TWI553854B

TWI553854B - 具有含氧控制層之記憶裝置及其製造方法

Info

Publication number: TWI553854B
Application number: TW103127270A
Authority: TW
Inventors: 蔣光浩; 李岱螢; 賴二琨
Original assignee: 旺宏電子股份有限公司
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-10-11
Also published as: TW201607024A

Description

具有含氧控制層之記憶裝置及其製造方法

本發明是有關於一種記憶裝置及其製造方法，且更特別是一種具有含氧控制層的記憶裝置。

由於以金屬氧化物為主之記憶裝置相對簡單的結構與小單元尺寸，此種記憶裝置已廣泛地發展中。金屬氧化記憶裝置包括一金屬氧化層，金屬氧化層包括氧移動離子(oxygen mobile ions)及氧空缺(oxygen vacancies)。氧移動離子及氧空缺可隨著通過以金屬氧化物為主之記憶裝置頂端、底端電極之電壓的應用而移動。因此，以金屬氧化物為主之記憶裝置的性能係取決於金屬氧化層的含氧量。

根據本發明之一實施例，一種記憶裝置包括一第一金屬層及一第二金屬層、一金屬氧化層以及至少一含氧控制層，金屬氧化層配置於第一金屬層與第二金屬層之間，至少一含氧控制層配置於金屬氧化層與第一金屬層及第二金屬層之其一之間。至少一含氧控制層具有一梯度(graded)之含氧量。

根據本發明之另一實施例，一種記憶裝置之製造方法包括形成一第一金屬層，形成一金屬氧化層於第一金屬層之上方，形成一第二金屬層於金屬氧化層之上方，以及形成至少一含氧控制層於金屬氧化層與第一金屬層及第二金屬層之其一之間。至少一含氧控制層具有一梯度之含氧量。

100、300、500、700‧‧‧記憶裝置

110、310、510、710‧‧‧第一金屬層

120、340、540、720‧‧‧金屬氧化層

131-135、331-334、531-533、551-553‧‧‧含氧控制層

140、320、520、560、730‧‧‧障壁層

150、350、570、740‧‧‧第二金屬層

210‧‧‧實線

220‧‧‧虛線

第1圖是根據一繪示之實施例之一記憶裝置的剖面圖。

第2圖係根據一實施例概要繪示第1圖之記憶裝置的含氧分布。

第3圖是根據另一繪示之實施例之一記憶裝置的剖面圖。

第4圖係根據一實施例中概要繪示第3圖之記憶裝置的含氧分布。

第5圖是根據再一繪示之實施例之一記憶裝置的剖面圖。

第6圖係根據一實施例概要繪示第5圖之記憶裝置的含氧分布。

第7圖是一習知之記憶裝置的剖面圖。

第8圖係繪示根據一實施例所架構之一第一記憶裝置以及構成比較例的一第二記憶裝置之圖解說明。

第9圖是在第一記憶裝置上進行一保留測試之結果的圖解說明。

第10圖是在第一記憶裝置上進行一讀取擾動測試之結果的圖解說明。

現在將對於所提供的實施例進行詳細說明，其範例係繪示於所附圖式中。在可能的情況下，各圖將使用相同的元件符號來指示相同或相似的部分件。

根據本發明之一實施例的一記憶裝置包括一第一金屬層及一第二金屬層、一金屬氧化層以及至少一含氧控制層，金屬氧化層配置於第一金屬層與第二金屬層之間，至少一含氧控制層配置於金屬氧化層與第一金屬層及第二金屬層之其一之間。至少一含氧控制層具有一梯度(graded)之含氧量，亦即根據塗層之厚度而變化的一含氧量。記憶裝置可進一步包括一障壁層，障壁層配置於複數個含氧控制層與第一金屬層及第二金屬層之其一之間。

