TW202408044A - 電阻式隨機存取記憶體結構及其製作方法 - Google Patents

電阻式隨機存取記憶體結構及其製作方法 Download PDF

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Abstract

一種電阻式隨機存取記憶體包含一下電極、一電阻轉換層和一上電極，下電極包含一倒T型輪廓，電阻轉換層覆蓋下電極，上電極覆蓋電阻轉換層，倒T型輪廓包含一底部元件和一垂直元件設置於底部元件上，垂直元件的形狀包含一矩形或一梯形。

Description

電阻式隨機存取記憶體結構及其製作方法
本發明係關於一種電阻式隨機存取記憶體，特別是關於一種下電極具有倒T型輪廓的電阻式隨機存取記憶體及其製作方法。
電阻式隨機存取記憶體(Resistive Random Access Memory, RRAM))是一種非揮發性記憶體的類型，提供下列優點：小的記憶胞尺寸、超高速操作、低功率操作、高耐久性以及CMOS相容性。
電阻式隨機存取記憶體是主要的操作原理是利用金屬氧化物的阻值會隨著所加外加偏壓而改變進而產生不同的阻值來儲存資料，而如何辦別內部儲存的值，則由電阻式隨機存取記憶體的阻值高低來做分別。
隨著電子資料量的成長，對於高容量、高讀寫次數及更快讀寫速度的記憶體需求也明顯上升，為了達到高效能的操作，必須加快電阻式隨機存取記憶體的編程速度。
有鑑於此，本發明提供一種提升電場的電阻式隨機存取記憶體結構以加快編程速度。
根據本發明之一較佳實施例，一種電阻式隨機存取記憶體包含一下電極、一電阻轉換層和一上電極，下電極包含一倒T型輪廓，電阻轉換層覆蓋下電極，上電極覆蓋電阻轉換層，倒T型輪廓包含一底部元件和一垂直元件設置於底部元件上，垂直元件的形狀包含一矩形或一梯形。
根據本發明之另一較佳實施例，一種電阻式隨機存取記憶體的製作方法，包含形成一下電極、一電阻轉換層和一上電極，電阻轉換層和上電極覆蓋下電極，其中下電極具有一倒T型輪廓。前述下電極、電阻轉換層和上電極的製作步驟包含形成一第一金屬層，然後形成一虛置材料層覆蓋第一金屬層，接著蝕刻虛置材料層以形成一凹槽，其中第一金屬層由凹槽曝露出來，之後形成一第二金屬層填滿凹槽，接續移除虛置材料層，之後依序形成一電阻轉換材料層和一第三金屬層覆蓋第二金屬層和第一金屬層，最後圖案化第三金屬層、電阻轉換材料層和第二金屬層以形成上電極、電阻轉換層和下電極。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
第1圖至第8圖為根據本發明之一較佳實施例所繪示的一種電阻式隨機存取記憶體結構的製作方法。
如第1圖所示，首先提供一第一介電層10a和一第二介電層10b，第二介電層10b覆蓋第一介電層10a，一金屬線12設置於第一介電層10a，一導電插塞14設置於第二介電層10b中，導電插塞14接觸金屬線12。接著形成一第一金屬層16a覆蓋第二介電層10b並且接觸導電插塞14，然後形成一虛置材料層18覆蓋並接觸第一金屬層16a。第一介電層10a和第二介電層10b可以包含氧化矽、氮化矽等絶緣材料，金屬線12和導電插塞14可以包含銅、鋁或鎢等導電材料。虛置材料層18包含氧化矽。
如第2圖所示，蝕刻虛置材料層18以形成一凹槽20，使得第一金屬層16a由凹槽20曝露出來，凹槽20的形狀可以依據蝕刻條件的不同而改變，例如在第2圖中的凹槽20為矩形，也就是說凹槽20的開口寛度和凹槽20的底部寛度大小相同；又或者如第9圖所示，凹槽20可以為梯形，梯形可以如第9圖左側圖示中所示的上底大於下底的梯形，或是如第9圖右側圖示所示的上底小於下底的梯形。
如第3圖所示，形成一第二金屬層16b覆蓋第二介電層10b並且填滿凹槽20，第二金屬層16b接觸第一金屬層16a。如第4圖所示，平坦化第二金屬層16b以移除在凹槽20之外的第二金屬層16b。如第5圖所示，移除虛置材料層18。如第6圖所示，依序形成一電阻轉換材料層22a(圖示例示為兩層)和一第三金屬層24a順應地覆蓋第二金屬層16b和第一金屬層16a。
如第7圖所示，圖案化第三金屬層24a、電阻轉換材料層22a和第一金屬層16a，此時圖案化後的第三金屬層24a成為一上電極24，圖案化後的電阻轉換材料層22a成為一電阻轉換層22，圖案化後的第一金屬層16c以及第二金屬層16d組合成一下電極16，上電極24、電阻轉換層22和下電極16共同組成一電阻式隨機存取記憶體100，圖案化的方式可以利用蝕刻製程。值得注意的是：下電極16具有一倒T型輪廓。此外，在圖案化第三金屬層24a、電阻轉換材料層22a和第一金屬層16a時，第二金屬層16b未被圖案化。
如第8圖所示，形成一第三介電層10c覆蓋第二介電層10b和電阻式隨機存取記憶體100，接著在第三介電層10c形成一溝渠26曝露出上電極24，然後形成一第四金屬層28覆蓋第三介電層10c並且填入接觸洞26，填入接觸洞26的部分第四金屬層28係作為一導電插塞，第四金屬層28接觸上電極24，此時完成本發明之一電阻式隨機存取記憶體結構200。
