CN106876583B - 电阻式随机存取存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电阻式随机存取存储器，包括下部电极、上部电极、可变电阻层、氧交换层以及侧壁保护层。下部电极设置于基底上。上部电极设置于下部电极上。可变电阻层设置于下部电极与上部电极之间。氧交换层设置于可变电阻层与上部电极之间。侧壁保护层，其为氧供应层，至少设置于氧交换层的侧壁。本发明提供的电阻式随机存取存储器，能够增进存储器元件的高温数据保持特性以及耐久性，并且能够增加存储器元件的产率以及稳定度。

Description

电阻式随机存取存储器
技术领域
本发明涉及一种非易失性存储器，尤其涉及一种电阻式随机存取存储器。
背景技术
一般而言，电阻式随机存取存储器包括由上部电极、下部电极及介于其间的可变电阻层(resistance changeable layer)所构成的(金属-绝缘层-金属(MIM)结构。然而，在电阻式随机存取存储器的制造过程中，金属-绝缘层-金属结构的侧壁容易遭受到电浆损害、或不纯物污染等，而影响了电阻式随机存取存储器内的导电路径(丝状物结构的位置)，进而造成所谓“高温数据保持能力(high-temperature data retention，HTDR)”的劣化。因此克服电阻式随机存取存储器元件在制造过程中，金属-绝缘层-金属结构的侧壁容易遭受到电浆损害、或不纯物污染等问题成为现今电阻式随机存取存储器技术发展的重要课题。
发明内容
本发明提供一种电阻式随机存取存储器，能够增进存储器元件的高温数据保持特性以及耐久性，并且能够增加存储器元件的产率以及稳定度。
本发明的电阻式随机存取存储器，包括下部电极、上部电极、可变电阻层、氧交换层以及侧壁保护层。下部电极设置于基底上。上部电极设置于下部电极上。可变电阻层设置于下部电极与上部电极之间。氧交换层设置于可变电阻层与上部电极之间，其中氧交换层、可变电阻层及下部电极的侧壁连续地连接。侧壁保护层，其为氧供应层，至少设置于氧交换层的侧壁上。
本发明的电阻式随机存取存储器，包括下部电极、上部电极、可变电阻层以及侧壁保护层。下部电极设置于基底上。上部电极设置于下部电极上。可变电阻层设置于下部电极与上部电极之间，其中可变电阻层、下部电极及上部电极的侧壁连续地连接。侧壁保护层，其为盖层，设置于下部电极、可变电阻层以及上部电极的侧壁。
基于上述，本发明的电阻式随机存取存储器由于在氧交换层的侧壁设置作为氧供应层的侧壁保护层，而使得氧交换层的外部分被局部氧化，如此在氧交换层下方的可变电阻层可在中心部分提高氧空缺密度，而使丝状物结构集中在可变电阻层的中心部分，远离容易遭受到电浆损害、或不纯物污染的侧壁部分。密集的丝状物结构也有助于增进存储器元件的高温数据保持特性。此外，作为氧供应层的侧壁保护层也可以避免被拉往中心丝状物结构的氧往外扩散，如此在重置(RESET)操作时可以确保氧的回归，而可以提升耐久性。
另外，本发明的电阻式随机存取存储器由于在下部电极、可变电阻层以及上部电极(金属-绝缘层-金属结构)的侧壁设置有至少一层的侧壁保护层，以避免来自层间绝缘层的污染物(例如氢)扩散而进入金属-绝缘层-金属结构中，进而影响电阻式随机存取存储器的效能。
此外，若下部电极与基底(层间绝缘层)之间还设置有顶盖层，则金属-绝缘层-金属结构可以和层间绝缘层完全隔离，而可以更进一步地避免来自层间绝缘层的污染物(例如氢)扩散而进入金属-绝缘层-金属结构中。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明第一实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图；
图1B为本发明修改的第一实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图；
图2为本发明第二实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图；
图3为本发明第三实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图。
附图标记说明：
100：基底；
102：下部电极；
104：上部电极；
106：可变电阻层；
108：氧交换层；
110、110a、110b：侧壁保护层；
112：富氧层；
114：阻挡层；
116：插塞；
118：第一盖层；
120：第二盖层；
122：顶盖层；
124：层间绝缘层；
126：丝状物结构；
128：倾斜侧壁。
具体实施方式
本文中请参照附图，以便更加充分地体会本发明的概念，随附图中显示本发明的实施例。但是，本发明还可采用许多不同形式来实践，且不应将其解释为限于底下所述的实施例。实际上，提供实施例仅为使本发明还将详尽且完整，并将本发明的范畴完全传达至所属技术领域技术人员。