第一金屬層及第二金屬層皆可選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鐿(Yb)、鋱(Tb)、釔(Y)、鑭(La)、鈧(Sc)、鉿(Hf)、鉻(Cr)、釩(V)、鋅(Zn)、鉬(Mo)、錸(Re)、釕(Ru)、鈷(Co)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鉑(Pt)及此些金屬的任何組合所組成之群組的一金屬所形成。金屬氧化層可以AO_x所表示的一金屬氧化合物所形成，其中A係選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)及此些金屬的任何組合所組成之群組的一金屬。至少一含氧控制層可以AO_xB_y所表示的一化合物所形成，其中A係選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)及此些金屬的任何組合所組成之群組的一金屬，B係選自於由氮(N)、矽(Si)、鍺(Ge)、砷(As)、鎵(Ga)、銦(In)、磷(P)及此些元素的任何組合所組成之群組的一元素。至少一含氧控制層具有根據塗層之厚度而變化的一x/y比值，因此導致含氧量的分級。障壁層可以AB_y所表示的一化合物所形成，其中A係選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)及此些金屬的任何組合所組成之群組的一金屬，B係選自於由氮(N)、矽(Si)、鍺(Ge)、砷(As)、鎵(Ga)、銦(In)、磷(P)及此些元素的任何組合所組成之群組的一元素。

第1圖是根據一示範實施例之一記憶裝置100的剖面圖。記憶裝置100包括一第一金屬層110、一金屬氧化層120、第一至第五含氧控制層131-135、一障壁層140以及一第二金屬層150，金屬氧化層120形成於第一金屬層110之上方，第一至第五含氧控制層131-135依序形成於金屬氧化層120之上方，障壁層140形成於第五含氧控制層135之上方，第二金屬層150形成於障壁層140之上方。第一至第五含氧控制層131-135具有不同的含氧量。第一至第五含氧控制層131-135中沒有任何一層具有大於金屬氧化層120的含氧量。

在第1圖中所繪示的記憶裝置100中，第一金屬層110係以鎢(W)所形成。金屬氧化層120係以一鎢氧化合物WO_x所形成，例如三氧化鎢(WO₃)、五氧化二鎢(W₂O₅)或二氧化鎢(WO₂) 或其組合。第一至第五含氧控制層131-135之每一層係以一鎢氧氮化合物WO_xN_y所形成。不同的含氧控制層131-135具有不同的x/y比值。障壁層140係以一鎢氮化合物WN_y所形成。第二金屬層150係以鋁(Al)所形成。

第2圖示意性地繪示根據一實施例中之記憶裝置100含氧量的分布(此後稱之為「含氧分布」)。如第2圖所繪示，含氧量沿著自第五含氧控制層135開始的一深度方向以一階梯狀(stepwise)的方式增加，並在金屬氧化層120中達到最大值。也就是說，含氧量係自第五含氧控制層135開始以一系列之離散階段而增加。第一至第五含氧控制層131-135的每一層對應至此系列之離散階段之其一。在第一至第五含氧控制層131-135的每一層中，氧係均勻地遍佈在整個塗層，使第一至第五含氧控制層131-135的每一層使終具有一定值的含氧量。第五含氧控制層135中的含氧量係第一至第五含氧控制層131-135之中的最小值。

雖然在第2圖所繪示的實施例中，記憶裝置100的含氧量以一階梯狀的方式增加，但本發明並不以此為限制。含氧量可沿著深度方向先增加而後減少，以在金屬氧化層120達到最大值之前具有一局部最大值。

第一至第五含氧控制層131-135的每一層之厚度及含氧量係可變的。舉例來說，第一至第五含氧控制層131-135的每一層之厚度範圍從數個奈米至數百個奈米之間變化。第一至第五含氧控制層131-135的每一層之含氧量範圍從1%至99%之間變化。此外，含氧控制層的數量係可變的。

記憶裝置100可藉由在第一金屬層110之上依序沉積金屬氧化層120、第一至第五含氧控制層131-135、障壁層140及第二金屬層150所形成。此些塗層之每一層的沉積可以不同的沉積製程來執行，包括一下游電漿混合沉積製程(downstream plasma incorporated deposition process)、一原子層沉積製程、一爐管沉積製程(furnace deposition process)、一快速熱沉積製程(rapid thermal deposition process)、一物理氣相沉積製程、一化學氣相沉積製程、一濺射沉積製程、一化學反應沉積製程及一分子束磊晶製程。沉積後之第一至第五含氧控制層131-135具有階梯狀的含氧分布，如第2圖中的實線210所示。

