电阻式随机存取存储器器件的制作方法

1.所公开的主题一般地涉及结构、存储器器件及其形成方法。更具体地，本公开涉及电阻式随机存取(reram)存储器器件。


背景技术：

2.半导体器件和集成电路(ic)芯片已经在物理、化学、生物学、计算和存储器器件领域中得到了大量应用。存储器器件的一个例子是非易失性(nv)存储器器件。nv存储器器件是可编程的，并且由于其即使在电源关断之后也能够长时间保持数据的能力而被广泛用于电子产品中。nv存储器的示例性类别可以包括电阻式随机存取存储器(reram)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、闪速存储器、铁电随机存取存储器(feram)和磁阻式随机存取存储器(mram)。
3.电阻式存储器器件可以通过在以下两种不同状态之间改变(或切换)来工作：高电阻状态(hrs)，其可以代表关断或“0”状态；低电阻状态(lrs)，其可以代表接通或“1”状态。然而，这些器件可能需要高电压输入才能实现电阻状态的切换，这会增加其功耗。


技术实现要素：

4.在本公开的一方面，提供了一种半导体结构，包括：第一电极；设置在所述第一电极上的第一除氧层(oxygen scavenging layer)；设置在所述第一除氧层上的电阻层；设置在所述电阻层上的第二除氧层；以及所述第二除氧层上的第二电极。所述电阻层包括与所述第一除氧层和所述第二除氧层不同的材料，并且所述第一除氧层和所述第二除氧层中的至少一者包括金属氧化物。
5.在本公开的另一方面，提供了一种存储器器件，包括：布置在衬底上方的第一电极；设置在所述第一电极上的第一除氧层；设置在所述第一除氧层上的电阻层；设置在所述电阻层上的第二除氧层；以及设置在所述第二除氧层上的第二电极。所述电阻层具有比所述第一除氧层和所述第二除氧层低的电子亲和势，并且所述第一除氧层和所述第二除氧层中的至少一者包括金属氧化物。
6.在本公开的又一方面，提供了一种形成存储器器件的方法，包括：在衬底上方形成第一电极；在所述第一电极上形成第一除氧层；在所述第一除氧层上形成电阻层；在所述电阻层上形成第二除氧层，其中所述电阻层包括具有比所述第一除氧层和所述第二除氧层中的至少一者低的电子亲和势的材料，并且所述第一除氧层和所述第二除氧层中的至少一者包括金属氧化物；以及在所述第二除氧层上形成第二电极。
附图说明
7.通过参考结合附图进行的以下描述，可以理解本公开。
8.为了图示的简单和清楚，附图图示了一般的构造方式，并且可以省略公知的特征和技术的特定描述和细节，以避免不必要地使所描述的本公开的实施例的讨论模糊。另外，
附图中的元素不一定按比例绘制。例如，附图中的一些元素的尺寸可能相对于其他元素被放大，以帮助提高对本公开的实施例的理解。不同附图中的相同参考标号表示相同的元素，而相似的参考标号可以但不一定表示相似的元素。
9.图1是根据本公开的结构的截面图。
10.图2是根据本公开的存储器器件的截面图。
具体实施方式
11.下面描述本公开的各种说明性实施例。在此公开的实施例是示例性的，并不旨在是穷举的或限于本公开。
12.如本文所使用的，“沉积技术”是指将一材料施加到另一材料(或衬底)之上的工艺。示例性沉积技术包括但不限于旋涂、溅射、化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、分子束沉积(mbd)、脉冲激光沉积(pld)、液态源雾化化学沉积(lsmcd)、原子层沉积(ald)。
13.此外，“图案化技术”包括在形成所描述的图案、结构或开口时根据需要沉积材料或光致抗蚀剂，对材料或光致抗蚀剂进行图案化、曝光、显影、蚀刻、清洁和/或去除。用于图案化的技术示例包括但不限于湿法蚀刻光刻工艺、干法蚀刻光刻工艺或直接图案化工艺。这些技术可使用掩模组和掩模层。
14.如本文所使用的，术语“除氧”或“除氧剂”可以指能够消耗、耗尽来自给定环境的氧离子或与来自给定环境的氧离子发生反应的组合物、层、膜或材料。
15.图1示出了用于半导体器件(例如，存储器器件、逻辑器件、光学器件等)的示例性结构114的截面图。结构114包括第一电极102、设置在第一电极102上的第一除氧层104、设置在第一除氧层104上的电阻层106、设置在电阻层106上的第二除氧层108以及设置在第二除氧层108上的第二电极110。电阻层106包括与第一除氧层104和第二除氧层108不同的材料。特别地，电阻层106可以具有比第一除氧层104和第二除氧层108低的电子亲和势。优选地，除氧层104、108的电子亲和势可以是电阻层106的电子亲和势的至少两倍。在另一示例中，除氧层104、108的功函数值可以低于第一电极102和第二电极110的功函数值。结构114可以集成到集成电路或半导体器件(例如，存储器器件或逻辑器件)中。
