可变电阻式存储器装置及其形成方法与流程

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及一种可变电阻式存储器装置及其形成方法，且特别是涉及一种垂直可变电阻式存储器装置及其形成方法。背景技术：2.在半导体制作工艺的电路中，最基本的可变电阻式存储器是由上下两层金属电极以及中间一层过渡金属氧化物(transition metal oxide,tmo)所组成，主要的操作原理是利用过渡金属氧化物的阻值，会随着所加偏压改变而产生不同的阻值，而如何辨别内部存储的值，则由内部的阻值高低来做分别。技术实现要素：3.本发明提出一种可变电阻式存储器(resistive random-access memory,rram)装置及其形成方法，其形成岛状顶电极以及底电极夹置互相平行且并联的垂直电阻，以可有效利用各存储器单元的面积，并避免连接于可变电阻式存储器单元上的金属结构桥接底电极线及岛状顶电极。4.本发明提供一种可变电阻式存储器(resistive random-access memory,rram)装置，包含有一底电极线、一岛状顶电极以及一电阻材料。底电极线直接位于一第一金属结构上。岛状顶电极设置于底电极线侧边。电阻材料夹置于底电极线的侧壁以及岛状顶电极的侧壁之间。5.本发明提供一种形成可变电阻式存储器装置的方法，包含有下述步骤。首先，依序沉积一底电极层以及一介电掩模层于一第一金属结构上。接着，图案化介电掩模层以及底电极层，以形成堆叠结构，其中堆叠结构包含底电极线以及一介电层。之后，形成一层间介电层于底电极线侧边该第一金属结构上，且底电极线以该层间介电层围绕一穿孔。而后，填入一电阻材料顺应覆盖穿孔，且一顶电极填满穿孔，因而底电极线、电阻材料以及顶电极构成一可变电阻式存储器单元。6.基于上述，本发明提出一种垂直可变电阻式存储器装置及其形成方法，其包含二底电极线直接设置于一第一金属结构上，一层间介电层设置于底电极线之间且与二底电极线围绕出一穿孔，一电阻材料以及一垂直顶电极依序填入穿孔中，因而形成一可变电阻式存储器单元，其中电阻材料具有一u型剖面结构。因此，本发明的可变电阻式存储器单元包含平行且并联的二电阻(即u型剖面结构中的二垂直部分)，故可有效利用各存储器单元的面积。并且，采用本发明的结构及制作工艺不易损坏电阻材料且能避免连接于可变电阻式存储器单元上的金属结构桥接底电极线及垂直顶电极。附图说明7.图1为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；8.图2为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；9.图3为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；10.图4为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；11.图5为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；12.图6a～图6b为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的俯视图及剖面示意图；13.图7为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；14.图8a～图8c为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；15.图9a～图9b为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；16.图10为本发明优选实施例中另一垂直可变电阻式存储器装置的剖面示意图；17.图11为本发明优选实施例中其他垂直可变电阻式存储器装置的剖面示意图。18.符号说明19.10：第一金属结构20.10a、10b：第一金属线21.20：第二金属结构22.20a、20b：第二金属线23.110：介电层24.120：盖层25.120a、120c：虚线26.120b：实线27.130：堆叠结构28.132、232：底电极线29.132’：底电极层30.134、234：介电层31.134’：介电掩模层32.140：层间介电层33.140a：第一介电层34.140b：第二介电层35.142b：部分36.152、252：电阻材料37.152’：电阻材料层38.152a：垂直部分39.154、254：垂直顶电极40.154’：顶电极层41.160：介电层42.h、h：穿孔43.q：尖角44.t：平坦的顶面45.v：通孔46.a1：第一区47.b1：第二区48.c1、c2：可变电阻式存储器单元49.h1：底部50.h2：侧壁51.p1：图案化光致抗蚀剂52.r1：开口53.h1、h2：穿孔部分54.aa’、bb’：剖面线具体实施方式55.