金属‑绝缘体‑金属电容器结构及其制造方法技术

本发明专利技术的实施例提供了RRAM器件的金属‑绝缘体‑金属(MIM)电容器结构，包括第一电极和第二电极以及置于第一电极和第二电极之间的绝缘层。可以在绝缘层内形成提供RRAM器件的切换功能的导电丝线。此外，富含氮的金属层置于第二电极和绝缘层之间。富含氮的金属层包括比邻近的第二电极更大的氮浓度。本发明专利技术的实施例还提供了金属‑绝缘体‑金属电容器结构的制造方法。

Metal insulator metal capacitor structure and manufacturing method thereof

The embodiment of the invention provides a RRAM device metal insulator metal (MIM) capacitor structure includes an insulating layer between a first electrode and a second electrode and a first electrode and a second electrode. A conductive wire can be formed in an insulating layer to provide a switching function for an RRAM device. In addition, a nitrogen rich metal layer is interposed between the second electrode and the insulating layer. The nitrogen rich metal layer consists of near second electrodes with greater nitrogen concentration. The embodiment of the invention also provides a method for manufacturing metal insulator metal capacitor structure.

【技术实现步骤摘要】
金属-绝缘体-金属电容器结构及其制造方法
本专利技术的实施例涉及半导体领域，更具体地涉及金属-绝缘体-金属电容器结构及其制造方法。
技术介绍
半导体集成电路工业在过去的几十年里已经历了快速发展。半导体材料和设计的技术进步产生了更小且更复杂的电路。随着关于处理和制造的技术经历了技术的进步，这些材料和设计的进展已成为可能。在半导体演化过程中，随着可以可靠地创建的最小的部件的尺寸减小，每单位面积的互连器件的数量增加。在半导体中的很多技术进步发生在存储器件的领域中，并且这些的一些涉及电容结构。例如，这样的电容结构包括金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。特别地，电阻式随机存取存储器(RRAM)是用于在MIM电容器结构上建立的非易失性存储器件的一种技术。在RRAM器件中，每个RRAM单元(MIM电容器(MIMcap))都包括电阻材料层，能够通过在低电阻和高电阻状态之间切换器件来调整其电阻以表示逻辑值。RRAM单元的一个典型的操作涉及通过施加足够高的电场以通过形成导电丝线(filament)(导电路径)从而使电阻材料层成为导体。一旦形成丝线，其可以被复位(断开，从而导致高电阻)或置位(重新形成，从而导致低电阻)。在一个实例中，由于导电材料层中的被称为氧空位(已去除氧的氧键合位置(oxidebondlocation))的缺陷导致穿过MIM堆叠件和导电丝线的导电，这随后在电场下充电和漂移。换句话说，导线丝线形成穿过MIM电容器堆叠件的氧空位桥接(oxygenvacancybridge)。将RRAM复位至高电阻状态提供氧空位与氧离子的重组，从而打断桥接。这些和其他的MIM电容器的一个优势是它们与CMOS制造工艺的兼容性。目前用于使用MIM电容器作为RRAM器件的制造方法和结构包括涉及丝线的形成和保存的那些，虽然在很多方面适用，但仍尽力满足期望的性能和可靠性标准。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种金属-绝缘体-金属电容器结构，包括：第一电极和第二电极；绝缘层，置于所述第一电极和所述第二电极之间；以及富含氮的金属层，置于所述第二电极和所述绝缘层之间。本专利技术的实施例还提供了一种电阻式随机存取存储器件的金属-绝缘体-金属电容器，包括：顶部电极，设置在半导体衬底上方；底部电极，设置在所述顶部电极和所述半导体衬底之间，其中，所述底部电极包括第一金属的氮化物；介电层，置于所述顶部电极和所述底部电极之间，其中，所述介电层可操作以在所述电阻式随机存取存储器件的操作期间形成导电丝线；以及金属氮化物层，形成在所述底部电极和所述介电层之间，其中，所述金属氮化物层包括所述第一金属的氮化物并且具有比所述底部电极更大的氮的原子百分比。