CN115117236A - 电阻式随机存取存储器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电阻式随机存取存储器，包括：第一电极层与第二电极层，彼此相对设置；可变电阻层，位于所述第一电极层与所述第二电极层之间；氧交换层，位于所述可变电阻层与所述第二电极层之间；空缺提供层，位于环绕于所述氧交换层的中间侧壁周围；以及空缺驱动电极层，位于所述空缺提供层上，环绕于所述氧交换层的上侧壁周围。
Description
技术领域
本发明实施例涉及一种存储器及其制造方法，尤其涉及一种电阻式随机存取存储器(resistive random access memory，RRAM)及其制造方法。
背景技术
RRAM具有操作速度快、低功耗等优点，因而成为近年来广为研究的一种非易失性存储器。RRAM在进行设置(SET)操作时，对电阻式随机存取存储器施加正电压，可变电阻层中的氧离子在受正电压吸引离开可变电阻层后会进入氧交换层，可变电阻层将产生氧空缺(oxygen vacancy)而形成丝状物(filament)并呈现导通状态，此时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)。当RRAM单元10进行重置(RESET)操作时，对电阻式随机存取存储器施加负偏压，氧交换层中的氧离子会回到可变电阻层之中，使丝状物断裂并呈现非导通状态，此时可变电阻层由LRS转换到HRS。然而，若是可变电阻层之中所产生的氧空缺不足时，将导致低电阻状态(LRS)的电流量不足。此外，可变电阻层之中部分的丝状物很可能在后续的烘烤工艺中被损毁，而造成电阻式随机存取存储器在操作时无法具有足够的电流。虽然，在电阻式随机存取存储器施加较高的操作电压可驱动较多的氧空缺，然而却会造成较大的耗电量。
发明内容
本发明是针对一种电阻式随机存取存储器及其制造方法，可以使得电阻式随机存取存储器具有足够的电流，避免使用过大的操作电压，以降低耗电量。
根据本发明的实施例，一种电阻式随机存取存储器包括第一电极层与第二电极层，彼此相对设置；可变电阻层，位于所述第一电极层与所述第二电极层之间；氧交换层，位于所述可变电阻层与所述第二电极层之间；空缺提供层，位于环绕于所述氧交换层的中间侧壁周围；以及空缺驱动电极层，位于所述空缺提供层上，环绕于所述氧交换层的上侧壁周围。
根据本发明的实施例，一种电阻式随机存取存储器的制造方法，包括在第一电极层上形成可变电阻层；在所述可变电阻层上形成空缺提供层；在所述空缺提供层上形成空缺驱动电极层；在所述空缺驱动电极层中形成第一开口；于所述第一开口中形成第一氧阻挡层；在所述第一氧阻挡层、所述空缺提供层以及所述空缺阻挡层中形成第二开口；于所述第二开口中形成氧交换层；于所述空缺驱动电极层以及所述氧交换层上形成第二氧阻挡层；以及于所述第二氧阻挡层上形成第二电极层。
基于上述，本发明的实施例提供一种电阻式随机存取存储器及其制造方法，通过空缺驱动电极层以及空缺提供层的设置可以增加氧空缺，使得电阻式随机存取存储器具有足够的电流，避免使用过大的操作电压，以降低耗电量。
附图说明
图1A至图1G是依照本发明的实施例的一种电阻式随机存取存储器的制造流程的剖面示意图。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
请参照图1G，电阻式随机存取存储器(RRAM)单元10包括第一电极102、可变电阻层104、第二电极120、空缺阻挡层106、空缺供应层108、空缺驱动电极层110、氧交换层116a、第一氧阻挡层114a以及第二氧阻挡层118。
第一电极102可与下方的导电特征例如是介层窗插塞(via plug)100连接。介层窗插塞100例如是形成在衬底上的金属内连结构的介电层99之中的任一介层窗插塞。介层窗插塞100例如是与最接近衬底的第一层金属层接触的第一层介层窗插塞相同高度的介层窗插塞。衬底可为半导体衬底或半导体上覆绝缘体(SOI)衬底。衬底与第一层金属层之间可以包括其他的组件，例如是晶体管。
