CN101192648B - 电阻随机存取存储器及制造该电阻随机存取存储器的方法 - Google Patents

电阻随机存取存储器及制造该电阻随机存取存储器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的示例实施例涉及一种电阻随机存取存储器(RRAM)以及制造该RRAM的方法。根据示例实施例的RRAM可以包括：下电极，可以形成在下结构(例如，基底)上；电阻层，可以形成在下电极上，其中，电阻层可以包含过渡金属掺杂物；上电极，可以形成在电阻层上。因此，过渡金属掺杂物可以在电阻层中形成用作电流通路的丝。

Description

电阻随机存取存储器及制造该电阻随机存取存储器的方法
技术领域
示例实施例涉及一种电阻随机存取存储器(RRAM)以及制造该RRAM的方法。
背景技术
半导体存储器阵列结构可以包括多个互联存储单元。例如，动态随机存取存储器(DRAM)的单位存储单元可以包括开关和电容器。DRAM可以具有更高的集成度和更快的操作速度。然而，当电源被关闭时，会从DRAM中擦除所有已存储的数据。
另一方面，闪速存储器可以作为当电源被关闭时能够保存已存储的数据(与易失性存储器不同)的非易失性存储器的代表，但会具有比DRAM低的集成度和慢的操作速度。非易失性存储器的示例可以包括磁性RAM(MRAM)、铁电RAM(FRAM)和相变RAM(PRAM)。MRAM可以利用隧道结的极化方向的改变来存储数据。FRAM可以利用铁电体的极化特性来存储数据。MRAM和FRAM可以具有更高的集成度、更快的操作速度以及提高的数据保持特性，并可以以更低的功率来驱动MRAM和FRAM。PRAM可以利用依赖于特定的材料的相变的电阻值的改变来存储数据，并可以包括电阻器和开关(晶体管)。然而，当采用传统的DRAM工艺来制造PRAM时，蚀刻会更加困难，并且会需要更长的时间周期。因此，会降低生产率，并且会增加产品的单位成本。因此，会降低市场竞争力。
电阻RAM(RRAM)可以利用过渡金属氧化物的可变电阻特性(例如，电阻值随电压变化)来存储数据。图1A是利用电阻变化材料(resistive transformationmaterial)的传统RRAM的剖视图。参照图1A，传统存储器装置可以包括顺序形成在下电极11上的电阻层12和上电极13。电阻层12可以由过渡金属氧化物形成，下电极11和上电极13可以由导电材料(例如，金属或金属氧化物)形成。
图1B是示出了图1A的传统RRAM的通过下电极11和上电极13施加的电压与电阻层12中流动的电流之间的关系的曲线图。电压可以自0V起逐渐地增加，以测量电阻层12中流动的电流的变化。当施加的电压在大约0V到大约1V之间时，在电阻层12中流动的电流会逐渐地增加。在电压为大约1V时，电流会随着电阻的增加而降低，并且随着电压的进一步增加电流会再次增加。较高的电阻状态可以称为复位状态(reset state)，较低的电阻状态可以称为置位状态(set state)。置位状态转变为复位状态的电压(例如，复位电压RV)的强度的变化和置位电阻SR的值的变化会是相对大。此外，复位状态转变为置位状态的置位电压SV会具有相对大的变化。
图2中的(a)至(c)示出了传统RRAM的由于通过下电极11和上电极13施加的电压而在电阻层12中形成的电流通路(current path)。参照图2中的(a)，当通过下电极11和上电极13施加电压时，电流可以在电阻层12中流动。在图2中的(a)的平板上形成的柱(pole)可以表示电流通路。参照图2中的(b)，在没有施加电压的截止状态(off state)下不会形成电流通路。参照图2中的(c)，当通过下电极11和上电极13施加电压时，电流可以在电阻层12中流动。图2中的(a)的电流通路会与图2中的(c)的电流通路不同。例如，虽然电流可以在图2中的(a)的圆形区域中流动，但是在图2中的(c)的圆形区域中没有出现电流的流动。因此，形成在电阻层12中的电流通路会随着电压的施加而变化。因此，会出现如图1B中所示的电压和电阻的变化。
因为电阻层12中的电流通路会随着对传统RRAM的驱动而不一致(因此电阻水平(resistance level)会相对不稳定)，所以传统RRAM会具有更大的电压和电阻的变化。因此，传统RRAM的置位电压和复位电压会相对不稳定，从而降低可靠性。
发明内容
