TWI584508B - Ｒｒａｍ裝置與其形成方法 - Google Patents
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Description
本揭露關於RRAM裝置，更特別關於其MIM堆疊結構與其形成方法。
電阻式非揮發性記憶體(RRAM)因具有功率消耗低、操作電壓低、寫入抹除時間短、耐久度長、記憶時間長、非破壞性讀取、多狀態記憶、元件製程簡單、及可微縮性等優點，所以成為新興非揮發性記憶體的主流。電阻式非揮發性記憶體的基本結構為底電極、電阻轉態層及頂電極構成的金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal,MIM)疊層結構，且電阻式非揮發性記憶體的電阻轉換(resistive switching，RS)阻值特性為元件的重要特性。一般為了形成MIM堆疊的陣列，往往形成整層的底電極層、電阻轉態層、與頂電極層後，再以微影製程搭配蝕刻製程圖案化上述層狀物以定義多個MIM堆疊。然而蝕刻製程往往會損傷MIM堆疊的側壁而劣化MIM堆疊的性質。
綜上所述，目前亟需新的RRAM裝置及其製造方法，以改善上述缺點。
本揭露一實施例提供之RRAM裝置，包括：底電極，位於氧化物層中；多個介電凸塊，位於氧化物層上，且底
電極位於相鄰的兩個介電凸塊之間；電阻轉態層，順應性地位於介電凸塊、氧化物層、與底電極上；導電儲氧層，位於電阻轉態層上；以及氧擴散阻障層，位於導電儲氧層上。
本揭露一實施例提供之RRAM裝置的形成方法，包括：形成底電極於氧化物層中；形成多個介電凸塊於氧化物層上，且底電極位於相鄰的兩個介電凸塊之間；順應性地形成電阻轉態層於介電凸塊、氧化物層、與底電極上；形成導電儲氧層於電阻轉態層上；以及形成氧擴散阻障層於導電儲氧層上。
8‧‧‧電晶體
8D‧‧‧汲極
8G‧‧‧閘極
8S‧‧‧源極
10‧‧‧基板
11‧‧‧氧化物層
13‧‧‧底電極
14‧‧‧介電凸塊
15‧‧‧電阻轉態層
16、18‧‧‧氧擴散阻障層
17‧‧‧導電儲氧層
18A‧‧‧TiN層
18B‧‧‧TiON層
18C‧‧‧TiN層
第1圖係本揭露一實施例中，MIM堆疊的示意圖。
第2圖係本揭露一實施例中，MIM堆疊的示意圖。
第3圖係本揭露一實施例中，MIM堆疊的示意圖。
第4A至4C圖係本揭露一實施例中，MIM堆疊的製程示意圖。
第5A至5B圖係本揭露一實施例中，MIM堆疊的製程示意圖。
第6A至6B圖係本揭露一實施例中，MIM堆疊的製程示意圖。
為解決習知製程造成的間題，可採用第1圖所示之結構。首先形成電晶體於基板10上。在一實施例中，閘極8G係形成於基板10上，而源極8S與汲極8D形成於基板10中並與閘極8G之兩側相鄰。值得注意的是，上述電晶體8僅用以說明而
非侷限本揭露。接著形成氧化物層11於基板10與電晶體上，並以微影製程搭配蝕刻製程形成開口於氧化物層11中，以露出部份汲極8D。沉積底電極層於氧化物層11上及開口中，再以平坦化製程移除氧化物層11其上表面上的底電極層，即形成底電極13以接觸電晶體8(如汲極8D)。之後形成整層的電阻轉態層15、導電儲氧層17(如Ti)、與氧擴散阻障層18(比如TiN層18A/TiON層18B/TiN層18C)於氧化物層11及底電極13上。氧擴散阻障層18為導電結構，其TiN層18C可作為頂電極。
第1圖所示之結構可避免習知製程中，圖案化底電極層、電阻轉態層、與頂電極層以定義MIM堆疊時，蝕刻損傷MIM堆疊側壁的缺點。然而上述結構中，相鄰之MIM堆疊極易互相干擾。舉例來說，當施加寫入電壓至右側底電極13時，理論上只有對應右側底電極13之電阻轉態層15的氧原子會遷移至對應右側底電極13之導電儲氧層17中。然而對應右側底電極13之電阻轉態層15的氧原子可能遷移至對應左側底電極13的導電儲氧層17，干擾左側MIM堆疊的狀態。在底電極13之間的距離越小的情況下，上述干擾的問題會越嚴重。
