CN103904212B

CN103904212B - 非挥发性存储器

Info

Publication number: CN103904212B
Application number: CN201210574551.XA
Authority: CN
Inventors: 张文岳
Original assignee: Winbond Electronics Corp
Current assignee: Winbond Electronics Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103904212A

Abstract

本发明提供一种非挥发性存储器。上述非挥发性存储器包括一底电极，其具有一第一晶格常数；一电阻转态层，设置于上述底电极上方，其具有一第二晶格常数；一顶电极，设置于上述电阻转态层上；一分隔层，设置于上述底电极和上述电阻转态层之间，其具有不同于上述第一晶格常数和上述第二晶格常数的一第三晶格常数。本发明可降低在同一晶圆不同晶片上的电阻转态层的晶粒尺寸变异量，大幅提升元件的电阻转换阻值、高电阻态对低电阻态的比值、元件耐久度等特性。

Description

非挥发性存储器

技术领域

本发明系有关于一种存储器元件，特别是有关于一种电阻式非挥发性存储器。

背景技术

电阻式非挥发性存储器(RRAM)因具有功率消耗低、操作电压低、写入抹除时间短、耐久度长、存储时间长、非破坏性读取、多状态存储、元件制造工艺简单及可微缩性等优点，所以成为新兴非挥发性存储器的主流。然而，以半导体制造工艺制作的习知电阻式非挥发性存储器(RRAM)，会因为同一片晶圆上的不同晶片之间的电阻转态层的晶粒尺寸无法缩小且变异量大，而造成例如电阻转换(resistive switching，RS)阻值、高电阻态对低电阻态的比值、元件耐久度(endurance)等特性不佳的缺点。

习知技术会于电阻转态层中加入掺质以改善上述缺点。然而，上述方式会影响电阻式非挥发性存储器的电阻转换特性，例如增加操作电压、增加操作电流、降低高电阻态对低电阻态的比值等缺点。

因此，在此技术领域中，有需要一种非挥发性存储器及其制造方法，以改善上述缺点。

发明内容

本发明提供一种非挥发性存储器。本发明之一实施例提供一种非挥发性存储器，包括一底电极，其具有一第一晶格常数；一电阻转态层，设置于上述底电极上方，其具有一第二晶格常数；一顶电极，设置于上述电阻转态层上；一分隔层，设置于上述底电极和上述电阻转态层之间，其具有不同于上述第一晶格常数和上述第二晶格常数的一第三晶格常数。

本发明最终形成的非挥发性存储器的电阻转态层的晶格常数不会受下方底电极本身的晶格常数影响而使晶粒尺寸(grain size)变大，可降低在同一晶圆不同晶片上的电阻转态层的晶粒尺寸变异量，大幅提升元件的电阻转换(resistive switching，RS)阻值、高电阻态对低电阻态的比值、元件耐久度(endurance)等特性。

为使本发明能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1为本发明实施例的非挥发性存储器的剖面示意图。

主要元件符号说明：

500~非挥发性存储器；

200~基板；

202~绝缘层；

204~底电极；

206~分隔层；

208~电阻转态层；

210~顶电极；

T1、T2、T3~厚度。

具体实施方式

本发明实施例系提供一种非挥发性存储器，例如为一电阻式非挥发性存储器，其利用外加偏压改变非挥发性存储器的电阻转态层的电阻值来达到存储效应。本发明实施例之非挥发性存储器系于底电极和电阻转态层之间插入一分隔层，使最终形成的非挥发性存储器的电阻转态层的晶格常数不会受下方底电极本身的晶格常数影响而使晶粒尺寸(grain size)变大。此方法可大幅提升元件高电阻存储状态与低电阻存储状态之间的电阻比值。

图1系为本发明一实施例之非挥发性存储器500的剖面示意图。如图1所示，本发明一实施例之非挥发性存储器500系设置于基板200上，且藉由一绝缘层202与基板200隔开。在本发明之一实施例中，非挥发性存储器500的主要元件包括一底电极204，设置于绝缘层202上。一电阻转态层208，设置于底电极204上方。一顶电极210，设置于电阻转态层208上，以及一分隔层206，设置于底电极204和电阻转态层208之间。