16.如图所示，第一电极102、第一除氧层104、电阻层106、第二除氧层108和第二电极110可以以竖直(vertical)配置布置(例如，每个结构特征可以堆叠在另一结构特征上方)。
17.结构114可以通过使用本文所述的沉积技术沉积材料，随后使用本文所述的图案化技术蚀刻所沉积的材料来形成。例如，第一电极102可以沉积在电介质层(未示出)上。第一除氧层104可以沉积在第一电极102上。电阻层106可以沉积在第一除氧层104上。第二除氧层108可以沉积在电阻层106上。可以对所沉积的材料执行蚀刻步骤以形成结构114。
18.第一电极102和第二电极110可以被构造为惰性电极。如本文所使用的，术语“惰性电极”可以指能够抵抗氧化还原反应(即，获得或失去电子)的导电材料。用于第一电极102和第二电极110的导电材料的示例可以包括但不限于钌(ru)、铂(pt)、氮化钛(tin)、氮化钽(tan)或金(au)。优选地，第一电极102和第二电极110可以具有约5nm至约10nm的范围内的厚度。
19.第一电极102和第二电极110可以被相反地偏置。例如，第一电极102可以被正偏置而第二电极110可以被负偏置；或者，第二电极110可以被正偏置而第一电极102可以被负偏
置。第一电极102和第二电极110可以连接到电端子138、140。电信号可以通过相应的电端子138、140施加到第一电极102和第二电极110。电信号可以是切换电压或切换电流的形式，并且可以被编程为通过改变电端子138、140的极性(例如，正或负)而在“置位(set)”或“重置(reset)”信号之间交替。电端子138、140可以相对于彼此具有相反的极性。例如，当电端子140为负时，电端子138为正，反之亦然。可以跨第一电极102和第二电极110施加双向电信号。如本文所使用的，术语“双向”可以指在电端子138、140的极性被切换时，能够在从第一电极102到第二电极110的第一方向上和在从第二电极110到第一电极102的第二方向上行进的双极电信号。
20.电阻层106可以被配置为具有响应于电信号的变化的可切换电阻。特别地，导电路径112，例如丝(filament)，可以在电阻层106和除氧层104、108中形成，并且响应于电信号变化而将第一电极102电连接到第二电极110。丝的存在会减小电阻层106的电阻，而丝的缺乏会增大电阻层106的电阻，从而实现电阻层106的可控电阻性质。电阻层106可以表现出以形成该层的材料的不同电阻状态表征的电阻变化特性。这些电阻状态(例如，高电阻状态(hrs)或低电阻状态(lrs))可用于表示一位或多位信息。
21.电阻层106的厚度可以设计为使得相对低的电压电平足以切换电阻层106的电阻状态。优选地，电阻层106可以具有约2nm至约10nm的范围内的厚度。用于电阻层106的材料的示例可以包括但不限于碳聚合物、钙钛矿、二氧化硅、氧化物或氮化物。氧化物的一些示例可以包括镧系元素氧化物、钨的氧化物、氧化锌、氧化镍、氧化铌、氧化钛、氧化铪、氧化铝、钽的氧化物、氧化锆、氧化钇、氧化钪、氧化镁、氧化铬和氧化钒。氮化物的示例可以包括氮化硼、氮化硅或氮化铝。优选地，电阻层106可以包括氧化镁(mgo)、氧化钽(ta2o5)、氧化铪(hfo2)、氧化钛(tio2)、氧化铝(al2o3)、二氧化硅(sio2)、氧化钨(wo2)、或氮化硅(si3n4)。
22.第一除氧层104和第二除氧层108中的至少一者包括金属氧化物。例如，第一除氧层104可以包括金属氧化物，而第二除氧层108可以包括金属。在另一示例中，第一除氧层104可以包括金属，而第二除氧层108可以包括金属氧化物。在又一示例中，第一除氧层104和第二除氧层108均可以包括金属氧化物。
23.用于除氧层104、108的金属氧化物的示例可以包括但不限于氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)、钨的氧化物(wo
x
)、钛的氧化物(tio
x
)、或钽的氧化物(ta
nox
