TW202306108A - 電阻式隨機存取記憶體元件及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種電阻式隨機存取記憶體元件，包括：介電層，位於基底上方；第一電極，位於所述介電層上方，其中所述第一電極為柱狀體；第二電極，覆蓋所述第一電極的側壁與頂面；以及可變電阻層，夾於所述第一電極的所述頂面與所述第二電極之間，所述第一電極的所述側壁與所述第二電極之間且位於所述第二電極與所述介電層之間。
Description
本發明實施例是有關於一種記憶體元件及其製造方法，且特別是有關於一種電阻式隨機存取記憶體（resistive random access memory，RRAM）及其製造方法。
電阻式隨機存取記憶為近年來廣為研究的一種非揮發性記憶體，其具有操作速度快、低功耗等優點。電阻式隨機存取記憶單元在進行設置（SET）操作時，兩個電極之間的可變電阻層將形成導電絲（filament）並呈現導通狀態，此時可變電阻層由高電阻狀態（High Resistance State，HRS）轉換到低電阻狀態（Low Resistance State，LRS）。當RRAM單元進行重置（RESET）操作時，對電阻式隨機存取記憶施加負偏壓，導電絲斷裂並呈現非導通狀態，此時可變電阻層由LRS轉換到HRS。然而，若是可變電阻層中所產生的導電絲不足時，將導致低電阻狀態（LRS）的電流量不足。
本發明提供一種電阻式隨機存取記憶單元及其製造方法，可以增加可變電阻層中的導電絲，提升低電阻狀態（LRS）的電流量。
本發明的實施例提出一種電阻式隨機存取記憶體元件，包括：介電層，位於基底上方；第一電極，位於所述介電層上方，其中所述第一電極為柱狀體；第二電極，覆蓋所述第一電極的側壁與頂面；以及可變電阻層，夾於所述第一電極的所述頂面與所述第二電極之間，所述第一電極的所述側壁與所述第二電極之間且位於所述第二電極與所述介電層之間。
本發明的實施例提出一種電阻式隨機存取記憶體元件的製造方法，包括：於基底上方形成介電層；於所述介電層上方形成第一電極材料層；圖案化所述第一電極材料層，以形成第一電極；在所述第一電極的頂面與側壁以及所述介電層上方形成可變電阻層；在所述可變電阻層上形成第二電極材料層；以及圖案化所述第二電極材料層與所述可變電阻層，以形成第二電極與可變電阻層；以及所述可變電阻層夾於所述第一電極的所述頂面與所述第二電極之間，所述第一電極的所述側壁與所述第二電極之間且位於所述第二電極與所述介電層之間。
基於上述，本發明之電阻式隨機存取記憶單元及其製造方法，可以增加可變電阻層中的導電絲的數量，提升低電阻狀態的電流量。
請參照圖1A，提供基底100。基底100可以是半導體基底，例如是摻雜或未摻雜的塊狀矽，或絕緣層上矽（SOI）基底的主動層。在基底100上可形成元件層102。元件層102可以包括主動元件或是被動元件。主動元件例如是電晶體、二極體等。被動元件例如是電容器、電阻器、電感等。電晶體可以是N型金氧半（NMOS）電晶體、P型金氧半（PMOS）電晶體或是互補式金氧半元件（CMOS）。電晶體可以是平面電晶體、鰭式場效電晶體（fin field effect transistors；FinFET）、奈米線電晶體等。元件層102可使用任何合適的方法來形成。
請參照圖1A，在元件層102上形成金屬內連線結構112。金屬內連線結構112可由介電材料及導電材料的交替層形成，且可經由任何合適的製程（例如是沈積、鑲嵌、雙鑲嵌等）形成。金屬內連線結構112可以包括介電層104、110以及形成在多層介電層104中的金屬內連線107。金屬內連線107可與元件層102電性連接。金屬內連線107可包括插塞105與導線106等。插塞105與導線106的材料包括阻障層（或黏著層）與形成於阻障層上的金屬層。阻障層例如是鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭或其組合成的複合層。金屬層例如是鎢或是銅。
