TWI744165B - 電阻式隨機存取記憶體及其製造方法 - Google Patents
電阻式隨機存取記憶體及其製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI744165B TWI744165B TW110100451A TW110100451A TWI744165B TW I744165 B TWI744165 B TW I744165B TW 110100451 A TW110100451 A TW 110100451A TW 110100451 A TW110100451 A TW 110100451A TW I744165 B TWI744165 B TW I744165B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- layer
- vacancy
- oxygen
- electrode layer
- random access
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 16
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 124
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 124
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 115
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 38
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 22
- -1 hafnium nitride Chemical class 0.000 claims description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 13
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 7
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 7
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 5
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 3
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 2
- FHKBQTYCGXHYRV-UHFFFAOYSA-N N.[O-2].[Ti+4] Chemical compound N.[O-2].[Ti+4] FHKBQTYCGXHYRV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 221
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(iv) oxide Chemical compound O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 2
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical compound [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N alumane;titanium Chemical compound [AlH3].[Ti] UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical compound [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N divanadium pentaoxide Chemical compound O=[V](=O)O[V](=O)=O GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- MAKDTFFYCIMFQP-UHFFFAOYSA-N titanium tungsten Chemical compound [Ti].[W] MAKDTFFYCIMFQP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZNOKGRXACCSDPY-UHFFFAOYSA-N tungsten trioxide Chemical compound O=[W](=O)=O ZNOKGRXACCSDPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
- H10N70/24—Multistable switching devices, e.g. memristors based on migration or redistribution of ionic species, e.g. anions, vacancies
