ES2641475T3 - Estructura y método de formación de dispositivo de memoria - Google Patents
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Description
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DESCRIPCION
Estructura y metodo de formacion de dispositivo de memoria
Antecedentes
Campo de la divulgacion
La divulgacion se refiere a estructuras y metodos de formacion de dispositivos de memoria y, en particular, a estructuras y metodos de formacion de dispositivos de memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM, por su sigla inglesa).
Description de la tecnica relacionada
En los ultimos anos, se han popularizado una variedad de productos electronicos, lo cual aumenta en gran medida las demandas de dispositivos de memoria no volatil. El dispositivo de memoria flash es el mas comun de la tecnologla de memoria no volatil. Sin embargo, como los tamanos de dispositivo continuan disminuyendo, el dispositivo de memoria flash se ha topado con problemas como alta tension de funcionamiento, baja velocidad de funcionamiento y mala retention de datos. Como resultado, se ve limitado el desarrollo futuro del dispositivo de memoria flash.
Por lo tanto, se estan desarrollando muchos materiales y aparatos de nuevos dispositivos de memoria no volatil. Los mismos incluyen, por ejemplo, dispositivos de memoria de acceso aleatorio magnetica (MRAM, por su sigla inglesa), dispositivos de memoria de cambio de fase (PCM, por su sigla inglesa), dispositivos de memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM). Entre los dispositivos de memoria no volatil, los RRAM tienen muchas ventajas, tales como bajo consumo de energla, baja tension de funcionamiento, tiempo breve de grabacion y borrado, alta fiabilidad, tiempo prolongado de retencion, lectura no destructiva, memoria multiestado, simplicidad de proceso y requerir solo una pequena area.
Las formas de realization de la invention de acuerdo con la Patente de Estados Unidos No. 8 288 297 B1 relacionadas con dispositivos de memoria no volatil y metodos para fabricarlos incluyen procesos optimizados de deposition de capa atomica para formar pilas de pellcula de oxido metalico. Las pilas de pellcula de oxido metalico contienen una capa de acoplamiento dispuesta sobre una capa anfitrion, y cada capa tiene diferentes estructuras/tamanos de grano. La interfaz dispuesta entre las capas de oxido metalico facilita el movimiento de las vacantes de oxlgeno. En muchos ejemplos, la interfaz es de granos desalineados, que contienen numerosos llmites de grano extendidos paralelos a las interfaces de electrodos, en contraste con los granos de la pellcula a granel que se extienden perpendiculares a las interfaces de electrodos. Como resultado, las vacantes de oxlgeno quedan atrapadas y se liberan durante la conmutacion sin perdida significativa de las mismas. Por lo tanto, se considera que las pilas de pellcula de oxido metalico tienen mejor desempeno de conmutacion y fiabilidad en las aplicaciones de celdas de memoria, en comparacion con las tradicionales pilas basadas en oxido de hafnio de las celdas de memoria anteriores.
En la patente WO 2013/152088 A1, se divulga un metodo para formar una estructura de dispositivo de telururo de germanio y antimonio (GST por su sigla inglesa) que incluye un sustrato con un orificio limitado en un extremo por un electrodo inferior. El metodo incluye: depositar en el orificio, en condiciones efectivas para ello, material GST de caracter cristalino, de manera que el mismo se expanda adhesivamente y de manera selectiva sobre sobre el electrodo inferior y de all! en mas se deposite en el orificio, sobre el material GST de caracter cristalino, un material GST de caracter amorfo, de manera que el orificio contenga un material GST total que comprenda el de caracter cristalino y el de caracter amorfo, donde el material GST de caracter cristalino constituye entre el 25% y el 90% de volumen del material GST total. Tal metodo se considera util para aplicarlo en la formacion de dispositivos de memoria de cambio de fase GST, en que se minimizan los huecos, las separaciones y las costuras del material GST.
Sin embargo y de todas maneras, es necesario que mejoren mas el rendimiento y el funcionamiento de los dispositivos RRAM.
