TWI602178B - 電阻式隨機存取記憶體 - Google Patents

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電阻式隨機存取記憶體
本發明是有關於一種非揮發性記憶體，且特別是有關於一種電阻式隨機存取記憶體。
電阻式隨機存取記憶體（Resistive random access memory，RRAM）屬於非揮發性記憶體的一種。由於電阻式隨機存取記憶體具有寫入操作電壓低、寫入抹除時間短、記憶時間長、非破壞性讀取、多狀態記憶、結構簡單以及所需面積小等優點，因此在未來將可成為個人電腦和電子設備所廣泛採用的非揮發性記憶體元件之一，故目前被廣泛地研究中。
一般而言，電阻式隨機存取記憶體包括由上部電極、下部電極及介於其間的可變電阻層(resistance changeable layer)所構成的(金屬-絕緣層-金屬(MIM)結構。
當施加正偏壓於可變電阻層時，氧離子受正偏壓的吸引離開可變電阻層而產生氧空缺（oxygen vacancy），形成絲狀物結構並呈現導通狀態，使得可變電阻層由高電阻狀態（High Resistance State，HRS）轉換到低電阻狀態（Low Resistance State，LRS）。一般而言，藉由在上部電極與可變電阻層之間設置鈦層，以儲存因受正偏壓的吸引離開可變電阻層的氧離子。
當施加負偏壓於可變電阻層時，氧離子回到可變電阻層，使絲狀物結構因而斷裂並呈現非導通狀態，可變電阻層由低電阻狀態轉換到高電阻狀態。然而，若在鈦層中氧離子已向外擴散，則會有無法完整重置的問題。。
本發明提供一種電阻式隨機存取記憶體，藉由設置反應性氧阻擋層，能夠增進記憶體元件的重置特性以及耐久性，並且能夠增加記憶體元件的產率以及穩定度。
本發明提供一種電阻式隨機存取記憶體的製造方法，藉由在氧儲存層中形成反應性氧阻擋層，能夠增進記憶體元件的重置特性以及耐久性，並且能夠增加記憶體元件的產率以及穩定度。
本發明的一種電阻式隨機存取記憶體，包括：下部電極、上部電極、可變電阻層、氧儲存層以及反應性氧阻擋層。下部電極設置於基底上。上部電極設置於下部電極上。可變電阻層設置於下部電極與上部電極之間。氧儲存層設置於可變電阻層與上部電極之間。反應性氧阻擋層設置於氧儲存層中。
在本發明的一實施例中，上述的反應性氧阻擋層的材質包括鋁或三鋁化鈦。
在本發明的一實施例中，上述的氧儲存層的材質包括鈦。
在本發明的一實施例中，上述的反應性氧阻擋層的厚度包括1~3奈米。
在本發明的一實施例中，上述的氧儲存層的厚度包括10奈米~40奈米。
在本發明的一實施例中，上述的反應性氧阻擋層與該可變電阻層之間的該氧儲存層的厚度包括10奈米~20奈米。
在本發明的一實施例中，上述的電阻式隨機存取記憶體，更包括阻擋層。阻擋層設置於氧儲存層與可變電阻層之間。
在本發明的一實施例中，上述的阻擋層的材料包括氧化鋁。
在本發明的一實施例中，上述的氧儲存層的材料包括鈦，且該反應性氧阻擋層的材質包括鋁或三鋁化鈦。
在本發明的一實施例中，上述的可變電阻層的材料包括過渡金屬氧化物。
本發明的一種電阻式隨機存取記憶體的製造方法，包括下列步驟。提供基底。於基底上形成下部電極。於下部電極上形成可變電阻層。於可變電阻層上形成第一氧儲存層。於第一氧儲存層上形成反應性氧阻擋層。於反應性氧阻擋層上形成第二氧儲存層。於第二氧儲存層形成上部電極。
在本發明的一實施例中，上述於第一氧儲存層上形成反應性氧阻擋層之步驟後，更包括進行回火製程。
在本發明的一實施例中，上述的回火製程的溫度為300℃~450℃。
在本發明的一實施例中，上述的反應性氧阻擋層的材質包括鋁或三鋁化鈦。
在本發明的一實施例中，上述的氧儲存層的材質包括鈦。
在本發明的一實施例中，上述的反應性氧阻擋層的厚度包括1~3奈米。
在本發明的一實施例中，上述的氧儲存層的厚度包括10奈米~40奈米。
在本發明的一實施例中，上述的反應性氧阻擋層與該可變電阻層之間的該氧儲存層的厚度包括10奈米~20奈米。
在本發明的一實施例中，上述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，更包括於氧儲存層與可變電阻層之間形成阻擋層。
在本發明的一實施例中，上述的阻擋層的材料包括氧化鋁。
