CN107403822B - 电阻式随机存取内存及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电阻式随机存取内存及其制造方法。电阻式随机存取内存，包括下部电极、上部电极、可变电阻层、氧储存层以及反应性氧阻挡层。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。氧储存层设置于可变电阻层与上部电极之间。反应性氧阻挡层设置于氧储存层中。本发明藉由设置反应性氧阻挡层，能够增进内存元件的重置特性以及耐久性，并且能够增加内存元件的产率以及稳定度。
Description
技术领域
本发明涉及一种非易失性内存，尤其涉及一种电阻式随机存取内存及其制造方法。
背景技术
电阻式随机存取内存(Resistive random access memory，RRAM)属于非易失性内存的一种。由于电阻式随机存取内存具有写入操作电压低、写入抹除时间短、记忆时间长、非破坏性读取、多状态记忆、结构简单以及所需面积小等优点，因此在未来将可成为个人计算机和电子设备所广泛采用的非易失性内存元件之一，故目前被广泛地研究中。
一般而言，电阻式随机存取内存包括由上部电极、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。
当施加正偏压于可变电阻层时，氧离子受正偏压的吸引离开可变电阻层而产生氧空缺(oxygen vacancy)，形成丝状物结构并呈现导通状态，使得可变电阻层由高电阻状态(High Resistance State，HRS)转换到低电阻状态(Low Resistance State，LRS)。一般而言，藉由在上部电极与可变电阻层之间设置钛层，以储存因受正偏压的吸引离开可变电阻层的氧离子。
当施加负偏压于可变电阻层时，氧离子回到可变电阻层，使丝状物结构因而断裂并呈现非导通状态，可变电阻层由低电阻状态转换到高电阻状态。然而，若在钛层中氧离子已向外扩散，则会有无法完整重置的问题。
发明内容
本发明提供一种电阻式随机存取内存，藉由设置反应性氧阻挡层，能够增进内存元件的重置特性以及耐久性，并且能够增加内存元件的产率以及稳定度。
本发明提供一种电阻式随机存取内存的制造方法，藉由在氧储存层中形成反应性氧阻挡层，能够增进内存元件的重置特性以及耐久性，并且能够增加内存元件的产率以及稳定度。
本发明的一种电阻式随机存取内存，包括：下部电极、上部电极、可变电阻层、氧储存层以及反应性氧阻挡层。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。氧储存层设置于可变电阻层与上部电极之间。反应性氧阻挡层设置于氧储存层中。
在本发明的一实施例中，上述的反应性氧阻挡层的材质包括铝或三铝化钛。
在本发明的一实施例中，上述的氧储存层的材质包括钛。
在本发明的一实施例中，上述的反应性氧阻挡层的厚度包括1～3纳米。
在本发明的一实施例中，上述的氧储存层的厚度包括10纳米～40纳米。
在本发明的一实施例中，上述的反应性氧阻挡层与该可变电阻层之间的该氧储存层的厚度包括10纳米～20纳米。
在本发明的一实施例中，上述的电阻式随机存取内存，还包括阻挡层。阻挡层设置于氧储存层与可变电阻层之间。
在本发明的一实施例中，上述的阻挡层的材料包括氧化铝。
在本发明的一实施例中，上述的氧储存层的材料包括钛，且该反应性氧阻挡层的材质包括铝或三铝化钛。
在本发明的一实施例中，上述的可变电阻层的材料包括过渡金属氧化物。
本发明的一种电阻式随机存取内存的制造方法，包括下列步骤。提供基底。于基底上形成下部电极。于下部电极上形成可变电阻层。于可变电阻层上形成第一氧储存层。于第一氧储存层上形成反应性氧阻挡层。于反应性氧阻挡层上形成第二氧储存层。于第二氧储存层形成上部电极。
在本发明的一实施例中，上述于第一氧储存层上形成反应性氧阻挡层的步骤后，还包括进行回火制程。
在本发明的一实施例中，上述的回火制程的温度为300℃～450℃。
在本发明的一实施例中，上述的反应性氧阻挡层的材质包括铝或三铝化钛。
在本发明的一实施例中，上述的氧储存层的材质包括钛。