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/841—Electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/80—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/021—Formation of switching materials, e.g. deposition of layers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/061—Shaping switching materials
- H10N70/063—Shaping switching materials by etching of pre-deposited switching material layers, e.g. lithography
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/821—Device geometry
- H10N70/826—Device geometry adapted for essentially vertical current flow, e.g. sandwich or pillar type devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/841—Electrodes
- H10N70/8416—Electrodes adapted for supplying ionic species
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/883—Oxides or nitrides
- H10N70/8833—Binary metal oxides, e.g. TaOx
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
一種電阻式隨機存取記憶體，包括：第一電極層與第二電極層，彼此相對設置；可變電阻層，位於所述第一電極層與所述第二電極層之間；氧交換層，位於所述可變電阻層與所述第二電極層之間；空缺提供層，位於環繞於所述氧交換層的中間側壁周圍；以及空缺驅動電極層，位於所述空缺提供層上，環繞於所述氧交換層的上側壁周圍。
Description
本發明是有關於一種記憶體及其製造方法，且特別是有關於一種電阻式隨機存取記憶體(resistive random access memory，RRAM)及其製造方法。
RRAM具有操作速度快、低功耗等優點，因而成為近年來廣為研究的一種非揮發性記憶體。RRAM在進行設置(SET)操作時，對電阻式隨機存取記憶體施加正電壓，可變電阻層中的氧離子在受正電壓吸引離開可變電阻層後會進入氧交換層，可變電阻層將產生氧空缺(oxygen vacancy)而形成絲狀物(filament)並呈現導通狀態，此時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)。當RRAM單元10進行重置(RESET)操作時，對電阻式隨機存取記憶施加負偏壓，氧交換層中的氧離子會回到可變電阻層之中，使絲狀物斷裂並呈現非導通狀態，此時可變電阻層由LRS轉換到HRS。然而，若是可變電阻層之中所產生的氧空缺不足時，將導致低電阻狀態
(LRS)的電流量不足。此外，可變電阻層之中部分的絲狀物很可能在後續的烘烤製程中被損毀，而造成電阻式隨機存取記憶體在操作時無法具有足夠的電流。雖然，在電阻式隨機存取記憶體施加較高的操作電壓可驅動較多的氧空缺，然而卻會造成較大的耗電量。
本發明提供一種電阻式隨機存取記憶體及其製造方法，可以使得電阻式隨機存取記憶體具有足夠的電流，避免使用過大的操作電壓，以降低耗電量。
本發明的實施例提供一種電阻式隨機存取記憶體包括第一電極層與第二電極層，彼此相對設置；可變電阻層，位於所述第一電極層與所述第二電極層之間；氧交換層，位於所述可變電阻層與所述第二電極層之間；空缺提供層，位於環繞於所述氧交換層的中間側壁周圍；以及空缺驅動電極層，位於所述空缺提供層上，環繞於所述氧交換層的上側壁周圍。
本發明的實施例還提供一種電阻式隨機存取記憶體的製造方法，包括在第一電極層上形成可變電阻層；在所述可變電阻層上形成空缺提供層；在所述空缺提供層上形成空缺驅動電極層；在所述空缺驅動電極層中形成第一開口；於所述第一開口中形成第一氧阻擋層；在所述第一氧阻擋層與所述空缺提供層中形成第二開口；於所述第二開口中形成氧交換層；於所述空缺驅動
電極層以及所述氧交換層上形成第二氧阻擋層；以及於所述第二氧阻擋層上形成第二電極層。
基於上述，本發明提供一種電阻式隨機存取記憶體及其製造方法，藉由空缺驅動電極層以及空缺提供層的設置可以增加氧空缺，使得電阻式隨機存取記憶體具有足夠的電流，避免使用過大的操作電壓，以降低耗電量。
10:RRAM單元
99:介電層
100:介層窗插塞
102:第一電極層
104:可變電阻層
106、106a:空缺阻擋層
108:空缺提供層
