RRAM下电极结构及其形成方法技术

本发明专利技术提供了一种RRAM下电极结构及其形成方法，其中的方法包括：以平坦化的第一金属/介电层作为衬底，使所述第一金属/介电层的表面全部或部分裸露出第一金属；在预设浸润温度下以硅烷浸润所述第一金属/介电层，以在所述第一金属表面形成第一金属硅化物层；在所述第一金属硅化物层上形成连续且平整的介电停止层；在所述介电停止层的表面形成RRAM Cell下电极；对所述RRAM Cell下电极做金属表面平坦化处理后，在其上形成RRAM Cell。利用本发明专利技术，能够有效提高第一金属与硅基介电层界面的附着力，从而进一步提升第一金属的电迁移和应力迁移特性，提高器件的可靠性和良率，同时简化工艺流程，缩短工艺周期，降低工艺成本。降低工艺成本。降低工艺成本。

【技术实现步骤摘要】
RRAM下电极结构及其形成方法


[0001]本专利技术涉及半导体制造
，更为具体地，涉及一种RRAM下电极结构及其形成方法。

技术介绍

[0002]阻变随机存储器(RRAM，Resistive Random Access Memory)由于其具有高编程/擦写速度、高器件密度、可微缩、低功耗、抗辐射、断电后仍然能够保持数据、且与CMOS(Complementary Metal
‑
Oxide Semiconductor)工艺兼容等一系列突出的优点而成为替代多晶硅浮栅(FG，Floating Gate)存储器的有力竞争者之一，其作为一种采用非电荷存储机制的存储器，在32nm工艺节点及以下的高端应用中有很大的发展空间。
[0003]目前，RRAM存储单元(Cell)嵌入后端金属之间，即：先在介电层上形成下层金属(Mx)导线/金属孔/金属接触用的图案并平坦化(CMP，Chemical Mechanical Polishing)，然后再覆盖介电层，通过大马士革工艺依次形成RRAM Cell的下电极(BE，Bottom Electrode)、阻变层和上电极，形成上层金属(Mx+1)导线/金属孔/金属接触用的图案并平坦化，最终实现后端多层金属互连。
[0004]在现行RRAM下电极金属形成工艺中，常常发生因为介电薄膜层和金属材料间粘合力及附着力差，导致形成空洞、裂缝、甚至造成膜层剥离(Peeling)的问题。一方面，可能导致产品报废，机台污染，延误跑货周期；另一方面，当介电薄膜层和金属材料间粘合力及附着力差极易导致金属Cu的电迁移(EM,Electro
‑
migration)及应力迁移(SM,Stress
‑
migration)问题，器件的可靠性(Reliability)和稳定性(Stability)都会欠佳。
[0005]为了解决上述问题，图1和图2分别示出了现有的两种RRAM下电极金属形成工艺，在图1和图2中，1、12、14为格栅，2、4为下层金属，5为刻蚀停止层，6为介电层，16为盖帽层。
[0006]如图1所示，现有的一种RRAM下电极结构中，首先在介电层6上形成下层金属2，然后在沉积刻蚀停止层(ESL，Etch Stop Layer)5前，在加热和非等离子体的环境中，对经过平坦化的有部分金属和介电质露出的表面进行硅烷浸润(SiH
4 Soaking)，SiH4分子通过热扩散运动，以期在铜表面形成铜的硅化物，从而使得后续生长的硅基薄膜材料与铜表面形成良好的附着。但是，硅烷浸润仅扩散于铜表面薄薄的一层(e.g.<2nm)，不仅厚度的均匀性很难控制，且因为表面缺陷态、后端工艺热预算(thermal budget)控制等各种原因，这薄薄的一层铜的硅化物，极容易出现销孔，从而导致改善金属/介电层界面附着力和阻止铜扩散的效果有限；若硅烷浸润的时间足够长或者硅烷深入扩散于铜中，则工艺周期过长，且铜的硅化物较之铜有着更高的电阻，且硅化物的形成消耗掉一部分的铜材料，该问题随着技术演进和CD收缩而愈发突出。
[0007]在图2所示的RRAM下电极结构中，在经过平坦化的有部分金属和介电质露出的表面上，通过选择性生长的方式，在露出的铜表面生长一层不易发生电迁移或应力迁移的钴金属(Co)盖帽层16，以期阻止金属Cu向上表面迁移。相较于图1所示的结构，在应力条件下，图2所示互连结构的平均失效时间(MTTF,Mean Time to Failure)显著增加，应力导致的空
洞(void)缺陷也显著减少，且寄生电容也降低了。但是，一方面，为了降低金属间的寄生电容；另一方面，因为选择性生长工艺的特点，该盖帽层往往只形成于金属Cu的表面，这就导致在金属盖帽和金属侧壁的扩散阻止层(Diffusion Barrier Layer)之间往往存在薄弱点(weak point)，铜原子仍然会从该处扩散而出，导致器件的可靠性和稳定性仍然出现问题。