基於上述，本發明的電阻式隨機存取記憶體及其製造方法中，於氧儲存層中形成反應性氧阻擋層，當施加正偏壓於可變電阻層時，藉由反應性氧阻擋層即時從靠近絲狀物結構的氧儲存層(Ti)移除氧離子，藉此降低氧離子濃度。而且，在移除氧離子時，反應性氧阻擋層與氧離子反應形成氧化物(例如氧化鋁)介面層，而避免氧離子往外擴散至氧儲存層而遠離絲狀物結構。如此在重置操作時可以確保氧離子的回歸，而可以提升耐久性。
而且，藉由控制回火製程的溫度，能夠使鋁(反應性氧阻擋層)和鈦(氧儲存層)反應形成三鋁化鈦(TiAl 3)，三鋁化鈦(TiAl 3)對於移除氧、避免氧往外擴散至氧儲存層而遠離絲狀物結構是更有效以及優越的。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本文中請參照圖式，以便更加充分地體會本發明的概念，隨附圖式中顯示本發明的實施例。但是，本發明還可採用許多不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於底下所述之實施例。實際上，提供實施例僅為使本發明更將詳盡且完整，並將本發明之範疇完全傳達至所屬技術領域中具有通常知識者。
在圖式中，為明確起見可能將各層以及區域的尺寸以及相對尺寸作誇張的描繪。
圖1為本發明第一實施例的電阻式隨機存取記憶體的剖面圖。
請參照圖1，電阻式隨機存取記憶體包括下部電極102、上部電極104、可變電阻層106、氧儲存層108以及反應性氧阻擋層110。
下部電極102設置於基底100上。下部電極102之材料例如是氮化鈦(TiN)或氧化銦錫(ITO)。下部電極102藉由插塞116電性連接電晶體(未繪示)中的汲極區。插塞116例如設置於層間絕緣層124中，下部電極102設置於層間絕緣層124上。
上部電極104設置於下部電極102上。上部電極104之材料包括導電材料，例如是氮化鈦(TiN)或氧化銦錫(ITO)。
可變電阻層106設置於下部電極102與上部電極104之間。可變電阻層106的材料例如是過渡金屬氧化物，如氧化鉿(HfO 2)、氧化鉭(Ta 2O 5)或其他適當的金屬氧化物。可變電阻層106可具有以下特性：當施加正偏壓於可變電阻層106時，氧離子受正偏壓的吸引離開可變電阻層106而產生氧空缺（oxygen vacancy），形成絲狀物結構並呈現導通狀態，使得可變電阻層106由高電阻狀態（High Resistance State，HRS）轉換到低電阻狀態（Low Resistance State，LRS）；當施加負偏壓於可變電阻層106時，氧離子回到可變電阻層106，使絲狀物結構因而斷裂並呈現非導通狀態，可變電阻層106由低電阻狀態轉換到高電阻狀態。
氧儲存層108設置於可變電阻層106與上部電極104之間。氧儲存層108的材料例如是鈦。氧儲存層108的厚度包括10奈米~40奈米。
反應性氧阻擋層110至少設置於氧儲存層108中。反應性氧阻擋層110(氧供應層)的材料包括不含有氧、可以與氧反應並稍微氧化而捕捉(trap)部分氧、且反應性稍強於三氧化二鋁(Al 2O 3)的材料，例如是鋁(Al)或三鋁化鈦(TiAl 3)。反應性氧阻擋層110的厚度包括1奈米~3奈米。在一實施例中反應性氧阻擋層110將氧儲存層108區分為氧儲存層108a及氧儲存層108b。反應性氧阻擋層110與可變電阻層106之間的氧儲存層108a的厚度包括10奈米~20奈米。反應性氧阻擋層110可以與氧反應形成氧化物(例如氧化鋁)介面層，限制氧散播深入至氧儲存層108b。
在氧儲存層108與可變電阻層106之間更可選擇性的設置阻擋層114。阻擋層114的材料包括氧化鋁(Al 2O 3)。
在本實施例中，當施加正偏壓於可變電阻層106時，氧離子受正偏壓的吸引離開可變電阻層106，並進入氧儲存層108中，藉由反應性氧阻擋層110即時從靠近絲狀物結構126的氧儲存層108(Ti)移除氧離子，藉此降低氧離子濃度。而且，在移除氧離子時，反應性氧阻擋層110與氧離子反應形成氧化物(例如氧化鋁)介面層，而避免氧往外擴散至氧儲存層108b而遠離絲狀物結構126，亦即將氧離子限制在氧儲存層108a範圍內。如此在重置操作時，氧離子可以更容易地回到可變電阻層106中，而可以提升重置特性與耐久性。
圖2A至圖2C為本發明的電阻式隨機存取記憶體製造方法的製程剖面圖。在圖2A至圖2C中，構件與圖1相同者給予相同的編號，以下所述各層之材料及特性若未多加詳述時，視為與圖1相同。