在附图中，为明确起见可能将各层以及区域的尺寸以及相对尺寸作夸张的描绘。
请参照图1A，电阻式随机存取存储器包括下部电极102、上部电极104、可变电阻层106、氧交换层108以及侧壁保护层110。
下部电极102设置于基底100上。下部电极102的材料例如是氮化钛(TiN)或氧化铟锡(ITO)。下部电极102通过插塞116电性连接晶体管(未示出)中的漏极区。插塞116例如设置于层间绝缘层124中，下部电极102设置于层间绝缘层124上。下部电极102的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
上部电极104设置于下部电极102上。上部电极104的材料包括导电材料，例如是氮化钛或氧化铟锡。上部电极104的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
可变电阻层106设置于下部电极102与上部电极104之间。可变电阻层106的材料例如是过渡金属氧化物，如氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)或其他适当的金属氧化物。可变电阻层106的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。为了避免丝状物结构形成在可变电阻层106中不佳的位置，下部电极102与可变电阻层106的接面处不具有凸出(abrupt)的角部(corner)。
氧交换层108设置于可变电阻层106与上部电极104之间。氧交换层108的材料例如是钛、钽、铪、锆、铂或铝。氧交换层108的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
侧壁保护层110例如是氧供应层，其至少设置于氧交换层108的侧壁。侧壁保护层110(氧供应层)的材料包括氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化铪(HfO2)或氧化锆(ZrO2)。侧壁保护层110的形成方法例如是原子层沉积法。
如图1A所示，在氧交换层108与上部电极104之间还可选择性的设置富氧层112。富氧层112可防止电流分散，以增加电流密度，进而提升高温数据保持能力。富氧层112的材料例如是氮氧化钛或氮氧化钽。富氧层112的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
在氧交换层108与可变电阻层106之间还可选择性的设置阻挡层114。阻挡层114的材料包括氧化铝(Al2O3)。阻挡层114的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。为了避免丝状物结构形成在可变电阻层106中不佳的位置，氧交换层108与阻挡层114的接面处不具有凸出的角部。也即，氧交换层108、阻挡层114与可变电阻层106的侧壁连续地连接。
如图1B所示，堆叠的下部电极102、可变电阻层106、氧交换层108具有倾斜侧壁128。此倾斜侧壁128可以避免在可变电阻层106、氧交换层108之间产生凸出的角部。此外，下部电极102、可变电阻层106、氧交换层108，均为上窄下宽的结构，所以这些层的堆叠也构成了梯形的形状。
在本实施例中，由于在氧交换层108的侧壁设置侧壁保护层110(氧供应层)，侧壁保护层110(氧供应层)中的氧会拉入氧交换层108中，而使得氧交换层108的外部分被局部氧化，如此在氧交换层108下方的可变电阻层106只在中心部分产生氧空缺区块，因此有助于丝状物结构126的形成。也即，当在中心部分提高了氧空缺密度，而使丝状物结构126集中在中心部分。密集的丝状物结构126也有助于增进存储器元件的高温数据保持(HTDR)特性。此外，侧壁保护层110(氧供应层)也可以避免被拉往中心丝状物结构126的氧往外扩散，如此在重置操作时可以确保氧的回归，而可以提升耐久性。
图2为本发明第二实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图。在图2中，构件与第一实施例相同的给予相同的附图标记，以下所述各层的材料及特性若未多加详述时，视为与第一实施例相同。
请参照图2，电阻式随机存取存储器包括下部电极102、上部电极104、可变电阻层106以及侧壁保护层110a。
下部电极102设置于基底100上。下部电极102的材料例如是氮化钛或氧化铟锡。下部电极102通过插塞116电性连接晶体管(未示出)中的漏极区。插塞116例如设置于层间绝缘层124中，下部电极102设置于层间绝缘层124上。下部电极102的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
上部电极104设置于下部电极102上。上部电极104的材料包括导电材料，例如是氮化钛或氧化铟锡。上部电极104的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