在本发明的一实施例中，上述的反应性氧阻挡层的厚度包括1～3纳米。
在本发明的一实施例中，上述的氧储存层的厚度包括10纳米～40纳米。
在本发明的一实施例中，上述的反应性氧阻挡层与该可变电阻层之间的该氧储存层的厚度包括10纳米～20纳米。
在本发明的一实施例中，上述的电阻式随机存取内存的制造方法，还包括于氧储存层与可变电阻层之间形成阻挡层。
在本发明的一实施例中，上述的阻挡层的材料包括氧化铝。
基于上述，本发明的电阻式随机存取内存及其制造方法中，于氧储存层中形成反应性氧阻挡层，当施加正偏压于可变电阻层时，藉由反应性氧阻挡层实时从靠近丝状物结构的氧储存层(Ti)移除氧离子，藉此降低氧离子浓度。而且，在移除氧离子时，反应性氧阻挡层与氧离子反应形成氧化物(例如氧化铝)接口层，而避免氧离子往外扩散至氧储存层而远离丝状物结构。如此在重置操作时可以确保氧离子的回归，而可以提升耐久性。
而且，藉由控制回火制程的温度，能够使铝(反应性氧阻挡层)和钛(氧储存层)反应形成三铝化钛(TiAl3)，三铝化钛(TiAl3)对于移除氧、避免氧往外扩散至氧储存层而远离丝状物结构是更有效以及优越的。
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1为本发明实施例的电阻式随机存取内存的剖面图。
图2A至图2C为本发明实施例的电阻式随机存取内存的制造流程剖面图。
附图标记：
100：基底
102：下部电极
102a：下部电极层
104：上部电极
106：可变电阻层
108、108a、108b：氧储存层
110：反应性氧阻挡层
114：阻挡层
116：插塞
124：层间绝缘层
126：丝状物结构
110：反应性氧阻挡层
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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之实施例。实际上，提供实施例仅为使本发明更将详尽且完整，并将本发明的范畴完全传达至所属技术领域中普通技术人员。
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述。
图1为本发明第一实施例的电阻式随机存取内存的剖面图。
请参照图1，电阻式随机存取内存包括下部电极102、上部电极104、可变电阻层106、氧储存层108以及反应性氧阻挡层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藉由插塞116电性连接晶体管(未显示)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。
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(TiN)或氧化铟锡(ITO)。
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可具有以下特性：当施加正偏压于可变电阻层106时，氧离子受正偏压的吸引离开可变电阻层106而产生氧空缺(oxygen vacancy)，形成丝状物结构并呈现导通状态，使得可变电阻层106由高电阻状态(High Resistance State，HRS)转换到低电阻状态(LowResistance State，LRS)；当施加负偏压于可变电阻层106时，氧离子回到可变电阻层106，使丝状物结构因而断裂并呈现非导通状态，可变电阻层106由低电阻状态转换到高电阻状态。
氧储存层108设置于可变电阻层106与上部电极104之间。氧储存层108的材料例如是钛。氧储存层108的厚度包括10纳米～40纳米。
反应性氧阻挡层110至少设置于氧储存层108中。反应性氧阻挡层110(氧供应层)的材料包括不含有氧、可以与氧反应并稍微氧化而捕捉(trap)部分氧、且反应性稍强于三氧化二铝(Al2O3)的材料，例如是铝(Al)或三铝化钛(TiAl3)。反应性氧阻挡层110的厚度包括1纳米～3纳米。在一实施例中反应性氧阻挡层110将氧储存层108区分为氧储存层108a及氧储存层108b。反应性氧阻挡层110与可变电阻层106之间的氧储存层108a的厚度包括10纳米～20纳米。反应性氧阻挡层110可以与氧反应形成氧化物(例如氧化铝)接口层，限制氧散播深入至氧储存层108b。
