TWI489461B - 電阻式記憶體結構、其操作方法及製作方法 - Google Patents
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Description
本發明是關於一種電阻式記憶體、其操作方法及製作方法。
記憶體可分為揮發性與非揮發性兩種，而電阻式記憶體為非揮發性記憶體的一種，其可受電流或電壓的驅動，而在高阻抗與低阻抗兩種性質間轉換，以儲存資料。在結構上，電阻式記憶體主要是由金屬-絕緣體-金屬三層堆疊而成，所述絕緣體層具有可逆電阻改變特性。在操作時，是對該電阻式記憶體施加脈衝電壓使其改變電阻狀況，以執行寫入或抹除資料，再利用小偏壓擷取電流值來判斷阻抗狀態以讀取資料。
圖1是顯示一習知的電阻式記憶體6，其包含兩相間隔且分別為鉑(Pt)及氮化鈦(TiN)材質的電極層61，及一設於所述電極層間且為氮氧化矽(SiON)材質的電阻切換層62。再對該電阻式記憶體6進行耐用性(endurance)實驗，即施加交流電使其持續地執行電阻切換，並逐次記錄電流值而標示如圖2，由於高阻抗與低阻抗互換過程中，是在該電阻切換層62中發生導通途徑的形成與阻斷，而每次形成的導通途徑不固定，因此會產生不規則的電阻轉態，即圖2中實心點間偏差情形較大，影響該電阻式記憶體6之穩定性。
本發明之電阻式記憶體結構包括一第一電極層、一披覆於該第一電極層的電阻切換層、一披覆於該電阻切換層的擴散金屬層，及一披覆於該擴散金屬層的第二電極層，其中在該電阻切換層內設置有至少一電極延伸部。
再者，所述電阻式記憶體結構還具有一披覆該第一電極層的切換基層部，及一設置於該切換基層部與該擴散金屬層之間的多孔隙部，其中該多孔隙部為多孔隙材質，當該擴散金屬層受一電場，使該擴散金屬層擴散進入該多孔隙部而形成一或數個電極延伸部。
本發明電阻式記憶體結構之操作方法包括：施加一形成電壓於該第一電極層與第二電極層間，使該擴散金屬層受該形成電壓牽引擴散進入該電阻切換層，而形成數個電極延伸部；及施加一設定電壓於該第一電極層與第二電極層間，使該電阻切換層受該設定電壓驅動而改變電阻值。
本發明電阻式記憶體結構之製作方法包括：提供一第一電極層；形成一電阻切換層於該第一電極層上；形成一擴散金屬層於該電阻切換層上；形成一第二電極層於該擴散金屬層上；及形成至少一電極延伸部於該電阻切換層內。
所述電極延伸部在該電阻切換層內形成固定地導通途徑，使該電阻切換層在高、低阻抗間切換時，可形成與阻斷固定且規則的傳導途徑，此外，金屬對多孔隙材質有較佳的擴散性，因此該多孔隙部有助於形成所述電極延伸部。
茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來
作進一步說明，但應暸解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
參閱圖3、5、6，本發明電阻式記憶體結構10之第一較佳實施例，該電阻式記憶體結構10包括：一層狀且為可導電材質的第一電極層2、一披覆在該第一電極層2上的電阻切換層3、一披覆在該電阻切換層3上的擴散金屬層4，及一披覆在該擴散金屬層4上且為可導電材質的第二電極層5。
具體來說，所述電阻式記憶體結構10是層狀堆疊而成的三明治結構，並且該電阻切換層3與該擴散金屬層4是設置在該第一與第二電極層2、5之間。而本實施例的第一電極層2可為氮化鈦(TiN)材質，此外該第二電極層5可為鉑(Pt)材質。
所述電阻切換層3可受電壓或電流驅動，而在高阻抗與低阻抗性質間轉換，並且該電阻切換層3在結構上具有一層狀且披覆在該第一電極層2上的切換基層部31，及一層狀且披覆在該切換基層部31上的多孔隙部32。本實施例的切換基層部31是氮氧化矽(SiON)材質，而該多孔隙部32是多孔隙材質，其中該多孔隙部32可以是任意絕緣體，並利用粉末冶金法、滲流法、噴射沉積法、熔體發泡法或共晶定向凝固法產生多孔狀態，此外所述切換基層部31之厚度可在2至10奈米(nm)間，並且該多孔隙部32之厚度可在2奈米(nm)至10微米(um)間。
該多孔隙部32是設置在該擴散金屬層4與該切換基層部31之間，其中該擴散金屬層4可為具擴散性之銅材質，其可受電場牽引，擴散進入該多孔隙部32，而在該多孔隙
部32內形成一或數個電極延伸部33。
