CN102214673A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体器件，包括：下部电极；设置在下部电极之上的可变电阻层，可变电阻层包括夹在多个氧化物电阻层之间的反应性金属层；以及设置在可变电阻层之上的上部电极。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年4月8日提交的韩国专利申请No.10-2010-0032396的优先权，本文通过引用包含该申请的全部内容。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及一种制造半导体器件的技术，更具体而言，涉及一种诸如非易失性电阻式随机存取存储器(ReRAM)的利用电阻变化的半导体器件及其制造方法。
背景技术
最近，研究人员正在研究以开发出可以取代动态随机存取存储器(DRAM)和快闪存储器的下一代存储器件。在下一代存储器件中有ReRAM，所述ReRAM是一种在至少两个不同电阻状态之间进行转换的半导体器件。
图1是表示根据现有技术的利用电阻变化的半导体器件的截面图。
参照图1，现有的利用电阻变化的半导体器件可以具有可以在下部电极11与上部电极12之间夹着可变电阻层13的结构。可变电阻层13可以由过渡金属氧化物(TMO)形成，并且由过渡金属氧化物形成的可变电阻层13在内部可以包括多个空位，所述空位可以是氧空位。
具有上述结构的半导体器件的转换机制如下。
当对下部电极11和上部电极12施加偏压时，在可变电阻层13内部的空位可以根据施加的偏压重新排列。作为空位重新排列的结果，可以产生导电丝(conductive filament)或者可以使预先存在的导电丝解构。根据可变电阻层13内部的导电丝的产生或解构，可变电阻层13可以呈现两种不同的电阻状态。具体而言，当导电丝产生时，可变电阻层13可以呈现低电阻状态。当导电丝解构时，可变电阻层13可以呈现高电阻状态。另外，在可变电阻层13内部产生导电丝以使可变电阻层13呈现低电阻状态的操作可以被称为设置操作，使预先存在的导电丝解构以使可变电阻层13呈现高电阻状态的操作可以被称为复位操作。
在现有半导体器件中，可变电阻层13可以通过物理气相沉积(PVD)工艺或原子层沉积(ALD)工艺来形成。在此，当可变电阻层13具有均匀的厚度时，可以保证稳定的转换特性。因此，使用原子层沉积法来形成可变电阻层13比使用物理气相沉积法来形成可变电阻层13更有利。
但是，与通过物理气相沉积工艺形成的可变电阻层13相比，通过原子层沉积工艺形成的可变电阻层13可以具有在层的内部几乎不存在杂质的化学计量稳定的结构，因此它可以包括在可变电阻层13内部产生的少量的氧空位。在此，如果可变电阻层13内部的氧空位的数量相对较低，则利用电阻变化的半导体器件的操作特性可能变差，例如转换特性、耐久特性和诸如设置/复位电流和设置/复位时间的设置/复位操作特性可能变差。具体而言，可变电阻层13内部的氧空位的数量可以极大地影响利用电阻变化的半导体器件的转换特性。
因此，为了使通过原子层沉积工艺形成的可变电阻层13保证转换特性，将可变电阻层13形成为比通过物理气相沉积工艺形成的可变电阻层13薄是较为有利的。然而，如果可变电阻层13薄，则可能会在可变电阻层13的内部形成泄漏电流路径，因此会增加半导体器件的功耗。
图2是表示根据改进的现有技术的利用电阻变化的现有半导体器件的截面图。
参照图2，根据改进的现有技术制造的半导体器件包括夹在下部电极11与上部电极12之间的可变电阻层13，并且在可变电阻层13与上部电极12之间夹着反应性金属层14。
但是，由于根据改进的现有技术制造的半导体器件包括设置在可变电阻层13之上的反应性金属层14，所以本应在可变电阻层13内部产生的氧空位例如可能仅在可变电阻层13与反应性金属层14相互接触的界面处产生。为此，只有当可变电阻层13薄时，才能够获得保证利用电阻变化的半导体器件的性能所需的转换特性。因此，尽管存在形成于半导体器件中的反应性金属层14，但是由于泄漏电流的原因可能会增加功耗。
发明内容
本发明的示例性实施例涉及一种可以保证期望的操作特性的半导体器件、一种具有降低的功耗的利用电阻变化的半导体器件以及制造所述半导体器件的方法。
根据本发明的示例性实施例，一种半导体器件可以包括：下部电极；设置在所述下部电极之上的可变电阻层，所述可变电阻层包括夹在多个氧化物电阻层之间的反应性金属层；以及设置在所述可变电阻层之上的上部电极。
根据本发明的另一个示例性实施例，一种半导体器件可以包括：下部电极；上部电极；和设置在所述下部电极与所述上部电极之间的可变电阻层，其中所述可变电阻层包括多个氧化物电阻层和形成在所述多个氧化物电阻层的每个之间的多个反应性金属层。
附图说明
图1是表示根据现有技术的利用电阻变化的半导体器件的截面图。
图2是表示根据改进的现有技术的利用电阻变化的半导体器件的截面图。
图3A至图3D是表示根据本发明的一个示例性实施例的利用电阻变化的半导体器件的截面图。
图4A至图4D是表示根据本发明的另一个示例性实施例的利用电阻变化的半导体器件的截面图。