技术实现思路

[0008]鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种新型RRAM下电极结构及其形成方法，在以硅烷SiH4浸润金属层表面前，以高还原性气体处理金属表面，再沉积形成RRAM Cell下电极所需的介电材料层，以有效提高Cu与硅基介电层界面的附着力。
[0009]根据本专利技术的一个方面，提供了一种RRAM下电极结构的形成方法，包括：以平坦化的第一金属/介电层作为衬底，使所述第一金属/介电层的表面全部或部分裸露出第一金属；
[0010]在预设浸润温度下以硅烷浸润所述第一金属/介电层，以在所述第一金属表面形成第一金属硅化物层；
[0011]在所述第一金属硅化物层上形成连续且平整的介电停止层；
[0012]在所述介电停止层的表面形成RRAM Cell下电极；
[0013]对所述RRAM Cell下电极做金属表面平坦化处理后，在其上形成RRAM Cell。
[0014]其中，可选的方案是，在以硅烷浸润所述第一金属/介电层之前，还包括：以还原性气体去除所述第一金属/介电层表面的杂质；所述还原性气体为H2、HF、NH3、H2S中的一种或任意几种的组合。
[0015]其中，可选的方案是，所述在预设浸润温度下以硅烷浸润所述第一金属表面的同时，还包括：在预设浸润温度下以硅烷浸润所述第一金属/介电层，以在所述介电层表面形成硅烷吸附及硅岛。
[0016]其中，可选的方案是，所述预设温度为50℃～500℃。
[0017]其中，可选的方案是，形成介电停止层的方法包括：通过通入形成所述介电停止层的前驱体，在所述第一金属硅化物层上形成连续且平整的硅基介电薄膜作为所述介电停止层；其中，采用生长/填充的方式通入所述前驱体。
[0018]其中，可选的方案是，在形成所述介电停止层后，还包括：采用CMP对所述介电停止层进行表面平坦化处理。
[0019]其中，可选的方案是，在所述介电停止层的表面形成RRAM Cell下电极的方法包括：采用经Mask Layer沉积、光刻、刻蚀、金属材料填充的步骤在所述介电停止层的表面形成RRAM Cell下电极。
[0020]其中，可选的方案是，所述金属材料为W、TiN、Co、Ni、Ru、Ti、Al中的一种或任意几种的组合。
[0021]其中，可选的方案是，在填充所述金属材料前后，实施50℃～500℃的H2氛围退火处理，以去除裸露的Cu表面的自然氧化物，并修复被刻蚀开的介电停止层侧壁表面的缺陷态。
[0022]根据本专利技术的另一方面，还提供一种RRAM下电极结构，利用前述的RRAM下电极结构的形成方法形成。
[0023]利用上述根据本专利技术的RRAM下电极结构的形成方法及及RRAM下电极结构，通过以硅烷浸润金属层表面前，以高还原性气体处理金属表面，再沉积形成RRAM Cell下电极所需的介电材料层，可以有效提高第一金属与硅基介电层界面的附着力，从而进一步提升第一金属的电迁移和应力迁移特性，有效提高器件的可靠性，提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RRAM下电极结构的形成方法，包括：以平坦化的第一金属/介电层作为衬底，使所述第一金属/介电层的表面全部或部分裸露出第一金属；在预设浸润温度下以硅烷浸润所述第一金属/介电层，以在所述第一金属表面形成第一金属硅化物层；在所述第一金属硅化物层上形成连续且平整的介电停止层；在所述介电停止层的表面形成RRAM Cell下电极；对所述RRAM Cell下电极做金属表面平坦化处理后，在其上形成RRAM Cell。2.如权利要求1所述的RRAM下电极结构的形成方法，其中，在以硅烷浸润所述第一金属/介电层之前，还包括：以还原性气体去除所述第一金属/介电层表面的杂质；所述还原性气体为H2、HF、NH3、H2S中的一种或任意几种的组合。3.如权利要求2所述的RRAM下电极结构的形成方法，其中，所述在预设浸润温度下以硅烷浸润所述第一金属表面的同时，还包括：在预设浸润温度下以硅烷浸润所述第一金属/介电层，以在所述介电层表面形成硅烷吸附及硅岛。4.如权利要求2或3所述的RRAM下电极结构的形成方法，其中，所述预设温度为50℃～500℃。5.如权利要求1所述的RRAM下电极结构的形成方法，其中，形成所述介电停止...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓波，仇圣棻，
申请(专利权)人：昕原半导体杭州有限公司，
类型：发明
国别省市：