在氧储存层108与可变电阻层106之间更可选择性的设置阻挡层114。阻挡层114的材料包括氧化铝(Al2O3)。
在本实施例中，当施加正偏压于可变电阻层106时，氧离子受正偏压的吸引离开可变电阻层106，并进入氧储存层108中，藉由反应性氧阻挡层110实时从靠近丝状物结构126的氧储存层108(Ti)移除氧离子，藉此降低氧离子浓度。而且，在移除氧离子时，反应性氧阻挡层110与氧离子反应形成氧化物(例如氧化铝)接口层，而避免氧往外扩散至氧储存层108b而远离丝状物结构126，即将氧离子限制在氧储存层108a范围内。如此在重置操作时，氧离子可以更容易地回到可变电阻层106中，而可以提升重置特性与耐久性。
图2A至图2C为本发明的电阻式随机存取内存制造方法的制程剖面图。在图2A至图2C中，构件与图1相同者给予相同的编号，以下所述各层的材料及特性若未多加详述时，视为与图1相同。
请参照图2A，于基底100上形成下部电极层102a。基底100例如是介电基底。在本实施例中，基底100并没有特别地限制。举例来说，基底100例如是由硅基底以及位于硅基底上的层间绝缘层124所组成。此外，上述的硅基底上可具有半导体元件，且上述的层间绝缘层124中可具有插塞116。下部电极层102a的材料例如是氮化钛(TiN)或氧化铟锡(ITO)。下部电极层102a的形成方法例如是物理气相沉积法(PVD)或原子层沉积法(ALD)。
接着，于下部电极层102a上形成可变电阻层106。可变电阻层106的材料包括过渡金属氧化物，例如氧化铪(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。
接着，选择性地于可变电阻层106上形成阻挡层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。
请参照图2B，于可变电阻层106上形成氧储存层108a。氧储存层108a的材料例如是钛。氧储存层108a的厚度包括10纳米～40纳米。氧储存层108a的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
于氧储存层108a上形成反应性氧阻挡层110。反应性氧阻挡层110(氧供应层)的材料包括不含有氧、可以与氧反应并稍微氧化而捕捉(trap)部分氧、且反应性稍强于三氧化二铝(Al2O3)的材料，例如是铝(Al)或三铝化钛(TiAl3)。反应性氧阻挡层110的厚度包括1纳米～3纳米。在一实施例中，反应性氧阻挡层110的材料包括铝(Al)，其形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
在一实施例中，反应性氧阻挡层110的材料包括三铝化钛(TiAl3)，其形成方法包括于氧储存层108a上形成反应性氧阻挡层(铝层)后，更进行回火制程，以使铝(反应性氧阻挡层110)和钛(氧储存层108a)反应形成三铝化钛(TiAl3)。回火制程的温度为300℃～450℃。
于反应性氧阻挡层110上形成氧储存层108b。氧储存层108b的材料例如是钛。氧储存层108b的厚度包括10纳米～40纳米。氧储存层108b的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法。
请参照图2C，于于氧储存层108b形成上部电极层(未显示)。上部电极层的材料包括导电材料，例如是氮化钛(TiN)或氧化铟锡(ITO)。上部电极层的形成方法例如是物理气相沉积法或原子层沉积法(ALD)。
之后，图案化上部电极层、氧储存层108b、反应性氧阻挡层110、氧储存层108a、阻挡层114、可变电阻层106、下部电极层102a而形成电阻式随机存取内存。此电阻式随机存取内存包括上部电极104、氧储存层108b、反应性氧阻挡层110、氧储存层108a、阻挡层114、可变电阻层106以及下部电极102。
