JP6270926B2 - 抵抗性メモリおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、メモリおよびその製造方法に関するものであり、特に、抵抗性メモリおよびその製造方法に関するものである。
近年、抵抗性ランダムアクセスメモリ（resistive random access memory, RRAM）を含む抵抗性メモリが急速に発展し、最も注目を集めており、次世代メモリ市場において最も普及するメモリとなる可能性がある。低消費電力、高操作速度、高密度、および相補型金属酸化膜半導体（complementary metal oxide semiconductor, CMOS）製造技術との互換性といった潜在的利点により、抵抗性メモリは、次世代の不揮発性メモリ装置として活用することができる。
既存の抵抗性メモリは、通常、互いに対向して配置された上部電極と下部電極、および上部電極と下部電極の間に設置された誘電体層を含む。既存の抵抗性メモリを操作する前に、形成（forming）プロセス、すなわち、抵抗性メモリに比較的高い正バイアスを印加する必要があるため、誘電体層に酸素空孔（oxygen vacancy）や酸素イオン（oxygen ion）が生成され、その後、導電性フィラメント（filament）が形成される。リセット（reset）プロセスにおいて、抵抗性メモリに負バイアスを印加すると、それによって、導電性フィラメントが破壊される。この時、上部電極に隣接する酸素空孔が再充填され（または酸素イオンが電流経路から離脱し）、その結果、上部電極に近い位置で導電性フィラメントが破壊される。反対に、設定（set）プロセスにおいて、抵抗性メモリに正バイアスを印加すると、誘電体層に酸素空孔または酸素イオンがもう一度生成され、新しい導電性フィラメントが再度形成される。
従来のＲＲＡＭ製造プロセスにおいて、メモリセル（cell）は、エッチングプロセスにより定義されるため、エッチングプロセスのプラズマ処理工程または湿式洗浄工程において、メモリセルの側壁にダングリングボンド（dangling bond）を形成しやすい。リセットプロセスの間、ダングリングボンドが酸素空孔または酸素イオンと結合するため、リセット失敗が生じる。そのため、メモリセルの側壁を保護して、リセット失敗を防ぎ、高温データ保持（high-temperature data retention, HTDR）をさらに高めることのできる抵抗性メモリおよびその製造法をいかにして提供するかが、本分野において重要な研究課題と一つとなっている。
本発明は、メモリセルの側壁を保護して、リセット失敗を防ぎ、ＨＴＤＲをさらに高めることのできる抵抗性メモリおよびその製造方法を提供する。
本発明の１つの実施形態において、第１電極、第２電極、可変抵抗層、酸素交換層、および保護層を含む抵抗性メモリを提供する。第１電極および第２電極は、互いに対向して配置される。可変抵抗層は、第１電極と第２電極の間に配置される。酸素交換層は、可変抵抗層と第２電極の間に配置される。保護層は、酸素交換層の少なくとも側壁に配置される。
本発明の１つの実施形態において、抵抗性メモリの製造方法は、以下のステップを含む。互いに対向する第１電極および第２電極を形成する。第１電極と第２電極の間に可変抵抗層を形成する。可変抵抗層と第２電極の間に酸素交換層を形成する。酸素交換層の側壁を少なくとも覆う保護層を形成する。
以上のように、酸素交換層が第１誘電体層の開口を充填することによって、エッチングプロセスにおけるプラズマ処理工程または湿式洗浄工程により酸素交換層の側壁が損傷するのを防ぐことができる。そのため、酸素交換層の側壁の平坦度をさらに高めることができる。また、高誘電率保護層が酸素交換層の側壁を覆うことによって、保護層が酸素交換層の側壁を保護するだけでなく、酸素交換層に酸素を提供して、フィラメントが酸素交換層の中心から離れないようにすることもできるため、電流密度を増やし、ＨＴＤＲをさらに高めることができる。
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
以下、本発明の実施形態を示した図面を参照しながら、本発明について説明する。本発明は、多くの異なる方法により達成することができるため、ここで説明した実施形態のみに限定されるべきではない。図面においては、明確に示すため、層および領域の厚さを拡大する。同じまたは類似する参照番号は、同じまたは類似する装置を示すため、これらの同じまたは類似する装置については、以下の各段落において説明を省略する。
図１（ａ）〜図１（ｉ）は、本発明の１つの実施形態に係る抵抗性メモリの製造方法を示す概略的断面図である。