图5是表示根据本发明的又一个示例性实施例的利用电阻变化的半导体器件的截面图。
图6A至图6D是描述根据本发明的一个示例性实施例的制造利用电阻变化的半导体器件的方法的截面图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。但是，本发明可以用不同的方式实施，并且不应当被解释为限于本文所提出的实施例。确切地说，提供这些实施例是为了彻底和充分的公开，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在本说明书中，相同的附图标记在本发明的不同附图和实施例中表示相同的部分。
附图并非按比例绘制，并且在某些实例中，为了清楚地图示实施例的特征，可能对比例做夸大处理。当提及第一层在第二层“上”或在衬底“上”时，其不仅涉及第一层直接形成在第二层上或衬底上的情况，还涉及在第一层与第二层之间或在第一层与衬底之间存在第三层的情况。
以下将描述的本发明提供一种利用电阻变化的半导体器件，所述半导体器件可以保证诸如转换特性、耐久特性和设置/复位操作特性的期望的操作特性并且可以降低功耗。另外，将要描述的本发明还提供一种制造所述半导体器件的方法。
如图3A至图3D所示的根据本发明的一个示例性实施例的利用电阻变化的半导体器件与如图4A至图4D所示的根据本发明的另一个示例性实施例的利用电阻变化的半导体器件可以具有以下共同点。
利用电阻变化的半导体器件可以包括：下部电极21、31；上部电极22、32；氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y；至少一个反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z。
下部电极21、31和上部电极22、32中的每个都可以是从铂(Pt)层、铱(Ir)层、金(Au)层、钌(Ru)层、氧化铱(IrO2)层、氧化钌(RuO2)层、氮化钛(TiN)层和氮化钽(TaN)层中选择的单层或层叠了它们中的两种或更多种的叠层。
氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y可以作为变化的电阻值的主要因素，并且氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y可以具有例如氧空位的多个空位。在此，氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y可以根据通过下部电极21、31与上部电极22、32施加的偏压而使氧空位重新排列来产生导电丝或使导电丝解构。据此，可以改变氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的电阻值。
氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y可以包括过渡金属氧化物。例如，氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y可以是从氧化钛(TiOX)层、氧化铪(HfOX)层、氧化铌(NbOX)层、氧化镍(NiOX)层、氧化镧(LaOX)层、氧化钨(WOX)层和氧化锆(ZrOX)层中选择的一种。
反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以通过增加氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y内部的氧空位的数量来改善利用电阻变化的半导体器件的操作特性。具体地，反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以改善转换特性。为了这个目的，反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以包括具有比氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y强的与氧的反应性的金属。最终，所述金属可以通过从氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y中收集氧而被氧化为金属氧化物。
至于反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z，可以使用诸如铝(Al)、钆(Gd)、锆(Zr)、钛(Ti)、铜(Cu)、钽(Ta)或钨(W)的金属。所述金属与氧的反应性可以表示如下：Al＞Gd＞Zr＞Ti＞Cu＞Ta＞W。
例如，如果氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y由氧化钛(TiOX)形成，则反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以包括具有比氧化钛(TiOX)强的与氧的反应性的铝(Al)、钆(Gd)、锆(Zr)或钛(Ti)。最终，反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以包括氧化铝(AlOX)、氧化钆(GdOX)、氧化锆(ZrOX)或氧化钛(TiOX)。在此，钛可以具有比氧化钛强的与氧的反应性。