La patente WO 2011/024271 A1 divulga un elemento de memoria no volatil que comprende una primera capa conductora, una segunda capa conductora dispuesta de frente a la primera, y una capa de resistencia variable situada entre las capas conductoras primera y segunda.
La capa de resistencia variable tiene un primer grano de cristal que esta en contacto tanto con la primera capa conductora como con la segunda capa conductora, y un segundo grano de cristal adyacente al primero y en contacto tanto con la primera capa conductora como con la segunda capa conductora.
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El ilmite formado entre el primer grano de cristal y el segundo grano de cristal esta en contacto tanto con la primera capa conductora como con la segunda capa conductora. Como resultado, el elemento de memoria no volatil es apto para el almacenamiento y el borrado estables, incluso al reducirlo de tamano.
Breve resumen de la divulgacion
La invencion defines un dispositivo de memoria y a metodo para formarlo de acuerdo con las reivindicaciones independientes 1 y 6. El dispositivo de memoria incluye un primer electrodo, un segundo electrodo y una capa resistiva posicionada entre ambos. La capa resistiva tiene una porcion cristalina. La proporcion de volumen de la porcion cristalina respecto de la capa resistiva esta en un rango entre 0,2 y 1. Se caracteriza en que la porcion cristalina comprende una pluralidad de granos cristalinos y estos estan rodeados por una porcion amorfa de la capa resistiva.
El metodo de acuerdo con la reivindicacion independiente 6 incluye formar una capa resistiva sobre un primer electrodo. La capa resistiva tiene una porcion cristalina, y la proporcion de volumen de esta respecto de la capa resistiva esta en un rango de entre 0,2 y 1. El metodo tambien incluye formar un segundo electrodo sobre la capa resistiva. Se caracteriza en que la porcion cristalina comprende una pluralidad de granos cristalinos y estos estan rodeados por una porcion amorfa de la capa resistiva.
En las siguientes formas de realizacion, se da una descripcion detallada haciendo referencia a las figuras que acompanan.
Breve descripcion de las figuras
La presente divulgacion puede comprenderse mas plenamente leyendo la descripcion detallada y los ejemplos subsiguientes haciendo referencia a las figuras que acompanan.
La FIGURA 1A es una vista de seccion transversal de un dispositivo de memoria, de acuerdo con algunas formas de realizacion.
La FIGURA 1B es una vista de seccion transversal de un dispositivo de memoria, de acuerdo con algunas formas de realizacion.
La FIGURA 2 es una curva I-V obtenida de un dispositivo de memoria, de acuerdo con algunas formas de realizacion.
La FIGURA 3 es una curva I-V obtenida de un dispositivo de memoria.
La FIGURA 4 es una vista de seccion transversal de un dispositivo de memoria, de acuerdo con algunas formas de realizacion.
La FIGURA 5 es una vista superior que muestra una microestructura de una capa resistiva de un dispositivo de memoria, de acuerdo con algunas formas de realizacion.
Descripcion detallada de la divulgacion
Debe entenderse que la siguiente divulgacion proporciona muchos ejemplos diferentes que se describen como formas de realizacion para implementar las diferentes caracterlsticas de la divulgacion.
Mas adelante se exponen ejemplos de componentes y disposiciones que son especlficos para simplificar la presente divulgacion. Por supuesto, se trata meramente de ejemplos que no pretenden ser limitativos. Mas aun, en la descripcion que sigue, el desempeno de un primer proceso antes de un segundo proceso puede incluir formas de realizacion en las que el segundo proceso se implementa inmediatamente despues del primero y tambien formas de realizacion en que 'pueden implementarse procesos adicionales entre los procesos primero y segundo. Las diversas caracterlsticas pueden testar trazadas arbitrariamente en diferentes escalas en aras de la simplicidad y la claridad. Asimismo, en la descripcion que sigue, la formacion de una primera caracterlstica sobre o en una segunda caracterlstica incluye formas de realizacion en que las caracterlsticas primera y segunda se forman en contacto directo, y tambien formas de realizacion en que pueden formarse caracterlsticas adicionales entre la primera y la segunda, de manera que las caracterlsticas primera y segunda pueden no estar en contacto directo.