第三介電層10c包含氧化矽、氮化矽、或低介電常數材料等絶緣材料。第一金屬層16a和第二金屬層16b包含鉭、鈦、氮化鈦、氮化鉭或是其它金屬材料，第三金屬層24a包含銥或是其它金屬材料。電阻轉換材料層22a包含氧化鉭、氧化鎳、氧化鉿或是其它過渡金屬氧化物(transition metal oxide)。
第7圖為根據本發明之一較佳實施例所繪示的一種電阻式隨機存取記憶體。
如第7圖所示，一種電阻式隨機存取記憶體100包含一下電極16，下電極16包含一倒T型輪廓，一電阻轉換層22覆蓋下電極16，一上電極24覆蓋電阻轉換層22。電阻轉換層22包含一氧原子儲存層22b和一電流形成層22c，電流形成層22c位於氧原子儲存層22b上。下電極16的倒T型輪廓包含一底部元件16c和一垂直元件16d，垂直元件16d設置於底部元件16c上並且連接底部元件16c，在第7圖中的垂直元件16d的形狀為一矩形，但在不同實施例中，垂直元件16d也可以為一梯形，舉例而言，請參考第10圖中的左側圖示，垂直元件16d為梯形，此梯形的上底大於下底並且梯形的下底接觸底部元件16c；又或者請參考第10圖中的右側圖示，垂直元件16d為梯形，梯形的下底大於上底並且梯形的下底接觸底部元件16c。
請再度參閱第7圖，電阻轉換層22圍繞垂直元件16d，詳細來說氧原子儲存層22b接觸並且圍繞垂直元件16d。此外在前述圖案化第三金屬層24a、電阻轉換材料層22a和第一金屬層16a時，可以調控第三金屬層24a、電阻轉換材料層22a和第一金屬層16a的寬度，依據圖案化的寬度不同，上電極24的形狀可以為一矩形、一倒U型或一方波(square wave)形狀，而電阻轉換層22中的電流形成層22c可以為倒U型或方波形狀。方波形狀包含一倒U型並且在倒U型的兩個末端具各自有一矩形連接，連接的矩形朝向水平方向延伸。例如在第7圖中，上電極24為矩形並且電流形成層22c為倒U型，又如第11圖中的左邊圖示，上電極24為倒U型並且電流形成層22c為方波形狀，又或者如第11圖中的右邊圖示，上電極24為方波形狀並且電流形成層22c為另一方波形狀。電阻轉換層22包含氧化鉭、氧化鎳、氧化鉿或是其它過渡金屬氧化物(transition metal oxide)，詳細來說，氧原子儲存層22b包含鉭氧化物(TaO x, x＜2.5)，電流形成層22c包含五氧化二鉭(Ta 2O 5)。上電極24和下電極16包含鉭、鈦、銥、氮化鈦、氮化鉭等導電材料，在本實施例中，上電極24較佳為銥，下電極16較佳為鉭或鈦，由於下電極16中的底部元件16c和垂直元件16d並非一體成型，所以底部元件16c和垂直元件16d可以為相同或是相異的材料，在本實施例中以底部元件16c和垂直元件16d為相同材料為例。
此外，上電極24和下電極16外加偏壓後就會在電阻轉換層22周圍形成電場，此時電流形成層22c中的部分氧原子會離開其晶格位置向氧原子儲存層22b移動，並且儲存在氧原子儲存層22b內，如此在電流形成層22c中會形成氧空位(oxygen vacancy)，這些氧空位會形成導電纖維(conductive filament)，使電阻式隨機存取記憶體100轉變成低電阻狀態，電場越大導電纖維的形成速度就越快，也就是電阻式隨機存取記憶體100的高電阻態和低電阻態的切換速度也就越快。因此本發明特別將下電極16的形狀設計成倒T型輪廓，在倒T型輪廓的垂直元件16d的頂端圍繞有電阻轉換層22，由於垂直元件16d的頂端其電場集中，因此電場較強，所以在垂直元件16d的頂端周圍的電阻轉換層22中的導電纖維形成速度會增快，如此便可提高電阻式隨機存取記憶體的編程速度。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10a:第一介電層 10b:第二介電層 10c:第三介電層 12:金屬線 14:導電插塞 16a:第一金屬層 16b:第二金屬層 16c:底部元件 16d:垂直元件 16:下電極 18:虛置材料層 20:凹槽 22a:電阻轉換材料層 22b:氧原子儲存層 22c:電流形成層 22:電阻轉換層 24a:第三金屬層 24:上電極 26:溝渠 28:第四金屬層 100:電阻式隨機存取記憶體 200:電阻式隨機存取記憶體結構
第1圖至第8圖為根據本發明之一較佳實施例所繪示的一種電阻式隨機存取記憶體結構的製作方法。 第9圖為根據本發明之另一較佳實施例所繪示的一種電阻式隨機存取記憶體結構的製作方法。 第10圖為根據本發明之另一較佳實施例所繪示的下電極。 第11圖為根據本發明之另一較佳實施例所繪示的電阻式隨機存取記憶體。
10a:第一介電層
10b:第二介電層
12:金屬線
14:導電插塞
16c:底部元件
16d:垂直元件
16:下電極
22b:氧原子儲存層
22c:電流形成層
22:電阻轉換層
24:上電極
100:電阻式隨機存取記憶體