反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以包括多个氧空位。换言之，通过从氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y中收集氧而被氧化的反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z由于其中的氧空位的原因可以具有化学计量不稳定的状态。由于这个原因，可以说反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以参与改变电阻值。即，反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z也可以根据通过下部电极21和上部电极22而施加的偏压而使氧空位重新排列来产生导电丝或使导电丝解构。
氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y和反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以通过原子层沉积(ALD)工艺、化学气相沉积(CVD)工艺或物理气相沉积(PVD)工艺来形成。例如，为了改善利用电阻变化的半导体器件的操作特性尤其是转换特性，可以通过ALD工艺来形成氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y和反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z。这是因为与通过CVD工艺或PVD工艺形成这些层的情况相比，在通过ALD工艺形成这些层的情况下，所形成的层可以变得更均匀。另外，氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y和反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以原位地(in-situ)形成。与此同时，虽然氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y是通过ALD工艺形成的，但是利用电阻变化的半导体器件的操作特性并不会变差，这是因为由于反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z的原因，在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y内部可以产生利用电阻变化的半导体器件所需的足够量的氧空位。
氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的厚度T1可以比反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z的厚度T2大，以使在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y内部产生的氧空位在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的内部均匀地分布。如果氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的厚度T1比反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z的厚度T2薄，则在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y内部的氧空位的数量会增加至不必要的水平。在此，如果氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y内部的氧空位的数量增加至不必要的水平，则即使不对下部电极21和上部电极22施加偏压，也可以在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y内部形成导电丝，并且因此会形成泄漏电流路径。简言之，利用电阻变化的半导体器件的功耗可能增加。
因此，为了在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y内部产生足够的氧空位，反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以具有厚度T2，所述厚度T2是氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的厚度T1的约1％至约10％，以使氧空位在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y内部均匀地分布。例如，氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y可以具有约10nm至约100nm的厚度，而反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以具有约1nm至约10nm的厚度。