第一电极层102与第二电极120相对应设置。第一电极层102与第二电极120的材料可包括金属、金属氮化物、其他材料或其组合。第一电极层102与第二电极120的材料例如是氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钛铝(TiAlN)、钛钨(TiW)合金、铂(Pt)、铱(Ir)、钌(Ru)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、铝(Al)、锆(Zr)、铪(Hf)、镍(Ni)、铜(Cu)、钴(Co)、铁(Fe)、钆(Gd)、锰(Mo)、石墨或上述材料的组合，其形成方法可例如是物理气相沉积法或化学气相沉积法。第一电极层102与第二电极120可以是单层或是多层。第一电极层102与第二电极120的厚度并无特别限制，但通常在5纳米(nm)至500纳米之间。
可变电阻层104位于第一电极层102与第二电极120之间。可变电阻层104可具有以下特性：当施加正电压于电阻式随机存取存储器时，氧离子受正电压的吸引离开可变电阻层104而产生氧空缺，形成丝状物并呈现导通状态，此时可变电阻层104由高电阻状态(HRS)转换到低电阻状态(LRS)。而当施加负偏压于电阻式随机存取存储器时，会有氧离子进入可变电阻层104，使丝状物断裂并呈现非导通状态，此时可变电阻层104由LRS转换到HRS。一般来说，可变电阻层104由HRS转换到LRS称作设置(后称SET)操作，而可变电阻层104由LRS转换到HRS称作重置(后称RESET)操作。可变电阻层104的材料并无特别限制，只要是可以通过电压的施予改变其自身电阻的材料都可以使用。在本实施方式中，可变电阻层104的材料包括金属氧化物，例如氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化镁(MgO)、氧化镍(NiO)、氧化铌(Nb2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化钒(V2O5)、氧化钨(WO3)、氧化锌(ZnO)或氧化钴(CoO)，形成方法例如是化学气相沉积法或是原子层沉积法。在本实施方式中，可变电阻层104的氧含量可为约75原子百分比(at％)至约100原子百分比。可变电阻层104的厚度例如是2nm到10nm。
氧交换层116a位于可变电阻层104与第二电极120之间。氧交换层116a的顶面积小于第二电极120的底面积，且氧交换层116a的底面积小于可变电阻层104的顶面积。氧交换层116a可以是比空缺驱动电极层110以及可变电阻层104更容易和氧键结的材料。氧交换层116a的材料可包括未完全氧化的金属氧化物。换句话说，氧交换层116a本身为含氧离子的金属层。在本实施方式中，氧交换层116a的材料例如可包括TiO2-x、HfO2-x或TaO2-x，其中x为0.2至0.7。氧交换层116a的形成方法例如是化学气相沉积法或是原子层沉积法。
第一氧阻挡层114a与第二氧阻挡层118环绕包覆氧交换层116a的顶面与上侧壁。第一氧阻挡层114a侧向环绕氧交换层116a的上侧壁，位于第二氧阻挡层118与空缺提供层108之间，以及氧交换层116a的上侧壁与空缺驱动电极层110之间。第二氧阻挡层118覆盖氧交换层116a的顶面、第一氧阻挡层114a的顶面以及空缺驱动电极层110的顶面。在本实施方式中，当RRAM单元10进行RESET操作时，第一氧阻挡层114a与第二氧阻挡层118可以阻挡氧交换层116a中的氧离子扩散至第二电极120以及空缺驱动电极层110。第一氧阻挡层114a与第二氧阻挡层118可包括介电常数大于3的高介电常数的介电材料层，例如是氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)或其组合。
空缺提供层108侧向环绕氧交换层116a的中间侧壁，其可提供空缺给氧交换层116a。空缺提供层108的材料可包括未完全氧化的金属氧化物。换句话说，空缺提供层108本身为含氧离子的金属层。空缺提供层108的材料可包括TiOx、TaOx、HfOx、Ta2O5-x或TaO2-x，其中x为0.2至1.8，厚度例如是5nm至50nm。空缺提供层108的形成方法例如是化学气相沉积法或是原子层沉积法。
