TWI565046B - 電阻式記憶體及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一電阻式記憶體及其製作方法；特別是關於一種具有氧濃度差的電阻式記憶體及其製作方法。
記憶體(Memory)廣泛的使用在各種電子產品上，隨著資料儲存需求與日俱增，對於記憶體容量以及性能的要求也越來越高，在各種記憶體元件中，電阻式記憶體(RRAM)具有極低的操作電壓、極快的讀寫速度以及高度的元件尺寸可微縮性等優點，有機會取代傳統的快閃記憶體(Flash Memory)以及動態隨機存取記憶體(DRAM)，成為下個世代的記憶體元件主流。
請參閱第1圖所示，其係習知電阻式記憶體之結構示意圖，其中，習知電阻式記憶體9具有二電極層91及一電阻切換層92，該電阻切換層92設置於該二電極層91之間，以形成金屬/介電/金屬(MIM)結構，該電阻切換層92內部金屬絲M的氧化(oxidation)/還原(reduction)反應，可切換該電阻切換層92為低阻態(LRS)/高阻態(HRS)，用以儲存兩種邏輯狀態(如：0或1)。
該二電極層91通電時，該電阻切換層92雖具有電阻轉態特性，然而，電場不均勻分布於介電質之間，會使該電阻切換層92所形成的傳導路徑不具穩定性，造成電阻式記憶體元件特性不穩定，且功率消耗無法降低。
有鑑於此，上述先前技術在實際使用時確有不便之處，亟需進一步改良，以提升其實用性。
本發明係提供一種電阻式記憶體，可於二電極間的材料層形成氧濃度梯度差。
本發明另提供一種電阻式記憶體的製作方法，可於二電極間的材料層形成氧濃度梯度差。
本發明揭示一種電阻式記憶體，包含：一第一電極層；一少氧層，設於該第一電極層，該少氧層由銦錫氧化物、三氧化二銦、二氧化錫或氧化鋅構成；一絕緣層，設於該少氧層，該絕緣層由二氧化矽或氧化鉿構成；及一第二電極層，設於該絕緣層，該第二電極層由銦錫氧化物構成；其中，該第一電極層、該少氧層、該絕緣層及該第二電極層依序層疊設置。
本發明另揭示一種電阻式記憶體的製作方法，其步驟包含：製備一第一電極層；於該第一電極層上形成一少氧層，該少氧層由銦錫氧化物、三氧化二銦、二氧化錫或氧化鋅構成；於該少氧層上形成一絕緣層，該絕緣層由二氧化矽或氧化鉿構成；及於該絕緣層上形成一第二電極層，該第二電極層由銦錫氧化物構成。
所述第一電極層可由氮化鈦或鉑構成。
上揭電阻式記憶體及其製作方法，可由絕緣層與少氧層共同形成一電阻轉態層，該絕緣層至少氧層的氧離子濃度可由高至低，使該絕緣層與少氧層之間呈現一氧離子濃度梯度，該氧離子濃度梯度與外在電場可共同提供氧離子移動時的驅動力，大幅降低電阻式記憶體元件在設定及重設時的工作電壓，及在相同的讀取電壓的電流值，可以達成「操作穩定性佳」、「降低操作電壓」、「降低功率消耗」及「易於技術轉移及量產」等
功效，並可改善習知電阻式記憶體「元件特性不穩定，且功率消耗無法降低」等問題。
〔本發明〕
1‧‧‧第一電極層
2‧‧‧少氧層
3‧‧‧絕緣層
4‧‧‧第二電極層
C1~C4‧‧‧電性曲線
S1‧‧‧第一電極層製備步驟
S2‧‧‧少氧層形成步驟
S3‧‧‧絕緣層形成步驟
S4‧‧‧第二電極層形成步驟
VD‧‧‧讀取電壓
VS3,VS4‧‧‧設定電壓
VR3,VR4‧‧‧重設電壓
〔習知〕
9‧‧‧習知電阻式記憶體
91‧‧‧電極層
92‧‧‧電阻切換層
M‧‧‧金屬絲
第1圖：係習知電阻式記憶體之運作示意圖。
第2圖：係本發明之電阻式記憶體實施例的立體組合圖。
第3圖：係本發明之電阻式記憶體實施例與習知電阻式記憶體之電性曲線圖(一)。
第4圖：係本發明之電阻式記憶體實施例與習知電阻式記憶體之電性曲線圖(二)。
第5圖：係本發明之電阻式記憶體的製作方法實施例的製作流程圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參閱第2圖所示，其係本發明之電阻式記憶體實施例的立體組合圖。其中，該電阻式記憶體實施例可包含一第一電極層1、一少氧層2、一絕緣層3及一第二電極層4，該少氧層2設於該第一電極層1，該絕緣層3設於該少氧層2，該第二電極層4設於該絕緣層3。