在此，如果反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z的厚度T2超过氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的厚度T1的10％，则在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的内部会产生高于必要量的氧空位，或在反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z的内部产生的氧空位可能低于必要量。由于反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z可以通过从氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y中收集氧来经氧化而形成，并且可以改变电阻值，因此如果在反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z的内部没有产生足够量的氧空位，则例如转换特性、耐久特性和设置/复位操作特性的操作特性可能变差。如果反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z的厚度T2比氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的厚度T1的约1％小，则在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的内部不能产生足够量的氧空位，而且氧空位可能分布在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y与反应性金属层24、25、26、34A、34B、…、34Y、34Z之间的界面上，从而导致氧空位在氧化物电阻层23A、23B、33A、33B、…、33X、33Y的内部的不均匀分布。
总之，根据本发明的示例性实施例制造的利用电阻变化的半导体器件可以改善操作特性并且降低由泄漏电流引起的功耗。
图3A至图3D是表示根据本发明的一个示例性实施例的利用电阻变化的半导体器件的截面图。
参照图3A至图3D，根据本发明的一个示例性实施例制造的利用电阻变化的半导体器件可以包括：下部电极21；在下部电极21之上形成的第一氧化物电阻层23B；在第一氧化物电阻层23B之上形成的反应性金属层24；在反应性金属层24之上形成的第二氧化物电阻层23A；以及在第二氧化物电阻层23A之上形成的上部电极22。
在此，可以在两个氧化物电阻层23A与23B之间插入反应性金属层24，如图3A所示。另外，可以在下部电极21与第一氧化物电阻层23B之间插入反应性金属层25，如图3B所示。替代地，可以在上部电极22与第二氧化物电阻层23A之间插入反应性金属层26，如图3C所示。或者，如图3D所示，可以在两个氧化物电阻层23A与23B之间插入反应性金属层24，可以在下部电极21与第一氧化物电阻层23B之间插入反应性金属层25，并且可以在上部电极22与第二氧化物电阻层23A之间插入反应性金属层26。
反应性金属层24可以使氧化物电阻层23A和23B的内部都产生氧空位。在此，在第一氧化物电阻层23B和第二氧化物电阻层23A的内部产生的氧空位可以具有均匀的分布。此外，由于反应性金属层24夹在第一氧化物电阻层23B与第二氧化物电阻层23A之间，所以可以减少泄漏电流路径的产生。
第一氧化物电阻层23B和第二氧化物电阻层23A可以包括过渡金属氧化物，并且它们可以由相同的过渡金属氧化物或不同的过渡金属氧化物形成。
例如，参照图3A，第一氧化物电阻层23B和第二氧化物电阻层23A可以都由氧化钛(TiOX)形成。但是，在另一种情况下，第一氧化物电阻层23B可以由氧化钛(TiOX)形成，而第二氧化物电阻层23A可以由氧化镍(NiOX)形成。
反应性金属层24、25、26可以是包括任一种金属的单层或包括不同金属的叠层。在此，所述金属可以具有比与反应性金属层24、25、26所接触的氧化物电阻层23A、23B强的与氧的反应性。例如，参照图3D，如果氧化物电阻层23A、23B为氧化钛(TiOX)层，则反应性金属层24、25和26中的每个可以是从具有比钛氧化物(TiOX)强的与氧的反应性的铝(Al)层、钆(Gd)层、锆(Zr)层和钛(Ti)层中选择的单层或层叠了这些金属的两种或多种的叠层。或者，如果第二氧化物电阻层23A由氧化钛(TiOX)形成，而第一氧化物电阻层23B由氧化镍(NiOX)形成，则反应性金属层26可以由包括例如钆(Gd)的具有比氧化钛(TiOX)强的与氧的反应性的金属的单层或叠层形成，而反应性金属层25可以由包括例如钛(Ti)的具有比氧化镍(NiOX)强的与氧的反应性的金属的单层或叠层形成。另外，反应性金属层24、25、26中的每个可以是与另一个反应性金属层不同的单层。