在另一實施例中，採用介電凸塊解決上述氧原子遷移所造成的干擾問題。如第2圖所示，先提供基板10如矽基板，並形成電晶體8於基板10上。接著形成氧化物層11於基板10上。在一實施例中，氧化物層11可為氧化矽，其形成方法可為熱氧化法、化學氣相沉積法、或其他合適方法。接著以微影製程搭配蝕刻製程形成開口於氧化物層11中以露出電晶體8之汲極8D，再沉積底電極層於氧化物層11上及開口中。在一實施
例中，底電極層可為鋁、鈦、氮化鈦(TiN)、或上述組合，其形成方法可為電子束真空蒸鍍(E-beam evaporation)、濺鍍法(sputtering)、或物理氣相沉積(PVD)。接著以平坦化製程移除氧化物層11其上表面上的底電極層，即形成底電極13，其接觸電晶體8之汲極8D。在一實施例中，底電極13之厚度即氧化物層11之厚度介於10nm與100nm之間，其與氧化物層11之厚度相同。底電極13之頂部邊緣通常具有斜角(未圖示)，有利於避免銳角邊緣造成之高電場與電流累積。
接著形成介電凸塊14於氧化物層11上。如第2圖所示，某一底電極13係位於兩個相鄰的介電凸塊14之間。然而可以理解的是，某一介電凸塊14亦位於兩個相鄰的底電極13之間。換言之，底電極13與介電凸塊14係交錯排列。介電凸塊14可於x方向與y方向圍繞底電極13，且可相連成格狀。上述介電凸塊的形成方法為形成整層的介電層於底電極13及氧化物層11上，再以微影製程搭配蝕刻製程圖案化介電層以定義介電凸塊14。在一實施例中，介電層與介電凸塊14的材料為氧化鋁(Al2O3)、氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、或類似物。
接著順應性地形成電阻轉態層15於介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上。在一實施例中，電阻轉態層15的材質可為氧化鉿、氧化鈦、氧化鎢、氧化鉭、或氧化鋯。在一實施例中，電阻轉態層15之形成方法可為原子層沉積(ALD)。
接著順應性地形成氧擴散阻障層16於但阻轉態層15上。在一實施例中，氧擴散阻障層16的形成方法為ALD。氧擴散阻障層16可視情況形成，且某些實施例可省略氧擴散阻障
層。
接著順應性地形成導電儲氧層17於氧擴散阻障層16上。在一實施例中，導電儲氧層17可為鋁、鈦、或上述組合，其形成方法可為電子束真空蒸鍍、濺鍍法、或PVD。在一實施例中，底電極13與導電儲氧層17之材質不同，比如底電極13為氮化鈦而導電儲氧層17為鈦。
接著順應性地形成TiN層18A於導電儲氧層17上，再毯覆性地形成TiON層18B於TiN層18A上，最後再形成TiN層18C於TiON層18B上。上述TiN層18A、TiON層18B、與TiN層18C即組成氧擴散阻障層18，可避免導電儲氧層17中的氧(來自電阻轉態層15)向上逃逸出導電儲氧層17。在此實施例中，TiON層18B之厚度介於5nm至8nm之間，而TiN層18A與18C之厚度介於9nm至12nm之間。若TiON層18B過薄，則無法有效避免自電阻轉態層15遷移至導電儲氧層17的氧，在未施加電壓的狀態下向上逃逸出導電儲氧層17的問題。若TiON層18B過厚，則會大幅增加整個MIM堆疊的電阻而增加RRAM裝置的驅動電壓，甚至使RRAM裝置失效。在一實施例中，TiN層18A與18C與TiON層18B的形成方法可為電子束真空蒸鍍、濺鍍法、或PVD。雖然圖示中的TiN層18C具有平坦上表面，但實際上亦可具有不平坦的上表面。在另一實施例中，TiN層18A可取代為厚度介於0.3nm至0.6nm之間的氧化鋁層，而TiON層18B可取代為厚度介於9nm至12nm之TiN層。上述氧化鋁層的形成方法可為ALD。若氧化鋁層過薄，則無法有效避免自電阻轉態層15遷移至導電儲氧層17的氧，在未施加電壓的狀態下向上逃逸出導電儲氧層
17的問題。若氧化鋁層過厚，則會大幅增加整個MIM堆疊的電阻而增加RRAM裝置的驅動電壓，甚至使RRAM裝置失效。
由於介電凸塊14的存在，自對應某一底電極13之電阻轉態層15遷移至導電儲氧層17中的氧原子，無法如第1圖之結構般輕易遷移至對應相鄰之底電極13的導電儲氧層17。簡言之，介電凸塊14可有效改善相鄰MIM堆疊的干擾問題。
