整體可以接觸電阻式過渡金屬氧化物層140的頂面的中心部分，並且介電間隔物160的底面的整體可以接觸電阻式過渡金屬氧化物層140的頂面的外圍部分。在一個實施例中，每個電阻式記憶體單元101包含接觸上電極150的頂面的介電蓋158。介電蓋158的底面的外圍與上電極150的頂面的外圍重合。
在一個實施例中，介電蝕刻停止層112包含在每個電阻式記憶體單元101下方的開口。對於每個電阻式記憶體單元101，下電極130的中心部分位於介電蝕刻停止層112中的開口內。下電極130的外圍部分位於介電蝕刻停止層112的頂面上方的開口外部。下電極130的圓柱形連接部分接觸開口的側壁並在下電極130的中心部分和下電極130的外圍部分之間垂直延伸。
在一個實施例中，過渡金屬化合物層138包含底面，該底面包含位於穿過介電蝕刻停止層112的開口區域內的平面中心底面段381、位於開口區域外的平面外圍底面段382其位於穿過介電蝕刻停止層112的開口外，以及凹面連接底面段383，其連接平面中心底面段381和平面外圍底面段382的。在一個實施例中，過渡金屬化合物層138包括頂面，該頂面包含位於穿過介電蝕刻停止層112的開口區域內的平面中心頂面段391、位於穿過介電蝕刻停止層112的開口區域之外的平面外圍頂面段392，以及連接平面中心頂面段391和平面外圍頂面段392的凸面連接頂面段393。
通常，層堆疊包括至少一個連續下金屬阻擋層134C、連續下金屬層136C、連續過渡金屬化合物層138C、連續電阻式過渡金屬氧化物層140C、連續上金屬層152C、至少一個連續上金屬阻擋層(154C、156C)，並且可以使用至少一種各向異性蝕刻製程來圖案化連續介電蓋層158C。層堆疊的圖案化部分包括：上電極150，其包含至少一個連續上金屬阻擋層(154C、156C)和連續上金屬層152C的圖案化部分；電阻式過渡金屬氧化物層140，其包含連續電阻式過渡金屬氧化物層140C的圖案化部分；以及下電極130，其包含至少一個連續下金屬阻擋層134C、連續下金屬層136C和連續過渡金屬化合物層138C的圖案化部分。
參考圖8，蝕刻停止板162可以可選地形成在每個介電蓋158之上，例如，透過蝕刻停止材料層的沉積並且透過將蝕刻停止材料層圖案化成離散蝕刻停止板162的陣列。蝕刻停止材料層可以透過化學氣相沉積或物理氣相沉積來沉積。例如，可以在蝕刻停止材料層上方施加抗光蝕劑層，並且可以光刻圖案化以覆蓋介電蓋158的區域。可以使用圖案化抗光蝕劑層作為蝕刻光罩來執行蝕刻製程以蝕刻蝕刻停止材料層的未遮罩部分。蝕刻停止材料層的剩餘部分包含蝕刻停止板162。隨後可以例如通過灰化去除抗光蝕劑層。
在一實施例中，蝕刻停止板162可包含介電材料，例如介電金屬氧化物。例如，蝕刻停止板162可以包含氧化鋁、氧化鉿、氧化鑭或另一種介電金屬氧化物材料。在另一實施例中，蝕刻停止板162可包含金屬材料，例如導電金屬氮化物材料(例如，氮化鉭、氮化鈦或氮化鎢）或導電金屬(例如，鈦、鉭、鎢、釕、鉬或鈷）。蝕刻停止板162的厚度可以在從4nm到100nm的範圍內，例如從8nm到50nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
介電襯墊164可以可選地沉積在介電蝕刻停止層112、電阻式記憶體單元101和蝕刻停止板162的物理暴露表面上。介電襯墊164可以包含無孔介電材料，例如未摻雜的矽酸鹽玻璃、摻雜的矽酸鹽玻璃、氮氧化矽或氮化矽。介電襯墊164可以透過共形沉積製程例如化學氣相沉積製程來沉積。介電襯墊164的厚度可以在從4nm到100nm的範圍內，例如從8nm到50nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。