使用上述用于形成氧化物电阻层23A、23B和反应性金属层24、25、26的材料可以通过控制氧空位的分布来改善利用电阻变化的半导体器件的特性。
具体而言，氧空位可以具有沿垂直方向的均匀分布，或它们可以具有沿垂直方向的线性分布。在此，垂直方向是指从下部电极21到上部电极22的方向。氧化物电阻层23A、23B和反应性金属层24、25、26内部的氧空位具有沿垂直方向的线性分布是指氧空位的数量沿着从与下部电极21的界面到与上部电极22的界面的方向减少或增加。
在此，如果氧空位均匀地分布，则可以改善利用电阻变化的半导体器件的操作特性(例如，转换特性和耐久特性)。更具体而言，例如，氧空位的均匀分布可以导致ReRAM器件的稳定的转换特性。
另一方面，如果氧空位具有线性分布，则可以改善泄漏电流特性和例如设置/复位电流和设置/复位时间的设置/复位操作特性。下面将对此详细描述。在以下描述中，假设氧空位的分布为氧空位的数量从与上部电极22的界面到与下部电极21的界面增加。
首先，如果对下部电极21施加接地电压VSS，并且对上部电极22施加比接地电压低的负电压VBB，则氧化物电阻层23A、23B和反应性金属层24、25、26内部的氧空位可以重新排列以产生导电丝。在此，由于所述导电丝从下部电极21产生，所以氧空位的分布可以沿着从与上部电极22的界面到与下部电极21的界面的方向增加。因此，可以容易地产生导电丝以便改善设置操作特性。与此同时，如果对下部电极21施加接地电压VSS，并且对上部电极22施加比接地电压高的正电压VDD，则氧化物电阻层23A、23B和反应性金属层24、25、26内部的氧空位可以重新排列以使存在的导电丝解构。在此，随着与上部电极22的界面上的氧将氧空位填充，或者随着氧空位向下部电极21转移，导电丝发生解构。因此，导电丝可以解构从而使下部电极21与上部电极22停止电连接。因此，在氧空位的数量沿着从与下部电极21的界面到与上部电极22的界面的方向减少的结构中，导电丝可以较容易地解构。据此，可以改善复位操作特性。
随着氧被释放，氧空位产生。氧空位的作用可以与例如空穴的具有正电荷的粒子相似。但是，在下部电极21与上部电极22之间的势垒足以有效地抑制泄漏电流。
根据本发明的一个示例性实施例，夹在多个氧化物电阻层23之间的反应性金属层24可以在产生足够量的氧空位的同时抑制可能由泄漏电流引起的功耗的增加。
另外，根据本发明的一个示例性实施例制造的利用电阻变化的半导体器件可以通过控制氧空位在氧化物电阻层23A、23B和反应性金属层24、25、26内部的分布来改善转换特性、耐久特性和设置/复位操作特性。如果氧空位在氧化物电阻层23A、23B和反应性金属层24、25、26的内部均匀地分布，则可以保证优良的转换特性和耐久特性。替换地，如果氧空位线性地分布，则可以在保证优良的设置/复位操作特性的同时更有效地改善泄漏电流特性。
图4A至图4D是表示根据本发明的另一个示例性实施例的利用电阻变化的半导体器件的截面图。
参照图4A至图4D，根据本发明的这一示例性实施例制造的利用电阻变化的半导体器件可以包括：下部电极31；上部电极32；形成在下部电极31与上部电极32之间的多个氧化物电阻层33A、33B、…、33X、33Y；以及形成在多个氧化物电阻层的每个之间的多个反应性金属层34B、…、34Y。
在此，多个氧化物电阻层33A、33B、…、33X、33Y与多个反应性金属层34B、…、34Y可以交替地层叠(即，氧化物电阻层/反应性金属层/氧化物电阻层、…、氧化物电阻层/反应性金属层/氧化物电阻层)。另外，可以在下部电极31与氧化物电阻层33Y之间插入反应性金属层34Z，如图4B所示。替换地，可以在上部电极32与氧化物电阻层33A之间插入反应性金属层34A，如图4C所示。另外，可以分别在氧化物电阻层33A至33Y以及下部电极31之上形成反应性金属层34A至34Z，如图4D所示。
多个氧化物电阻层33A、33B、…、33X、33Y可以包括过渡金属氧化物，并且它们可以由相同的过渡金属氧化物或不同的过渡金属氧化物形成。
反应性金属层34A、34B、…、34Y、34Z可以是单层，所述单层的每个包括任一种金属，或者反应性金属层34A、34B、…、34Y、34Z可以是叠层，所述叠层的每个包括不同的金属。在此，反应性金属层34A、34B、…、34Y、34Z可以包括具有比反应性金属层34A、34B、…、34Y、34Z的每个所接触的氧化物电阻层33A、33B、…、33X、33Y强的与氧的反应性的金属。
例如，如果氧化物电阻层33A、33B、…、33X、33Y为氧化钛(TiOX)层，则反应性金属层34A、34B、…、34Y、34Z的每个可以是从具有比氧化钛(TiOX)强的与氧的反应性的铝(Al)层、钆(Gd)层、锆(Zr)层和钛(Ti)层中选择的单层或层叠了这些金属中的两种或更多种的叠层。另外，反应性金属层34A、34B、…、34Y、34Z中的一些或全部可以是与其他层不同的单层。