空缺驱动电极层110位于空缺提供层108上方以及第二电极120下方，并且间隔第一氧阻挡层114a侧向环绕氧交换层116a的上侧壁。空缺驱动电极层110可以驱动下方的空缺提供层108之中的空缺，使其经由氧交换层116a的中间侧壁进入氧交换层116a之中。相较于氧交换层116a与空缺提供层108，空缺驱动电极层110较不易和氧键结。空缺驱动电极层110又可称为惰性空缺驱动电极层110。空缺驱动电极层110可以是单层或是多层。空缺驱动电极层110包括导体材料。导体材料可以是金属或是金属氮化物，例如是铂、铱、钌、铑、钨、钛、铪、钽、氮化铪、氮化钽、氮化钛、氮化钨，或其组合，形成方法例如是物理气相沉积法。在一实施例中，空缺驱动电极层110的顶面与第一氧阻挡层114a的顶面以及氧交换层116a的顶面共平面。空缺驱动电极层110的底面与第一氧阻挡层114a的底面共平面。空缺驱动电极层110的厚度例如是10nm至100nm。
空缺阻挡层106位于空缺提供层108下方以及可变电阻层104上方，且侧向环绕在氧交换层116a的下侧壁周围。空缺阻挡层106可以阻挡空缺提供层108之中的空缺向下扩散，限制空缺提供层108的空缺行经的路经。空缺提供层108的空缺的行经路径是经由氧交换层116a的中间侧壁进入氧交换层116a，再往下行径至可变电阻层104之中。空缺阻挡层106的材料包括介电材料。空缺阻挡层106的介电常数大于4且小于第一氧阻挡层114a与第二氧阻挡层118的介电常数。介电材料例如是含硅的介电材料。含硅的介电材料例如是硅的氮化物、硅的碳化物或其组合。含硅的介电材料例如是氮化硅、碳化硅、碳氮化硅(SiCN)、碳氮氧化硅(SiCON)或其组合。空缺阻挡层106的形成方法例如是化学气相沉积法或是原子层沉积法。
当RRAM单元10进行形成操作(forming operate)时，在第二电极120施加正电压，使得可变电阻层104中的氧离子受正电压吸引离开可变电阻层104后进入氧交换层116a，并在可变电阻层104产生氧空缺，而形成丝状物电流。此外，在第二电极120施加正电压时，空缺驱动电极层110也会驱动下方的空缺提供层108之中的空缺经由氧交换层116a的中间侧壁进入氧交换层116a，再往下行径至可变电阻层104之中，而形成额外的丝状物电流。换句话说，RRAM单元10的电流除了来自可变电阻层104本身氧离子离开所形成的空缺之外，还包括来自空缺提供层108之中的空缺，因此，RRAM单元10具有足够的电流量。
RRAM单元10的制造方法可以参照图1A至图1G说明如下。在本文中，相同或相似的构件使用相同或相似的组件符号，且可以采用相同的材料或方法来形成。举例来说，第一电极层102与102a的构件可以采用相同的材料或方法来形成。
参照图1A，在已形成介层窗插塞100以及介电层99的衬底(未示出)上依序形成第一电极层102、可变电阻层104、空缺阻挡层106、空缺提供层108以及空缺驱动电极层110。
参照图1B，进行光刻与蚀刻工艺，以图案化空缺驱动电极层110，进在空缺驱动电极层110中形成开口112。开口112的底面裸露出空缺提供层108。
参照图1C，于开口112中形成第一氧阻挡层114。第一氧阻挡层114的形成方法例如是在空缺驱动电极层110上以及开口112之中形成第一氧阻挡材料层，然后再进行平坦化工艺，以移除开口112以外的第一氧阻挡材料层。平坦化工艺例如是回蚀刻工艺或是化学机械抛光工艺。
参照图1D，在第一氧阻挡层114、空缺提供层108以及空缺阻挡层106之中形成开口115，并留下第一氧阻挡层114a在开口115的上侧壁。开口115的形成方法可以采用光刻与蚀刻法，以图案化第一氧阻挡层114、空缺提供层108以及空缺阻挡层106。开口115也可以采用以下的方法来形成。对第一氧阻挡层114进行各向异性蚀刻工艺，以形成氧阻挡间隙壁，即第一氧阻挡层114a。之后，以氧阻挡间隙壁(第一氧阻挡层114a)以及空缺驱动电极层110为硬罩幕，进行蚀刻工艺，移除部分的空缺提供层108以及部分的空缺阻挡层106，以形成开口115。
参照图1E与图1F，在空缺驱动电极层110与第一氧阻挡层114a上以及开口115之中形成氧交换层116。然后，进行平坦化工艺，以移除开口115以外的氧交换层116，使氧交换层116留在开口115之中，并使得空缺驱动电极层110与第一氧阻挡层114a裸露出来。平坦化工艺例如是回蚀刻工艺或是化学机械抛光工艺。