在某些實施例中，在沉積製程的步驟之後，可進行一退火製程。退火製程的結果，使記憶裝置100的含氧分布變為一平緩的含氧分布，如第2圖中的虛線220所示。

第3圖是根據另一示範實施例之一記憶裝置300的剖面圖。記憶裝置300包括一第一金屬層310、一障壁層320、第一至第四含氧控制層331-334、一金屬氧化層340以及一第二金屬層350，障壁層320形成於第一金屬層310之上方，第一至第四含氧控制層331-334依序形成於障壁層320之上方，金屬氧化層340形成於第四含氧控制層334之上方，第二金屬層350形成於金屬氧化層340之上方。第一至第四含氧控制層331-334具有不同的含氧量。第一至第四含氧控制層331-334中沒有任何一層具有大於金屬氧化層340的含氧量。

在第3圖中所繪示的記憶裝置300中，第一金屬層310係以鎢(W)所形成。障壁層320係以一鎢氮化合物WN_y所形成。第一至第四含氧控制層331-334係以具有不同的x/y比值之不同的鎢氧氮化合物WO_xN_y所形成。金屬氧化層340係以一鎢氧化合物WO_x所形成。第二金屬層350係以鋁(Al)所形成。

第4圖示意性地繪示根據一實施例中之記憶裝置300的含氧分布。如第4圖所繪示，記憶裝置300中的含氧量沿著自金屬氧化層340開始的一深度方向以一階梯狀的方式減少。金屬氧化層340具有大於第一至第四含氧控制層331-334中任一層的一含氧量。雖然未示於第4圖中，可在以第4圖中所示之含氧分布所形成之記憶裝置300上執行一退火製程。退火製程之結果，使記憶裝置300的含氧分布變得平緩。

第5圖是根據再另一示範實施例之一記憶裝置500的剖面圖。記憶裝置500包括一第一金屬層510、一第一障壁層520、第一至第三含氧控制層531-533、一金屬氧化層540、第四至第六含氧控制層551-553、一第二障壁層560以及一第二金屬層570，第一障壁層520形成於第一金屬層510之上方，第一至第三含氧控制層531-533依序形成於第一障壁層520之上方，金屬氧化層540形成於第三含氧控制層533之上方，第四至第六含氧控制層551-553形成於金屬氧化層540之上方，第二障壁層560形成於第六含氧控制層553之上方，第二金屬層570形成於第二障壁層560之上方。第一至第三含氧控制層531-533具有不同的含氧量。第四至第六含氧控制層551-553也具有不同的含氧量。第一至第六含氧控制層531-533及551-553中沒有任何一層具有大於金屬氧化層540的含氧量。

在第5圖中所繪示的記憶裝置500中，第一金屬層510係以鎢(W)所形成。第一障壁層520係以一鎢氮化合物WN_y所形成。第一至第三含氧控制層531-533係以具有不同的x/y比值之不同的鎢氧氮化合物WO_xN_y所形成。金屬氧化層540係以一鎢氧化合物WO_x所形成。第四至第六含氧控制層551-553係以具有不同的x/y比值之不同的鎢氧氮化合物WO_xN_y所形成。第二障壁層560係以一鎢氮化合物WN_y所形成。第二金屬層570係以鋁(Al)所形成。

第6圖示意性地繪示根據一實施例中之記憶裝置500的含氧分布。如第6圖所繪示，記憶裝置500中的含氧量沿著自第六含氧控制層553開始的一深度方向以一階梯狀的方式增加，並在金屬氧化層540中達到最大值，接著沿著深度方向以一階梯狀的方式減少。雖然第6圖中的含氧分布係對稱於金屬氧化層540的中心軸，但實施例並不以此為限制。也就是說，第一含氧控制層531的含氧量可不同於第六含氧控制層553的含氧量；第二含氧控制層532的含氧量可不同於第五含氧控制層552的含氧量；以及第三含氧控制層533的含氧量可不同於第四含氧控制層551的含氧量。雖然未示於第6圖中，可在以第6圖中所示之含氧分布所形成之記憶裝置500上執行一退火製程。退火製程之結果，使記憶裝置500的含氧分布變得平緩。