使用上述用于形成氧化物电阻层33A、33B、…、33X、33Y和反应性金属层34A、34B、…、34Y、34Z的材料可以通过控制氧空位的分布来改善利用电阻变化的半导体器件的特性。
在此，如果氧空位均匀地分布，则可以改善利用电阻变化的半导体器件的操作特性，诸如稳定的转换特性和耐久特性。
另一方面，如果氧空位具有线性分布，则可以改善泄漏电流特性和设置/复位操作特性，例如设置/复位电流和设置/复位时间。
如果氧化物电阻层33和反应性金属层34交替地层叠，则利用电阻变化的半导体器件可以在产生足够量的氧空位的同时抑制可能由泄漏电流引起的功耗的增加。
另外，根据本发明的这一示例性实施例制造的利用电阻变化的半导体器件可以通过控制氧空位的分布来改善转换特性、耐久特性和设置/复位操作特性。在此，如果氧化物电阻层33A、33B、…、33X、33Y和反应性金属层34A、34B、…、34Y、34Z内部的氧空位均匀地分布，则可以保证转换特性和耐久特性。如果氧空位线性地分布，则可以在保证设置/复位操作特性的同时改善泄漏电流特性。
图5是表示根据本发明的又一个示例性实施例的利用电阻变化的半导体器件的截面图。
参照图5，根据本发明的该示例性实施例制造的利用电阻变化的半导体器件可以包括：下部电极41；上部电极42；和夹在下部电极41与上部电极42之间的可变电阻层43，其中在所述可变电阻层中设置有反应性金属区44。
在此，如图5所示，可变电阻层43可以具有这样的结构：在可变电阻层43中，例如在可变电阻层43的中央，设置有反应性金属区44。
图6A至图6D是描述根据本发明的一个示例性实施例的制造利用电阻变化的半导体器件的方法的截面图。
参照图6A，形成下部电极51。下部电极51可以是通过化学气相沉积(CVD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺或原子层沉积(ALD)工艺形成的金属层。
随后，可以在下部电极51之上形成第一氧化物电阻层52B。在此，可以由过渡金属氧化物形成具有约10nm至约100nm的厚度T1的第一氧化物电阻层52B。
第一氧化物电阻层52B可以通过CVD工艺、PVD工艺或ALD工艺来形成。在此，为了改善利用电阻变化的半导体器件的转换特性，可以通过ALD工艺形成第一氧化物电阻层52B，这是因为通过ALD工艺形成的薄膜可以具有比通过CVD工艺或PVD工艺形成的膜更均匀的厚度。
与此同时，在通过ALD工艺形成第一氧化物电阻层52B的同时可能在第一氧化物电阻层52B的内部产生氧空位。但是，由于通过ALD工艺形成的第一氧化物电阻层52B可以具有化学计量稳定的结构，其中在第一氧化物电阻层52B中存在较少的杂质，所以所产生的氧空位的量可能不足以保证利用电阻变化的半导体器件所需的转换特性。
因此，为了在第一氧化物电阻层52B的内部产生足够量的氧空位，可以在第一氧化物电阻层52B之上形成反应性金属层53，如图6B所示。在此，反应性金属层53可以增加第一氧化物电阻层52B和将在后续工艺中形成的第二氧化物电阻层52A内部的氧空位的数量。此外，反应性金属层53可以通过CVD工艺、PVD工艺或ALD工艺来形成。尤其地，可以利用ALD工艺来形成具有均匀厚度的反应性金属层53。
反应性金属层53可以由具有比第一氧化物电阻层52B和第二氧化物电阻层52A强的与氧的反应性的材料形成。这使得可以更有效地在第一氧化物电阻层52B和第二氧化物电阻层52A内部形成氧空位。例如，如果第一氧化物电阻层52B由氧化钛形成，则反应性金属层53可以由具有比氧化钛强的与氧的反应性的钆(Gd)形成。
反应性金属层53可以被形成为具有比第一氧化物电阻层52B的厚度T1薄的厚度T2。例如，反应性金属层53的厚度T2可以为第一氧化物电阻层52B的厚度T1的约1％至约10％的范围。更具体地，例如，反应性金属层53可以被形成为具有约1nm至约10nm范围的厚度T2。
在此，在第一氧化物电阻层52B之上形成的反应性金属层53在沉积和后续的退火工艺期间可以被从第一氧化物电阻层52B中收集的氧所氧化而转变为金属氧化物。
参照图6C，可以在反应性金属层53之上形成第二氧化物电阻层52A。在此，第二氧化物电阻层52A可以由过渡金属氧化物形成。另外，第二氧化物电阻层52A可以由与形成第一氧化物电阻层52B的过渡金属氧化物相同的过渡金属氧化物或与形成第一氧化物电阻层52B的过渡金属氧化物不同的过渡金属氧化物来形成。
第二氧化物电阻层52A可以被形成为具有比反应性金属层53的厚度厚的厚度T3。第二氧化物电阻层52A的厚度T3可以具有与第一氧化物电阻层52B的厚度T1相同的厚度，或可以具有与第一氧化物电阻层52B的厚度不同的厚度。
通过上述工艺，可以形成顺序地层叠有第一氧化物电阻层52B、反应性金属层53和第二氧化物电阻层52A的层叠结构。
随后，可以在第二氧化物电阻层52A之上形成上部电极54。
参照图6D，可以进行退火工艺以在第一氧化物电阻层52B和第二氧化物电阻层52A的内部产生足够量的氧空位，并且同时，使氧空位在第一氧化物电阻层52B和第二氧化物电阻层52A的内部均匀地分布。在此，退火工艺可以在形成上部电极54之前进行。