Se describen algunas variaciones de las formas de realizacion. En todas las diversas vistas y formas de realizacion ilustrativas, se emplean numeros de referencia iguales para designar elementos iguales.
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De acuerdo con algunas formas de realizacion, las FIGURAS 1A y 1B son vistas de seccion transversal de un dispositivo de memoria 100 en un estado de baja resistencia y uno de alta resistencia, respectivamente. En algunas formas de realizacion, el dispositivo de memoria 100 es un dispositivo de memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM). Tal como se muestra en la FIGURA 1A, el dispositivo de memoria 100 incluye un electrodo 102, un electrodo 106 y una capa resistiva 104 entre ellos.
En algunas formas de realizacion, la capa resistiva 104 esta hecha de material dielectrico y habitualmente tiene aislacion electrica. Sin embargo, la capa resistiva 104 puede volverse electrica conductora despues de aplicarle una tension suficientemente alta. Por ejemplo, a traves de un proceso de formation, pueden producirse filamentos conductores o vlas conductoras en la capa resistiva 104. Cuando los filamentos conductores o las vlas conductoras se extienden hacia los electrodos y conectan el electrodo 102 y el electrodo 106, puede reducirse significativamente la resistencia de la capa resistiva 104. Posteriormente, se aplica una tension inversa para destruir parcialmente los filamentos conductores o las vlas conductoras que se hayan formado, de manera que aumente la resistencia de la capa resistiva 104.
La FIGURA 2 es una curva I-V obtenida de un dispositivo de memoria, de acuerdo con algunas formas de realizacion. En algunas formas de realizacion, se implementa un proceso de formacion en el dispositivo de memoria 100. Por ejemplo, tal como se muestra en las FIGURAS 2 y 1A, se aplica una tension gradualmente creciente a traves del electrodo 102 y el electrodo 106. La tension puede inducir iones (tales como iones de oxlgeno y/o iones de nitrogeno) cargados negativamente, en la capa resistiva 104, para mover los electrodos de manera que se formen en la capa resistiva 104 una serie de vacantes 108 (tales como vacantes de oxlgeno y/o vacantes de nitrogeno). Cuando aumenta la tension hasta el nivel de una tension formadora Vf, esas vacantes 108 pueden conectarse y convertirse en un filamento conductor 109 que conecta los electrodos 102 y 106 como para crear una via conductora. Como resultado, puede aumentar significativamente la corriente que pasa a traves de la capa resistiva 104.
Tal como se muestra en la FIGURA 1B, en algunas formas de realizacion, se aplica una tension inversa a traves del electrodo 106 y el electrodo 102 para restablecer la capa resistiva 104 de manera que su resistencia retroceda al estado de alta resistencia. Por ejemplo, la tension inversa puede quebrar una portion del filamento conductor 109 de manera que desaparezca la via conductora formada por las vacantes 108. Por lo tanto, la resistencia de la capa resistiva 104 puede ajustarse mediante la aplicacion de tension. Los datos se almacenan en la capa resistiva 104. Detectando la corriente que pasa a traves de la capa resistiva 104, puede obtenerse su information de resistencia. Por lo tanto, tambien se obtienen los datos almacenados.
Como ya se menciono, una vez activada la capa resistiva 104 mediante el proceso de formacion para producir en ella defectos (tales como las vacantes 108), puede cambiarse el estado de resistencia de la capa resistiva 104 aplicando tension. Sin embargo, no todos los dispositivos de memoria son aptos para activarlos satisfactoriamente en las mismas condiciones. En algunos casos, los dispositivos de memoria de la misma oblea no pueden activarse satisfactoriamente en el mismo proceso de formacion.
La FIGURA 3 es una curva I-V obtenida de un dispositivo de memoria. Tal como se muestra en la FIGURA 3, incluso si la tension aplicada es superior a la tension formadora, Vf, predeterminada la corriente que pasa a traves de la capa resistiva de todas maneras no aumenta significativamente. Eso significa que las vacantes no forman satisfactoriamente la via conductora entre los electrodos mediante el proceso de formacion. Como resultado, disminuye el rendimiento del dispositivo de memoria. En algunos casos, puede haber una cantidad de dispositivos de memoria que no se activan satisfactoriamente en el proceso de formacion.