第3圖與第2圖類似，差別在於介電凸塊14與部份(非全部)的底電極13重疊。第3圖之結構可進一步減少主動區的面積，進而降低MIM堆疊的漏電流與驅動電壓。可以理解的是，TiN層18A可取代為厚度介於0.3nm至0.6nm之間的氧化鋁層，而TiON層18B可取代為厚度介於9nm至12nm之TiN層。為了進一步避免某一MIM堆疊之導電儲氧層17的氧原子(來自電阻轉態層15)遷移至相鄰的MIM堆疊之導電儲氧層17，可採用第4A至4C之製程形成MIM堆疊如下。首先，形成電晶體8於基板10上，形成氧化物層於電晶體8與基板10上，並形成底電極13於基板10上的氧化物層11中以接觸電晶體8之汲極8D。接著形成介電凸塊14於氧化物層11上。之後順應性地依序形成電阻轉態層15、氧擴散阻障層16、導電儲氧層17、與TiN層18A於介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上，如第4A圖所示。接著以平坦化製程如CMP移除超出氧擴散阻障層16之頂部的導電儲氧層17與TiN層18A，直到露出電阻轉態層15上的氧擴散阻障層16，如第4B圖所示。之後毯覆性地形成TiON層18B於導電儲氧層17、TiN層18A、與露出的氧擴散阻障層16上，如第4C圖所示。接著形成TiN層18C於TiON層18B上，且TiN層18C可作為
此MIM堆疊的頂電極，如第4C圖所示。上述結構之材料與形成方法與前述類似，在此不贅述。與第2圖相較，第4C圖中不同MIM堆疊之導電儲氧層17被介電凸塊14截斷，可進一步避免相鄰之MIM堆疊互相干擾。
在一實施例中，形成電晶體8於基板10上，形成氧化物層於電晶體8與10上，形成底電極13於基板10上的氧化物層11中以接觸電晶體8之汲極8D，接著形成介電凸塊14於氧化物層11上。底電極13位於兩個相鄰的介電凸塊14之間。之後順應性地依序形成電阻轉態層15、氧擴散阻障層16、導電儲氧層17、與TiN層18A於介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上，如第4A圖所示。接著以平坦化製程如CMP移除超出氧擴散阻障層16之頂部的導電儲氧層17與TiN層18A，直到露出介電凸塊14上的氧擴散阻障層16，如第4B圖所示。接著以TiN層18A作為蝕刻遮罩，並蝕刻移除TiN層18A未覆蓋之導電儲氧層17，如第5A圖所示。之後毯覆性地形成TiON層18B於TiN層18A與氧擴散阻障層16上，再形成TiN層18C於TiON層18B上，且TiN層18C可作為此MIM堆疊的頂電極，如第5B圖所示。上述結構之材料與形成方法與前述類似，在此不贅述。在第5B圖中，不同MIM堆疊之導電儲氧層17被介電凸塊14截斷，且導電儲氧層17與介電凸塊14之間隔有部份氧擴散阻障層18(TiON層18B)與氧擴散阻障層16，可進一步避免相鄰之MIM堆疊互相干擾。此外，上述製程進一步縮小導電儲氧層17的面積(主動區面積)，可降低MIM堆疊的漏電流與驅動電壓。
在一實施例中，形成電晶體8於基板10上，形成氧
化物層11於電晶體8與基板10上，形成底電極13於氧化物層11中以接觸電晶體8之汲極8D，並形成介電凸塊14於氧化物層11與部份底電極13上。之後順應性地依序形成電阻轉態層15、氧擴散阻障層16、導電儲氧層17、與TiN層18A於介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上，如第6A圖所示。接著以平坦化製程如CMP移除超出氧擴散阻障層16之頂部的導電儲氧層17，直到露出介電凸塊14上的氧擴散阻障層16，如第6A圖所示。接著以微影製程搭配蝕刻製程，移除一側之導電儲氧層17與TiN層18A，如第6A圖所示。接著毯覆性地形成TiON層18B於上述結構上，再形成TiN層18C於TiON層18B上，且TiN層18C可作為此MIM堆疊的頂電極，如第6B圖所示。上述結構之材料與形成方法與前述類似，在此不贅述。在第6B圖中，不同MIM堆疊之導電儲氧層17被介電凸塊14截斷，可進一步避免相鄰之MIM堆疊互相干擾。此外，上述製程進一步縮小導電儲氧層17的面積(主動區面積)，可降低MIM堆疊的漏電流與驅動電壓。