示例实施例提供了一种电阻随机存取存储器(RRAM)以及制造该RRAM的方法，其中，所述RRAM具有能够利用电阻变化材料使复位电流和置位电压稳定的结构。该RRAM可以包括具有金属掺杂物的电阻层，以在电阻层中形成作为电流通路的丝，从而使电压和电阻的变化稳定。
根据示例实施例的RRAM可以包括：下电极；电阻层，在下电极上，其中，该电阻层可以包含过渡金属掺杂物；和/或上电极，在电阻层上。下电极和上电极可以由金属或金属氧化物形成，其中，所述金属可以包括从由Al、Hf、Zr、Zn、W、Co、Au、Pt、Ru、Ir和Ti组成的组中选择的至少一种元素。电阻层可以由过渡金属氧化物形成，其中，所述过渡金属氧化物可以包括从由NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、CuO或Nb2O5组成的组中选择的至少一种化合物。所述过渡金属掺杂物可以包括从由Ni、Ti、Hf、Zr、Zn、Cu、W、Co和Nb组成的组中选择的至少一种元素。例如，电阻层可以由NiO形成，过渡金属掺杂物可以为Ni。因此，过渡金属掺杂物可以被集中在电阻层中的晶界中，以形成可以用作电流通路的丝。
根据示例实施例的制造RRAM的方法可以包括：形成下电极；在下电极上形成电阻层；利用注入工艺使电阻层掺杂过渡金属；和/或在电阻层上形成上电极。可以在电阻层的形成的过程中调节氧分压。例如，电阻层可以由NiO在大约25％或更大的氧分压的条件下形成，并且过渡金属掺杂物可以为Ni。
附图说明
在结合附图进行考虑的情况下，示例实施例的特征和优点会变得更加清楚，在附图中：
图1A是具有电阻变化材料的传统电阻随机存取存储器(RRAM)的剖视图；
图1B是示出了电流的变化相对于施加到图1A的传统RRAM的电压的曲线图；
图2中的(a)至(c)示出了依据电压的施加在图1A的传统RRAM的电阻层中形成的电流通路；
图3A是根据示例实施例的RRAM的剖视图；
图3B是形成在晶体管结构上的图3A的RRAM的剖视图；
图4A至图4C是示出了根据示例实施例的制造RRAM的方法的剖视图；
图5示出了在根据示例实施例的制造RRAM的方法的注入工艺期间在电阻层中形成的金属扩散通路；
图6是示出了电阻特性相对于Ni氧化物的氧分压的变化的曲线图；
图7A和图7B是对传统RRAM的电阻变化与根据示例实施例的RRAM的电阻变化进行比较的曲线图；
图8是示出了根据示例实施例的具有电阻变化材料的RRAM的经简化的电特性的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图来描述根据示例实施例的电阻随机存取存储器(RRAM)以及制造该RRAM的方法。在附图中，为了清晰起见，可以夸大层和区域的厚度。
应该理解的是，当元件或层被称为“在”另一元件或层“上”、“连接到”另一元件或层、“结合到”另一元件或层或者“覆盖”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上、直接连接到另一元件或层、直接结合到另一元件或层或者直接覆盖另一元件或层，或者可以存在中间元件或中间层。相反，当元件或层被称为“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接到”另一元件或层或者“直接结合到”另一元件或层时，不存在中间元件或中间层。相同的标号始终代表相同的元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任意和全部组合。
应该理解的是，虽然术语第一、第二、第三等可以在这里用来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应该受这些术语限制。这些术语仅是用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。
为了描述方便，在这里可以使用空间相对术语，例如，“在......之下”“在......以下”、“下面的”、“在......以上”、“上面的”等来描述如附图中示出的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应该理解的是，空间相对术语意在包括除附图中描述的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果将附图中的装置翻转，则被描述为“在”其它元件或特征“以下”或“之下”的元件将随后被定位为在其它元件或特征“以上”。因此，示例性术语“在......以下”可以包括“在......以上”和“在......以下”两个方位。可将装置另外定位(旋转90度或处于其它方位)，并相应地解释这里使用的空间相对描述符。