図１（ａ）を参照すると、誘電体層１０２の中にビア（via）１０４を形成する。詳しく説明すると、ビア１０４は、以下の工程により形成される。例えば、まず、誘電体層１０２の中にビア開口（図示せず）を形成する。ビア開口の中にバリア層１０４ｂをコンフォーマルに（conformally）形成する。ビア開口をプラグ１０４ａで充填して、誘電体層１０２とプラグ１０４ａの間にバリア層１０４ｂを配置する。１つの実施形態において、プラグ１０４ａおよびバリア層１０４ｂをビア１０４とみなしてもよい。図１（ａ）では、１つのビアのみを示しているが、本発明はこれに限定されない。別の実施形態において、ビアの数は、実際の要求に基づいて調整されてもよい。１つの実施形態において、プラグ１０４ａの材料は、金属材料を含み、例えば、タングステンであってもよく、プラグ１０４ａは、例えば、化学蒸着（chemical vapor deposition, CVD）により形成されてもよい。バリア層１０４ｂの材料は、例えば、窒化タングステン、窒化チタン、窒化タンタル、またはその組み合わせであり、バリア層１０４ｂの形成方法は、例えば、ＣＶＤであってもよい。誘電体層１０２の材料は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはその組み合わせであり、誘電体層１０２は、例えば、ＣＶＤにより形成されてもよい。
誘電体層１０２の上に第１電極１０６、可変抵抗層１０８、および第１誘電体層１１０を順番に形成する。第１電極１０６の材料は、窒化チタン（ＴｉＮ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ガドリニウム（Ｙ）、マンガン（Ｍｏ）、またはその組み合わせを含み、第１電極１０６は、例えば、物理蒸着（physical vapor deposition, PVD）またはＣＶＤにより形成されてもよい。可変抵抗層１０８の材料は、酸化ハフニウム（例えば、ＨｆＯまたはＨｆＯ2）、酸化ランタン、酸化ガドリニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニッケル、酸化タングステン、酸化銅、酸化コバルト、酸化鉄、酸化アルミニウム、またはその組み合わせを含み、可変抵抗層１０８は、例えば、ＣＶＤにより形成されてもよい。第１誘電体層１１０の材料は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはその組み合わせであり、第１誘電体層１１０は、例えば、原子層堆積（atomic layer deposition, ALD）またはＣＶＤにより形成されてもよい。
図１（ｂ）を参照すると、第１誘電体層１１０ａの中に開口１０を形成し、開口１０は、可変抵抗層１０８の上面を露出する。開口１０は、ビア１０４に対応し、後でメモリセル１２０が形成される領域を定義するために使用される（図１１に示す）。
図１（ｃ）を参照すると、誘電体層１０２の上に保護層１１２をコンフォーマルに形成する。保護層１１２は、第１誘電体層１１０ａの上面および開口１０の表面を覆う。本発明の１つの実施形態において、保護層１１２の材料は、高誘電率材料を含む。高誘電率材料は、酸化金属を含んでもよく、酸化金属は、例えば、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化ガドリニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニッケル、酸化タングステン、酸化銅、酸化コバルト、酸化鉄、酸化アルミニウム、またはその組み合わせであってもよい。保護層１１２を形成する方法は、例えば、ＡＬＤまたはＣＶＤであってもよく、保護層１１２の厚さは、０．３ｎｍ〜２ｎｍの範囲内であってもよい。
図１（ｄ）を参照すると、保護層１１２の上に酸素交換層１１４を形成する。開口１０は、酸素交換層１１４で充填され、酸素交換層１１４は、保護層１１２の表面を覆うため、酸素交換層１１４と第１誘電体層１１０ａの間に保護層１１２が設置される。酸素交換層１１４の材料は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはその組み合わせを含み、酸素交換層１１４は、例えば、ＰＶＤまたはＣＶＤにより形成されてもよい。注意すべきこととして、酸素交換層１１４が開口１０を充填することによって、エッチングプロセスにおけるプラズマ処理工程または湿式洗浄工程により酸素交換層の側壁が損傷するのを防ぐことができる。そのため、酸素交換層１１４の側壁の平坦度を高めることができる。さらに、ダングリングボンドが生成されない。そのため、ここで提供するように、リセット失敗を防ぐことができ、ＨＴＤＲを高めることができる。
図１（ｄ）および図１（ｅ）を参照すると、平坦化工程を行って酸素交換層１１４の一部を除去し、保護層１１２の上面を露出する。本発明の１つの実施形態において、平坦化工程は、例えば、エッチバック（etch back）工程または化学機械研磨（chemical mechanical polishing, CMP）工程である。