在圖1A至圖1G中只繪出單一層的介電層104、單一個插塞105與單一個導線106。然而，金屬內連線結構112可以包含多層介電層104、多個插塞105與多個導線106。介電層104分隔相鄰的導線106。導線106之間可藉由插塞105連接，且導線106可藉由插塞105連接到元件層102。在一些實施例中，金屬內連線結構112還包括停止層108。停止層108可以設置在介電層104與介電層110之間。停止層108的材料與介電層104、110的材料不同，例如是氮摻雜碳化矽（NDC）、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、或其組合。停止層108的形成方法例如是化學氣相沉積法。介電層110可以是經由化學機械研磨製程而平坦化的平坦層。
請參照圖1A，於介電層110上方形成阻擋材料層120。阻擋材料層120可以是含氮的介電材料層，例如是氮化矽。阻擋材料層120的形成方法例如是化學氣相沉積法。阻擋材料層120可以阻擋導線106中的金屬（例如是銅）擴散後續形成在其上方的膜層中。
請參照圖1B，在阻擋材料層120、介電層100以及停止層108中形成介層窗114，以電性連接導線106。介層窗114的形成方法如以下所述。進行微影與蝕刻製程，以在阻擋材料層120、介電層100以及停止層108中形成介層窗孔113。接著，於阻擋材料層120上以及介層窗孔113中形成導體材料層。導體材料層包括金屬層與阻障層（或黏著層）與形成於阻障層上的金屬層。阻障層例如是鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭或其組合成的複合層。金屬層例如是鎢。之後，再進行平坦化製程，例如是化學機械研磨製程，以移除阻擋材料層120上的導體材料層。在一些實施例中，介層窗114的頂面與阻擋材料層120的頂面共平面。
請參照圖1C，在阻擋材料層120上形成第一電極材料層122。第一電極材料層122例如是氮化鈦（TiN）、氮化鉭（TaN）、氮化鈦鋁（TiAlN）、鈦鎢（TiW）合金、鉑（Pt）、銥（Ir）、釕（Ru）、鈦（Ti）、鎢（W）、鉭（Ta）、鋁（Al）、鋯（Zr）、鉿（Hf）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鈷（Co）、鐵（Fe）、釓（Gd）、鉬（Mo）、石墨或上述材料的組合。
請參照圖1D，進行微影與蝕刻製程，以圖案化第一電極材料層122，形成與介層窗114電性連接的第一電極122a。第一電極122a為柱狀體，例如是圓柱體或是六面體（如圖3與圖4所示）。第一電極122a的頂面的上視圖可以是圓形、具有圓形導角的矩形等，分別如圖2A與圖2B所示。第一電極122a的頂面的上視圖也可以其他各種形狀，例如是橢圓形等。
請參照圖1E，在第一電極122a的頂面與側壁以及阻擋材料層120上形成可變電阻材料層124。在一些實施例中，可變電阻材料層124為共形層，共形地覆蓋第一電極122a的頂面與側壁以及阻擋材料層120。在一些實施例中，阻擋材料層120為平坦層，因此，可變電阻材料層124的底面與第一電極122a的底面共平面。可變電阻材料層124的材料包括金屬氧化物，例如氧化鉿（HfO
2）、氧化鉭（Ta
2O
5）、氧化鈦（TiO
2）、氧化鎂（MgO）、氧化鎳（NiO）、氧化鈮（Nb
2O
5）、氧化鋁（Al
2O
3）、氧化釩（V
2O
5）、氧化鎢（WO
3）、氧化鋅（ZnO）或氧化鈷（CoO）。
請參照圖1F，在可變電阻材料層124上形成第二電極材料層126。第二電極材料層126例如是氮化鈦（TiN）、氮化鉭（TaN）、氮化鈦鋁（TiAlN）、鈦鎢（TiW）合金、鉑（Pt）、銥（Ir）、釕（Ru）、鈦（Ti）、鎢（W）、鉭（Ta）、鋁（Al）、鋯（Zr）、鉿（Hf）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鈷（Co）、鐵（Fe）、釓（Gd）、鉬（Mo）、石墨或上述材料的組合。第二電極材料層126可以是單層或是雙層。在一些實施例中，第二電極材料層126為雙層，其中上層可以是氮化鈦或氮化鉭，下層可以是銥。第二電極材料層126的厚度H2可以大於、等於或是小於第一電極122a的厚度H1。第二電極材料層126可以具有平坦的表面（如圖1E所示），或是與可變電阻材料層124共形（未示出）。