介電材料層可以隨後沉積在介電襯墊164上。介電材料層在本文中被稱為上級介電材料層166。在一實施例中，上級介電材料層166可包含介電常數小於3.9的低k介電材料。例如，上級介電材料層166可以包含無孔有機矽酸鹽玻璃或多孔有機矽酸鹽玻璃。可選地，可以平坦化上級介電材料層166的頂面。上級介電材料層166的厚度在覆蓋電阻式記憶體單元101的介電襯墊164的最上表面上方測量，可以在50奈米到1,000奈米的範圍內，例如從100奈米到500奈米，儘管也可以使用更小和更大的厚度。
參照圖9和10，第一抗光蝕劑層可以被施加在上級介電材料層166的頂面上，並且可以被光刻圖案化以形成開口的陣列。第一抗光蝕劑層中的每個開口可以覆蓋在電阻式記憶體單元101中的相應一個上。在一個實施例中，覆蓋在電阻式記憶體單元101上的第一抗光蝕劑層中的每個開口可以具有外圍，其完全位於下面的上電極150的外圍內。可以執行各向異性蝕刻製程以透過上級介電材料層166、介電襯墊164、蝕刻停止板162和介電蓋158轉移第一抗光蝕劑層中的開口圖案。可以在每個電阻式記憶體單元101上方穿過上級介電材料層166、介電襯墊164、蝕刻停止板162和介電蓋158形成通孔腔。上電極150的頂面可以物理地暴露在每個通孔腔下方。隨後可以例如透過灰化去除第一抗光蝕劑層。
第二抗光蝕劑層可以施加在上級介電材料層166的頂面上，並且可以被光刻圖案化以形成線和間隔圖案。一對線圖案之間的每個空間可以覆蓋在電阻式記憶體單元101的相應行上，或者可以覆蓋在電阻式記憶體單元101的相應列上。可以執行各向異性蝕刻製程以將第二抗光蝕劑層中的圖案轉移到上級介電材料層166的上部。各向異性蝕刻製程可以對上電極150的材料具有選擇性。可以在上級介電材料層166的上部形成線溝槽。線溝槽橫向連接相應行的通孔腔或相應列的通孔腔。隨後可以例如透過灰化去除第二抗光蝕劑層。
至少一種導電材料可以沉積在通孔和線溝槽中。至少一種導電材料可以包含金屬阻擋襯墊172和金屬填充材料部分174。金屬阻擋襯墊172可以包含導電金屬氮化物材料，例如氮化鉭、氮化鈦或氮化鎢。金屬阻擋襯墊172可以透過物理氣相沉積和/或化學氣相沉積來沉積。金屬阻擋襯墊172的厚度可以在從4nm到50nm的範圍內，例如從8nm到25nm，但是也可以使用更小和更大的厚度。金屬填充材料部分174包括金屬填充材料，例如銅、鋁、鎢、鉬、釕、鈷或其合金或疊層。金屬填充材料部分174可以透過物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍、化學鍍或其組合來沉積。
可以透過平坦化製程從包含上級介電材料層166的最上表面的水平面上方去除金屬阻擋襯墊172和金屬填充材料部分174的多餘部分。平坦化製程可以使用例如化學機械平坦化製程和/或凹槽蝕刻製程。金屬阻擋襯墊172和金屬填充材料部分174的每個剩餘的圖案化部分填充線溝槽和通孔腔的相應組合，構成整合的線-通孔結構170。每個整合的線-通孔結構170可以包含相應的上連接金屬線170M和相應的上連接通孔結構170V的一維陣列。
每個下連接通孔結構120可用於提供到下電極130的電連接。每個上連接通孔結構170V可用於提供到上電極150的電連接。每個上連接通孔結構170V可以形成在相應的上電極150的頂面上。通常，介電材料層(例如上層介電材料層166)橫向圍繞電阻式記憶體單元101。介電材料層可以具有位於介電蓋158的水平頂面上方的頂面，並且每個上連接通孔結構170V可以垂直延伸穿過介電材料層和相應的介電蓋158，並且可以接觸相應的上電極150。