其中，該第一電極層1可由導電材料構成，如：氮化鈦(TiN)或鉑(Pt)等，該第二電極層4可由導電材料構成，如：銦錫氧化物(ITO)或鉑(Pt)等，該第二電極層4與第一電極層1可用以施加一工作電壓至該電阻式記憶體；該少氧層2可由銦錫氧化物(ITO)、三氧化二銦(IN2O3)、二氧化錫(SnO2)或氧化鋅(ZnO)等少氧材料構成；該絕緣層3可由二氧化矽(SiO2)或氧化鉿(HfO)等絕緣材料構成，惟不以此為限。在此實施例中，該第一電極層1以氮化鈦，該少氧層2以銦錫氧化物，該絕緣
層3以二氧化矽，該第二電極層4以銦錫氧化物作為實施態樣說明；該少氧層2、絕緣層3的厚度可分別為1至20奈米(nm)，惟不以此為限。
請再參閱第2圖所示，本發明之電阻式記憶體實施例使用時，可於該第一電極層1及第二電極層4施加一外在電場，以驅動氧離子主導該第一電極層1與第二電極層4間的電阻值切換成高阻態(HRS)或低阻態(LRS)。其中，該絕緣層3與少氧層2可共同形成一電阻轉態層，該絕緣層3至少氧層2的氧離子濃度可由高至低，使該絕緣層3與少氧層2之間呈現一氧離子濃度梯度，當電阻式記憶體在軟崩潰(soft breakdown)後，若可提高氧離子濃度梯度(如：以含氧量豐富的二氧化矽作為絕緣層3，以產生極高的氧離子濃度梯度)，則可大幅度降低該電阻式記憶體的操作電壓，有利於製造出極低功率消耗的電阻式記憶體。
請參閱第3圖所示，其係本發明之電阻式記憶體實施例與習知電阻式記憶體之電性曲線圖(一)。其中，習知電阻式記憶體(MIM結構為ITO/Gd：SiO2/TiN)之電性曲線為C1，本發明之電阻式記憶體實施例(第二電極層/絕緣層/少氧層/第一電極層結構為ITO/SiO2/ITO/TiN)之電性曲線為C2，由曲線C1、C2可知，在相同的讀取電壓VD(垂直虛線處)，曲線C2的電流值明顯低於曲線C1的電流值，由此可見，本發明之電阻式記憶體實施例可降低讀取電壓及功率消耗；另，本發明之電阻式記憶體實施例具有雙邊電壓操作(Bipolar)特性，相較於習知僅具單邊電壓操作(Unipolar)特性的電阻式記憶體，具有「操作穩定性佳」功效。
請參閱第4圖所示，其係本發明之電阻式記憶體實施例與習知電阻式記憶體之電性曲線圖(二)。其中，習知電阻式記憶體(MIM結構為ITO/Gd：SiO2/TiN)之電性曲線為C3，本發明之電阻式記憶體實施例(第二電極層/絕緣層/少氧層/第一電極層結構為ITO/SiO2/ITO/TiN)之電性曲線為C4，由曲線C3及C4可知，曲線C4的設定電壓VS4明顯低於曲
線C3的設定電壓VS3(降低約10倍)，且曲線C4的重設電壓VR4明顯低於曲線C3的重設電壓VR3(降低約10倍)。因此，在本發明之電阻式記憶體實施例中，由於氧離子濃度梯度差可提供氧離子擴散時所需的驅動力，確實可大幅降低電阻式記憶體元件在設定及重設時的工作電壓，使本發明之電阻式記憶體實施例工作時的功率消耗極低，以便設置於低功耗電子產品(如：可攜式裝置)中。
請參閱第5圖所示，其係本發明之電阻式記憶體的製作方法實施例的製作流程圖。其中，該製作方法實施例包含一第一電極層製備步驟S1、一少氧層形成步驟S2、一絕緣層形成步驟S3及一第二電極層形成步驟S4。請一併參閱第2圖所示。
該第一電極層製備步驟S1，係製備該第一電極層。在此實施例中，如第2圖所示，可於一基板(圖未繪示)上濺鍍氮化鈦或鉑等導電材料，而形成該第一電極層1，如：採用物理濺鍍(sputter)方式進行濺鍍，濺鍍時間可依該第一電極層1所需厚度進行調整，濺鍍所需設備及設定方式係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述；另，該第一電極層1亦可利用已製備完成的導電薄膜(如：氮化鈦或鉑薄膜或其他導電物質)，惟不以此為限。
該少氧層形成步驟S2，係於該第一電極層上形成該少氧層。在此實施例中，可於該第一電極層1上濺鍍銦錫氧化物、三氧化二銦、二氧化錫或氧化鋅等少氧材料，以形成該少氧層2；其中該少氧材料的濃度比例、濺鍍時間可依實際需求而調整，其係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。