No esta claro el motivo por el cual no puede formarse satisfactoriamente el filamento conductor. Puede deberse a la estructura amorfa de la capa resistiva. Durante el proceso de formacion, la estructura amorfa puede ocasionar el choque de los iones (tales como los iones de oxlgeno y/o los iones de nitrogeno) cargados negativamente al aproximarse a los electrodos.
Como resultado, las vacantes no se forman facilmente en la capa resistiva y, por lo tanto, no puede producirse de manera uniforme el filamento conductor.
A fin de mejorar el rendimiento del dispositivo de memoria, las formas de realizacion de la divulgation forman una porcion cristalina en la capa resistiva del dispositivo de memoria. Por lo tanto, el filamento conductor puede producirse mas facilmente en la capa resistiva.
La FIGURA 4 es una vista de seccion transversal de un dispositivo de memoria 200, de acuerdo con algunas formas de realizacion. En algunas formas de realizacion, se forma un electrodo 202 sobre un sustrato 201. El sustrato 201 puede incluir uno de semiconductores u otro adecuado. En algunas formas de realizacion, el sustrato 201 es una oblea de semiconductores, tal como una oblea de sllice. En algunas formas de realizacion, el material del electrodo 202 incluye nitruro metalico. En algunas formas de realizacion, el material del electrodo 202 incluye nitruro de titanio
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(TiN), platino (Pt), cobre de aluminio (AlCu), titanio (Ti), oro (Au), tantalio (Ta), nitruro de tantalio (TaN), tungsteno (W), nitruro de tungsteno (WN), cobre (Cu), otros materiales conductores adecuados o una combinacion de los mismos. En algunas formas de realizacion, se deposita un material conductor sobre el sustrato 201 para formar el electrodo 202. Por ejemplo, puede emplearse un proceso de aplicacion de patrones para conformar el material conductor en el electrodo deseado. En algunas formas de realizacion, el material conductor se deposita usando un proceso flsico de deposicion de vapor, un proceso de electrodeposicion, un proceso qulmico de deposition de vapor, un proceso de revestimiento giratorio otros procesos aplicables o combinaciones de los mismos.
Posteriormente, tal como se muestra en la FIGURA 4, se forma una capa resistiva 204 sobre el electrodo 202, de acuerdo con algunas formas de realizacion. El material de la capa resistiva 204 puede incluir oxido, nitruro, otro material dielectrico adecuado o una combinacion de ellos. Por ejemplo, el material de la capa resistiva 204 incluye oxido de hafnio, oxido de zirconio, oxido de titanio, oxido de tantalio, oxido de tungsteno, oxido de aluminio, oxido de zinc, oxido de nlquel, oxido de cobre, otro material adecuado o una combinacion de ellos.
En algunas formas de realizacion, se deposita un material dielectrico sobre el electrodo 202 para formar la capa resistiva 204. El material dielectrico puede depositarse usando un proceso de deposicion de capa atomica (ALD por su sigla inglesa), un proceso qulmico de deposicion de vapor (CVD por su sigla inglesa), un proceso flsico de deposicion de vapor (PVD), un proceso de revestimiento giratorio, un proceso de rociado, otros procesos aplicables o una combinacion de ellos. En algunas formas de realizacion, al material dielectrico depositado se le aplica un patron, de manera que la capa resistiva 204 tiene la forma deseada.