110:空缺驅動電極層
114、114a:第一氧阻擋層
112、115:開口
116、116a:氧交換層
118:第二氧阻擋層
120:第二電極層
圖1A至1G是依照本發明的實施例的一種電阻式隨機存取記憶體的製造流程的剖面示意圖。
請參照圖1G，電阻式隨機存取記憶體(RRAM)單元10包括第一電極102、可變電阻層104、第二電極120、空缺阻擋層106、空缺提供層108、空缺驅動電極層110、氧交換層116a、第一氧阻擋層114a以及第二氧阻擋層118。
第一電極102可與下方的導電特徵例如是介層窗插塞(via plug)100連接。介層窗插塞100例如是形成在基底上的金屬內連線結構的介電層99之中的任一介層窗插塞。介層窗插塞100例如是與最接近基底的第一層金屬層接觸的第一層介層窗插塞相同高度的介層窗插塞。基底可為半導體基底或半導體上覆絕
緣體(SOI)基底。基底與第一層金屬層之間可以包括其他的元件，例如是電晶體。
第一電極層102與第二電極120相對應設置。第一電極層102與第二電極120的材料可包括金屬、金屬氮化物、其他材料或其組合。第一電極層102與第二電極120的材料例如是氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鈦鎢(TiW)合金、鉑(Pt)、銥(Ir)、釕(Ru)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、鋁(Al)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈷(Co)、鐵(Fe)、釓(Gd)、錳(Mo)、石墨或上述材料的組合，其形成方法可例如是物理氣相沈積法或化學氣相沈積法。第一電極層102與第二電極120可以是單層或是多層。第一電極層102與第二電極120的厚度並無特別限制，但通常在5奈米(nm)至500奈米之間。
可變電阻層104位於第一電極層102與第二電極120之間。可變電阻層104可具有以下特性：當施加正電壓於電阻式隨機存取記憶體時，氧離子受正電壓的吸引離開可變電阻層104而產生氧空缺，形成絲狀物並呈現導通狀態，此時可變電阻層104由高電阻狀態(HRS)轉換到低電阻狀態(LRS)。而當施加負偏壓於電阻式隨機存取記憶體時，會有氧離子進入可變電阻層104，使絲狀物斷裂並呈現非導通狀態，此時可變電阻層104由LRS轉換到HRS。一般來說，可變電阻層104由HRS轉換到LRS稱作設置(後稱SET)操作，而可變電阻層104由LRS轉換到HRS稱作重置(後稱RESET)操作。可變電阻層104的材料並無特別限制，
只要是可以透過電壓的施予改變其自身電阻的材料都可以使用。在本實施方式中，可變電阻層104的材料包括金屬氧化物，例如氧化鉿(HfO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鈦(TiO2)、氧化鎂(MgO)、氧化鎳(NiO)、氧化鈮(Nb2O5)、氧化鋁(Al2O3)、氧化釩(V2O5)、氧化鎢(WO3)、氧化鋅(ZnO)或氧化鈷(CoO)，形成方法例如是化學氣相沉積法或是原子層沈積法。在本實施方式中，可變電阻層104的氧含量可為約75原子百分比(at%)至約100原子百分比。可變電阻層104的厚度例如是2nm到10nm。
氧交換層116a位於可變電阻層104與第二電極120之間。氧交換層116a的頂面積小於第二電極120的底面積，且氧交換層116a的底面積小於可變電阻層104的頂面積。氧交換層116a可以是比空缺驅動電極層110以及可變電阻層104更容易和氧鍵結的材料。氧交換層116a的材料可包括未完全氧化的金屬氧化物。換言之，氧交換層116a本身為含氧離子的金屬層。在本實施方式中，氧交換層116a的材料例如可包括TiO2-x、HfO2-x或TaO2-x，其中x為0.2至0.7。氧交換層116a的形成方法例如是化學氣相沉積法或是原子層沈積法。
第一氧阻擋層114a與第二氧阻擋層118環繞包覆氧交換層116a的頂面與上側壁。第一氧阻擋層114a側向環繞氧交換層116a的上側壁，位於第二氧阻擋層118與空缺提供層108之間，以及氧交換層116a的上側壁與空缺驅動電極層110之間。第二氧阻擋層118覆蓋氧交換層116a的頂面、第一氧阻擋層114a的頂
面以及空缺驅動電極層110的頂面。在本實施方式中，當RRAM單元10進行RESET操作時，第一氧阻擋層114a與第二氧阻擋層118可以阻擋氧交換層116a中的氧離子擴散至第二電極120以及空缺驅動電極層110。第一氧阻擋層114a與第二氧阻擋層118可包括介電常數大於3的高介電常數的介電材料層，例如是氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)或其組合。
空缺提供層108側向環繞氧交換層116a的中間側壁，其可提供空缺給氧交換層116a。空缺提供層108的材料可包括未完全氧化的金屬氧化物。換言之，空缺提供層108本身為含氧離子的金屬層。空缺提供層108的材料可包括TiOx、TaOx、HfOx、Ta2O5-x或TaO2-x，其中x為0.2至1.8，厚度例如是5nm至50nm。空缺提供層108的形成方法例如是化學氣相沉積法或是原子層沈積法。