这里使用的术语只是出于描述各种实施例的目的，而不意在成为示例实施例的限制。如这里所使用的，除非上下文另外清楚的指出，否则单数形式也意在包括复数形式。还应该理解的是，当在此说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，表明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
在这里参照作为示例实施例的理想实施例(和中间结构)的示意图的剖视图来描述示例实施例。这样，将预料到的是由例如制造技术和/或公差造成的示图的形状的变化。因此，示例实施例不应该被理解为限于这里示出的区域的形状，而是将包括由例如制造造成的形状的偏差。例如，示出为矩形的注入区将通常在其边缘处具有倒圆的或者弯曲的特征和/或具有注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元变化。同样，由注入形成的埋区会导致在埋区和通过其发生注入的表面之间的区域中的一些注入。因此，附图中示出的区域本质上是示意性的，它们的形状不意在示出装置的区域的实际形状，并不意在限制示例实施例的范围。
除非另外限定，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与示例实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应该理解的是，除非在这里明确定义，否则术语(包括在通用字典里定义的术语)应该被理解为其含义与相关领域的环境中它们的含义一致，并且不应该被理想化的或过于正式的理解。
图3A是根据示例实施例的RRAM的剖视图。参照图3A，具有掺杂物的电阻层22可以形成在下电极21上，上电极23可以形成在电阻层22上。现在将描述用于形成下电极21和上电极23以及电阻层22的材料。下电极21和上电极23可以由用在半导体装置中的适当的电极材料形成，例如，Al、Hf、Zr、Zn、W、Co、Au、Pt、Ru、Ir、Ti和/或导电金属氧化物。电阻层22可以由用于RRAM的适当的材料形成，例如，过渡金属氧化物。例如，电阻层22可以由NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、CuO、Nb2O5或它们的组合形成。电阻层22可以包含过渡金属氧化物和可以利用注入工艺注入的掺杂物。注入到电阻层22中的掺杂物可以为金属材料，例如，Ni、Ti、Hf、Zr、Zn、Cu、W、Co和/或Nb。
可以以连接到开关结构(例如，晶体管或二极管)的1S(开关)-1R(电阻)样式来驱动RRAM。图3B是1T(晶体管)-1R(电阻)结构的剖视图，在该结构中，图3A的RRAM连接到晶体管。参照图3B，栅极结构可以形成在基底201上，以接触第一掺杂物区(dopant area)202和第二掺杂物区203。栅极结构可以包括栅极绝缘层204和栅电极层205。层间绝缘层206可以形成在基底201和栅极结构上，可以穿透层间绝缘层206在第一掺杂物区202或第二掺杂物区203上形成接触塞(plug)207。图3A的RRAM可以形成在接触塞207上。可选择地，如上所述，图3A的RRAM可以连接到包括p型半导体层和n型半导体层的二极管而不是晶体管。
现在将描述根据示例实施例的制造RRAM的方法。可以利用溅射、原子层沉积(ALD)或化学气相沉积来形成RRAM。参照图4A，可以在例如基底的下结构(未示出)上形成下电极21。下电极21可以由导电材料例如金属或金属氧化物形成。例如，下电极21可以由Al、Hf、Zr、Zn、W、Co、Au、Pt、Ru、Ir和/或Ti形成。可以在下电极21上形成电阻层22。电阻层22可以由过渡金属氧化物形成，过渡金属氧化物例如为NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、CuO和/或Nb2O5。
