Fabrication of copper interconnects as active electrode of Electrochemical Metallization (ECM) Cell

Resistive Random-Access Memories (ReRAMs or RRAMs) have attracted increasing attention in recent years because of their excellent performance, reliability, and low-energy operation. The architecture of ReRAMs cells consists of a thin film layer of insulating materials such as SiO2, which is sandwiched between an electrochemically active electrode (AE), e.g., Cu and inert electrode (IE), e.g., Pt. In this study, copper interconnects that are functioning as active electrodes in ReRAMs’ structures are fabricated by means of damascene process. Electron Beam Lithography (EBL) and Reactive Ion Etching (RIE) are utilized to transfer the pattern to the substrate. Different effective parameters of patterning, such as pattern distortion and erosion of the resist are investigated. Copper plating techniques such as electroplating and electroless are performed to obtain superfilled vias and trenches. Two different electrochemical bath chemistries are used: alkaline and acidic solutions. Results show that electrodeposition by means of the acidic solution gives a more compact layer. Furthermore, direct electrodeposition of copper on the barrier layer (TiN) is investigated via two step activation process: Pd activation followed by Ag activation. Results demonstrate that it is possible to form a compact copper layer on TiN using direct electroplating. By applying some modifications to the bath solution i.e., adding organic constituents such as Polyethylene glycol (PEG), copper electrodeposition produced void-free vias and trenches. Chemical mechanical polishing (CMP) is performed to planarize the surface of the samples. Finally, a memory stack is fabricated on the buried Cu electroplated electrode. A thin film of doped SiO2 (20nm) as a solid electrolyte is sputtered on the copper and inert electrode (Pt) is formed using the lift-off process. Current-Voltage (I-V) measurement is conducted on the device under the voltage application from 0 to 5V for one cycle. The device switches between the low resistance state (LRS) and high resistance state (HRS) back and forth under the applied bias.

Le memorie resistive ad accesso casuale (ReRAM o RRAM) hanno attirato una crescente attenzione negli ultimi anni a causa delle loro eccellenti prestazioni, affidabilità e funzionamento a basso consumo energetico. L'architettura delle celle ReRAM è costituita da uno strato di pellicola sottile di materiali isolanti come SiO2, che è inserito tra un elettrodo elettrochimicamente attivo (AE), ad esempio Cu ed un elettrodo inerte (IE), ad esempio Pt. In questo studio, le interconnessioni in rame che funzionano come elettrodi attivi nelle strutture delle ReRAM sono fabbricate mediante un processo damascato. Electron Beam Lithography (EBL) e Reactive Ion Etching (RIE) sono utilizzati per trasferire il modello al substrato. Vengono studiati diversi parametri effettivi di patterning, come la distorsione del pattern e l'erosione del resist. Tecniche di placcatura in rame come l'elettroplaccatura e l'elettrolisi vengono eseguite per ottenere via e trincee superriempite. Vengono utilizzate due diverse chimiche del bagno elettrochimico: soluzioni alcaline e acide. I risultati mostrano che l'elettrodeposizione per mezzo della soluzione acida dà uno strato più compatto. Inoltre, l'elettrodeposizione diretta del rame sullo strato barriera (TiN) viene studiata tramite un processo di attivazione in due fasi: attivazione del Pd seguita dall'attivazione dell'Ag. I risultati dimostrano che è possibile formare uno strato di rame compatto su TiN mediante elettrodeposizione diretta. Applicando alcune modifiche alla soluzione del bagno, ad esempio l'aggiunta di costituenti organici come il polietilenglicole (PEG), l'elettrodeposizione del rame ha prodotto vie e trincee prive di vuoti. La lucidatura chimico-meccanica (CMP) viene eseguita per planarizzare la superficie dei campioni. Infine, viene fabbricato uno stack di memoria sull'elettrodo elettroplaccato Cu sepolto. Un sottile film di SiO2 drogato (20 nm) come elettrolita solido viene spruzzato sul rame e l'elettrodo inerte (Pt) viene formato utilizzando il processo di sollevamento. La misurazione della corrente-tensione (I-V) viene eseguita sul dispositivo sotto l'applicazione della tensione da 0 a 5 V per un ciclo. Il dispositivo commuta avanti e indietro tra lo stato a bassa resistenza (LRS) e lo stato ad alta resistenza (HRS) sotto la polarizzazione applicata.