該絕緣層形成步驟S3，係於該少氧層上形成該絕緣層。在此實施例中，可於該少氧層2上濺鍍二氧化矽或氧化鉿等絕緣材料，以形成該絕緣層3；其中該絕緣材料的濃度比例、濺鍍時間可依實際需求而調
整，其係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。
該第二電極層形成步驟S4，係於該絕緣層上形成該第二電極層。在此實施例中，可於該絕緣層3上濺鍍銦錫氧化物或鉑等導電材料，而形成該第二電極層4，濺鍍時間可依該第二電極層4所需厚度進行調整，濺鍍所需設備及設定方式係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。
藉由前揭之技術手段，本發明之電阻式記憶體及其製作方法實施例的主要特點列舉如下：該電阻式記憶體可包含一第一電極層、一少氧層、一絕緣層及一第二電極層，該少氧層可由銦錫氧化物、三氧化二銦、二氧化錫或氧化鋅等少氧材料構成，該絕緣層可由二氧化矽或氧化鉿等絕緣材料構成，該等絕緣材料皆為易於取得的材料，且相容於現有半導體製程，可以達成「易於技術轉移及量產」功效。
另，本發明之電阻式記憶體實施例之絕緣層與少氧層可共同形成一電阻轉態層，該絕緣層至少氧層的氧離子濃度可由高至低，使該絕緣層與少氧層之間呈現一氧離子濃度梯度，該氧離子濃度梯度與外在電場可共同提供氧離子移動時的驅動力，大幅降低電阻式記憶體元件在設定及重設時的工作電壓，及在相同的讀取電壓的電流值，可以達成「降低操作電壓」及「降低功率消耗」等功效，改善習知電阻式記憶體「元件特性不穩定，且功率消耗無法降低」等問題。
又，習知電阻式記憶體僅具單邊電壓操作特性，本發明之電阻式記憶體實施例具有雙邊電壓操作特性，具有「操作穩定性佳」功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧第一電極層
2‧‧‧少氧層
3‧‧‧絕緣層
4‧‧‧第二電極層
Claims (4)
- 一種電阻式記憶體，包含：一第一電極層；一少氧層，設於該第一電極層，該少氧層由銦錫氧化物、三氧化二銦、二氧化錫或氧化鋅構成；一絕緣層，設於該少氧層，該絕緣層由二氧化矽或氧化鉿構成；及一第二電極層，設於該絕緣層，該第二電極層由銦錫氧化物構成；其中，該第一電極層、該少氧層、該絕緣層及該第二電極層依序層疊設置。
- 根據申請專利範圍第1項所述之電阻式記憶體，其中該第一電極層由氮化鈦或鉑構成。
- 一種電阻式記憶體的製作方法，其步驟包含：製備一第一電極層；於該第一電極層上形成一少氧層，該少氧層由銦錫氧化物、三氧化二銦、二氧化錫或氧化鋅構成；於該少氧層上形成一絕緣層，該絕緣層由二氧化矽或氧化鉿構成；及於該絕緣層上形成一第二電極層，該第二電極層由銦錫氧化物構成。
- 根據申請專利範圍第3項所述之電阻式記憶體的製作方法，其中該第一電極層由氮化鈦或鉑構成。
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|---|---|---|---|---|
| US20070215977A1 (en) * | 2006-03-10 | 2007-09-20 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Resistance random access memory device and a method of manufacturing the same |
| US8320161B2 (en) * | 2008-12-19 | 2012-11-27 | Unity Semiconductor Corporation | Conductive metal oxide structures in non volatile re writable memory devices |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201622129A (zh) | 2016-06-16 |
| US9287501B1 (en) | 2016-03-15 |
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