参照图1G，在空缺驱动电极层110与第一氧阻挡层114a上形成第二氧阻挡层118与第二电极层120。之后，对第二电极层120、第二氧阻挡层118、空缺驱动电极层110、空缺提供层108、空缺阻挡层106、可变电阻层104以及第一电极层102，以形成电阻式随机存取存储器单元10。
本发明实施例的电阻式随机存取存储器及其制造方法，通过空缺驱动电极层以及空缺提供层的设置可以增加可变电阻层的空缺，进而增加电阻式随机存取存储器的电流，避免使用过大的操作电压，以降低耗电量。此外，由于在初始阶段电阻式随机存取存储器已具有高的电流，因此，纵使有部分的丝状物在后续的烘烤工艺中被损毁，电阻式随机存取存储器在操作时仍可以具有足够的电流。
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 (11)
1.一种电阻式随机存取存储器，其特征在于，包括：
第一电极层与第二电极层，彼此相对设置；
可变电阻层，位于所述第一电极层与所述第二电极层之间；
氧交换层，位于所述可变电阻层与所述第二电极层之间；
空缺提供层，位于环绕于所述氧交换层的中间侧壁周围；以及
空缺驱动电极层，位于所述空缺提供层上，环绕于所述氧交换层的上侧壁周围。
2.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中所述空缺提供层的材料包括TiOx、TaOx、HfOx、Ta2O5-x或TaO2-x，其中x为0.2至1.8。
3.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中所述空缺驱动电极层的材料包括铂、铱、钌、铑、钨、钛、铪、钽、氮化铪、氮化钽、氮化钛、氮化钨，或其组合。
4.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，还包括空缺阻挡层，位于所述可变电阻层与所述空缺提供层之间，环绕所述所述氧交换层的下侧壁周围。
5.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，还包括：
第一氧阻挡层，位于所述氧交换层的所述上侧壁与所述空缺驱动电极层之间；以及
第二氧阻挡层，位于所述第二电极层与所述空缺驱动电极层之间以及所述第二电极层与所述氧交换层之间。
6.一种电阻式随机存取存储器的制造方法，其特征在于，包括：
在第一电极层上形成可变电阻层；
在所述可变电阻层上形成空缺提供层；
在所述空缺提供层上形成空缺驱动电极层；
在所述空缺驱动电极层中形成第一开口；
于所述第一开口中形成第一氧阻挡层；
在所述第一氧阻挡层、所述空缺提供层以及所述空缺阻挡层中形成第二开口；
于所述第二开口中形成氧交换层；
于所述空缺驱动电极层以及所述氧交换层上形成第二氧阻挡层；以及
于所述第二氧阻挡层上形成第二电极层。
7.根据权利要求6所述的电阻式随机存取存储器的制造方法，其中所述空缺提供层的材料包括TiOx、TaOx、HfOx、Ta2O5-x或TaO2-x，其中x为0.2至1.8。
8.根据权利要求6所述的电阻式随机存取存储器的制造方法，其中所述空缺驱动电极层的材料包括铂、铱、钌、铑、钨、钛、铪、钽、氮化铪、氮化钽、氮化钛、氮化钨，或其组合。
9.根据权利要求6所述的电阻式随机存取存储器的制造方法，还包括在所述可变电阻层上形成所述空缺提供层之前，在所述可变电阻层上形成空缺阻挡层。
10.根据权利要求6所述的电阻式随机存取存储器的制造方法，其中在所述第一氧阻挡层、所述空缺提供层以及所述空缺阻挡层中形成所述第二开口的方法包括进行光刻与蚀刻工艺，以图案化所述第一氧阻挡层、所述空缺提供层以及所述空缺阻挡层。
11.根据权利要求6所述的电阻式随机存取存储器的制造方法，其中在所述第一氧阻挡层、所述空缺提供层以及所述空缺阻挡层中形成所述第二开口的方法包括：
对所述第一氧阻挡层进行各向异性蚀刻工艺，以形成氧阻挡间隙壁；以及
以所述氧阻挡间隙壁以及所述空缺驱动电极层为硬罩幕，进行蚀刻工艺，以移除部分的所述空缺提供层以及部分的所述空缺阻挡层。
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