参照图4B，可以利用注入工艺将掺杂物20注入到电阻层22中。掺杂物20可以为金属，例如，可以为过渡金属。例如，掺杂物20可以包括Ni、Ti、Hf、Zr、Zn、Cu、W、Co和/或Nb。当掺杂物20被注入到电阻层22中时，掺杂物20可以扩散到空的区域中，例如，可以扩散到构成电阻层的材料的晶界或缺陷区中。扩散的掺杂物20可以形成丝，以用作电阻层22中的电流通路24(例如，电流传输通路)，如图5中所示。
现在将描述具有由NiO形成的电阻层22的示例实施例。当调节处理室(process chamber)的氧分压时，过渡金属氧化物可以呈现图6中所示的特性。大气气体和氧可以被用于形成电阻层22。当氧分压相对低时(区域A)，过渡金属氧化物可以具有与Ni类似的金属特性。当增加氧分压时(区域B)，过渡金属氧化物的电阻也会增加。因此，过渡金属氧化物可以具有存储开关(memory switching)特性。另外，当氧分压进一步增加时(区域C)，过渡金属氧化物的电阻会降低。因此，过渡金属氧化物也可以具有阈值开关(thresholdswitching)特性。例如，当氧分压为大约25％时，开关特性会消失。当电阻层22由Ni氧化物形成时，可以将氧分压调整为大于区域C的氧分压，并且可以利用注入工艺将Ni注入到由Ni氧化物形成的电阻层22中。因此，由于Ni氧化物的致密的结构，所以会较难将Ni掺杂物填隙式地注入到Ni氧化物中。因此，Ni掺杂物会移动到空的位置(例如，晶界)中，以形成可以用作电流通路的丝。
参照图4C，可以在电阻层22上形成上电极23。上电极23可以由与下电极21的材料相同的材料(例如，金属或导电金属氧化物)形成。例如，上电极23可以由Al、Hf、Zr、Zn、W、Co、Au、Pt、Ru、Ir和/或Ti形成。在制造传统RRAM之后，可以执行成形工艺(forming process)以对传统RRAM施加高于操作电压的电压。因此，会对传统RRAM施加冲击(impact)，并且会增加操作电压。相反，根据示例实施例的RRAM可以在不需要成形工艺的情况下操作。
图7A和图7B是示出了对根据传统RRAM的电阻层的电阻值的变化与根据示例实施例的RRAM的电阻层的电阻值的变化进行比较的曲线图。可以通过经上电极和下电极施加电压来测量电阻的变化。水平轴可以表示测量电阻层的电阻的次数(循环)，垂直轴可以表示电阻值。图7A是示出了传统RRAM的电阻值的变化的曲线图，图7B是示出了根据示例实施例的RRAM的电阻值的变化的曲线图。在图7A和图7B中，Ron表示导通状态的电阻值，Roff表示在截止状态的电阻值。参照图7A，在导通状态和截止状态下电阻值会具有相对大的变化。参照图7B，在导通和截止状态下电阻值可以相对恒定。因此，在根据示例实施例的RRAM中电阻变化可以相对低。
图8是示出了根据示例实施例的RRAM的经简化的操作特性的曲线图。水平轴可以表示施加的电压，垂直轴可以表示相对于施加的电压的电流的变化。当通过下电极和上电极施加的电压从0V起增加时，电流也会与电压成比例地增加，如G1所示。然而，当施加大于电压V1的电压时，电阻层的电阻会增加，从而降低电流。当施加在电压V1和电压V2之间的电压时，在电阻层中流动的电流可以如G2所示变化。当施加大于电压V2(V2＞V1)的电压时，电阻会降低。因此，电流会如G1所示增加。
当随后施加小于电压V1的电压时，施加大于电压V1的电压可以影响该RRAM的电特性(例如，电流水平(current level))。现在将更详细地描述这种电特性。例如，当在施加小于电压V1的电压之前对该RRAM施加在电压V1和电压V2之间的电压时，所得的电流可以如G2所示。另一方面，当在施加小于电压V1的电压之前对该RRAM施加电压V3(大于电压V2)时，所得的电流可以如G1所示。因此，在大于电压V1的范围内(例如，在电压V1和电压V2之间或大于电压V2)施加的电压的强度可以影响该RRAM的电特性。
因此，过渡金属氧化物可以被用在RRAM中以提供用于非易失性存储器装置的具有电阻梯度的多层膜。例如，如果被提供有在电压V1和电压V2之间的电压的RRAM的状态被指定为“0”，则被提供有大于电压V2的电压的RRAM的状态指定可被为“1”，以记录数据。当数据被再现时，可以对RRAM施加小于电压V1的电压来测量漏电流Id，以检查存储的数据处于“0”状态还是处于“1”状态。可以选择性地指定状态“1”和状态“0”。根据具有注入的RRAM的操作数目，置位电压V2、复位电压V1和电阻会恒定。因此，该RRAM可以具有更稳定的特性。