而該電阻式記憶體之製作方法如圖4繪示，請配合圖3、5、6以利於了解。此方法包括：形成該切換基層部31於該第一電極層2上，及形成該多孔隙部32於該切換基層部31上，並形成該擴散金屬層4於該電阻切換層3之多孔隙部32上，及形成該第二電極層5於該擴散金屬層4上，而在該擴散金屬層4受電場後，該擴散金屬層4擴散進入該多孔隙部32，而在該多孔隙部32內形成所述電極延伸部33。
參閱圖3、5、7，該電阻式記憶體結構之操作方法包括施加一形成電壓於該第一電極層2與第二電極層5間，使該擴散金屬層4受該形成電壓牽引，擴散進入該多孔隙部32，並在該多孔隙部32內形成該等電極延伸部33；及施加一設定電壓於該第一電極層2與第二電極層5間，使該切換基層部31受該設定電壓驅動，而產生電阻值改變，以利用電阻值的差異，設定儲存的資料。具體來說，該設定電壓是脈衝電壓，其超出預定範圍時，即改變該切換基層部31之電阻準位，以寫入資料或抹除資料，在本較佳實施例中，寫入電壓約為-1伏特，並且抹除電壓約為-1.3伏特。
該等電極延伸部33是擴散形成，並且其濃度隨著擴散路徑延伸遞減，因此所述電極延伸部33之寬度可逐步地縮減，約略呈錐形。
而所述電極延伸部33在該多孔隙部32內構成導通途徑，也就是大部分的電流經由該等電極延伸部33通過該多孔隙部32並傳導至該切換基層部31，因此在高阻抗與低
阻抗間切換時，可形成與阻斷傳導途徑，此外該等電極延伸部33錐形的特徵，可產生尖端效應，使電場集中，進一步地提高電阻轉態的效率。
參閱圖3、6，其中圖6是對本實施例的電阻式記憶體結構10進行耐用性(endurance)實驗，其連續執行約105
次電阻切換的實驗結果，導通的電流值在圖中清楚地形成兩個群組，並且其電流值分別落在預定的範圍內，其高阻抗值與低阻抗值間可清楚、確實地轉換，因此具有切換穩定性佳之特性。
其中，金屬對多孔隙材質具有好的擴散性，即該多孔隙部32有助於形成所述電極延伸部33，因此可降低形成該電極延伸部33所消耗的能量與時間，提高元件工作效率。而該多孔隙部32之孔隙尺寸可影響所述電極延伸部33的末端寬度，也就是其尖端的尖銳情形，具體來說，在孔隙尺寸較小的情況下，該等電極延伸部33尖端越尖，因此孔隙尺寸以在1至10平方奈米(nm2
)間為最佳。此外在該多孔隙部32之孔隙的密度偏大時，會無法支撐結構，使電極延伸部33無法具有選擇性，而孔隙的密度太小時，形成電極延伸部33所消耗的功率較高，因此該多孔隙部32之孔隙密度以1%至10%較佳。
另一方面，該切換基層部31是用以產生電阻轉態的特性，因此其可以是其他具阻抗轉態特性之材質，例如半導體氧化物、半導體氮化物、半導體氮氧化合物、金屬氧化物、金屬氮化物或金屬氮氧化合物等，而不以本實施例之氮氧化矽(SiON)為限。
該擴散金屬層4是用以產生擴散作用以形成所述電極
延伸部33，並與該第二電極層5導通，因此其可以是銀或錫等具導電性與擴散性材質，不以本實施例之銅材質為限。
參閱圖8，本發明電阻式記憶體結構10之第二較佳實施例，其主要功能與結構與該第一較佳實施例類似，都包括一第一電極層2、一披覆在該第一電極層2上的電阻切換層3、一披覆在該電阻切換層3上的擴散金屬層4，及一披覆在該擴散金屬層4上的第二電極層5。
而與該第一較佳實施例不同處在於：本實施例的電阻切換層3是氮氧化矽(SiON)材質，也就是該電阻切換層3是單一材質形成的單一膜層，而該擴散金屬層4是擴散進入該電阻切換層3，並形成所述電極延伸部33。
由於擴散金屬層4亦可擴散進入氮氧化矽材質中，並生成電極延伸部33，並在電阻切換時，形成與阻斷傳導途徑。因此所述電極延伸部33也可以形成在氮氧化矽(SiON)等具阻抗轉態特性之材質中，同樣有助於電阻切換穩定度。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍。
10‧‧‧電阻式記憶體結構
2‧‧‧第一電極層
3‧‧‧電阻切換層
31‧‧‧切換基層部
32‧‧‧多孔隙部
33‧‧‧電極延伸部
4‧‧‧擴散金屬層
5‧‧‧第二電極層
圖1為側視示意圖，顯示習知的電阻式記憶體結構；圖2為習知的電阻式記憶體結構之耐用性實驗數據圖，顯示電阻切換次數與對應高電阻狀態及低電阻狀態的導通電流；圖3為側視示意圖，顯示本發明電阻式記憶體結構的