記憶體級金屬互連結構666可以與整合的線-通孔結構170的形成同時形成在上級介電材料層166中。例如，可以在記憶體陣列區100中形成通孔的同時在外圍區200中形成額外的通孔，並且可以在記憶體陣列區100中形成線溝槽的同時在外圍區200中形成額外的線溝槽。整合的線-通孔結構170和記憶體級金屬互連結構666包含上級金屬互連結構(170、666)，即形成在上互連級中的金屬互連結構。額外的上級介電材料層(未示出)和額外的上級金屬互連結構(未示出)可以根據需要形成在上級金屬互連結構(170、666)上方。
參照圖11，流程圖示出了用於製造本公開的電阻式記憶體裝置(例如電阻式記憶體單元101)的一系列處理步驟。
同時參照圖1和圖2以及圖11的步驟1110，下連接通孔結構120可以透過諸如下連接通孔級介電層110的下級介電材料層形成。
同時參照圖3、圖4以及圖11的步驟1120。層堆疊包含至少一個連續下金屬阻擋層134C、連續下金屬層136C、連續過渡金屬化合物層138C、連續電阻式過渡金屬氧化物層140C、連續上金屬層152C和至少一個連續上金屬阻擋層(154C、156C)可以形成在基板9之上。連續下金屬層136C包含和/或基本上由具有高於2,000攝氏度的熔點的第一金屬組成。連續過渡金屬化合物層138C包括和/或基本上由選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物組成。連續電阻式過渡金屬氧化物層140C包含和/或基本上由至少一種過渡金屬的導電絲形成介電氧化物組成。連續上金屬層152C包含和/或基本上由熔點高於2,000攝氏度的第二金屬組成。
同時參照圖5-7和圖11的步驟1130，可以使用至少一種各向異性蝕刻製程來圖案化層堆疊。層堆疊的圖案化部分包含：上電極150，其包含至少一個連續上金屬阻擋層(154C、156C)和連續上金屬層152C的圖案化部分；電阻式過渡金屬氧化物層140，其包含連續電阻式過渡金屬氧化物層140C的圖案化部分；以及下電極130，其包含至少一個連續下金屬阻擋層134C、連續下金屬層136C和連續過渡金屬化合物層138C的圖案化部分。
同時參照圖8和圖11的步驟1140，上級介電材料層166可以形成在電阻式記憶體單元101的周圍和上方。
同時參照圖9和圖10以及圖11的步驟1150，可以在電阻式記憶體單元101的上電極150上形成上連接通孔結構170V。
參考所有附圖並根據本發明的各種實施例，提供了包括電阻式記憶體單元101的裝置結構。電阻式記憶體單元101包含：下電極130，其包含至少一個下金屬阻擋層134、下金屬層136，其包含熔點高於2000攝氏度的第一金屬，以及過渡金屬化合物層138，其包含選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物；電阻式過渡金屬氧化物層140包含至少一種過渡金屬的導電絲形成介電氧化物並位於過渡金屬化合物層上；以及上電極150，其包括上金屬層152。
在一個實施例中，過渡金屬化合物層138包括和/或基本上由選自氧化鈦和氧化鉭的過渡金屬氧化物材料組成。在一個實施例中，過渡金屬化合物層138包括和/或基本上由選自氮化鈦、氮化鉭和氮化鎢的過渡金屬氮化物材料組成。
在一個實施例中，過渡金屬化合物層138的頂面的整體與電阻式過渡金屬氧化物層140的底面的整體接觸。在一個實施例中，導電絲形成介電氧化物包括選自氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化鉿鋯和氧化鍶鈷的材料。
在一個實施例中，電阻式記憶體單元101包含介電間隔物160，其橫向圍繞上電極150。在一個實施例中，上金屬層152的底面的整體接觸電阻式過渡金屬氧化物層140的頂面的中心部分；並且介電間隔物160的底面的整體接觸電阻式過渡金屬氧化物層140的頂面的外圍部分。