)，其中“x”可以是在2至5的范围内的整数且“n”可以是1或2。用于除氧层104、108的金属的示例可以包括但不限于钽(ta)、钛(ti)、钨(w)或铪(hf)。优选地，第一除氧层104和第二除氧层108可以具有在1nm至约3nm的范围内的厚度。在一些实施例中，除氧层104、108的厚度可小于电极102、110的厚度。
24.电荷(例如，电子或离子)可能需要最少的能量来克服两种不同材料之间的界面处的能量势垒。例如，电荷可能需要获得足够的能量来克服第一电极102和电阻层106之间的传导能带差，以及第二电极110和电阻层106之间的传导能带差。为了降低能量势垒，可以在电阻层106和第一电极102之间设置第一除氧层104，并且可以在电阻层106和第二电极110之间设置第二除氧层108。如图1所示，第一除氧层104可以与电阻层106和第一电极102直接接触，而第二除氧层108可以与电阻层106和第二电极110直接接触。因此，电阻层106可以位于第一除氧层104和第二除氧层108之间。
25.第一除氧层104和第二除氧层108可以被配置为引起电荷的运动。第一除氧层104
和第二除氧层108也可以包括响应于电信号的变化而改变其氧化态的材料。
26.在说明性示例中，第一除氧层104和第二除氧层108可以是金属氧化物。可以跨第一电极102和第二电极110施加“正向”切换电压，其中第一电极102被负偏置而第二电极110被正偏置。第一除氧层104中带负电的氧离子和电子可被诱导而朝着电阻层106移动远离第一电极102。因此，“正向”切换电压可以减少第一除氧层104中金属氧化物的氧化态，并且在一些实施例中，将该金属氧化物还原为金属。在施加“正向”切换电压之后第一除氧层104已被还原为金属的实施例中，金属的功函数值可以低于第一电极102的功函数值。
27.此外，如本文所述，第一除氧层104在还原态或非还原态下的电子亲和势可高于电阻层106的电子亲和势。与电荷从第一电极102直接移动到电阻层106(这需要包括相对较大的单个能量势垒阶跃(step)的陡峭能量路径)，相比，第一除氧层104可以提供包括相对较低的能量势垒阶跃的渐变能量路径，以使电荷(例如，带负电的氧离子和电子)经由第一除氧层104从第一电极102移动到电阻层106。由于渐变能量路径中的每个能量势垒阶跃小于陡峭能量路径的单个能量势垒阶跃，因此，包含第一除氧层104可以使较低的“正向”切换电压能够跨第一电极102和第二电极110施加。
28.同时，第二除氧层108可以从电阻层106清除氧离子以增加电阻层106中氧空位的浓度或密度。被第二除氧层108清除的氧离子可被诱导朝着第二电极110移动，从而完成第一电极102和第二电极110之间的导电路径112。第二除氧层108中的金属氧化物的氧化态可以增加。
29.根据集成电路的编程，可以跨第一电极102和第二电极110施加“反向”切换电压，其中第一电极102被正偏置而第二电极110被负偏置。当切换电压反向时，第二除氧层108中的带负电荷的氧离子和电子可被诱导从第二电极110朝着电阻层106移动。因此，“反向”切换电压可以减少第二除氧层108中金属氧化物的氧化态，并且在一些实施例中，将该金属氧化物还原为金属。在施加“反向”切换电压之后第二除氧层108已被还原为金属的实施例中，金属的功函数值可以低于第二电极110的功函数值。
30.此外，如本文所述，第二除氧层108的电子亲和势可高于电阻层106的电子亲和势。与电荷从第二电极110直接移动到电阻层106(这需要包括相对较大的单个能量势垒阶跃的陡峭能量路径)相比，第二除氧层108可以提供包括相对较低能量势垒阶跃的渐变能量路径，以使电荷经由第二除氧层108从第二电极110移动到电阻层106。由于渐变能量路径中的每个能量势垒阶跃小于陡峭能量路径的单个能量势垒阶跃，因此，包含第二除氧层108可以使较低的“反向”切换电压能够跨第一电极102和第二电极110施加。
31.同时，第一除氧层104可以从电阻层106清除氧离子以增加电阻层106中氧空位的浓度或密度。被第一除氧层104清除的氧离子可被诱导朝着第一电极102移动，从而完成第一电极102和第二电极110之间的相向的导电路径112。第一除氧层104中的金属氧化物的氧化态可以增加。
32.在第一除氧层104或第二除氧层108包括金属的实施例中，第一除氧层104或第二除氧层108可具有比电阻层106的电子亲和势能量值高的功函数能量值。
33.如上所述，第一除氧层104位于第一电极102和电阻层106之间，以及第二除氧层108位于第二电极110和电阻层106之间，这可以提供电荷的渐变能量路径，从而更容易克服能量势垒并且更容易在相应的电极102、110和电阻层106之间移动。例如，第一电极102和第