可变电阻层106设置于下部电极102与上部电极104之间。可变电阻层106的材料例如是过渡金属氧化物，如氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)或其他适当的金属氧化物。可变电阻层106的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。为了避免丝状物结构形成在可变电阻层106中不佳的位置，可变电阻层106与下部电极102及上部电极104的接面处不具有凸出的角部。也即，可变电阻层106、下部电极102及该上部电极104的侧壁连续地连接。
侧壁保护层110a例如是盖层，用以阻隔来自层间绝缘层的污染物，例如氢。在本实施例中，侧壁保护层110a(盖层)设置于下部电极102、可变电阻层106以及上部电极104的侧壁。侧壁保护层110a(盖层)的材料包括金属氧化物，例如是氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(TaO2)或氧化锆(ZrO2)。侧壁保护层110a的形成方法例如是原子层沉积法。在另一实施例中，金属氧化物还掺杂有氮。也即，侧壁保护层110a(盖层)的材料包括掺杂氮的金属氧化物，例如是掺杂氮的氧化铝(Al2O3)、掺杂氮的氧化钛(TiO2)、掺杂氮的氧化钽(TaO2)或掺杂氮的氧化锆(ZrO2)。在此情况下，侧壁保护层110a的形成方法例如是先利用原子层沉积法形成金属氧化物层后，进行倾斜角离子植入处理，进一步于金属氧化物层中掺杂氮。
如图2所示，在下部电极102与基底100(层间绝缘层124)之间还可选择性的设置顶盖层122。顶盖层122可防止来自层间绝缘层124的污染物，例如氢，进入下部电极102。顶盖层122的材料包括金属氧化物，例如是氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(TaO2)或氧化锆(ZrO2)。
此外，本实施例的电阻式随机存取存储器也可以如第一实施例一样，视需要而设置有氧交换层、富氧层以及阻挡层等；此外，下部电极层、可变电阻层、氧交换层及其堆叠也可以形成为上窄下宽的梯形结构。
在本实施例中，由于在下部电极102、可变电阻层106以及上部电极104(金属-绝缘层-金属(MIM)结构)的侧壁设置有侧壁保护层110a(盖层)，且侧壁保护层110a(盖层)采用不含氢的金属氧化物，因此可以避免来自层间绝缘层的污染物(例如氢)扩散而进入金属-绝缘层-金属结构中，进而影响电阻式随机存取存储器的效能。
此外，若下部电极102与基底100(层间绝缘层124)之间还设置有顶盖层122，则金属-绝缘层-金属结构可以和层间绝缘层完全隔离，而可以更进一步地避免来自层间绝缘层的污染物(例如氢)扩散而进入金属-绝缘层-金属结构中。
通过使金属-绝缘层-金属结构不受氢影响，可以增加电阻式随机存取存储器的产率以及稳定度。
图3为本发明第三实施例的电阻式随机存取存储器的剖面图。在图3中，构件与第一实施例相同的给予相同的附图标号，以下所述各层的材料及特性若未多加详述时，视为与第一实施例相同。
请参照图3，电阻式随机存取存储器包括下部电极102、上部电极104、可变电阻层106以及侧壁保护层110b。
下部电极102设置于基底100上。下部电极102的材料例如是氮化钛或氧化铟锡。下部电极102通过插塞116电性连接晶体管(未示出)中的漏极区。插塞116例如设置于层间绝缘层124中，下部电极102设置于层间绝缘层124上。下部电极102的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
上部电极104设置于下部电极102上。上部电极104的材料包括导电材料，例如是氮化钛或氧化铟锡。上部电极104的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
可变电阻层106设置于下部电极102与上部电极104之间。可变电阻层106的材料例如是过渡金属氧化物，如氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)或其他适当的金属氧化物。可变电阻层106的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
侧壁保护层110b例如是盖层，用以阻挡来自层间绝缘层的污染物，例如氢。在本实施例中，侧壁保护层110b包括第一盖层118以及第二盖层120。第一盖层118设置于下部电极102、可变电阻层106以及上部电极104的侧壁。第二盖层120设置于第一盖层118上。第一盖层118的材料包括金属氧化物，例如是氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(TaO2)或氧化锆(ZrO2)。第一盖层118的形成方法例如是原子层沉积法。第二盖层120的材料包括金属氮化物或金属钛酸盐类。金属氮化物例如是氮化铝、氮化硅或氮化钽。金属钛酸盐类例如是钛酸锶或钛酸铋。
