CN101150173A - 非易失性存储器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非易失性存储器件及其制造方法。通过沿着下方电极的上边缘形成决定ReRAM相的电阻层，本发明的非易失性存储器件及其制造方法可以确保器件设计过程中临界驱动电压的裕量，并且改善器件的操作特性。
Description
技术领域
本发明涉及非易失性存储器件及其制造方法，更具体地说，涉及使用电阻相变的电阻切换式随机存取存储器(resistance switchingrandom access memory，ReRAM)技术。
背景技术
一般而言，半导体存储器件包括连接成电路的多个存储单元。一种示例性的半导体存储器件是动态随机存取存储器(dynamicrandom access memory，DRAM)。典型的DRAM单位存储单元是由一个开关和一个电容器构成，提供例如高集成度和快速操作等优点。
然而，由于DRAM存储单元在电荷变化方面产生”0”和”1”两个状态，当切断电源时便丧失所有存储的数据(即，易失性存储器件)，因此难以保持数据。
为了便于保持数据，对于新型存储器技术的研究尝试使用新的变量(而非电荷)在DRAM中产生对应于”0”和”1”的二元状态。
目前研究的非易失性存储器件包括磁性随机存取存储器(magnetic random access memory，MRAM)、铁电随机存取存储器(ferroelectric random access memory，FRAM)、相变随机存取存储器(phase-change random access memory，PRAM)等。
MRAM利用隧道结处的磁化方向的变化来存储数据，而FRAM利用铁电物质的极化来存储数据。虽然这两类存储器件各有优缺点，但是基本上已知的是都具有高集成密度、高操作速度，能够低功率操作，并且具有提供良好的数据保持性的潜力。
PRAM利用因特定材料的相变所造成的电阻值变化来存储数据，并且由一个电阻器和一个开关(晶体管)构成。PRAM所用的电阻器是硫族化物(chalcogenide)电阻器，其取决于形成温度而以晶态或非晶态存在。因为非晶态的电阻大于晶态的电阻，所以可以利用这些特性来制造存储器件。当将DRAM工序用于制造PRAM时，蚀刻操作可能难以执行，甚至要花费较长的时间。此外，虽然存储器件使用晶体管或二极管来进行切换，但是其结构复杂，不容易实现正确的切换操作。而存储器件的简化结构是优选的，也是正在努力追求的。
对于电阻切换式随机存取存储器(ReRAM)的研究和开发正在取得快速的发展，其中可以依据外部施加的电压而可重复地切换高、低电阻值状态。举例而言，一种ReRAM器件在其本质状态下是作为绝缘体而存在的，但是由于外部施加电压而相变成为金属或半导体状态，因而表现出物理性质的变化。
发明内容
通过沿着下方电极的上边缘形成决定ReRAM相的电阻层，本发明的非易失性存储器件及其制造方法可以确保器件设计过程中临界驱动电压的裕量。
举例而言，非易失性存储器件可以包括：第一电极；第一电阻层，其沿着所述第一电极的边缘形成；第二电阻层，其填充所述第一电阻层的内部；以及第二电极，其形成于所述第一电阻层和所述第二电阻层之上。
在示例性的实施例中，所述第一电极和所述第二电极由包括铂(Pt)、铱(Ir)、及其冶金等同物的铂族元素构成。
所述第一电阻层优选地由含铌(Nb)氧化物构成，例如由NbO2或Nb2O5构成的氧化物。
所述第二电阻层可以是由相切换的临界驱动电压高于所述第一电阻层的材料构成。所述第二电阻层优选地包括含铝(Al)氧化物，所述含铝(Al)氧化物主要由Al2O3构成。
制造非易失性存储器件的方法可以包括：在半导体基板的上方形成包括第一电极的第一层间绝缘膜；在所述第一层间绝缘膜的上方形成包括接触孔的第二层间绝缘膜，所述接触孔露出所述第一电极；在所述接触孔的侧壁上形成第一电阻层；形成填充所述第一电阻层内部的第二电阻层；在所述第一电阻层和所述第二电阻层之上形成第二电极；以及在所述第二电极的一部分之上形成带有接触插塞的第三层间绝缘膜，所述接触插塞与所述第一电极重叠。
所述第一电极和所述第二电极优选地由包括铂(Pt)、铱(Ir)及其冶金等同物的铂族元素构成。
所述第一电阻层可以是氧化物，例如包含NbO2或Nb2O5的含铌(Nb)氧化物。此外，所述第一电阻层可以采用化学气相沉积(CVD)法而形成。
