具有底部電極的rram單元的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成電路器件，更具體地，涉及具有底部電極的RRAM單元。
【背景技術】
[0002]許多現代電子器件包括配置成存儲數據的電子存儲器。電子存儲器可為易失性存儲器或非易失性存儲器。易失性存儲器在通電時存儲數據，而非易失性存儲器能夠在移除電源時存儲數據。電阻式隨機存取存儲器(RRAM)是一種用于下一代非易失性存儲技術的有前途的候選者，這是由于其簡單的結構和所涉及的CMOS邏輯兼容工藝技術。RRAM單元包括具有可變電阻的介電數據存儲層，其被放置在兩個電極之間，兩個電極設置于后段制程(BEOL)金屬化層內。
【發明內容】
[0003]本發明的實施例提供了一種電阻式隨機存取存儲器(RRAM)單元，包括:下部金屬互連層，由下部層間介電(ILD)層圍繞；底部電極，由間隔件和底部介電層圍繞，其中，所述間隔件和所述底部介電層設置在所述下部金屬互連層或所述下部ILD層上方；介電數據存儲層，具有可變電阻，設置在所述底部電極、所述間隔件和所述底部介電層上方；以及頂部電極，設置在所述介電數據存儲層上方。
[0004]本發明的另一實施例提供了一種電阻式隨機存取存儲器(RRAM)單元，包括:下部金屬互連層，由下部層間介電(ILD)層圍繞；底部電極，設置在所述下部金屬互連層或所述下部ILD層上方，具有由間隔件圍繞的上部和由所述間隔件下面的底部介電層圍繞的下部，其中，所述底部介電層鄰接間隔件的外側壁的至少下部；介電數據存儲層，具有可變電阻，設置在所述底部電極和所述底部介電層上方；覆蓋層，設置在所述介電數據存儲層上方；頂部電極，設置在所述覆蓋層上方；以及頂部介電層，設置在所述下部ILD層上方，沿著所述底部介電層的外側壁的至少一部分和所述介電數據存儲層、所述覆蓋層和所述頂部電極的側壁連續延伸，并且覆蓋在所述頂部電極的頂面上面。
[0005]本發明的又一實施例提供了一種形成電阻式隨機存取存儲器(RRAM)單元的方法，包括:在下部金屬互連層上方的底部介電層內形成開口 ；形成鄰接所述開口的側壁的間隔件；在開口內形成鄰接所述間隔件的底部電極，其中，所述底部電極與所述底部介電層共享平坦頂面；在所述底部介電層和所述底部電極之上形成具有可變電阻的介電數據存儲層；以及在所述介電數據存儲層上方形成頂部電極。
【附圖說明】
[0006]當結合附圖進行閱讀時，根據下面詳細的描述可以更好地理解本發明的各方面。應該注意，根據工業中的標準實踐，各種部件沒有被按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。
[0007]圖1示出了具有由間隔件圍繞的窄底部電極的電阻式隨機存取存儲器(RRAM)單元的一些實施例的截面圖。
[0008]圖2示出了具有由間隔件圍繞的底部電極的RRAM單元的一些其他實施例的截面圖。
[0009]圖3示出了具有由間隔件圍繞的底部電極的RRAM單元的一些其他實施例的截面圖。
[0010]圖4示出了具有由間隔件圍繞的底部電極的RRAM單元的一些其他實施例的截面圖。
[0011]圖5示出了形成具有由間隔件圍繞的底部電極的RRAM單元的方法的一些實施例的流程圖。
[0012]圖6示出了形成具有設置在間隔件內的底部電極的RRAM單元的方法的一些可選實施例的流程圖。
[0013]圖7至圖25示出了一些可選實施例的截面圖，其示出了形成具有設置在間隔件內的底部電極的RRAM單元的方法。
【具體實施方式】
[0014]以下公開內容提供了許多用于實現本發明的不同特征的不同實施例或實例。下面描述了組件和布置的具體實例以簡化本發明。當然，這些僅僅是實例，而不旨在限制本發明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接觸形成的實施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之間可以形成額外的部件，從而使得第一部件和第二部件可以不直接接觸的實施例。此外，本發明可在各個實例中重復參考標號和/或字符。該重復是為了簡單和清楚的目的，并且其本身不指示所討論的各個實施例和/或配置之間的關系。
[0015]而且，為便于描述，在此可以使用諸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空間相對術語，以描述如圖所示的一個元件或部件與另一個(或另一些)元件或部件的關系。除了圖中所示的方位外，空間相對術語旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。裝置可以以其他方式定向(旋轉90度或在其他方位上)，而本文使用的空間相對描述符可以同樣地作相應的解釋。