如图3所示，在下部电极102与基底100(层间绝缘层124)之间还可选择性的设置顶盖层122。顶盖层122可防止来自层间绝缘层124的污染物，例如氢，进入下部电极102。顶盖层122的材料包括金属氧化物，例如是氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(TaO2)或氧化锆(ZrO2)。
此外，本实施例的电阻式随机存取存储器也可以如第一实施例一样，视需要而设置有氧交换层、富氧层以及阻挡层等。此外，下部电极层、可变电阻层、氧交换层(若有的话)及其堆叠也可以形成为上窄下宽的梯形结构。
在本实施例中，由于在下部电极102、可变电阻层106以及上部电极104(金属-绝缘层-金属(MIM)结构)的侧壁设置有侧壁保护层110b(第一盖层118以及第二盖层120)，且侧壁保护层110b采用多层结构，因此可以更有效地避免来自层间绝缘层的污染物(例如氢)扩散而进入金属-绝缘层-金属结构中，进而影响电阻式随机存取存储器的效能。
此外，若下部电极102与基底100(层间绝缘层124)之间还设置有顶盖层122，则金属-绝缘层-金属结构可以和层间绝缘层完全隔离，而可以更进一步地避免来自层间绝缘层的污染物(例如氢)扩散而进入金属-绝缘层-金属结构中。
通过使金属-绝缘层-金属结构不受氢影响，可以增加电阻式随机存取存储器的产率以及稳定度。
综上所述，本发明提出的电阻式随机存取存储器，通过于侧壁保护层(作为氧供应层和/或盖层(阻隔来自层间绝缘层的污染物))，有助于增进存储器元件的高温数据保持特性以及耐久性，并且能够增加存储器元件的产率以及稳定度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.电阻式随机存取存储器，其特征在于，包括：
下部电极，设置于基底上；
上部电极，设置于所述下部电极上；
可变电阻层，设置于所述下部电极与所述上部电极之间；
氧交换层，设置于所述可变电阻层与所述上部电极之间，其中所述氧交换层、所述可变电阻层及所述下部电极的侧壁连续地连接，所述氧交换层的外部分被局部氧化；
富氧层，设置于所述氧交换层与所述上部电极之间，所述富氧层的材料是氮氧化钛或氮氧化钽；
侧壁保护层，为氧供应层，至少设置于所述氧交换层的侧壁；以及
阻挡层，设置于所述氧交换层与所述可变电阻层之间，其中所述阻挡层的侧壁连续地连接所述氧交换层及所述可变电阻层的侧壁，所述氧交换层与所述阻挡层的接面处不具有凸出的角部。
2.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其特征在于，所述氧供应层还设置于所述下部电极、所述可变电阻层以及所述上部电极的侧壁。
3.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其特征在于，所述下部电极、所述可变电阻层，以及所述氧交换层均呈上窄下宽。
4.电阻式随机存取存储器，其特征在于，包括：
下部电极，设置于基底上，所述下部电极与所述基底之间设置顶盖层，其中所述顶盖层的材料包括金属氧化物；
上部电极，设置于所述下部电极上；
可变电阻层，设置于所述下部电极与所述上部电极之间；
氧交换层，设置于所述可变电阻层与所述上部电极之间，其中所述氧交换层、所述可变电阻层及所述下部电极的侧壁连续地连接；富氧层，设置于所述氧交换层与所述上部电极之间，所述富氧层的材料是氮氧化钛或氮氧化钽；以及
侧壁保护层，为盖层，设置于所述下部电极、所述可变电阻层以及所述上部电极的侧壁；以及
阻挡层，设置于所述氧交换层与所述可变电阻层之间，其中所述阻挡层的侧壁连续地连接所述氧交换层及所述可变电阻层的侧壁，所述氧交换层与所述阻挡层的接面处不具有凸出的角部。
5.根据权利要求4所述的电阻式随机存取存储器，其特征在于，所述盖层的材料包括金属氧化物。
6.根据权利要求5所述的电阻式随机存取存储器，其特征在于，所述盖层的材料还掺杂有氮。
7.根据权利要求4所述的电阻式随机存取存储器，其特征在于，所述盖层包括：
第一盖层，设置于所述下部电极、所述可变电阻层以及所述上部电极的侧壁；以及
第二盖层，设置于所述第一盖层上。
8.根据权利要求7所述的电阻式随机存取存储器，其特征在于，所述第一盖层的材料包括金属氧化物。
9.根据权利要求7所述的电阻式随机存取存储器，其特征在于，所述第二盖层的材料包括氮化物或金属钛酸盐类。
10.根据权利要求4所述的电阻式随机存取存储器，其特征在于，所述下部电极与所述可变电阻层均呈上窄下宽。
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