在一個實施例中，電阻式記憶體單元101包含介電蓋158，其接觸上電極150的頂面，其中介電蓋158的底面的外圍與上電極150的頂面的外圍重合。在一實施例中，裝置結構包含：介電材料層(例如上級介電材料層166)，橫向環繞電阻式記憶體單元101，且具有頂面，其位於介電蓋158的水平頂面之上；以及上連接通孔結構170V，其垂直延伸穿過介電材料層166和介電蓋158並接觸上電極150的頂面。
在一個實施例中，裝置結構包含介電蝕刻停止層112，其具有開口。下電極130的中心部分位於開口內；下電極130的外圍部分位於介電蝕刻停止層112的頂面上方的開口之外。下電極130的圓柱形連接部分接觸開口的側壁並在下電極130的中心部分和下電極130的外圍部分之間垂直延伸。
在一個實施例中，過渡金屬化合物層138包含底面，該底面包含平面中心底面段381，其位於穿過介電蝕刻停止層112的開口的區域內、平面外圍底面段382，其位於穿過介電蝕刻停止層112的開口的區域外，以及凹面連接底面段，其連接平面中心底面段381和平面外圍底面段382。在一個實施例中，過渡金屬化合物層138包含頂面，該頂面包含平面中心頂面段391，其位於穿過介電蝕刻停止層112的開口的區域內、平面外圍頂面段392，其位於穿過介電蝕刻停止層112的開口的區域外，以及凸面連接頂面段393，其連接平面中心頂面段391和平面外圍頂面段392。
在一個實施例中，第一金屬包含選自釕、鉭、鎢、錸、鈮、鉬、鋨和銥的元素；第二金屬包含選自釕、鉭、鎢、錸、鈮、鉬、鋨和銥的元素。
在一個實施例中，至少一個下金屬阻擋層134包含下垂直堆疊，其從下到上包含第一下氮化鉭層(包含第一下金屬阻擋層131）、下鉭層(包含第二下金屬阻擋層132），和第二下氮化鉭層(包含第三下金屬阻擋層133)；並且至少一個上金屬阻擋層(154、156)包含上垂直堆疊，其從下到上包含上氮化鉭層(包含第一上金屬阻擋層154)和氮化鈦層(包括第二上金屬阻擋層)。上金屬阻擋層156)。
根據本發明的另一方面，多個電阻式記憶體單元101可以佈置成二維陣列。在該實施例中，CMOS電路700可以包含用於操作電阻式記憶體單元101的二維陣列的外圍電路。CMOS電路700可以包含用於編程、抹除和讀取每個電阻式記憶體單元101的存取電晶體的二維陣列。下級金屬互連結構(612、618、622、628、632、638、642)和上級金屬互連結構(170、666)提供CMOS電路的各個節點與電阻式記憶體單元101的下電極130和上電極150之間的電連接。
參考所有附圖並根據本發明的各個實施例，提供了一種電阻式隨機存取記憶體(RRAM)裝置，其包含：電阻式記憶體單元101的陣列，其位於基板9上方並包含相應下電極130、相應電阻式過渡金屬氧化物層140和相應上電極150；場效應電晶體，其位於基板9上；第一金屬互連結構(例如下級金屬互連結構的子集(612、618、622、628、632、638、642、648))將場效應電晶體的第一節點電連接到電阻式記憶體單元101的陣列內的下電極130；及第二金屬互連結構(例如下級金屬互連結構(612、618、622、628、632、638、642、648)和上級金屬互連結構(170、666)的子集)將場效應電晶體的第二節點電連接到電阻式記憶體單元101的陣列內的上電極150。每個下電極130包含至少一個下金屬阻擋層134、下金屬層136，其包含釕，以及過渡金屬化合物層138，其包括和/或基本上由選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物組成；每個電阻式過渡金屬氧化物層140包含和/或基本上由至少一個過渡金屬的導電絲形成介電氧化物組成；及每個上電極150包含上金屬層和至少一個上金屬阻擋層，該上金屬層包括具有高於2,000攝氏度的熔點的第二金屬。