請參照圖2A，於基底100上形成下部電極層102a。基底100例如是介電基底。在本實施例中，基底100並沒有特別地限制。舉例來說，基底100例如是由矽基底以及位於矽基底上的層間絕緣層124所組成。此外，上述的矽基底上可具有半導體元件，且上述的層間絕緣層124中可具有插塞116。下部電極層102a的材料例如是氮化鈦(TiN)或氧化銦錫(ITO)。下部電極層102a的形成方法例如是物理氣相沉積法（PVD）或原子層沉積法（ALD）。
接著，於下部電極層102a上形成可變電阻層106。可變電阻層106的材料包括過渡金屬氧化物，例如氧化鉿(HfO 2)、氧化鉭(Ta 2O 5)或其他適當的金屬氧化物。可變電阻層106的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。
接著，選擇性地於可變電阻層106上形成阻擋層114。阻擋層114的材料包括氧化鋁(Al 2O 3)。阻擋層114的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。
請參照圖2B，於可變電阻層106上形成氧儲存層108a。氧儲存層108a的材料例如是鈦。氧儲存層108a的厚度包括10奈米~40奈米。氧儲存層108a的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。
於氧儲存層108a上形成反應性氧阻擋層110。反應性氧阻擋層110(氧供應層)的材料包括不含有氧、可以與氧反應並稍微氧化而捕捉(trap)部分氧、且反應性稍強於三氧化二鋁(Al 2O 3)的材料，例如是鋁(Al)或三鋁化鈦(TiAl 3)。反應性氧阻擋層110的厚度包括1奈米~3奈米。在一實施例中，反應性氧阻擋層110的材料包括鋁(Al)，其形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。
在一實施例中，反應性氧阻擋層110的材料包括三鋁化鈦(TiAl 3)，其形成方法包括於氧儲存層108a上形成反應性氧阻擋層(鋁層)後，更進行回火製程，以使鋁(反應性氧阻擋層110)和鈦(氧儲存層108a)反應形成三鋁化鈦(TiAl 3)。回火製程的溫度為300℃~450℃。
於反應性氧阻擋層110上形成氧儲存層108b。氧儲存層108b的材料例如是鈦。氧儲存層108b的厚度包括10奈米~40奈米。氧儲存層108b的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。
請參照圖2C，於於氧儲存層108b形成上部電極層(未繪示)。上部電極層之材料包括導電材料，例如是氮化鈦(TiN)或氧化銦錫(ITO)。上部電極層的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法(ALD)。
之後，圖案化上部電極層、氧儲存層108b、反應性氧阻擋層110、氧儲存層108a、阻擋層114、可變電阻層106、下部電極層102a而形成電阻式隨機存取記憶體。此電阻式隨機存取記憶體包括上部電極104、氧儲存層108b、反應性氧阻擋層110、氧儲存層108a、阻擋層114、可變電阻層106以及下部電極102。
在一實施例中，回火製程也可以在下部電極層102a、可變電阻層106、氧儲存層108、反應性氧阻擋層110、阻擋層114、上部電極層104a的堆疊層完成後進行。
在本實施例中，於氧儲存層108中形成反應性氧阻擋層110。在移除氧離子時，反應性氧阻擋層110與氧反應形成氧化物(例如氧化鋁)介面層，而避免氧離子往外擴散至氧儲存層108b而遠離絲狀物結構126，亦即將氧離子限制在氧儲存層108a範圍內。如此在重置操作時，氧離子可以更容易地回到可變電阻層106中，而可以提升重置特性與耐久性。
而且，藉由控制回火製程的溫度，能夠使鋁(反應性氧阻擋層110)和鈦(氧儲存層108a)反應形成三鋁化鈦(TiAl 3)，三鋁化鈦(TiAl 3)對於移除氧離子、避免氧離子往外擴散至氧儲存層108b而遠離絲狀物結構126是更有效以及優越的。
綜上所述，本發明提出的電阻式隨機存取記憶體及其製造方法，藉由反應性氧阻擋層，有助於增進記憶體元件的高溫資料保持特性、重置特性以及耐久性，並且能夠增加記憶體元件的產率以及穩定度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧基底
102‧‧‧下部電極
102a‧‧‧下部電極層
104‧‧‧上部電極
106‧‧‧可變電阻層