在本发明之一实施例中，基板200可包括例如硅基板之半导体基板。绝缘层202可包括二氧化硅薄膜。在本发明之一实施例中，底电极204可为单层结构或为两层金属层堆迭而成的复合层结构，如图1所示，在本实施例中，底电极204可为氮化钛(TiN)，且其结晶取向为(1,1,1)。电阻转态层208可包括二氧化铪(HfO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、铬掺杂的钛酸锶、铬掺杂的锆酸锶、二氧化锆薄膜。另外在本发明之一实施例中，顶电极212可包括铝(Al)、钛、氮化钛或上述组合。

如图1所示，分隔层206的一下表面214和一上表面212系分别接触底电极204和电阻转态层208。值得注意的是，经由选择分隔层206的材质，使分隔层206的晶格常数(latticeconstant)与底电极204的晶格常数不同。在本发明之一实施例中，分隔层206可包括例如二氧化钛(TiO₂)薄膜之一介电薄膜(或为一金属氧化物薄膜)，或例如氮化钨(WN)薄膜之一导电薄膜。另外，在本发明之一实施例中，分隔层206的厚度T1系设计小于底电极204的厚度T2，且小于电阻转态层208的厚度T3。举例来说，分隔层206的厚度T1可介于和之间，底电极204的厚度T2可为而电阻转态层208的厚度T3可大于在本发明之一实施例中，电阻转态层208与分隔层206的厚度比(T3：T1)可介于3:1和20:1之间。

接着将进一步说明本发明一实施例之非挥发性存储器500之制造方法。首先，提供一基板200，例如一硅基板，并对其进行RCA(Radio Corporation ofAmerica)清洗制造工艺。之后，可利用高温炉管制造工艺，于硅基板200上成长一绝缘层202，绝缘层202系用来隔绝与基板200之间的漏电流。接着，可利用电子束真空蒸镀(E-beam evaporation)或溅镀法(sputtering)，于绝缘层202上形成一底电极204，其具有一第一晶格常数。

接下来系描述本发明实施例之非挥发性存储器500的分隔层206的形成方式。可利用化学气相沉积法(CVD)、电浆增强型化学气相沉积法(PECVD)、原子层沉积法(ALD)或溅镀法(sputtering)，于底电极204上形成一分隔层206。在本发明之一实施例中，分隔层206的厚度T1系设计小于底电极204的厚度T2。本发明之一实施例中，此时分隔层206的结晶状态可为非晶态(amorphous)或结晶态(crystalline)。

接着，可利用原子层沉积法(ALD)，于分隔层206上成长一电阻转态层208。在本发明之一实施例中，分隔层206的厚度T1系设计小于电阻转态层208的厚度T3。形成电阻转态层208之后，分隔层206的一下表面214和一上表面212系分别接触底电极204和电阻转态层208。此时电阻转态层208的结晶状态可为非晶态(amorphous)。

形成电阻转态层208之后，可对上述电阻转态层208进行一退火制造工艺，以形成退火后之电阻转态层208。同时，进行上述退火制造工艺之后也会形成退火后之分隔层206。上述退火后之分隔层206和电阻转态层208的结晶状态皆为结晶态(crystalline)，其中电阻转态层208具有一第二晶格常数且分隔层206具有一第三晶格常数。在本发明之一实施例中，退火后之分隔层206的第三晶格常数不同于退火后之电阻转态层208的第二晶格常数，也不同于底电极204的第一晶格常数。在本发明之一实施例中，退火后之电阻转态层208的第二晶格常数也不同于底电极204的第一晶格常数。本发明之一实施例中，上述退火制造工艺可包括快速高温退火制造工艺(rapid thermal annealing，RTA)。

值得注意的是，由于电阻转态层208和底电极204之间会被一层分隔层206隔开，使电阻转态层208不会与底电极204直接接触。并且，系选择分隔层206的材质，使其晶格常数不同于底电极204和电阻转态层208的晶格常数。因此，在进行上述退火制造工艺使非晶态电阻转态层208转变为结晶态的期间，电阻转态层208的结晶不会沿着底电极204的结晶取向(例如氮化钛(TiN)的结晶取向为(1,1,1))排列，因而不会使电阻转态层208的晶粒尺寸变大。所以，相较于习知电阻式非挥发性存储器之直接形成于底电极上的电阻转态层，本发明实施例之退火后的电阻转态层208的晶粒尺寸会小于习知电阻式非挥发性存储器之电阻转态层的晶粒尺寸，具有较佳的电阻转态效果。

