CN114975772A - 可变电阻式存储器装置及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可变电阻式存储器装置(resistive random‑access memory,RRAM)及其形成方法，其中该可变电阻式存储器装置，包含有一底电极、一高功函数层、一电阻材料层、一顶电极以及高功函数间隙壁。底电极、高功函数层、电阻材料层以及顶电极依序堆叠于一基底上，其中电阻材料层包含一底部以及一顶部。高功函数间隙壁覆盖底部的侧壁，因而构成一可变电阻式存储器单元。本发明还提供一种形成此可变电阻式存储器装置的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种可变电阻式存储器装置及其形成方法，且特别是涉及一种应用高功函数间隙壁的可变电阻式存储器装置及其形成方法。
背景技术
在半导体制作工艺的电路中，最基本的可变电阻式存储器是由上下两层金属电极以及中间一层过渡金属氧化物(Transition metal oxide,TMO)所组成，主要的操作原理是利用过渡金属氧化物的阻值，会随着所加偏压改变而产生不同的阻值，而如何辨别内部存储的值，则由内部的阻值高低来做分别。
发明内容
本发明提供一种可变电阻式存储器装置及其形成方法，其形成高功函数间隙壁覆盖电阻材料，以防止介电层中的氧进入电阻材料层中的氧空缺，进而避免影响可变电阻的阻态切换。
本发明提供一种可变电阻式存储器(resistive random-access memory,RRAM)装置，包含有一底电极、一高功函数层、一电阻材料层、一顶电极以及高功函数间隙壁。底电极、高功函数层、电阻材料层以及顶电极依序堆叠于一基底上，其中电阻材料层包含一底部以及一顶部。高功函数间隙壁覆盖底部的侧壁，因而构成一可变电阻式存储器单元。
本发明提供一种形成可变电阻式存储器装置的方法，包含有下述步骤。首先，依序沉积一底电极层、一高功函数材料层、一底电阻层、一顶电阻层以及一顶电极层于一基底上。接着，图案化顶电极层以及顶电阻层，以形成一顶电极以及一电阻材料层的一顶部。接续，形成间隙壁覆盖顶部的侧壁。之后，图案化底电阻层、高功函数材料层以及底电极层，以形成电阻材料层的一底部、一高功函数层以及一底电极。然后，形成高功函数间隙壁覆盖底部的侧壁，因而构成一可变电阻式存储器单元。
基于上述，本发明提供一种可变电阻式存储器装置及其形成方法，其形成高功函数间隙壁覆盖电阻材料层。例如，本发明先依序沉积一底电极层、一高功函数材料层、一底电阻层、一顶电阻层以及一顶电极层于一基底上；图案化顶电极层以及顶电阻层，以形成一顶电极以及一电阻材料层的一顶部，并形成间隙壁覆盖顶部的侧壁；图案化底电阻层、高功函数材料层以及底电极层，以形成电阻材料层的一底部、一高功函数层以及一底电极，并形成高功函数间隙壁，覆盖底部的侧壁，因而构成一可变电阻式存储器单元。因此，本发明可防止包覆可变电阻式存储器单元的介电层中的氧进入电阻材料层中的氧空缺，进而避免影响可变电阻的阻态切换。
附图说明
图1为本发明优选实施例中形成可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；
图2为本发明优选实施例中形成可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；
图3为本发明优选实施例中形成可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；
图4为本发明优选实施例中形成可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；
图5为本发明优选实施例中形成可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图；
图6为本发明优选实施例中形成可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图。
主要元件符号说明
10：间隙壁
10a：间隙壁材料层
20：高功函数间隙壁
100：可变电阻式存储器单元
110：介电层
120：底电极层
120a：底电极
130：高功函数材料层
130a：高功函数层
142：底电阻层
142’：部分
12、142a：底部
144：顶电阻层
22、144a：顶部
150：顶电极层
150a：顶电极
160：层间介电层