第7圖示一記憶裝置700的剖面圖。如第7圖中所繪示，記憶裝置700包括一第一金屬層710、一金屬氧化層720、一障壁層730以及一第二金屬層740，金屬氧化層720形成於第一金屬層710之上方，障壁層730形成於金屬氧化層720之上方，第二金屬層740形成於障壁層730之上方。第一金屬層710係以鎢(W)所形成，金屬氧化層720係以氧化鎢(WO_x)所形成，障壁層730係以氮化鎢(WN_y)所形成，第二金屬層740係以鋁(Al)所形成。記憶裝置700並未包括任何含氧控制層。

第8圖是根據一實施例之構成為範例的一第一記憶裝置以及構成為對照範例的一第二記憶裝置之電阻對電壓特性的圖解說明。除了含氧控制層係以具有不同的x/y比值之W(Si)_xO_y所形成外，第一記憶裝置係相似於第1圖中所繪示的記憶裝置100。第二記憶裝置係相似於第7圖中所繪示的記憶裝置700。

如第8圖中所繪示，當施加通過第二金屬層150及第一金屬層110的電壓從1伏特(V)增加並達到約2.5伏特時，第一裝置的電阻狀態從「0」重設(reset)至「1」，且當施加通過第二金屬層150及第一金屬層110的電壓從-1伏特降低並達到約-3伏特時，第一裝置的電阻狀態從「1」設定(set)至「0」。另一方面，當施加通過第二金屬層740及第一金屬層710的電壓從1伏特增加並達到約3伏特時，第二裝置的電阻狀態從「0」重設至「1」，且當施加通過第二金屬層740及第一金屬層710的電壓從-1伏特降低並達到約-1.5伏特時，第二裝置的電阻狀態從「1」設定至「0」。因此，第一裝置及第二裝置具有不同的設定與重設電壓，並因此具有不同的電性操作窗口(electrical operation windows)。第一裝置與第二裝置間的上述差異是由於第一裝置中存在有含氧控制層的結果。

第9圖是在第一記憶裝置上進行一保留測試(retention test)之結果的圖解說明。在保留測試的期間，第一記憶裝置之電阻狀態係重設至「1」，並在170小時的期間內作週期性的量測。接著，第一記憶裝置之電阻狀態係設定至「0」，並在170小時的期間內作週期性的量測。保留測試的結果顯示，第一記憶裝置在至少170小時係穩定的。

第10圖是在第一記憶裝置上進行一讀取擾動測試(read disturbance test)之結果的圖解說明。在讀取擾動測試的期間，第一記憶裝置之電阻狀態係重設至「1」，並週期性地施加0.2伏特的一讀取電壓至第一記憶裝置，以量測其電阻。接著，第一記憶裝置之電阻狀態係設定至「0」，並週期性地施加0.2伏特的一讀取電壓至第一記憶裝置，以量測其電阻。讀取擾動測試的結果顯示，第一記憶裝置對於讀取擾動具有良好的抗擾性。

本發明的其它實施例在本發明所屬領域中具有通常知識者經由本文所揭露之本發明說明書與實施方式的考量，將是顯而易見的。意思是說，說明書與範例僅被視為示範性的範例，本發明真正的保護範圍與精神當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧記憶裝置