最后，可利用电子束蒸镀法并藉由金属光罩定义上电极的面积和形成位置，以于电阻转态层208上形成一顶电极212(可视为上电极212)。铝(Al)、钛、氮化钛或上述组合。经过上述制造工艺之后，形成本发明一实施例之非挥发性存储器500。在本发明其他实施例中，上述退火制造工艺也可于形成顶电极212之后进行。

当对本发明实施例之非挥发性存储器500施加正(负)直流偏压时，电流会随着电压增加而增加，当电流上升至限流值，其对应的偏压为形成电压(forming voltage)，通常需要较大的偏压，此时非挥发性存储器500的电阻状态由原始状态(original state；O-state)转换到低电阻状态(low resistance state；LRS，或可称为ON-state)。接着，对本发明实施例之非挥发性存储器500施予一抹除电压(turn-off voltage)，当抹除电压至一适当值时元件电流开始下降，当抹除电压至一极限值时电流急遽下降至较低的电流值，此时非挥发性存储器500的电阻状态由低电阻状态之电流转态到高电阻状态(high resistance state；HRS，或可称为OFF-state)。接着，对本发明实施例之非挥发性存储器500施予一写入电压(turn-on voltage)时，电流会随着电压增加而增加，当写入电压至一极限值时到达电流限流值，此时非挥发性存储器500的电阻状态由高电阻状态转换至低电阻状态，且此电阻转换特性可以多次重复操作。另外，可对电阻状态为高电阻状态(HRS)或低电阻状态(LRS)之非挥发性存储器500施予小于抹除电压和写入电压之一读取电压，以读取非挥发性存储器500在不同电阻状态下之电流值来得知非挥发性存储器500的存储状态。亦即我们可以利用控制施予偏压的大小使本发明实施例之非挥发性存储器500产生电阻的转换以达到存储目的，在无外加电源供应下，高低电阻态皆能维持其存储态，可用于非挥发性存储器之应用。

本发明实施例系提供一种非挥发性存储器，例如一电阻式非挥发性存储器，其于底电极和电阻转态层之间插入一分隔层，使电阻转态层208不会与底电极204直接接触。并且，系选择分隔层206的材质，使其晶格常数不同于底电极204和电阻转态层208的晶格常数。另外，分隔层206的厚度系设计小于电阻转态层208的厚度。使最终形成的非挥发性存储器的电阻转态层的晶格常数不会受下方底电极本身的晶格常数影响而使晶粒尺寸(grainsize)变大。并且，上述方法可降低在同一晶圆不同晶片上的电阻转态层的晶粒尺寸变异量，因而大幅提升元件的电阻转换(resistive switching，RS)阻值、高电阻态对低电阻态的比值、元件耐久度(endurance)等特性。

本发明虽以各种实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明之保护范围当视后以本发明权利要求范围所界定者为准。

Claims

1.一种非挥发性存储器，其特征在于，所述的非挥发性存储器包括：

一底电极，其具有一第一晶格常数；

一电阻转态层，设置于所述的底电极上方，其具有一第二晶格常数；

一顶电极，设置于所述的电阻转态层上；以及

一分隔层，设置于所述的底电极和所述的电阻转态层之间，其具有不同于所述的第一晶格常数和所述的第二晶格常数的一第三晶格常数，其中所述的分隔层包括一介电薄膜或一导电薄膜，且所述的介电薄膜为二氧化钛薄膜。

2.如权利要求1所述的非挥发性存储器，其特征在于，所述的非挥发性存储器更包括：

一基板，设置于所述的底电极的下方；以及

一绝缘层，设置于所述的底电极和所述的基板之间。

3.如权利要求1所述的非挥发性存储器，其特征在于，所述的分隔层的一下表面和一上表面系分别接触所述的底电极和所述的电阻转态层。

4.如权利要求1所述的非挥发性存储器，其特征在于，所述的底电极的结晶取向为不同于所述的电阻转态层的结晶取向。

5.如权利要求1所述的非挥发性存储器，其特征在于，所述的电阻转态层为二氧化铪、氧化铝、铬掺杂的钛酸锶、铬掺杂的锆酸锶、二氧化锆薄膜。

6.如权利要求1所述的非挥发性存储器，其特征在于，所述的导电薄膜为氮化钨薄膜。

7.如权利要求1所述的非挥发性存储器，其特征在于，所述的电阻转态层的厚度大于所述的分隔层的厚度。

8.如权利要求7所述的非挥发性存储器，其特征在于，所述的电阻转态层与所述的分隔层的厚度比值介于3:1和20:1之间。