R：电阻材料层
S1、S2：侧壁
具体实施方式
图1～图6绘示本发明优选实施例中形成可变电阻式存储器装置的方法的剖面示意图。如图1所示，提供一基底110，其中基底110例如是一硅基底、一含硅基底(例如SiC)、一三五族基底(例如GaN)、一三五族覆硅基底(例如GaN-on-silicon)、一石墨烯覆硅基底(graphene-on-silicon)、一硅覆绝缘(silicon-on-insulator，SOI)基底或一含外延层的基底等半导体基底。在本实施例的图示中仅绘示可变电阻式存储器区的基底110。
依序沉积一底电极层120、一高功函数材料层130、一底电阻层142、一顶电阻层144以及一顶电极层150于基底110上。在本实施例中，底电极层120以及顶电极层150包含氮化钽或氮化钛，而底电阻层142以及顶电阻层144包含金属氧化层。较佳者，底电阻层142以及顶电阻层144可包含氧化钽或氧化铪。在以底电极层120以及顶电极层150为氮化钽或氮化钛且电阻层为金属氧化层的可变电阻式存储器装置的运作机制中，是先以加高压促使部分电阻层形成氧空缺，并再通过改变电压以经由改变氧空缺的分布而造成阻态改变，来进行存储器装置的写入及抹除等操作。在本实施例中，高功函数材料层130为铱，底电阻层142以及顶电阻层144为氧化钽，且底电极层120以及顶电极层150为氮化钽，但本发明不以此为限。特别在本实施例中，底电阻层142为五氧化二钽(Ta2O5)且顶电阻层144为氧化钽(TaOx)，以在后续经高压使氧空缺形成于底电阻层142中。
如图2所示，图案化顶电极层150以及顶电阻层144，以形成一顶电极150a以及一顶部144a，并暴露底电阻层142的部分142’。在本实施例中，顶部144a以及顶电极150a构成一梯型剖面结构，但本发明不以此为限。在其他实施例中，顶部144a以及顶电极150a可例如具有阶梯状的剖面结构。
请参阅图3～图4，形成间隙壁10，覆盖顶部144a的侧壁S1。以避免后续形成于上方的导电结构电连接至顶部144a，造成短路。在一较佳的实施例中，间隙壁10可例如为氮化硅间隙壁，但本发明不限于此。具体而言，可如图3所示，先沉积一间隙壁材料层10a，顺应覆盖底电阻层142、顶部144a以及顶电极150a。接着，蚀刻间隙壁材料层10a，而形成间隙壁10。在本实施例中，间隙壁10重叠且覆盖部分的顶电极150a，以确保隔绝顶部144a，但本发明不限于此。
之后，图案化底电阻层142、高功函数材料层130以及底电极层120，以形成一底部142a、一高功函数层130a以及一底电极120a。如此一来，底部142a以及顶部144a构成一电阻材料层R。在本实施例中，底电极120a、高功函数层130a以及底部142a构成一梯型剖面结构，但本发明不以此为限。在其他实施例中，底电极120a、高功函数层130a以及底部142a可例如具有阶梯状的剖面结构。或者，底电极120a、高功函数层130a、电阻材料层R以及顶电极150a都具有梯型剖面结构，视实际制作工艺或结构所需而定。
形成高功函数间隙壁20，覆盖电阻材料层R的底部142a的侧壁S2，因而构成一可变电阻式存储器单元100。在本实施例中，高功函数间隙壁20为铱，但本发明不以此为限。如此一来，本发明在电阻材料层R的底部142a侧壁形成高功函数间隙壁20，以能避免后续包覆可变电阻式存储器单元100的介电层中的氧扩散进入底部142a中的氧空缺，影响可变电阻的阻态转换。
在优选实施例中，以原位(in-situ)图案化底电阻层142、高功函数材料层130以及底电极层120，以及形成高功函数间隙壁20，以避免制作工艺污染并提高制作工艺效率。在更佳实施例中，在蚀刻以图案化底电阻层142、高功函数材料层130以及底电极层120时，造成高功函数材料层130再溅镀(re-sputtering)，以形成高功函数间隙壁20。以此方法，高功函数材料层130以及高功函数间隙壁20则具有相同材料，例如在本实施例中为铱。在本实施例中，高功函数间隙壁20直接经再溅镀而位于高功函数层130a上。并且，在本实施例中，搭配间隙壁10直接位于电阻材料层R的底部142a上。再者，本实施例的高功函数间隙壁20的顶部22重叠间隙壁10的底部12，以确保不暴露出电阻材料层R，特别是电阻材料层R的底部142a。