110‧‧‧第一金屬層

120‧‧‧金屬氧化層

131-135‧‧‧第一至第五含氧控制層

140‧‧‧障壁層

150‧‧‧第二金屬層

Claims

一種記憶裝置，包括：一第一金屬層及一第二金屬層；一金屬氧化層，配置於該第一金屬層與該第二金屬層之間；以及複數層含氧控制層，配置於該金屬氧化層與該第一金屬層及該第二金屬層之其一之間；其中，該些含氧控制層之含氧量沿著自該第一金屬層及該第二金屬層之至少一者開始的一深度方向增加而達到一局部最大值，而後沿著該深度方向先減少而後增加，並在該金屬氧化層中達到一最大值，該局部最大值係少於該最大值。
如申請專利範圍第1項所述之記憶裝置，更包括一障壁層，配置於該些含氧控制層與該第一金屬層及該第二金屬層之其一之間。
如申請專利範圍第1項所述之記憶裝置，其中該金屬氧化層係以AO_x所表示的一金屬氧化合物所形成，A係選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)及其任何組合所組成之群組的一金屬。
如申請專利範圍第1項所述之記憶裝置，其中該第一金屬層及該第二金屬層皆係選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鐿(Yb)、鋱(Tb)、釔(Y)、鑭(La)、鈧(Sc)、鉿(Hf)、鉻(Cr)、釩(V)、鋅(Zn)、鉬(Mo)、錸(Re)、釕(Ru)、鈷(Co)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鉑(Pt)及其任何組合所組成之群組的一金屬所形成。
如申請專利範圍第1項所述之記憶裝置，其中各該含氧控制層係以AO_xB_y所表示的一化合物所形成，A係選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)及其任何組合所組成之群組的一金屬所形成，B係選自於由氮(N)、矽(Si)、鍺(Ge)、砷(As)、鎵(Ga)、銦(In)、磷(P)及其任何組合所組成之群組的一元素。
如申請專利範圍第5項所述之記憶裝置，其中各該含氧控制層具有根據各該含氧控制層之一厚度而變化的一x/y比值。
如申請專利範圍第1項所述之記憶裝置，其中該些含氧控制層之含氧量係以一階梯狀的方式沿著該深度方向變化，各該含氧控制層分別對應至該階梯狀變化的含氧量。
一種記憶裝置的製造方法，包括：形成一第一金屬層；形成一金屬氧化層於該第一金屬層之上方；形成一第二金屬層於該金屬氧化層之上方；以及形成複數層含氧控制層於該金屬氧化層與該第一金屬層及該第二金屬層之其一之間；其中，該些含氧控制層之含氧量沿著自該第一金屬層及該第二金屬層之至少一者開始的一深度方向增加而達到一局部最大值，而後沿著該深度方向先減少而後增加，並在該金屬氧化層中達到一最大值，該局部最大值係少於該最大值。
如申請專利範圍第8項所述之方法，更包括形成一障壁層於該些含氧控制層與該第一金屬層及該第二金屬層之其一之間。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中形成該金屬氧化層之步驟包括：形成以AO_x所表示的一金屬氧化合物之一塗層，A係選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)及其任何組合所組成之群組的一金屬。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中形成該第一金屬層之步驟及形成該第二金屬層之步驟皆包括：形成選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鐿(Yb)、鋱(Tb)、釔(Y)、鑭(La)、鈧(Sc)、鉿(Hf)、鉻(Cr)、釩(V)、鋅(Zn)、鉬(Mo)、錸(Re)、釕(Ru)、鈷(Co)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鉑(Pt)及其任何組合所組成之群組的一金屬。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中形成各該含氧控制層之步驟包括：形成以AO_xB_y所表示的一化合物之一塗層，A係選自於由鎢(W)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)及其任何組合所組成之群組的一金屬，B係選自於由氮(N)、矽(Si)、鍺(Ge)、砷(As)、鎵(Ga)、銦(In)、磷(P)及其任何組合所組成之群組的一元素。
如申請專利範圍第12項所述之方法，其中各該含氧控制層具有根據各該含氧控制層之一厚度而變化的一x/y比值。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中形成該些含氧控制層之步驟包括：該些含氧控制層之含氧量係以一階梯狀的方式沿著該深度方向變化所形成，各該含氧控制層分別對應至該階梯狀變化的含氧量。
如申請專利範圍第8項所述之方法，更包括對該些含氧控制層及該金屬氧化層進行退火。