図１（ｆ）を参照すると、酸素交換層１１４ａの上にバリア層１１６を形成する。１つの実施形態において、バリア層１１６の材料は、酸化金属を含む。別の実施形態において、バリア層１１６の材料は、酸窒化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、またはその組み合わせを含んでもよい。例えば、バリア層１１６が酸窒化チタンで作られる場合、窒化処理工程を行うことができるため、酸窒化チタンが酸素交換層１１４ａの上面に単に形成される。あるいは、例えば、バリア層１１６がアルミニウムで作られる場合、堆積工程を行うことができるため、酸化アルミニウムが酸素交換層１１４ａの上面を覆うだけでなく、保護層１１２の上面（図示せず）も覆う。言及すべきこととして、設定またはリセットプロセス中、バリア層１１６は、大電流が酸素交換層１１４ａを通過することによってフィラメントが不均一になるのを防ぐことができる。
図１（ｇ）を参照すると、保護層１１２およびバリア層１１６の上に第２電極１１８を形成する。第２電極１１８の材料は、窒化チタン（ＴｉＮ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ガドリニウム（Ｙ）、マンガン（Ｍｏ）、またはその組み合わせを含んでもよく、第１電極１０６は、例えば、ＰＶＤまたはＣＶＤにより形成されてもよい。
図１（ｇ）および図１（ｈ）を参照すると、パターン化プロセスを行って、第２電極１１８の一部、保護層１１２の一部、第１誘電体層１１０ｂの一部、可変抵抗層１０８の一部、および第１電極１０６の一部を除去し、それにより、誘電体層１０２の上面を露出して、さらにメモリセル１２０を形成する。
図１（ｉ）を参照すると、メモリセル１２０の上面および側面、および誘電体層１２０の上面（図示せず）に金属酸化層１１２をコンフォーマルに形成する。金属酸化層１１２（図示せず）の上に、ブランケット的な方法で、誘電体層１２４を形成する。その後、第２電極１１８ａを停止層として使用して、平坦化工程を行い、金属酸化層１２２の一部および誘電体層１２４の一部を除去するとともに、第２電極１１８ａの上面を露出する、本発明の１つの実施形態において、金属酸化層１２２の材料は、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化ガドリニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニッケル、酸化タングステン、酸化銅、酸化コバルト、酸化鉄、酸化アルミニウム、またはその組み合わせを含んでもよく、金属酸化層１２２は、例えば、ＡＬＤまたはＣＶＤにより形成されてもよい。誘電体層１２４の材料は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはその組み合わせであり、誘電体層１２４は、例えば、ＣＶＤにより形成されてもよい。
図１（ｉ）を参照すると、誘電体層１０２、ビア１０４、金属酸化層１２２、誘電体層１２４、およびメモリセル１２０を含む抵抗性メモリ１００を提供する。ビア１０４は、誘電体層１０２の中に配置される。メモリセル１２０は、ビア１０４の上に配置される。誘電体層１２４は、メモリセル１２０の隣に配置される。金属酸化層１２２は、誘電体層１２４とメモリセル１２０の間、および誘電体層１２４と誘電体層１０２の間に配置される。
メモリセル１２０は、第１電極１０６ａと、第２電極１１８ａと、可変抵抗層１０８ａと、第１誘電体層１１０ｂと、酸素交換層１１４ａと、バリア層１１６と、保護層１１２ａとを含む。第１電極１０６ａおよび第２電極１１８ａは、互いに対向して配置される。可変抵抗層１０８ａは、第１電極１０６ａと第２電極１１８ａの間に配置される。酸素交換層１１４ａは、可変抵抗層１０８ａと第２電極１１８ａの間に配置される。第１誘電体層１１０ｂは、酸素交換層１１４ａの隣および可変抵抗層１０８ａの上に配置される。バリア層１１６は、酸素交換層１１４ａと第２電極１１８ａの間に配置される。本実施形態において、保護層１１２ａは、酸素交換層１１４ａの側壁に存在するだけでなく、酸素交換層１１４ａと可変抵抗層１０８ａの間の空間に延伸し、且つ第１誘電体層１１０ｂの上面に延伸する。別の観点から見ると、保護層１１２ａは、また、第１誘電体層１１０ｂと酸素交換層１１４ａの間に配置される。
注意すべきこととして、酸素交換層１１４ａは、開口１０を充填することによって、エッチングプロセスにおけるプラズマ処理工程または湿式洗浄工程により酸素交換層１１４ａの側壁が損傷するのを防ぐことができる。そのため、酸素交換層１１４ａの側壁の平坦度をさらに高めることができる。さらに、酸素交換層１１４ａの側壁にダングリングボンドが生成されず、リセット失敗が発生しにくい。別の態様では、ここで提供した保護層１１２ａを用いて、酸素交換層１１４ａに酸素を提供することができる。つまり、設定プロセス中に、酸素空孔または酸素イオンの密度を容易に制御することができるため、酸素空孔または酸素イオンを酸素交換層１１４ａの中心に留める、すなわち、フィラメントが酸素交換層１１４ａの中心から離れないようにすることにより、電流密度を増やし、ＨＴＤＲをさらに高めることができる。