本专利技术的实施例还提供了一种制造金属-绝缘体-金属电容器结构的方法，包括：提供半导体衬底；以及在所述半导体衬底上方形成金属-绝缘体-金属电容器，其中，所述形成所述金属-绝缘体-金属电容器包括：在半导体衬底上方沉积具有第一氮浓度的底部电极；在沉积所述顶部电极之后或同时，在所述底部电极上形成具有比所述第一氮浓度大的第二氮浓度的区域；在所述区域上沉积介电层；和在所述介电层上方形成顶部电极层。附图说明当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最佳地理解本专利技术的实施例。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。事实上，为了清楚讨论，各个部件的尺寸可以任意增大或减小。图1示出了用于RRAM元件的金属-绝缘体-金属(MIM)结构的示意图。图2示出了根据本专利技术的一个或多个实施例的用于RRAM元件的金属-绝缘体-金属(MIM)的功能元件的示意图。图3示出了根据本专利技术的一个或多个实施例的MIM电容器结构的实施例的截面图。图4示出了根据本专利技术的一个或多个实施例的具有形成为MIM电容器结构和FET的RRAM器件的存储单元的实施例的截面图。图5示出了根据本专利技术的一个或多个实施例的制造MIM电容器结构的方法的实施例的流程图。图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14和图15描绘了根据图5的方法的步骤制造的MIM电容器的截面图。图16A、图16B、图17、图18A和图18B示出了在不同地组成的RRAM器件之间的性能的比较的示图。在阅读下面详细的说明时，本领域技术人员将更容易理解上面简单描述的图中公开的各个部件。当在各个图中描绘的部件在两个或多个图之间共用时，为描述的简洁，使用相同的识别标号。具体实施方式应该理解，以下公开内容提供了许多用于实现本专利技术的不同特征的不同实施例或实例。以下描述部件和布置的具体实例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例而不旨在限制。此外，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简化和清楚的目的，可以以不同比例任意绘制各个图。此外，顶部/底部、上面/下面等的描述是为了参考和部件的相对位置的描述的简便并且不旨在限制具体方向。图1示出了MIM电容器100的示意图。MIM电容器100可以是非易失性存储器(NVM)单元的部分。MIM电容器100可以是电阻式随机存取存储器(RRAM)元件。诸如MIM电容器100的RRAM器件可以用于通过改变存储元件中的中间介电层的性质来以这样的方式改变层的电阻，从而保持二进制数据(abinarypieceofdata)或比特位。可以通过将介电层的电阻设置至相对较高的电阻状态或相对较低的电阻状态，以利用分配至一种状态的为一的值和分配至另一种状态的为零的值来对比特位进行编码。在该实例下，MIM电容器100包括顶部电极102和底部电极104。切换元件106(介电层)设置在顶部电极102和底部电极104之间。在切换元件106的介电层的软介电击穿(softdielectricbreakdown)发生之后描述MIM电容器100，从而在置于电极之间的介电层中形成导电丝线108。顶部电极102耦合至电压源V，底部电极104耦合至地(例如，V＝0)。通过将Vforming设置为V来形成导电丝线108。在实施例中，在形成工艺期间，切换元件106的介电层的软介电击穿发生并且氧离子驱向(drivetoward)顶部电极102(也称作阳极)。这提供顶部电极102处的在作为“氧储存器”100的界面。氧储存器110可以是界面氧化物层(例如，与电极或其他插入层的金属反应)或作为中性非晶格氧而保持的氧。当MIM电容器100处于低电阻状态时，电流流经介电材料的导电丝线108。在复位工艺期间，氧离子从储存器110移回导电丝线108，并且与氧空位重组从而提供MIM电容器100的高电阻状态。如图1中示出的，在MIM电容器100的操作期间，专利技术者已经认识到切换元件106中和导电丝线108中可以发生氧原子的积聚(build-up)，示出为氧捕获区域112。假设下部电极104用于吸引氧以创建氧捕获区域112；然而，本专利技术不限于该理论。氧捕获区域112有效地改变导电丝线108的形状，特别地，在一些实施例中，破坏期望的“V形”丝线。氧捕获区域112可以涉及MIM电容器100的性能，例如，包括延伸导电丝线108的下部使得氧离子难以在复位工艺中重组，从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属‑绝缘体‑金属电容器结构，包括：第一电极和第二电极；绝缘层，置于所述第一电极和所述第二电极之间；以及富含氮的金属层，置于所述第二电极和所述绝缘层之间。

【技术特征摘要】
2015.11.13 US 14/941,0371.一种金属-绝缘体-金属电容器...

【专利技术属性】
技术研发人员：金海光，蔡正原，林杏莲，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71