請參照圖1F，進行微影與蝕刻製程，以圖案化第二電極材料層126、可變電阻材料層124以及阻擋材料層120，以形成第二電極126a、可變電阻層124a以及阻擋墊120a。在一些實施例中，第二電極126a、可變電阻層124a以及阻擋墊120a具有切齊的側壁。
請參照圖1G，在第二電極126a、可變電阻層124a以及阻擋墊120a的側壁形成間隙壁128。間隙壁128包括含氮的介電材料層，例如是氮化矽。間隙壁128與阻擋墊120a可包括相同的材料。間隙壁128的形成方法例如是先形成間隙壁材料層，以覆蓋第二電極126a、可變電阻層124a以及阻擋墊120a的側壁以及介電層110的表面。然後，再進行非等向性蝕刻製程。
至此，形成了電阻式隨機存取記憶體150。電阻式隨機存取記憶體150具有間隙壁128與阻擋墊120a，其分別覆蓋可變電阻層124a的側壁與底面，且間隙壁128向上延伸覆蓋第二電極126的下側壁。在一些實施例中，間隙壁128覆蓋第二電極126的1/2~2/3的側壁。間隙壁128與阻擋墊120a可以共同阻擋水氣、金屬原子（例如銅原子）或氧等擴散至可變電阻層124a中。
請參照圖1G與圖3，本發明實施例的電阻式隨機存取記憶體150的第一電極122a為柱狀體。可變電阻層124a夾於第一電極122a的頂面與第二電極126a之間以及第一電極122a的側壁與第二電極126a之間。而且，可變電阻層124a位於第二電極126a的底面與阻擋墊120a之間。可變電阻層124a可藉由阻擋墊120a與介電層110分離非零距離，以避免接觸介電層110，進而防止介電層110中的氧擴散至可變電阻層124a。
請參照圖1G與圖4，在進行設置（SET）操作時，對電阻式隨機存取記憶體150施加正電壓，可變電阻層124a中的氧離子在受正電壓吸引離開而產生氧空缺（oxygen vacancy），因而形成導電絲（filament）130並呈現導通狀態，此時可變電阻層由高電阻狀態（HRS）轉換到低電阻狀態（Low Resistance State，LRS）。當進行重置（RESET）操作時，對電阻式隨機存取記憶體150施加負偏壓，氧離子會回到可變電阻層124a中，使導電絲130斷裂並呈現非導通狀態，此時可變電阻層由LRS轉換到HRS。在本發明實施例中，由於第一電極122a呈柱狀體，且可變電阻層124a覆蓋柱狀體的頂面與側壁，因此，可以在第一電極122a的頂面與側壁上的可變電阻層124a中形成多個導電絲130。
本發明實施例之電阻式隨機存取記憶的結構可以在更多的區域形成導電絲，因此可以增加電阻式隨機存取記憶單元的低電阻狀態的電流量。
100:基底
102:元件層
104、110:介電層
105:插塞
106:導線
107:金屬內連線
108:停止層
110、112:金屬內連線結構
113:介層窗孔
114:介層窗
120:阻擋材料層
120a:阻擋墊
122:第一電極材料層
122a:第一電極
124:可變電阻材料層
124a:可變電阻層
126:第二電極材料層
126a:第二電極
128:間隙壁
130:導電絲
150:電阻式隨機存取記憶體
H1、H2:厚度
圖1A至圖1G是依照本發明的實施例的一種電阻式隨機存取記憶體的製造方法的剖面示意圖。
圖2A與圖2B是依照本發明的實施例的各種電阻式隨機存取記憶體的上視圖。
圖3是依照本發明的實施例的一種電阻式隨機存取記憶體單元的局部立體圖。
圖4是繪示圖3的局部放大圖。
122a:第一電極
124a:可變電阻層
130:導電絲
Claims (19)