En algunas formas de realizacion, el material dielectrico depositado se cristaliza al menos parcialmente de manera que la capa resistiva 204 tiene una portion cristalina. La FIGURA 5 es una vista superior que muestra una microestructura de una capa resistiva de un dispositivo de memoria, de acuerdo con algunas formas de realizacion. Tal como se muestra en la FIGURA 5, la capa resistiva 204 tiene una porcion cristalina 210. En algunas formas de realizacion, la porcion cristalina 210 incluye multiples granos cristalinos 212. Esos granos cristalinos 212 pueden estar separados unos de otros, conectados entre si o parcialmente conectados y parcialmente separados. En algunas formas de realizacion, la capa resistiva 204 tambien tiene una porcion amorfa 208. En algunas formas de realizacion, esos granos cristalinos 212 estan rodeados por la porcion amorfa 208. En algunas formas de realizacion, una proportion de volumen de la porcion cristalina 210 respecto de la capa resistiva 204 esta en el rango de aproximadamente entre 0,2 y 1. De acuerdo con algunas formas de realizacion, en una imagen microscopica de electron de transmision (TEM, por su sigla inglesa), una proporcion de area de la porcion cristalina 210 respecto de la capa resistiva 204 esta en el rango de aproximadamente entre 0,2 y 1. En algunas formas de realizacion, una proporcion de volumen de la porcion cristalina 210 respecto de la capa resistiva 204 esta en el rango de aproximadamente 0,4 y 0,8. De acuerdo con algunas formas de realizacion, en una imagen TEM, una proporcion de area de la porcion cristalina 210 respecto de la capa resistiva 204 esta en el rango de aproximadamente 0,4 y 0,8. En algunas formas de realizacion, la capa resistiva 204 se cristaliza por completo como para no tener sustancialmente ninguna porcion amorfa.
En algunas formas de realizacion, el material de la capa resistiva 204 incluye oxido de hafnio. En algunas formas de realizacion, el material de la capa resistiva 204 es HfOx, donde x esta en el rango de aproximadamente 0,2 y 1,8. En algunas formas de realizacion, el material de la capa resistiva 204 incluye oxido de aluminio (A^Oa) u oxido de zirconio (ZrO2). En algunas formas de realizacion, los granos cristalinos 212 tienen (pero sin limitarse a ello) una fase cristalina de fase monocllnica. En algunas formas de realizacion, un tamano promedio de los granos cristalinos 212 esta en el rango de aproximadamente 2 nm y 50 nm. En algunas otras formas de realizacion, el tamano promedio de los granos cristalinos 212 esta en el rango de aproximadamente 10 nm y 40 nm.
Pueden utilizarse una variedad de metodos adecuados para hacer la capa resistiva 204 que incluye la porcion cristalina 210. En algunas formas de realizacion, durante la deposicion del material dielectrico para formar la capa resistiva 204, la temperatura de deposicion se establece en un rango de entre aproximadamente 325 grados C y 450 grados C. Como resultado, la capa resistiva 204 formada puede tener una microestructura similar a la ilustrada en las formas de realizacion expuestas en la FIGURA 5. En esos casos, la porcion cristalina 210 de la capa resistiva 204 se forma simultaneamente con la deposicion de esta ultima. En algunas formas de realizacion, la temperatura de deposicion de la capa resistiva 204 esta en el rango de aproximadamente 350 grados C y 400 grados C. en algunas otras formas de realizacion, la porcion cristalina 210 de la capa resistiva 204 se forma por medio de un proceso de cristalizacion adicional, despues de la deposicion de la capa resistiva 204. Por ejemplo, despues de la deposicion de la capa resistiva 204, puede utilizarse un proceso de calentamiento para cristalizarla al menos parcialmente.
Las formas de realizacion de la divulgation tienen muchas variaciones. Por ejemplo, la cristalizacion de la capa resistiva 204 no esta limitada a usar el proceso de calentamiento. En algunas formas de realizacion, se usa radiation (tal como luz ultravioleta, luz infrarroja y/o luz de laser) para cristalizar al menos parcialmente la capa resistiva 204.