108、108a、108b‧‧‧氧儲存層
110‧‧‧反應性氧阻擋層
114‧‧‧阻擋層
116‧‧‧插塞
124‧‧‧層間絕緣層
126‧‧‧絲狀物結構
圖1為本發明實施例的電阻式隨機存取記憶體的剖面圖。 圖2A至圖2C為本發明實施例的電阻式隨機存取記憶體的製造流程剖面圖。
100‧‧‧基底
102‧‧‧下部電極
104‧‧‧上部電極
106‧‧‧可變電阻層
108、108a、108b‧‧‧氧儲存層
110‧‧‧反應性氧阻擋層
114‧‧‧阻擋層
116‧‧‧插塞
124‧‧‧層間絕緣層
126‧‧‧絲狀物結構

Claims (18)

  1. 一種電阻式隨機存取記憶體，包括：一下部電極，設置於一基底上；一上部電極，設置於該下部電極上；一可變電阻層，設置於該下部電極與該上部電極之間；一氧儲存層，設置於該可變電阻層與該上部電極之間；以及一反應性氧阻擋層，設置於該氧儲存層中，其中該反應性氧阻擋層的材質包括鋁金屬或三鋁化鈦。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該氧儲存層的材質包括鈦。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該反應性氧阻擋層的厚度包括1奈米~3奈米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該氧儲存層的厚度包括10奈米~40奈米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該反應性氧阻擋層與該可變電阻層之間的該氧儲存層的厚度包括10~20奈米。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，更包括一阻擋層，設置於該氧儲存層與該可變電阻層之間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該阻擋層的材料包括氧化鋁。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該氧儲存層的材料包括鈦。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該可變電阻層的材料包括過渡金屬氧化物。
  10. 一種電阻式隨機存取記憶體的製造方法，包括：提供一基底；於該基底上形成一下部電極；於該下部電極上形成一可變電阻層；於該可變電阻層上形成一第一氧儲存層；於該第一氧儲存層上形成一反應性氧阻擋層，其中該反應性氧阻擋層的材質包括鋁金屬或三鋁化鈦；於該反應性氧阻擋層上形成一第二氧儲存層；以及於該第二氧儲存層形成一上部電極。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中於該第一氧儲存層上形成該反應性氧阻擋層之步驟後，更包括進行一回火製程。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中該回火製程的溫度為300℃~450℃。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中該第一氧儲存層與該第二氧儲存層的材質包括鈦。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中該反應性氧阻擋層的厚度包括1奈米~3奈米。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中該第一氧儲存層與該第二氧儲存層的厚度包括10奈米~40奈米。
  16. 如申請專利範圍第10項所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中該反應性氧阻擋層與該可變電阻層之間的該第一氧儲存層的厚度包括10奈米~20奈米。
  17. 如申請專利範圍第10項所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，更包括於該第一氧儲存層與該可變電阻層之間形成一阻擋層。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中該阻擋層的材料包括氧化鋁。
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