在一实施例中，回火制程也可以在下部电极层102a、可变电阻层106、氧储存层108、反应性氧阻挡层110、阻挡层114、上部电极层104a的堆栈层完成后进行。
在本实施例中，于氧储存层108中形成反应性氧阻挡层110。在移除氧离子时，反应性氧阻挡层110与氧反应形成氧化物(例如氧化铝)接口层，而避免氧离子往外扩散至氧储存层108b而远离丝状物结构126，即将氧离子限制在氧储存层108a范围内。如此在重置操作时，氧离子可以更容易地回到可变电阻层106中，而可以提升重置特性与耐久性。
而且，藉由控制回火制程的温度，能够使铝(反应性氧阻挡层110)和钛(氧储存层108a)反应形成三铝化钛(TiAl3)，三铝化钛(TiAl3)对于移除氧离子、避免氧离子往外扩散至氧储存层108b而远离丝状物结构126是更有效以及优越的。
综上所述，本发明提出的电阻式随机存取内存及其制造方法，藉由反应性氧阻挡层，有助于增进内存元件的高温数据保持特性、重置特性以及耐久性，并且能够增加内存元件的产率以及稳定度。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求界定范围为准。
Claims (18)
1.一种电阻式随机存取内存，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；
氧储存层，设置于所述可变电阻层与所述上部电极之间；以及
反应性氧阻挡层，设置于所述氧储存层中，其中所述反应性氧阻挡层的材质包括铝金属或三铝化钛。
2.根据权利要求1所述的电阻式随机存取内存，其特征在于，所述氧储存层的材质包括钛。
3.根据权利要求1所述的电阻式随机存取内存，其特征在于，所述反应性氧阻挡层的厚度包括1纳米～3纳米。
4.根据权利要求1所述的电阻式随机存取内存，其特征在于，所述氧储存层的厚度包括10纳米～40纳米。
5.根据权利要求1所述的电阻式随机存取内存，其特征在于，所述反应性氧阻挡层与所述可变电阻层之间的所述氧储存层的厚度包括10～20纳米。
6.根据权利要求1所述的电阻式随机存取内存，其特征在于，还包括阻挡层，设置于所述氧储存层与所述可变电阻层之间。
7.根据权利要求6所述的电阻式随机存取内存，其特征在于，所述阻挡层的材料包括氧化铝。
8.根据权利要求1所述的电阻式随机存取内存，其特征在于，所述氧储存层的材料包括钛。
9.根据权利要求1所述的电阻式随机存取内存，其特征在于，所述可变电阻层的材料包括过渡金属氧化物。
10.一种电阻式随机存取内存的制造方法，其特征在于，包括：
提供基底；
于所述基底上形成下部电极；
于所述下部电极上形成可变电阻层；
于所述可变电阻层上形成第一氧储存层；
于所述第一氧储存层上形成反应性氧阻挡层；
于所述反应性氧阻挡层上形成第二氧储存层；以及
于所述第二氧储存层形成上部电极，其中所述反应性氧阻挡层的材质包括铝金属或三铝化钛。
11.根据权利要求10所述的电阻式随机存取内存的制造方法，其特征在于，于所述第一氧储存层上形成所述反应性氧阻挡层的步骤后，还包括进行回火制程。
12.根据权利要求11所述的电阻式随机存取内存的制造方法，其特征在于，所述回火制程的温度为300℃～450℃。
13.根据权利要求10所述的电阻式随机存取内存的制造方法，其特征在于，所述第一氧储存层与所述第二氧储存层的材质包括钛。
14.根据权利要求10所述的电阻式随机存取内存的制造方法，其特征在于，所述反应性氧阻挡层的厚度包括1纳米～3纳米。
15.根据权利要求10所述的电阻式随机存取内存的制造方法，其特征在于，所述第一氧储存层与所述第二氧储存层各自的厚度包括10纳米～40纳米。
16.根据权利要求10所述的电阻式随机存取内存的制造方法，其特征在于，所述反应性氧阻挡层与所述可变电阻层之间的所述第一氧储存层的厚度包括10纳米～20纳米。
17.根据权利要求10所述的电阻式随机存取内存的制造方法，其特征在于，还包括于所述第一氧储存层与所述可变电阻层之间形成阻挡层。
18.根据权利要求17所述的电阻式随机存取内存的制造方法，其特征在于，所述阻挡层的材料包括氧化铝。
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