[0016]電阻式隨機存取存儲器(RRAM)單元包括放置在兩個電極之間的介電數據存儲層。根據所施加的電壓，介電數據存儲層將在與第一數據狀態(例如，“O”或“復位”)相關的高電阻狀態和與第二數據狀態(例如，“I”或“置位”)相關的低電阻狀態之間經歷可逆變化。介電數據存儲層在不偏置的情況下通常絕緣。可通過在施加足夠高的電壓后形成的絲線或導電路徑實現導電。絲線或導電路徑可由諸如氧空位或金屬缺陷迀移的不同機制產生。一旦形成絲線，其可通過另一電壓復位(損壞，導致高電阻)或置位(重新形成，導致低電阻)。
[0017]應當理解，可通過窄化底部電極提高RRAM單元的性能。例如，為提高切換效率和可靠性，可通過所公開的方法使用三角形絲線形狀以形成相對較窄的底部電極。絲線的相應窄端允許更快和更敏感的置位和復位操作。
[0018]因此，本發明涉及一種電阻式隨機存取存儲器(RRAM)單元及相關形成方法，RRAM單元具有提供RRAM單元的有效切換的窄底部電極。在一些實施例中，該RRAM單元包括設置在由下部層間介電(ILD)層圍繞的下部金屬互連層上方的底部電極。該底部電極由間隔件和底部介電層圍繞。在一些實施例中，通過在底部介電層的開口內形成間隔件并將導電材料填充到該開口的剩余空間中而形成底部電極。這使得底部電極的寬度小于相關制造工藝的光刻尺寸限制。該間隔件和底部介電層設置在下部金屬互連層和/或下部ILD層上方。具有可變電阻的介電數據存儲層位于底部電極、間隔件和底部介電層之上，并且頂部電極設置在介電數據存儲層上方。窄底部電極包括具有窄端的絲線區域，其提高RRAM單元的保留和耐久性能。
[0019]圖1示出了具有由間隔件134圍繞的底部電極106的電阻式隨機存取存儲器(RRAM)單元100的截面圖。RRAM單元100包括由下部層間介電(ILD)層104圍繞的下部金屬互連層102。底部電極106和周圍的間隔件134設置在下部金屬互連層102或下部ILD層104上方的底部介電層132的開口內。在一些實施例中，底部介電層132圍繞、鄰接以及延伸在間隔件134下方。在一些實施例中，底部電極106與間隔件134和底部介電層132共享平坦表面158。在一些實施例中，底部介電層132包括介電材料，諸如碳化硅、氮化硅或者一層或多層復合介電膜。間隔件134可包括與底部介電層132相同或不同的介電材料，諸如碳化娃、氮化娃或者一層或多層復合介電膜。底部電極106可包括鈦(Ti)、鉭(Ta)、氮化鈦、氮化鉭或者一層或多層其他金屬復合膜。
[0020]在一些實施例中，底部電極106可具有相對較小寬度Cl1，其小于相關制造工藝的最小可分辨特征。相對較小寬度Cl1提高RRAM單元100的數據保留和耐久性能。底部電極106的相對較小寬度Cl1通過間隔件134得以實現。例如，可在底部介電層132中形成具有制造工藝允許的最小尺寸的開口。然后，間隔件134可插入開口內且可隨后形成底部電極106。這使得底部電極106的寬度山小于相關制造工藝的光刻尺寸限制。
[0021]配置成根據所施加的電壓存儲數據狀態的可變電阻介電數據存儲層110位于底部電極106、間隔件134和底部介電層132上方。頂部電極114設置在可變電阻介電數據存儲層110上方。虛線154示出了絲線區域的三角形狀，絲線區域包括當施加“導通”電壓時形成在介電數據存儲層110內的一根或多根導電絲線(例如，由氧空位形成的導電路徑)。
[0022]在一些實施例中，覆蓋層112設置在介電數據存儲層110和頂部電極114之間。覆蓋層112配置成存儲氧，其可促進介電數據存儲層110內的電阻改變。在一些實施例中，覆蓋層112可包括氧濃度相對較低的金屬或金屬氧化物。虛線156示出了當RRAM單元100導通時由覆蓋層112誘導的絲線區域的增強區域。
[0023]在一些實施例中，介電數據存儲層110、覆蓋層112及頂部電極114的側壁可垂直對準。頂部介電層118可設置在底部介電層132上方，并從底部介電層132的上表面，沿著介電數據存儲層110、覆蓋層112及頂部電極114的側壁連續延伸，并且到達位于頂部電極114的頂面上面的位置。頂部介電層118將頂部電極114和可變電阻介電數據存儲層110與上部層間介電(ILD)層120分隔開，上部層間介電(ILD)層120圍繞具有上部金屬通孔122和上部金屬引線124的上部金屬互連層121。
[0024]圖2示出了 RRAM單元200的一些實施例的截面圖，RRAM單元200具有由間隔件234、底部介電層208和緩沖介電層232圍繞的底部電極206。在一些實施例中，底部介電層208和緩沖介電層232包括相同或不同的介電材料，諸如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)或者是一層或多層復合介電膜。例如，底部介電層208可包括碳化硅而緩沖介電層232可包括氮化硅。在一些實施例中，底部電極206包括鄰接間隔件234的相應側壁的非平行側壁242s。底部電極206的更靠近下部金屬互連層202的下部具有第一寬度(I1，第一寬度(I1小于底部電極的更靠近介電數據存儲層210的上部的第二寬度d2。在一些實施例中，底部電極206包括通過彎曲側壁242s連接的平坦的頂面和底面。例如，側壁242s可具有從底部電極206的下部至上部減小的斜率。底部電極206可包括倒錐形上部和下面的長方體部分，長方體部分具有