Posteriormente, tal como se muestra en la FIGURA 4, se forma un electrodo 206 sobre la capa resistiva 204, de acuerdo con algunas formas de realizacion. El material del electrodo 206 incluye nitruro metalico. En algunas formas
de realizacion, el material del electrodo 206 incluye nitruro de titanio (TiN), platino (Pt), cobre de aluminio (AlCu), titanio (Ti), oro (Au), tantalio (Ta), nitruro de tantalio (TaN), tungsteno (W), nitruro de tungsteno (WN), cobre (Cu), otros materiales conductores o una combinacion de los mismos. En algunas formas de realizacion, se deposita un material conductor sobre la capa resistiva 204 para formar el electrodo 206. Por ejemplo, puede utilizarse un proceso 5 de aplicacion de patrones para conformar el material conductor en el electrodo deseado. En algunas formas de realizacion, el material conductor se deposita usando un proceso flsico de deposicion por vapor, un proceso de electrodeposicion, un proceso qulmico de deposicion por vapor, un proceso de revestimiento giratorio, otros procesos aplicables o una combinacion de los mismos.
Las formas de realizacion de la divulgacion tienen muchas variaciones. Por ejemplo, pueden formarse otras capas 10 de material (tal como una capa de bufer y/o una capa de barrera) entre el electrodo y la capa resistiva.
En algunas formas de realizacion, como la porcion cristalina de la capa resistiva 204 tiene una proporcion de volumen de mas de aproximadamente 0,2, se forman mas facilmente las vacantes en la capa resistiva 204, lo cual contribuye a la formacion de filamentos conductores. Por lo tanto, puede mejorar mas el rendimiento de dispositivo de memoria.
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Claims (9)
- 51015202530REIVINDICACIONES1. Un dispositivo de memoria, que comprende: un primer electrodo (202); un segundo electrodo (206); y una capa resistiva (204) posicionada entre ambos, donde la capa resistiva (204) tiene una porcion cristalina (210), donde la porcion cristalina (210) comprende una pluralidad de granos cristalinos (212), y los granos cristalinos (212) estan rodeados por una porcion amorfa (208) de la capa resistiva (204), y caracterizada en que una proportion de volumen de la porcion cristalina (210) respecto de la capa resistiva (204) esta en el rango de entre 0,2 y 1.
- 2. El dispositivo de memoria de acuerdo con la reivindicacion 1, donde un tamano de grano promedio de los granos cristalinos (212) esta en el rango de entre 2 nm y 50 nm.
- 3. El dispositivo de memoria de acuerdo con la reivindicacion 1, donde la capa resistiva (204) comprende oxido de hafnio.
- 4. El dispositivo de memoria de acuerdo con la reivindicacion 1, donde los granos cristalinos (212) tienen una fase cristalina de fase monicllnica.
- 5. El dispositivo de memoria de acuerdo con la reivindicacion 1, donde una proporcion de area de la porcion cristalina (210) respecto de la capa resistiva (204) esta en el rango de entre 0,2 y 1.
- 6. Un metodo para formar un dispositivo de memoria, que comprende: formar una capa resistiva (204) sobre un primer electrodo (202), donde la capa resistiva (204) tiene una porcion cristalina (210), y una proporcion de volumen de la misma respecto de la capa resistiva (204) esta en el rango de aproximadamente entre 0,2 y 1; y formar un segundo electrodo (206) sobre la capa resistiva (204), donde la porcion cristalina (210) comprende una pluralidad de granos cristalinos (212), y los granos cristalinos (212) estan rodeados por una porcion amorfa (208) de la capa resistiva (204).
- 7. El metodo para formar un dispositivo de memoria de acuerdo con la reivindicacion 6, donde el paso de formar la capa resistiva (204) comprende: depositar un material dielectrico sobre el primer electrodo (202); y cristalizar al menos parcialmente el material dielectrico para formar la capa resistiva (204).
- 8. El metodo para formar un dispositivo de memoria de acuerdo con la reivindicacion 7, donde el paso de cristalizar al menos parcialmente el material dielectrico comprende depositarlo a una temperatura de deposition en un rango de entre 325 grados C y 450 grados C.
- 9. El metodo para formar un dispositivo de memoria de acuerdo con la reivindicacion 7, donde la porcion cristalina (210) comprende una pluralidad de granos cristalinos (212), y un tamano de grano promedio de los granos cristalinos (212) esta en el rango de entre 2 nm y 50 nm.
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