可以进行退火工艺以在第一氧化物电阻层52B和第二氧化物电阻层52A的内部产生足够量的氧空位，并且同时，使保持未反应的反应性金属层53氧化。如果反应性金属层53未被氧化，则利用电阻变化的半导体器件的电特性会变差。在退火工艺之后，反应性金属层53可以具有多个氧空位，并且可以处于化学计量不稳定状态。
通过上述制造工艺，可以制造图3A表示的利用电阻变化的半导体器件。虽然，本文中描述了制造图3A表示的利用电阻变化的半导体器件的方法，但是本领域技术人员从上述半导体制造方法中也可以理解制造图3B至图3D、图4A至图4D以及图5中表示的利用电阻变化的半导体器件的方法。
虽然已经参照具体实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种变化和修改。
Claims (25)
1.一种半导体器件，包括：
下部电极；
设置在所述下部电极之上的可变电阻层，所述可变电阻层包括夹在多个氧化物电阻层之间的反应性金属层；和
设置在所述可变电阻层之上的上部电极。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述反应性金属层包括具有比所述多个氧化物电阻层强的与氧的反应性的金属。
3.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述反应性金属层包括通过从所述氧化物电阻层之一中收集氧而被氧化成的金属氧化物。
4.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述多个氧化物电阻层包括相同的材料或不同的材料。
5.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述多个氧化物电阻层之一包括过渡金属氧化物。
6.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述反应性金属层包括层叠了多个金属层的叠层。
7.如权利要求6所述的半导体器件，其中，所述多个金属层包括相同的金属或不同的金属。
8.如权利要求1所述的半导体器件，还包括夹在所述可变电阻层与所述上部电极之间或夹在所述可变电阻层与所述下部电极之间的另一个反应性金属层。
9.如权利要求1所述的半导体器件，还包括夹在所述可变电阻层与所述上部电极之间的第一反应性金属层和夹在所述可变电阻层与所述下部电极之间的第二反应性金属层。
10.如权利要求1所述的半导体器件，其中，在所述可变电阻层中包括多个氧空位，并且所述多个氧空位在所述可变电阻层中具有均匀的分布或线性的分布。
11.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述反应性金属层具有比所述多个氧化物电阻层的厚度薄的厚度。
12.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述反应性金属层和所述多个氧化物电阻层是通过原子层沉积工艺形成的。
13.一种半导体器件，包括：
下部电极；
上部电极；和
设置在所述下部电极与所述上部电极之间的可变电阻层，其中所述可变电阻层包括多个氧化物电阻层和形成在所述多个氧化物电阻层的每个之间的多个反应性金属层。
14.如权利要求13所述的半导体器件，其中，所述多个反应性金属层之一包括具有比所述多个氧化物电阻层之一强的与氧的反应性的金属。
15.如权利要求13所述的半导体器件，其中，所述多个反应性金属层之一包括通过从相邻的氧化物电阻层之一中收集氧而被氧化成的金属氧化物。
16.如权利要求13所述的半导体器件，其中，所述多个氧化物电阻层的每个包括相同的材料或不同的材料。
17.如权利要求13所述的半导体器件，其中，所述多个氧化物电阻层之一包括过渡金属氧化物。
18.如权利要求13所述的半导体器件，其中，所述多个反应性金属层中的每个包括相同的金属或不同的金属。
19.如权利要求13所述的半导体器件，还包括夹在所述可变电阻层与所述上部电极之间或夹在所述可变电阻层与所述下部电极之间的另一个反应性金属层。
20.如权利要求13所述的半导体器件，还包括夹在所述可变电阻层与所述上部电极之间的第一反应性金属层和夹在所述可变电阻层与所述下部电极之间的第二反应性金属层。
21.如权利要求13所述的半导体器件，其中，所述多个反应性金属层之一包括层叠了多个金属层的叠层。
22.如权利要求21所述的半导体器件，其中，所述多个金属层包括相同的金属或不同的金属。
23.如权利要求13所述的半导体器件，其中，在所述可变电阻层中包括多个氧空位，并且所述多个氧空位在所述可变电阻层中具有均匀的分布或线性的分布。
24.如权利要求13所述的半导体器件，其中，所述反应性金属层之一具有比所述多个氧化物电阻层中相邻的氧化物电阻层的厚度薄的厚度。
25.如权利要求13所述的半导体器件，其中，所述氧化物电阻层和所述多个反应性金属层之一是通过原子层沉积工艺形成的。
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