如图6所示，形成一层间介电层160，全面覆盖可变电阻式存储器单元R。层间介电层160例如为一氧化层，本发明即通过设置高功函数间隙壁20，以避免层间介电层160中的氧扩散至电阻材料层R的底部142a。之后，在操作可变电阻式存储器单元100之前，对可变电阻式存储器单元100加压，以在底部142a中形成一氧空缺部分，使能操作此可变电阻式存储器单元100。
综上所述，本发明提供一种可变电阻式存储器装置及其形成方法，其形成高功函数间隙壁覆盖电阻材料层，以防止包覆所形成的可变电阻式存储器单元的介电层中的氧进入电阻材料层中的氧空缺，进而避免影响可变电阻的阻态切换。例如，本发明先依序沉积一底电极层、一高功函数材料层、一底电阻层、一顶电阻层以及一顶电极层于一基底上；图案化顶电极层以及顶电阻层，以形成一顶电极以及一电阻材料层的一顶部，并形成间隙壁覆盖顶部的侧壁；图案化底电阻层、高功函数材料层以及底电极层，以形成电阻材料层的一底部、一高功函数层以及一底电极，并形成高功函数间隙壁，覆盖底部的侧壁，因而构成一可变电阻式存储器单元。
较佳者，以原位(in-situ)图案化底电阻层、高功函数材料层以及底电极层，以及形成高功函数间隙壁。更佳者，在蚀刻以图案化底电阻层、高功函数材料层以及底电极层时，同时造成高功函数材料层再溅镀(re-sputtering)，以形成高功函数间隙壁。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。
Claims (20)
1.一种可变电阻式存储器装置，其特征在于，包含有：
底电极、高功函数层、电阻材料层以及顶电极依序堆叠于基底上，其中该电阻材料层包含底部以及顶部；以及
高功函数间隙壁，覆盖该底部的侧壁，因而构成可变电阻式存储器单元。
2.如权利要求1所述的可变电阻式存储器装置，其中该底电极以及该顶电极包含氮化钽或氮化钛。
3.如权利要求1所述的可变电阻式存储器装置，其中该底电极、该高功函数层、该电阻材料层以及该顶电极都具有梯型剖面结构。
4.如权利要求1所述的可变电阻式存储器装置，其中该底电极、该高功函数层以及该底部构成梯型剖面结构，且该顶部以及该顶电极构成另一梯型剖面结构。
5.如权利要求1所述的可变电阻式存储器装置，其中该电阻材料层包含金属氧化层。
6.如权利要求5所述的可变电阻式存储器装置，其中该金属氧化层包含氧化钽或氧化铪。
7.如权利要求1所述的可变电阻式存储器装置，其中该高功函数层以及该些高功函数间隙壁包含相同材料。
8.如权利要求7所述的可变电阻式存储器装置，其中该高功函数层以及该些高功函数间隙壁包含铱。
9.如权利要求1所述的可变电阻式存储器装置，还包含：
间隙壁，覆盖该顶部以及该顶电极侧壁。
10.如权利要求9所述的可变电阻式存储器装置，其中该些间隙壁包含氮化硅间隙壁。
11.如权利要求9所述的可变电阻式存储器装置，其中该些高功函数间隙壁的顶部重叠该些间隙壁的底部。
12.如权利要求9所述的可变电阻式存储器装置，其中该些间隙壁直接位于该电阻材料层的该底部上。
13.如权利要求1所述的可变电阻式存储器装置，其中该些高功函数间隙壁直接位于该高功函数层上。
14.如权利要求1所述的可变电阻式存储器装置，还包含：
层间介电层，全面覆盖该可变电阻式存储器单元。
15.一种形成可变电阻式存储器装置的方法，包含有：
依序沉积底电极层、高功函数材料层、底电阻层、顶电阻层以及顶电极层于基底上；
图案化该顶电极层以及该顶电阻层，以形成顶电极以及电阻材料层的顶部；
形成间隙壁，覆盖该顶部的侧壁；
图案化该底电阻层、该高功函数材料层以及该底电极层，以形成该电阻材料层的底部、高功函数层以及底电极；以及
形成高功函数间隙壁，覆盖该底部的侧壁，因而构成可变电阻式存储器单元。
16.如权利要求15所述的形成可变电阻式存储器装置的方法，其中以原位(in-situ)图案化该底电阻层、该高功函数材料层以及该底电极层，以及形成该些高功函数间隙壁。
17.如权利要求16所述的形成可变电阻式存储器装置的方法，其中在蚀刻以图案化该底电阻层、该高功函数材料层以及该底电极层时，再溅镀(re-sputtering)该高功函数材料层，以形成该些高功函数间隙壁。
18.如权利要求15所述的形成可变电阻式存储器装置的方法，还包含：
对该可变电阻式存储器单元加压，以在该底部中形成氧空缺部分。
19.如权利要求15所述的形成可变电阻式存储器装置的方法，其中该高功函数层以及该些高功函数间隙壁包含铱。
20.如权利要求15所述的形成可变电阻式存储器装置的方法，其中该些间隙壁包含氮化硅间隙壁。
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