第一較佳實施例；圖4為流程圖，顯示該第一較佳實施例之製作方法；圖5為流程圖，顯示該第一較佳實施例之操作方法；圖6為實驗數據圖，顯示該第一較佳實施例在耐用性實驗中，其電阻切換次數與對應高電阻狀態及低電阻狀態的導通電流；圖7為操作特性圖，顯示該第一較佳實施例之導通電流與外加電壓的關係；及圖8為側視示意圖，顯示本發明電阻式記憶體結構之第二較佳實施例。
10‧‧‧電阻式記憶體結構
2‧‧‧第一電極層
3‧‧‧電阻切換層
31‧‧‧切換基層部
32‧‧‧多孔隙部
33‧‧‧電極延伸部
4‧‧‧擴散金屬層
5‧‧‧第二電極層
Claims (18)
- 一種電阻式記憶體結構，包括：一第一電極層；一電阻切換層，包括有一切換基層部與一多孔隙部，該切換基層部披覆於該第一電極層，該電阻切換層內設置有至少一電極延伸部；一擴散金屬層，披覆於該電阻切換層，其中該多孔隙部設置於該切換基層部與該擴散金屬層之間；及一第二電極層，披覆於該擴散金屬層。
- 如申請專利範圍第1項所述之電阻式記憶體結構，其中，該電阻切換層尚包括有一披覆該第一電極層的切換基層部，及一設置於該切換基層部與該擴散金屬層之間的多孔隙部，其中該多孔隙部為多孔隙材質，當該擴散金屬層受一電場，使該擴散金屬層擴散進入該多孔隙部，而在該多孔隙部內形成一或數個電極延伸部。
- 如申請專利範圍第2項所述之電阻式記憶體結構，其中，該多孔隙部之孔隙密度在1%至10%之間。
- 如申請專利範圍第2項所述之電阻式記憶體結構，其中，該多孔隙部中孔隙尺寸在1平方奈米至10平方奈米之間。
- 如申請專利範圍第2項所述之電阻式記憶體結構，其中，每一電極延伸部之寬度朝該切換基層部接近而縮減。
- 如申請專利範圍第2項所述之電阻式記憶體結構，其中，該切換基層部之厚度在2奈米至10奈米間。
- 如申請專利範圍第2項所述之電阻式記憶體結構，其中，該多孔隙部之厚度在2奈米至10微米間。
- 如申請專利範圍第2項所述之電阻式記憶體結構，其中，該擴散金屬層之材質是銅、錫及銀其中之一。
- 如申請專利範圍第2項所述之電阻式記憶體結構，其中，該切換基層部之材質是半導體氧化物、半導體氮化物、半導體氮氧化合物、金屬氧化物、金屬氮氧化合物，及金屬氮化物其中之一。
- 一種電阻式記憶體結構之操作方法，該電阻式記憶體結構包括一第一電極層、一披覆該第一電極層之電阻切換層、一披覆該電阻切換層之擴散金屬層，及一披覆該擴散金屬層之第二電極層，其中該電阻切換層包括一披覆該第一電極層的切換基層部，及一設置於該切換基層部與該擴散金屬層之間的多孔隙部，該操作方法包括：施加一形成電壓於該第一電極層與第二電極層間，使該擴散金屬層受該形成電壓牽引擴散進入該電阻切換層，而形成數個電極延伸部；及施加一設定電壓於該第一電極層與第二電極層間，使該電阻切換層受該設定電壓驅動而改變電阻值。
- 一種電阻式記憶體結構之製作方法，包括：提供一第一電極層；形成一電阻切換層於該第一電極層上，其包括：形成一切換基層部於該第一電極層上，及形成一多孔隙部於該切換基層部上；形成一擴散金屬層於該電阻切換層上；形成一第二電極層於該擴散金屬層上；及 形成至少一電極延伸部於該電阻切換層內。
- 如申請專利範圍第11項所述之電阻式記憶體結構之製作方法，其中該多孔隙部為多孔隙材質，而在形成電極延伸部步驟中，當該擴散金屬層受一電場，使該擴散金屬層擴散進入該多孔隙部，而在該多孔隙部內形成一或數個電極延伸部。
- 如申請專利範圍第12項所述之電阻式記憶體結構之製作方法，其中，該多孔隙部之孔隙密度在1%至10%之間。
- 如申請專利範圍第12項所述之電阻式記憶體結構之製作方法，其中，該多孔隙部中孔隙尺寸在1平方奈米至10平方奈米之間。
- 如申請專利範圍第12項所述之電阻式記憶體結構之製作方法，其中，該切換基層部之厚度在2奈米至10奈米間。
- 如申請專利範圍第12項所述之電阻式記憶體結構之製作方法，其中，該多孔隙部之厚度在2奈米至10微米間。
- 如申請專利範圍第12項所述之電阻式記憶體結構之製作方法，其中，該擴散金屬層之材質是銅、錫及銀其中之一。
- 如申請專利範圍第12項所述之電阻式記憶體結構之製作方法，其中，該切換基層部之材質是半導體氧化物、半導體氮化物、半導體氮氧化合物、金屬氧化物、金屬氮氧化合物，及金屬氮化物其中之一。
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