另外，所述第二电阻层可以是由相切换的临界驱动电压高于所述第一电阻层的材料构成。所述第二电阻层优选地由含铝(Al)氧化物构成，例如包含Al2O3的氧化物。
此外，所述第二电阻层可以采用化学气相沉积(CVD)法而形成。
因此，通过沿着下方电极的上边缘形成决定ReRAM相的电阻层，本发明的非易失性存储器件及其制造方法可以确保器件设计过程中临界驱动电压的裕量，并且改善器件的操作特性。
根据后面的描述以及文中描述的本发明的实施例将会了解并更清楚地体会到本发明的其它优点和特征。此外，可以容易地看出，通过权利要求书所限定的结构、方法及其组合可以实现本发明的优点。
附图说明
图1是示出制造非易失性存储器件的方法的截面图；
图2是解释非易失性存储器件的工作原理的平面图；
图3是示出根据本发明优选实施例的制造非易失性存储器件的方法的截面图；
图4是沿着图3的截取平面A-A′获得的平面图；以及
图5是解释根据本发明优选实施例的非易失性存储器件的工作原理的平面图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的优选实施例，以便于本领域技术人员可以容易地实施本发明。
图1是示出制造非易失性存储器件的方法的截面图。在半导体基板11的上方形成第一层间绝缘膜13。利用限定下方电极的接触掩模通过光蚀刻工序来蚀刻第一层间绝缘膜13，以形成下方电极接触孔(未显示)。采用金属膜填充下方电极接触孔而形成下方电极15。
在下方电极15的上方形成第一电阻层17。在第一层间绝缘膜13的不包括第一电阻层17的部分上方形成第二电阻层19。在第一电阻层17和第二电阻层19之上形成上方电极21。在上方电极21之上形成包括接触插塞25的第二层间绝缘膜23。
图2是解释非易失性存储器件的工作原理的平面图。从图中可以清楚看到，ReRAM在其本质状态下作为绝缘体而存在(“0”电阻状态)。然而，当经由接触插塞25从外部施加高于临界驱动电压(Vt)的电压时，在第一电阻层17内部形成电流通路27，并且ReRAM的相改变为金属/半导体状态(“1”电阻状态)。
这里，临界驱动电压(Vt)是足以将ReRAM的相从绝缘体状态改变成为金属/半导体状态的电压。然而，在这种非易失性存储器件及其制造方法中，电流通路27随机地形成于第一电阻层17内部，从而导致临界驱动电压(Vt)的分布范围很广。因此，难以确保器件设计过程中临界驱动电压(Vt)的裕量。
图3是示出根据本发明优选实施例的制造非易失性存储器件的方法的截面图。在半导体基板111的上方形成第一层间绝缘膜113。利用限定下方电极的接触掩模通过光蚀刻工序来蚀刻第一层间绝缘膜113，以形成第一接触孔。采用金属膜填充第一接触孔而形成下方电极115。
下方电极115的金属膜由选自铂族元素的材料构成，例如Pt和Ir。在下方电极115的上方形成第二层间绝缘膜117。然后，利用限定下方电极的接触掩模通过光蚀刻工序来蚀刻第二层间绝缘膜117，以形成第二接触孔(未显示)。在第二接触孔的侧壁上形成第一电阻层119。
第一电阻层119优选地由氧化物所形成，例如可以由含铌(Nb)氧化物所形成。更优选的是，含Nb氧化物主要由NbO2或Nb2O5构成，并且可以采用化学气相沉积(CVD)法而形成。填充第一电阻层119，以形成第二电阻层121。此时，第二电阻层121可以是无电流的绝缘层，并且优选地由诸如含铝(Al)氧化物等氧化物构成，其相切换的临界驱动电压高于第一电阻层119(即，含铌氧化层)的相切换的临界驱动电压。含Al氧化物优选地主要由Al2O3构成，并且可以采用化学气相沉积(CVD)法而形成。
在第一电阻层119和第二电阻层121之上形成上方电极123。上方电极123由选自铂族元素的材料构成，例如Pt和Ir。接下来，在上方电极123之上形成第三层间绝缘膜125，第三层间绝缘膜125具有与下方电极115重叠的接触插塞127。此时，接触插塞127可以与下方电极115部分重叠。
图4是沿着图3的截取平面A-A′获得的平面图。如图所示，第一电阻层119形成为圆形，而第二电阻层121则形成于第一电阻层119内部。