在一實施例中，過渡金屬化合物層138包括：過渡金屬氧化物材料，其選自氧化鈦和氧化鉭；或過渡金屬氮化物材料，其選自氮化鈦、氮化鉭和氮化鎢。
在設計來驗證本發明的實施例的功效的實驗中，構造了包含本公開的電阻式記憶體單元101的陣列的裝置。在該例示中，下金屬層136包含釕，過渡金屬化合物層138包含3.8nm厚的氮化鉭，其透過物理氣相沉積或原子層沉積進行沉積。在沉積氮化鉭材料之後進行氮處理。經過超過200,000次編程和抹除循環的耐久性測試，本發明的電阻式記憶體單元的故障率低於檢測極限。不希望受任何特定理論的束縛，據信過渡金屬化合物層138降低下金屬層136和電阻式過渡金屬氧化物層140之間的界面表面粗糙度，從而增加本發明的電阻式記憶體單元101的耐用性。
前述概述了幾個實施例的特徵，以便本領域具有通常知識者可以更好地理解本發明的內容。本領域具有通常知識者應當理解，他們可以容易地使用本發明作為設計或修改其他製程和結構的基礎，以實現與本文介紹的實施例相同的目的和/或實現相同的優點。本領域具有通常知識者也應該認識到，這樣的等效構造並不脫離本發明的精神和範圍，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以在本文中進行各種變化、替換和變更。
9:基板
100:記憶體陣列區
101:電阻式記憶體單元
108:介電蓋層/連續介電蓋層
110:下連接通孔級介電層
112:介電蝕刻停止層
120:下連接通孔結構
122:金屬阻擋層
124:金屬通孔填充材料部分
130:下電極
130C:連續下電極材料層
131:第一下金屬阻擋層
131C:第一連續下金屬阻擋層
132:第二下金屬阻擋層
132C:第二連續下金屬阻擋層
133:第三下金屬阻擋層
133C:第三連續下金屬阻擋層
134:連續下金屬阻擋層
136:下金屬層
136C:連續下金屬層
138:過渡金屬化合物層
138C:連續過渡金屬化合物層
140:電阻式過渡金屬氧化物層
140C:連續電阻式過渡金屬氧化物層
150:上電極材料層
150C:連續上電極材料層
152:上金屬層
152C:連續上金屬層
154:上金屬阻擋層
154C:連續上金屬阻擋層/第一連續上金屬阻擋層
156:上金屬阻擋層
156C:連續上金屬阻擋層/第二連續上金屬阻擋層
157:蝕刻光罩層
158:介電蓋
158C:連續介電蓋層
160:介電間隔物
162:蝕刻停止板
164:介電襯墊
166:上級介電材料層
170:整合的線-通孔結構
170M:上連接金屬線
170V:上連接通孔結構
172:金屬阻擋襯墊
174:金屬填充材料部分
200:外圍區
381:平面中心底面段
382:平面外圍底面段
383:凹面連接底面段
391:平面中心頂面段
392:平面外圍頂面段
393:凸面連接頂面段
601:接觸級介電材料層
610:第一金屬線級介電材料層
612:裝置接觸通孔結構
618:第一金屬線結構
620:第二線和通孔級介電材料層
622:第一金屬通孔結構
628:第二金屬線結構
630:第三線和通孔級介電材料層
632:第二金屬通孔結構
638:第三金屬線結構
640:第四線和通孔級介電材料層
642:第三金屬通孔結構
648:第四金屬線結構
666:記憶體級金屬互連結構
700:CMOS電路
720:淺溝槽隔離結構
732:源極區
735:半導體通道
738:汲極區
742:源極側金屬-半導體合金區
748:汲極側金屬-半導體合金區
750:閘極結構
752:閘極介電質
754:閘極電極
756:介電閘極間隔物
758:閘極蓋介電質