图1～图9b为本发明优选实施例中形成垂直可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图。如图1所示，形成一介电层110于一基底(未绘示)上，其中基底例如是一硅基底、一含硅基底(例如sic)、一三五族基底(例如gan)、一三五族覆硅基底(例如gan-on-silicon)、一石墨烯覆硅基底(graphene-on-silicon)、一硅覆绝缘(silicon-on-insulator，soi)基底或一含外延层的基底等半导体基底。在本实施例中，基底包含一第一区a1以及一第二区b1，其中第一区a1为一可变电阻式存储器区，而第二区b1包含一逻辑区，但本发明不以此为限。一第一金属结构10位于介电层110中，其中第一金属结构10可包含第一金属线10a位于第一区a1中的介电层110中，而第一金属线10b位于第二区b1中的介电层110中。形成第一金属结构10于介电层110中的方法为本领域所熟知，故不再赘述。56.沉积并图案化而形成一盖层120于第一金属结构10以及介电层110上，使盖层120具有开口r1，暴露出第一金属结构10。详细而言，可先全面沉积一盖层(未绘示)，形成一图案化光致抗蚀剂p1覆盖盖层(未绘示)，再图案化盖层(未绘示)，即可形成具有开口r1的盖层120。随即，移除图案化光致抗蚀剂p1。在一优选的实施例中，盖层包含一氮的碳化硅层，但本发明不以此为限。57.如图2所示，依序沉积一底电极层132’以及一介电掩模层134’于第一金属结构10以及介电层110上。如图3所示，图案化介电掩模层134’以及底电极层132’，以形成堆叠结构130于第一区a1的第一金属结构10上，其中堆叠结构130包含底电极线132以及一介电层134。在一优选的实施例中，底电极线132可包含铝、铝钛或钴钛等金属合金，且介电层134包含一氮化硅层，但本发明不限于此。由于盖层120具有开口r1，因此堆叠结构130中的底电极线132可物理性接触第一金属结构10中的第一金属线10a。58.如图4～图6b所示，形成一层间介电层140于底电极线132以及介电层134侧边的第一金属结构10以及介电层110上，且底电极线132以及层间介电层140围绕穿孔h。详细而言，如图4所示，在图2～图3的步骤图案化介电掩模层134’以及底电极层132’之后，全面沉积一第一介电层140a于底电极线132侧边的第一金属结构10以及介电层110上。接着，平坦化第一介电层140a，以形成一第二介电层140b，其中第二介电层140b具有一平坦的顶面t，如图5所示。然后，为能更清楚说明本发明，图6a为此步骤的俯视图，而图6b为沿图6a的剖面线aa’的剖面示意图。如图6a～图6b所示，移除底电极线132之间的第二介电层140b的一部分142b，因而形成底电极线132以及层间介电层140围绕的穿孔h。59.如图7～图8c所示，填入一电阻材料152顺应覆盖图6a～图6b的穿孔h，且一垂直顶电极154填满穿孔h，因而底电极线132、电阻材料152以及垂直顶电极154构成一可变电阻式存储器单元c1。电阻材料152包含过度金属氧化物(transition-metal-oxide，tmo)，但本发明不以此为限。更进一步而言，可如图7所示，依序沉积一电阻材料层152’以及一顶电极层154’覆盖穿孔h、介电层134以及层间介电层140，其中电阻材料层152’顺应覆盖穿孔h的底部h1以及侧壁h2，且顶电极层154’填满穿孔h。60.而后，为能更清楚说明本发明，图8a为俯视图，且图8b为沿图8a的剖面线aa’的剖面示意图，图8c为沿图8a的剖面线bb’的剖面示意图。移除超出穿孔h的该顶电极层154’以及电阻材料层152’，以形成电阻材料152以及垂直顶电极154，如图8a～图8c所示。如此一来，底电极线132、电阻材料152以及垂直顶电极154则可构成可变电阻式存储器单元c1。电阻材料152则具有一u型剖面结构，且垂直顶电极154为一岛状顶电极。如此，本发明的可变电阻式存储器单元c1包含平行设置且并联的二电阻(即u型剖面结构中的二垂直部分152a)，故本发明可有效利用各存储器单元的面积。如图8b所示，本实施例在沿图8a的剖面线aa’的区域形成有电阻材料152以及垂直顶电极154，但在沿图8a的剖面线bb’的区域仅有层间介电层140位于底电极线132之间。61.在另一优选的实施例中，可在形成可变电阻式存储器单元c1之后，移除氮化硅层为材料的介电层134，并以氧化层或低介电常数介电层取代，即可进一步降低寄生电容，视实际需要而定。62.图9a为接续图8b的沿剖面线aa’的剖面示意图，且图9b为接续图8c的沿剖面线bb’的剖面示意图。如图9a～图9b所示，形成一通孔v于可变电阻式存储器单元c1侧边的层间介电层140中，且通孔v接触第一金属结构10。如图9a所示通孔v形成于可变电阻式存储器单元c1侧边，但图9b中也无可变电阻式存储器单元c1以及通孔v形成。