图5是解释根据本发明优选实施例的非易失性存储器件的工作原理的平面图。如图所示，根据本发明的ReRAM的实施例在其本质状态下作为绝缘体而存在(“0”电阻状态)。然而，当经由接触插塞127从外部施加高于临界驱动电压(Vt)的电压时，在第一电阻层119内部形成电流通路129，从而使ReRAM的相改变为金属/半导体状态(“1”电阻状态)。
由于第一电阻层119优选地形成于第二接触孔的侧壁上，因此当从外部施加临界驱动电压(Vt)时，便在边缘处形成电流通路129。因此，临界驱动电压(Vt)的分布范围就变窄，并且可以确保器件的操作特性一致。
虽然已经参照具体实施例描述了本发明，但是对于本领域的技术人员来说很显然，可以在不偏离下面权利要求书所限定的本发明的精髓和范围的情况下做出各种的变化和修改。
本申请要求2006年9月22日提交的韩国专利申请No.10-2006-0092359的优先权，该韩国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
Claims (19)
1.一种非易失性存储器件，包括：
第一电极；
第一电阻层，其沿着所述第一电极的边缘而形成；
第二电阻层，其填充在所述第一电阻层的内部；以及
第二电极，其形成于所述第一电阻层和所述第二电阻层之上。
2.根据权利要求1所述的非易失性存储器件，其中，
所述第一电极和所述第二电极包含铂族元素。
3.根据权利要求2所述的非易失性存储器件，其中，
所述铂族元素包括铂(Pt)、铱(Ir)、及其冶金等同物。
4.根据权利要求1所述的非易失性存储器件，其中，
所述第一电阻层包括含铌(Nb)氧化物。
5.根据权利要求4所述的非易失性存储器件，其中，
所述含铌氧化物主要由NbO2或Nb2O5构成。
6.根据权利要求1所述的非易失性存储器件，其中，
所述第二电阻层由相切换的临界驱动电压高于所述第一电阻层的相切换的临界驱动电压的材料构成。
7.根据权利要求1所述的非易失性存储器件，其中，
所述第二电阻层包括含铝(Al)氧化物。
8.根据权利要求7所述的非易失性存储器件，其中，
所述含铝氧化物主要由Al2O3构成。
9.根据权利要求1所述的非易失性存储器件，其中，
所述第一电阻层形成于所述第一电极的上边缘之上。
10.一种制造非易失性存储器件的方法，包括：
在半导体基板的一部分之上形成包括第一电极的第一层间绝缘膜；
在所述第一层间绝缘膜的一部分之上形成包括接触孔的第二层间绝缘膜，所述接触孔露出所述第一电极；
在所述接触孔的侧壁上形成第一电阻层；
形成填充所述第一电阻层内部的第二电阻层；
在所述第一电阻层和所述第二电阻层之上形成第二电极；以及
在所述第二电极的一部分之上形成带有接触插塞的第三层间绝缘膜，所述接触插塞与所述第一电极重叠。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，
所述第一电极和所述第二电极包含铂族元素。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，
所述铂族元素包括铂(Pt)、铱(Ir)、及其冶金等同物。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，
所述第一电阻层包括含铌(Nb)氧化物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，
所述含铌氧化物主要由NbO2或Nb2O5构成。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括：
采用化学气相沉积(CVD)法形成所述第一电阻层。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，
所述第二电阻层由相切换的临界驱动电压高于所述第一电阻层的相切换的临界驱动电压的材料构成。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，
所述第二电阻层包括含铝(Al)氧化物。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，
所述含铝氧化物主要由Al2O3构成。
19.根据权利要求10所述的方法，还包括：
采用化学气相沉积(CVD)法形成所述第二电阻层。
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