當結合隨附圖式進行閱讀時，本發明揭露實施例之詳細描述將能被充分地理解。應注意，根據業界的慣例，各特徵並非按比例繪製且僅用於圖示目的。事實上，為了清楚地說明和討論，可任意增加或減小各特徵之尺寸。
圖1是根據本發明實施例的互補金屬氧化物半導體(CMOS)電晶體、嵌入介電材料層中的金屬互連結構和下連接通孔級介電層形成之後的例示性結構的垂直截面圖。
圖2是根據本發明實施例在形成下連接通孔結構陣列之後的例示性結構的垂直截面圖。
圖3是根據本發明實施例在形成介電蝕刻停止層之後例示性結構的記憶體單元區的垂直截面圖。
圖4是根據本發明實施例在形成包含至少一個連續下金屬阻擋層、連續下金屬層、連續過渡金屬化合物層、連續電阻式過渡金屬氧化物層、連續上金屬層、至少一個連續上金屬阻擋層和連續介電蓋層的疊堆疊之後例示性結構的記憶體單元區域的垂直截面圖。
圖5是根據本發明實施例在圖案化介電蓋層、至少一個連續的上金屬阻擋層和連續的上金屬層之後例示性結構的記憶體單元區的垂直截面圖。
圖6是根據本發明實施例在形成介電間隔物之後例示性結構的記憶體單元區域的垂直截面圖。
圖7是根據本發明實施例在圖案化連續電阻式過渡金屬氧化物層、連續過渡金屬化合物層、連續下金屬層和至少一個連續下金屬阻擋層之後例示性結構的記憶體單元區域的垂直截面圖。
圖8是根據本發明實施例在形成蝕刻光罩結構、介電襯墊和上層介電材料層之後例示性結構的記憶體單元區的垂直截面圖。
圖9是根據本發明實施例在形成上連接通孔結構和上連接金屬線之後的例示性結構的記憶體單元區的垂直截面圖。
圖10是圖9的處理步驟中的例示性結構的垂直截面圖。
圖11是說明用於製造本發明的電阻式儲存裝置的處理步驟序列的流程圖。
9:基板
100:記憶體陣列區
108:介電蓋層/連續介電蓋層
110:下連接通孔級介電層
200:外圍區
601:接觸級介電材料層
610:第一金屬線級介電材料層
612:裝置接觸通孔結構
618:第一金屬線結構
620:第二線和通孔級介電材料層
622:第一金屬通孔結構
628:第二金屬線結構
630:第三線和通孔級介電材料層
632:第二金屬通孔結構
638:第三金屬線結構
640:第四線和通孔級介電材料層
642:第三金屬通孔結構
648:第四金屬線結構
700:CMOS電路
720:淺溝槽隔離結構
732:源極區
735:半導體通道
738:汲極區
742:源極側金屬-半導體合金區
748:汲極側金屬-半導體合金區
750:閘極結構
752:閘極介電質
754:閘極電極
756:介電閘極間隔物
758:閘極蓋介電質
Claims (10)
- 一種包含電阻式記憶體單元的裝置結構，其中該電阻式記憶體單元包含：一下電極，其包含至少一個下金屬阻擋層、一下金屬層以及一過渡金屬化合物層，該下金屬層包含一第一金屬，該第一金屬的熔點高於2000攝氏度，該過度金屬化合物層包含選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物；一電阻式過渡金屬氧化物層，其包含至少一種過渡金屬的一導電絲形成介電氧化物，並位於該過渡金屬化合物層上；及一上電極，包含一上金屬層，該上金屬層包含一第二金屬。
- 如請求項1所述的裝置結構，其中，該電阻式記憶體單元包含一介電蓋，其接觸該上電極的一頂面，其中該介電蓋的一底面的外圍與該上電極的該頂面的外圍重合。
- 如請求項2所述的裝置結構，更包含：一介電材料層，其橫向環繞該電阻式記憶體單元，並具有一頂面，其位於該介電蓋的一水平頂面上方；及一上連接通孔結構，其垂直延伸穿過該介電材料層和介電蓋並接觸該上電極的該頂面。
- 如請求項1所述的裝置結構，更包含一介電蝕刻停止層，其包含一開口，其中：該下電極的一中心部分於該開口內；該下電極的一外圍部分位於該介電蝕刻停止層的一頂面上方的開口之外；及 該下電極的一圓柱形連接部分接觸該開口的一側壁並在該下電極的該中心部分和該下電極的該外圍部分之間垂直延伸。