如上所述，在根据示例实施例的RRAM和制造该RRAM的方法中，该RRAM的电流通路可以保持相对一致。因此，可以减小电阻层的电阻的变化。因此，所述RRAM可以具有更稳定的特性。此外，可以在没有成形工艺的情况下制造所述RRAM。因此，可以减轻施加到所述RRAM的冲击，并且可以降低操作电压。另外，可以利用更简单的方法存储及再现信息。因此，所述RRAM可以具有更快的操作。
尽管已经在这里公开了示例实施例，但是应该理解的是，其它变化也是可以的。这样的变化将不会被认作脱离本公开的示例实施例的精神和范围，并且对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，所有这样的修改意在被包括在权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种电阻随机存取存储器，包括：
下电极；
电阻层，在下电极上，所述电阻层通过注入工艺而掺杂有过渡金属掺杂物，其中，所述电阻层是在比特定的氧分压大的氧分压条件下形成的不具有阈值开关特性的电阻层，从而所述过渡金属掺杂物被集中在所述电阻层中的晶界中，以形成作为电流通路的丝，所述特定的氧分压是能够将所述电阻层形成为具有阈值开关特性所采用的氧分压；
上电极，在电阻层上，
其中，所述电阻层由过渡金属氧化物形成，
其中，所述过渡金属氧化物包括从由NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、CuO和Nb2O5组成的组中选择的至少一种化合物，
其中，所述过渡金属掺杂物包括从由Ni、Ti、Hf、Zr、Zn、Cu、W、Co和Nb组成的组中选择的至少一种元素。
2.如权利要求1所述的电阻随机存取存储器，其中，所述下电极由金属或金属氧化物形成。
3.如权利要求2所述的电阻随机存取存储器，其中，所述金属包括从由Al、Hf、Zr、Zn、W、Co、Au、Pt、Ru、Ir和Ti组成的组中选择的至少一种元素。
4.如权利要求1所述的电阻随机存取存储器，其中，
所述电阻层由NiO形成，
所述过渡金属掺杂物为Ni。
5.如权利要求1所述的电阻随机存取存储器，其中，所述上电极由金属或金属氧化物形成。
6.如权利要求5所述的电阻随机存取存储器，其中，所述金属包括从由Al、Hf、Zr、Zn、W、Co、Au、Pt、Ru、Ir和Ti组成的组中选择的至少一种元素。
7.一种制造电阻随机存取存储器的方法，包括：
形成下电极；
在比特定的氧分压大的氧分压条件下，在下电极上形成不具有阈值开关特性的电阻层，其中，所述特定的氧分压是能够将所述电阻层形成为具有阈值开关特性所采用的氧分压；
利用注入工艺使电阻层掺杂过渡金属，所述过渡金属掺杂物被集中在所述电阻层中的晶界中，以形成作为电流通路的丝；
在电阻层上形成上电极，
其中，所述电阻层由过渡金属氧化物形成，
其中，所述过渡金属氧化物包括从由NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、CuO和Nb2O5组成的组中选择的至少一种化合物，
其中，所述过渡金属掺杂物包括从由Ni、Ti、Hf、Zr、Zn、Cu、W、Co和Nb组成的组中选择的至少一种元素。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述下电极由金属或金属氧化物形成。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述金属包括从由Al、Hf、Zr、Zn、W、Co、Au、Pt、Ru、Ir和Ti组成的组中选择的至少一种元素。
10.如权利要求7所述的方法，其中，在大约25％或更大的氧分压的条件下由NiO形成所述电阻层，并且所述过渡金属掺杂物为Ni。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述上电极由金属或金属氧化物形成。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述金属包括从由Al、Hf、Zr、Zn、W、Co、Au、Pt、Ru、Ir和Ti组成的组中选择的至少一种元素。
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