之后，形成一第二金属结构20，直接接触电阻材料152、垂直顶电极154以及通孔v，其中第二金属结构20可包含一第二金属线20a直接接触电阻材料152以及垂直顶电极154，以及一第二金属线20b直接接触通孔v。具体而言，可先全面覆盖并图案化而形成包含凹槽(未绘示)的一介电层160于可变电阻式存储器单元c1以及通孔v上，再将金属填入凹槽(未绘示)中而形成第二金属结构20，故此方法同时形成第二金属线20a以及第二金属线20b，但本发明不以此为限。另外，在介电层160中蚀刻凹槽(未绘示)时，也可经由过蚀刻移除部分的垂直顶电极154以及电阻材料152，而使第二金属线20a部分埋入介电层134中。由于本发明的介电层134堆叠于底电极线132上，且电阻材料152具有一u型剖面结构并向上包覆垂直顶电极154，可避免形成第二金属结构20并进行凹槽蚀刻时，损坏电阻材料152或使第二金属结构20桥接底电极线132及垂直顶电极154。63.承上，本发明则形成有可变电阻式存储器单元c1，其中可变电阻式存储器单元c1由底电极线132、电阻材料152以及垂直顶电极154所构成。具体而言，二底电极线132直接位于第一金属结构10上。层间介电层140设置于底电极线132侧边的第一金属结构10上。底电极线132以及层间介电层140围绕电阻材料152，而电阻材料152围绕垂直顶电极154。在第一区a1中，底电极线132直接接触第一金属结构10的第一金属线10a，电阻材料152以及垂直顶电极154直接接触第二金属结构20中的第二金属线20a。在第二区b1中，通孔v设置于可变电阻式存储器单元c1侧边的层间介电层140中，且通孔v的两端e1/e2分别接触第一金属结构10中的第一金属线10b以及第二金属结构20中的第二金属线20b。在本实施例中，电阻材料152则具有一u型剖面结构，且垂直顶电极154具有一l型剖面结构。如此一来，本发明则可在一可变电阻式存储器单元c1中包含平行设置且并联的二电阻(即u型剖面结构中的二垂直部分152a)，故本发明可有效利用各存储器单元的面积。再者，采用上述本发明形成可变电阻式存储器单元c1的方法易于埋入本发明的可变电阻式存储器单元c1并整合可变电阻式存储器制作工艺及逻辑元件制作工艺。并且，在形成连接可变电阻式存储器单元c1的上层第二金属结构20而进行通孔蚀刻时，本发明的结构及制作工艺不易损坏电阻材料152且可避免第二金属结构20桥接底电极线132及垂直顶电极154。64.上述提出本发明的可变电阻式存储器单元c1，其电阻材料152具有一u型剖面结构，且垂直顶电极154具有一l型剖面结构。在另一实施例中，再提出本发明的另一可变电阻式存储器单元，其垂直顶电极154具有一t型剖面结构。图10绘示本发明优选实施例中另一垂直可变电阻式存储器装置的剖面示意图。如图10所示，图9a～图9b的垂直顶电极154则以一垂直顶电极254取代。本实施例的形成方法类似于上述形成可变电阻式存储器单元c1的方法，但在图6a～图6b形成穿孔h时，改以蚀刻成具有上宽下窄的穿孔h，其中位于一底电极线232中的穿孔部分h1的口径小于位于一介电层234中的穿孔部分h2的口径。之后，再填入一电阻材料252以及一垂直顶电极254于穿孔h中，即可形成一可变电阻式存储器单元c2，其中垂直顶电极254具有一t型剖面结构。相较于前一实施例，由于本实施例的可变电阻式存储器单元c2在底电极线232以及垂直顶电极254之间具有尖角q，尖端放电可降低电压并改善装置的稳定性。65.再者，图11绘示本发明优选实施例中其他垂直可变电阻式存储器装置的剖面示意图。在其他实施例中，在图6a～图6b形成穿孔h时，可蚀刻停止至盖层120上，而形成如图11的一虚线120a的结构(同图9a～图9b)；也可以蚀刻部分盖层120，形成如图11的一实线120b的结构；或者吃穿盖层120并蚀刻部分介电层110，形成如图11的一虚线120c的结构，视实际需要而定。66.综上所述，本发明提出一种垂直可变电阻式存储器装置及其形成方法，其包含二底电极线直接设置于一第一金属结构上，一层间介电层设置于底电极线之间且与二底电极线围绕出一穿孔，一电阻材料以及一垂直顶电极依序填入穿孔中，因而形成一可变电阻式存储器单元，其中电阻材料具有一u型剖面结构。因此，本发明的可变电阻式存储器单元包含平行且并联的二电阻(即u型剖面结构中的二垂直部分)，故可有效利用各存储器单元的面积。并且，采用本发明的结构及制作工艺不易损坏电阻材料且能避免连接于可变电阻式存储器单元上的金属结构桥接底电极线及垂直顶电极。67.更进一步而言，垂直顶电极具有一l型剖面结构或一t型剖面结构。较佳者，具有t型剖面结构的垂直顶电极结构，在底电极线以及垂直顶电极之间具有尖角导致尖端放电，进而可降低电压并改善装置的稳定性。68.以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。









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