- 如請求項4所述的裝置結構，其中該過渡金屬化合物層包含：一底面，其包含一平面中心底面段，其位於穿過該介電蝕刻停止層的該開口的一區域內、一平面外圍底面段，其位於穿過該介電蝕刻停止層的該開口的該區域外、以及一凹面連接底面段，其連接該平面中心底面段和該平面周邊底面段；及一頂面，其包含一平面中心頂面段，其位於穿過該介電蝕刻停止層的該開口的該區域內、一平面外圍頂面段，其位於穿過該介電蝕刻停止層的該開口的該區域外、以及一凸面連接頂面段，其連接該平面中心頂面段和該平面外圍頂面段。
- 一種電阻式隨機存取記憶體(RRAM)裝置，包含：一電阻式記憶體單元陣列，其位於一基板上方並包含一相應下電極、一相應電阻式過渡金屬氧化物層和一相應上電極；一場效應電晶體，其位於該基板上；一第一金屬互連結構，其將該場效應電晶體的第一節點電連接到該電阻式記憶體單元陣列內的該下電極；及一第二金屬互連結構，其將該場效應電晶體的第二節點電連接到該電阻式記憶體單元陣列內的該上電極；其中：每個下電極包含至少一個下金屬阻擋層、一下金屬層，其包含釕、和一過渡金屬化合物層，其包含選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物；每個電阻式過渡金屬氧化物層包含至少一個過渡金屬的一導電絲形成介電氧化物；及 每個上電極包含一上金屬層，其包含一第二金屬和至少一個上金屬阻擋層，該第二金屬具有高於2,000攝氏度的熔點。
- 一種裝置結構的形成方法，包含：形成一層堆疊，其包含至少一個連續下金屬阻擋層、一連續下金屬層、一連續過渡金屬化合物層、一連續電阻式過渡金屬氧化物層、一連續上金屬層和至少一個連續上金屬阻擋層在一基板上，其中該連續下金屬層包含一第一金屬，該連續過渡金屬化合物層包含選自Ti、Ta和W的過渡金屬的氧化物或氮化物，該連續電阻式過渡金屬氧化物層包含至少一個過渡金屬的一導電絲形成介電氧化物，並且該連續上金屬層包含一第二金屬；及使用至少一個各向異性蝕刻製程圖案化該層堆疊，其中該層堆疊的圖案化部分包含：一上電極，其包含至少一個連續上金屬阻擋層和該連續上金屬層的圖案化部分；一電阻式過渡金屬氧化物層，其包含該連續電阻式過渡金屬氧化物層的圖案化部分；及一下電極，其包含至少一個連續下金屬阻擋層、該連續下金屬層和該連續過渡金屬化合物層的圖案化部分。
- 如請求項7所述的形成方法，更包含：在該至少一個連續上金屬阻擋層上形成一連續介電蓋層；在該連續介電蓋層上形成蝕刻光罩部分；及透過該連續介電蓋層、該至少一個連續上金屬阻擋層和該連續上金屬層轉移該蝕刻光罩部分的圖案， 其中該連續介電蓋層的圖案化部分包含一介電蓋，該至少一個連續上金屬阻擋層的圖案化部分包含至少一個上金屬阻擋層，並且該連續上金屬層的圖案化部分包含一上金屬層。
- 如請求項8所述的形成方法，更包含：在該介電蓋和該上電極周圍形成一介電間隔物；及使用該介電蓋和該介電間隔物的組合作為一蝕刻光罩，各向異性蝕刻該連續電阻式過渡金屬氧化物層、該連續過渡金屬化合物層、該連續下金屬層和該至少一個連續下金屬阻擋層的部分。
- 如請求項7所述的形成方法，更包含：在該基板上形成一下連接通孔結構，該下連接通孔結構嵌入一下級介電材料層；形成一介電蝕刻停止層，其包含一開口，該開口在該下級介電材料層上的該下連接通孔結構上方，其中該層堆疊係形成於該介電蝕刻停止層上和該下連接通孔結構上，該下連接通孔結構位於該介電蝕刻停止層的該開口中；在該層堆疊的該圖案化部分周圍形成一上層介電材料層；及在該上電極的一頂面上形成上連接通孔結構。
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