- 一種電阻式隨機存取記憶體元件，包括： 介電層，位於基底上方；以及 第一電極，所述第一電極為柱狀體，位於所述介電層上方； 第二電極，覆蓋所述第一電極的側壁與頂面；以及 可變電阻層，夾於所述第一電極的所述頂面與所述第二電極之間，所述第一電極的所述側壁與所述第二電極之間且位於所述第二電極與所述介電層之間。
- 如請求項1所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述第二電極的頂面為圓形、具有圓形導角的矩形。
- 如請求項1所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述第二電極的底面為環狀。
- 如請求項1所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述可變電阻層的底面與所述第一電極的底面共平面。
- 如請求項1所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述可變電阻層與所述介電層分離非零距離。
- 如請求項5所述的電阻式隨機存取記憶體元件，更包括： 阻擋墊，位於所述介電層上，以使所述可變電阻層的底面與所述介電層分離。
- 如請求項6所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述阻擋墊包括含氮的介電材料層。
- 如請求項7所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述含氮的介電材料層的材料包括氮化矽。
- 如請求項6所述的電阻式隨機存取記憶體元件，更包括： 間隙壁，至少覆蓋所述可變電阻層的側壁。
- 如請求項9所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述間隙壁還延伸覆蓋所述第二電極的下側壁與所述阻擋墊的側壁。
- 如請求項9所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述間隙壁包括含氮的介電材料層。
- 如請求項11所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述含氮的介電材料層的材料包括氮化矽。
- 如請求項9所述的電阻式隨機存取記憶體元件，其中所述間隙壁與所述阻擋墊包括相同的材料。
- 一種電阻式隨機存取記憶體元件的製造方法，包括： 於基底上方形成介電層； 於所述介電層上方形成第一電極材料層； 圖案化所述第一電極材料層，以形成第一電極； 在所述第一電極的頂面與側壁以及所述介電層上方形成可變電阻材料層； 在所述可變電阻材料層上形成第二電極材料層；以及 圖案化所述第二電極材料層與所述可變電阻材料層，以形成第二電極與可變電阻層，其中 所述第二電極覆蓋所述第一電極的所述側壁與所述頂面；以及 所述可變電阻層夾於所述第一電極的所述頂面與所述第二電極之間，所述第一電極的所述側壁與所述第二電極之間且位於所述第二電極與所述介電層之間。
- 如請求項14所述的電阻式隨機存取記憶體元件的製造方法，更包括： 在形成所述第一電極材料層之前，在所述介電層上形成阻擋材料層；以及 在圖案化所述第二電極材料層與所述可變電阻材料層後，圖案化所述阻擋材料層，以形成阻擋墊。
- 如請求項15所述的電阻式隨機存取記憶體元件的製造方法，更包括： 在所述第二電極、所述可變電阻層以及所述阻擋墊的側壁形成間隙壁。
- 如請求項16所述的電阻式隨機存取記憶體元件的製造方法，其中所述間隙壁與所述阻擋材料層包括相同的材料。
- 如請求項16所述的電阻式隨機存取記憶體元件的製造方法，其中所述間隙壁與所述阻擋材料層包括含氮的介電材料層。
- 如請求項18所述的電阻式隨機存取記憶體元件的製造方法，其中所述含氮的介電材料層的材料包括氮化矽。
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