一除氧层104之间的传导能带差以及第一除氧层104和电阻层106之间的传导能带差可以分别小于第一电极102和电阻层106之间的传导能带差。因此，与电荷在单个能量阶跃中从第一电极102直接移动到电阻层106而没有位于其间的除氧层的情况相比，电荷穿过第一电极102移动到第一除氧层104以及穿过第一除氧层104移动到电阻层106需要较小的能量来克服相应界面处渐变阶跃中的能量势垒。
34.有利地，除氧层104、108两者在结构114中的定位可以降低用于电阻层106的双向切换的切换电压或电流。特别地，在双向切换期间，跨第一电极102和第二电极110流动的电流可以在正向和反向之间不断变化。与在电阻层和一个或全部两个电极之间不设置除氧层的实施例相比，通过将第一除氧层104布置在电阻层106和第一电极102之间且将第二除氧层108布置在电阻层106和第二电极110之间，电荷在正向和反向上克服能量势垒所需的能量可以较低，从而也降低了用于电阻层106的双向切换的切换电压或电流。
35.图2示出了集成了本文所述的示例性结构114的示例性存储器器件100的截面图。本文描述的存储器器件100可以是电阻式存储器器件。电阻式存储器器件的示例可以包括但不限于氧化物随机存取存储器(oxram)。存储器器件100可以包括形成在衬底136上方的结构114。晶体管134可以形成在衬底136上并且可以包括源极区和漏极区132a、132b以及栅极130。互连过孔118接触第一电极102和第二电极110以将结构114与导电线120、122电连接。
36.互连过孔128可以形成在源极区和漏极区132a、132b以及栅极130上。互连过孔128可以电连接到导电线122、124、126。结构114可以电连接到晶体管134。如图2所示，第一电极102可以布置在衬底136上方。第一电极102可以通过导电线122电连接到晶体管134的漏极区132a。当施加切换电压时，晶体管134的源极区132b可以接地，第二电极110可以连接到源线、位线或字线。为了使切换电压反向，晶体管134的源极区132b可以连接到源线、位线或字线，并且第二电极110可以接地。如本文所使用的，术语“源线”、“字线”和“位线”可以指电端子连接。
37.导电线120、122、124、126可以连接到存储器器件中的其他电路和/或有源部件。有源部件(未示出)的示例可以包括二极管(例如，双向二极管、单光子雪崩二极管等)，或者晶体管，例如但不限于平面场效应晶体管、鳍式场效应晶体管(finfet)、铁电场效应晶体管(fefet)、互补金属氧化物半导体(cmos)晶体管和双极结型晶体管(bjt)。
38.贯穿本公开，应当理解，如果本文将方法描述为包括一系列步骤，则本文中呈现的这样的步骤的顺序不一定是可以执行这些步骤的唯一顺序，所述步骤的特定步骤可以被省略和/或另外一些在此未描述的特定步骤可以被添加到该方法中。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变体旨在涵盖非排他性的包含内容，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或器件不一定限于这些元素，而是可以包括未明确列出的或并非这些过程、方法、物品或器件所固有的其他元素。此处短语“在实施例中”的出现不一定全都指示同一实施例。
39.本公开的各种实施例的描述是出于说明的目的而提供的，但并不旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所描述实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使本领域普通技术人员能够理解
本文公开的实施例。此外，不旨在受在前述背景或以下详细描述中提出的任何理论的束缚。
40.此外，本文所述的各种任务和过程可以被合并到具有这里本文未详细描述的附加功能的更综合性的程序或过程中。具体地，集成电路制造中的各种工艺是众所周知的，因此，为了简洁起见，许多工艺在此仅简要提及或完全省略而没有提供众所周知的工艺细节。
41.在完全阅读本技术之后对于本领域技术人员将显而易见的是，所公开的半导体器件及其形成方法可用于制造多种不同的集成电路产品，其中包括但不限于存储器基元、nv存储器器件、finfet晶体管器件、cmos器件等。