綜上所述，本揭露的多個實施例之MIM堆疊結構具有底電極13位於基板10上的氧化物層11中，多個介電凸塊14位於氧化物層11上，且底電極13夾設於介電凸塊14之間。上述MIM堆疊結構亦包含電阻轉態層15、氧擴散阻障層16、與導電儲氧層17順應性地依序形成於介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上。上述MIM堆疊結構亦包含氧擴散阻障層18於導電儲氧層17上。由於介電凸塊14可增加相鄰之MIM堆疊之導電儲氧層17中的氧原子(來自電阻轉態層15)之遷移路徑，甚至截斷相鄰之MIM堆疊的導電儲氧層17，因此可有效改善相鄰MIM堆疊
互相干擾的問題。
可以理解的是，TiN層18C(作為頂電極)可經由頂電極接觸插塞(未圖示)或直接連接至外部電路或電子元件。在一實施例中，上述底電極13、電阻轉態層15、導電儲氧層17、與氧擴散阻障層18組成之MIM堆疊可用於RRAM裝置。
雖然本揭露已以數個實施例揭露於上，然其並非用以限定本揭露，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
8‧‧‧電晶體
8D‧‧‧汲極
8G‧‧‧閘極
8S‧‧‧源極
10‧‧‧基板
11‧‧‧氧化物層
13‧‧‧底電極
14‧‧‧介電凸塊
15‧‧‧電阻轉態層
16、18‧‧‧氧擴散阻障層
17‧‧‧導電儲氧層
18A‧‧‧TiN層
18B‧‧‧TiON層
18C‧‧‧TiN層
Claims (10)
- 一種RRAM裝置，包括：一底電極，位於一氧化物層中；多個介電凸塊，位於該氧化物層上，且該底電極位於相鄰的兩個介電凸塊之間；一電阻轉態層，順應性地位於該介電凸塊、該氧化物層、與該底電極上；一導電儲氧層，位於該電阻轉態層上；以及一氧擴散阻障層，位於該導電儲氧層上。
- 如申請專利範圍第1項所述之RRAM裝置，其中該些介電凸塊相連成格狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之RRAM裝置，其中該介電凸塊之組成為氧化鋁或氮化矽。
- 如申請專利範圍第1項所述之RRAM裝置，更包括另一氧擴散阻障層位於該電阻轉態層與該導電儲氧層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之RRAM裝置，其中該介電凸塊截斷該導電儲氧層。
- 一種RRAM裝置的形成方法，包括：形成一底電極於一氧化物層中；形成多個介電凸塊於該氧化物層上，且該底電極位於相鄰的兩個介電凸塊之間；順應性地形成一電阻轉態層於該介電凸塊、該氧化物層、與該底電極上；形成一導電儲氧層於該電阻轉態層上；以及 形成一氧擴散阻障層於該導電儲氧層上。
- 如申請專利範圍第6項所述之RRAM裝置的形成方法，其中形成該導電儲氧層之步驟包括：順應性地形成該導電儲氧層於該電阻轉態層上。
- 如申請專利範圍第6項所述之RRAM裝置的形成方法，其中形成該導電儲氧層之步驟包括：順應性地形成該導電儲氧層於該電阻轉態層上；順應性地形成部份氧擴散阻障層於該導電儲氧層上；進行一平坦化製程，移除超出該電阻轉態層頂部的部份該導電儲氧層與部份該氧擴散阻障層。
- 如申請專利範圍第6項所述之RRAM裝置的形成方法，其中形成該導電儲氧層之步驟更包括：移除保留之氧擴散阻障層未覆蓋之導電儲氧層。
- 如申請專利範圍第8項所述之RRAM裝置的形成方法，其中形成該導電儲氧層之步驟更包括：移除部份該導電儲氧層與部份該氧擴散阻障層，且保留的部份該導電儲氧層與相鄰之兩個介電凸塊中的一者緊鄰，並與相鄰之兩個介電凸塊中的另一者相隔一段距離
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