また、本実施形態において提供した第１誘電体層１１０ｂは、また、酸素交換層１１４ａに隣接して配置されるため、酸素交換層１１４ａの中心に電場を集中させることができ、それにより、酸素交換層１１４ａの中心にフィラメントを留め、ＨＴＤＲをさらに高めることができる。
以上のように、酸素交換層が第１誘電体層の開口を充填することによって、エッチングプロセスにおけるプラズマ処理工程または湿式洗浄工程により酸素交換層の側壁が損傷するのを防ぐことができる。そのため、酸素交換層の側壁の平坦度をさらに高めることができる。また、高誘電率保護層が酸素交換層の側壁を覆うことによって、保護層が酸素交換層の側壁を保護するだけでなく、酸素交換層に酸素を提供して、フィラメントが酸素交換層の中心から離れないようにすることもできるため、電流密度を増やし、ＨＴＤＲをさらに高めることができる。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
本発明は、高誘電率保護層が酸素交換層の側壁を覆うことによって、保護層が酸素交換層の側壁を保護するだけでなく、酸素交換層に酸素を提供して、フィラメントが酸素交換層の中心から離れないようにすることもできるため、電流密度を増やし、ＨＴＤＲをさらに高めることができる。その結果、本発明の抵抗性メモリセルは、より優れた信頼性を有し、ｍｐ３、スマートフォン、タブレットＰＣ、携帯情報端末（personal digital assistant, PDA）等の様々な電子機器に使用することができる。
１０ 開口
１００ 抵抗性メモリ
１０２、１２４ 誘電体層
１０４ ビア
１０４ａ プラグ
１０４ｂ バリア層
１０６、１０６ａ 第１電極
１０８、１０８ａ 可変抵抗層
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 第１誘電体層
１１２、１１２ａ 保護層
１１４、１１４ａ 酸素交換層
１１６ バリア層
１１８、１１８ａ 第２電極
１２０ メモリセル
１２２ 金属酸化層
１００ 抵抗性メモリ
１０２、１２４ 誘電体層
１０４ ビア
１０４ａ プラグ
１０４ｂ バリア層
１０６、１０６ａ 第１電極
１０８、１０８ａ 可変抵抗層
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 第１誘電体層
１１２、１１２ａ 保護層
１１４、１１４ａ 酸素交換層
１１６ バリア層
１１８、１１８ａ 第２電極
１２０ メモリセル
１２２ 金属酸化層
Claims (8)
- 互いに対向して配置された第１電極および第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に配置された可変抵抗層と、
前記可変抵抗層と前記第２電極の間に配置された酸素交換層と、
前記酸素交換層の少なくとも側壁に配置された保護層と、
前記保護層の側壁に配置された第１誘電体層と、
を含み、
前記保護層が、さらに、前記酸素交換層と前記可変抵抗層の間の空間に延伸し、且つ前記第１誘電体層の上面に延伸した抵抗性メモリ。 - 前記保護層の材料が、高誘電率材料を含む請求項１に記載の抵抗性メモリ。
- 前記酸素交換層と前記第２電極の間に配置されたバリア層をさらに含む請求項１または２に記載の抵抗性メモリ。
- 前記酸素交換層の材料は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはその組み合わせを含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の抵抗性メモリ。
- 互いに対向する第１電極および第２電極を形成するステップと、
前記第１電極と前記第２電極の間に可変抵抗層を形成するステップと、
前記可変抵抗層と前記第２電極の間に酸素交換層を形成するステップと、
前記酸素交換層の側壁を少なくとも覆う保護層を形成するステップと、
を含み、
前記可変抵抗層と前記第２電極の間に前記酸素交換層を形成する前記ステップが、
前記可変抵抗層の上に第１誘電体層を形成するステップと、
前記第１誘電体層の中に開口を形成するステップと、
前記開口を前記酸素交換層で充填するステップと、
を含み、
前記保護層が、さらに、前記酸素交換層と前記可変抵抗層の間の空間に延伸し、且つ前記第１誘電体層の上面に延伸した抵抗性メモリの製造方法。 - 前記開口を前記酸素交換層で充填する前に、前記開口の中に前記保護層をコンフォーマルに形成するステップをさらに含む請求項５に記載の抵抗性メモリの製造方法。
- 前記開口を前記酸素交換層で充填した後に、前記酸素交換層と前記第２電極の間にバリア層を形成するステップをさらに含む請求項５または６に記載の抵抗性メモリの製造方法。
- 前記酸素交換層の材料は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはその組み合わせを含む請求項５〜７のいずれか１項に記載の抵抗性メモリの製造方法。
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