Claims (20)

  1. 一種電阻式隨機存取記憶體，包含： 一下電極包含一倒T型輪廓； 一電阻轉換層覆蓋該下電極；以及 一上電極覆蓋該電阻轉換層。
  2. 如請求項1所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該倒T型輪廓包含一底部元件和一垂直元件設置於該底部元件上，該垂直元件的形狀包含一矩形或一梯形。
  3. 如請求項2所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該梯形的上底大於下底並且該梯形的下底接觸該底部元件。
  4. 如請求項2所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該梯形的下底大於上底並且該梯形的下底接觸該底部元件。
  5. 如請求項2所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該電阻轉換層圍繞該垂直元件。
  6. 如請求項1所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該上電極的形狀為一矩形、一倒U型或一方波(square wave)形狀。
  7. 如請求項1所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該電阻轉換層包含一氧原子儲存層和一電流形成層，該電流形成層位於該氧原子儲存層上。
  8. 如請求項7所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該上電極為矩形並且該電流形成層為倒U型。
  9. 如請求項7所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該上電極為倒U型並且該電流形成層為方波(square wave)形狀。
  10. 如請求項7所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該上電極為一第一方波形狀並且該電流形成層為一第二方波形狀。
  11. 如請求項7所述之電阻式隨機存取記憶體，其中該氧原子儲存層包含鉭氧化物(TaO x, x＜2.5)，該電流形成層包含五氧化二鉭(Ta 2O 5)。
  12. 一種電阻式隨機存取記憶體的製作方法，包含： 形成一下電極，其中該下電極具有一倒T型輪廓； 形成一電阻轉換層和一上電極由下至上覆蓋該下電極。
  13. 如請求項12所述之電阻式隨機存取記憶體的製作方法，其中該下電極、該電阻轉換層和該上電極的製作步驟包含： 形成一第一金屬層； 形成一虛置材料層覆蓋該第一金屬層； 蝕刻該虛置材料層以形成一凹槽，其中該第一金屬層由該凹槽曝露出來； 形成一第二金屬層填滿該凹槽； 移除該虛置材料層； 依序形成一電阻轉換材料層和一第三金屬層覆蓋該第二金屬層和該第一金屬層；以及 圖案化該第三金屬層、該電阻轉換材料層和該第二金屬層以形成該上電極、該電阻轉換層和該下電極。
  14. 如請求項13所述之電阻式隨機存取記憶體的製作方法，其中該凹槽的形狀包含一矩形或一梯形。
  15. 如請求項13所述之電阻式隨機存取記憶體的製作方法，其中該電阻轉換層包含一氧原子儲存層和一電流形成層，該電流形成層位於該氧原子儲存層上。
  16. 如請求項15所述之電阻式隨機存取記憶體的製作方法，其中該上電極為矩形並且該電流形成層為倒U型。
  17. 如請求項15所述之電阻式隨機存取記憶體結構的製作方法，其中該上電極為倒U型並且該電流形成層為方波形狀。
  18. 如請求項15所述之電阻式隨機存取記憶體結構的製作方法，其中該上電極為一第一方波形狀並且該電流形成層為一第二方波形狀。
  19. 如請求項12所述之電阻式隨機存取記憶體的製作方法，其中該倒T型輪廓包含一底部元件和一垂直元件設置於該底部元件上。
  20. 如請求項19所述之電阻式隨機存取記憶體的製作方法，其中該垂直元件的形狀包含一矩形或一梯形。
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