空缺驅動電極層110位於空缺提供層108上方以及第二電極120下方，並且間隔第一氧阻擋層114a側向環繞氧交換層116a的上側壁。空缺驅動電極層110可以驅動下方的空缺提供層108之中的空缺，使其經由氧交換層116a的中間側壁進入氧交換層116a之中。相較於氧交換層116a與空缺提供層108，空缺驅動電極層110較不易和氧鍵結。空缺驅動電極層110又可稱為惰性空缺驅動電極層110。空缺驅動電極層110可以是單層或是多層。空缺驅動電極層110包括導體材料。導體材料可以是金屬或是金屬氮化物，例如是鉑、銥、釕、銠、鎢、鈦、鉿、鉭、氮化鉿、氮化鉭、氮化鈦、氮化鎢，或其組合，形成方法例如是物理氣相沉積
法。在一實施例中，空缺驅動電極層110的頂面與第一氧阻擋層114a的頂面以及氧交換層116a的頂面共平面。空缺驅動電極層110的底面與第一氧阻擋層114a的底面共平面。空缺驅動電極層110的厚度例如是10nm至100nm。
空缺阻擋層106位於空缺提供層108下方以及可變電阻層104上方，且側向環繞在氧交換層116a的下側壁周圍。空缺阻擋層106可以阻擋空缺提供層108之中的空缺向下擴散，限制空缺提供層108的空缺行經的路經。空缺提供層108的空缺的行經路徑是經由氧交換層116a的中間側壁進入氧交換層116a，再往下行徑至可變電阻層104之中。空缺阻擋層106的材料包括介電材料。空缺阻擋層106的介電常數大於4且小於第一氧阻擋層114a與第二氧阻擋層118的介電常數。介電材料例如是含矽的介電材料。含矽的介電材料例如是矽的氮化物、矽的碳化物或其組合。含矽的介電材料例如是氮化矽、碳化矽、碳氮化矽(SiCN)、碳氮氧化矽(SiCON)或其組合。空缺阻擋層106的形成方法例如是化學氣相沉積法或是原子層沈積法。
當RRAM單元10進行形成操作(forming operate)時，在第二電極120施加正電壓，使得可變電阻層104中的氧離子受正電壓吸引離開可變電阻層104後進入氧交換層116a，並在可變電阻層104產生氧空缺，而形成絲狀物電流。此外，在第二電極120施加正電壓時，空缺驅動電極層110也會驅動下方的空缺提供層108之中的空缺經由氧交換層116a的中間側壁進入氧交換層
116a，再往下行徑至可變電阻層104之中，而形成額外的絲狀物電流。換言之，RRAM單元10的電流除了來自可變電阻層104本身氧離子離開所形成的空缺之外，還包括來自空缺提供層108之中的空缺，因此，RRAM單元10具有足夠的電流量。
RRAM單元10的製造方法可以參照圖1A至圖1G說明如下。在本文中，相同或相似的構件使用相同或相似的元件符號，且可以採用相同的材料或方法來形成。舉例來說，第一電極層102與102a的構件可以採用相同的材料或方法來形成。
參照圖1A，在已形成介層窗插塞100以及介電層99的基底(未示出)上依序形成第一電極層102、可變電阻層104、空缺阻擋層106、空缺提供層108以及空缺驅動電極層110。
參照圖1B，進行微影與蝕刻製程，以圖案化空缺驅動電極層110，進在空缺驅動電極層110中形成開口112。開口112的底面裸露出空缺提供層108。
參照圖1C，於開口112中形成第一氧阻擋層114。第一氧阻擋層114的形成方法例如是在空缺驅動電極層110上以及開口112之中形成第一氧阻擋材料層，然後再進行平坦化製程，以移除開口112以外的第一氧阻擋材料層。平坦化製程例如是回蝕刻製程或是化學機械研磨製程。
參照圖1D，在第一氧阻擋層114、空缺提供層108以及空缺阻擋層106之中形成開口115，並留下第一氧阻擋層114a在開口115的上側壁。開口115的形成方法可以採用微影與蝕刻法，
以圖案化第一氧阻擋層114、空缺提供層108以及空缺阻擋層106。開口115也可以採用以下的方法來形成。對第一氧阻擋層114進行非等向性蝕刻製程，以形成氧阻擋間隙壁，即第一氧阻擋層114a。之後，以氧阻擋間隙壁(第一氧阻擋層114a)以及空缺驅動電極層110為硬罩幕，進行蝕刻製程，移除部分的空缺提供層108以及部分的空缺阻擋層106，以形成開口115。
參照圖1E與圖1F，在空缺驅動電極層110與第一氧阻擋層114a上以及開口115之中形成氧交換層116。然後，進行平坦化製程，以移除開口115以外的氧交換層116，使氧交換層116留在開口115之中，並使得空缺驅動電極層110與第一氧阻擋層114a裸露出來。平坦化製程例如是回蝕刻製程或是化學機械研磨製程。
參照圖1G，在空缺驅動電極層110與第一氧阻擋層114a上形成第二氧阻擋層118與第二電極層120。之後，對第二電極層120、第二氧阻擋層118、空缺驅動電極層110、空缺提供層108、空缺阻擋層106、可變電阻層104以及第一電極層102，以形成電阻式隨機存取記憶體單元10。
本發明實施例之電阻式隨機存取記憶體及其製造方法，藉由空缺驅動電極層以及空缺提供層的設置可以增加可變電阻層的空缺，進而增加電阻式隨機存取記憶體的電流，避免使用過大的操作電壓，以降低耗電量。此外，由於在初始階段電阻式隨機存取記憶體已具有高的電流，因此，縱使有部分的絲狀物在後續的烘烤
製程中被損毀，電阻式隨機存取記憶體在操作時仍可以具有足夠的電流。
10:RRAM單元
99:介電層
100:介層窗插塞
102:第一電極層
104:可變電阻層
106:空缺阻擋層
108:空缺提供層
110:空缺驅動電極層
114a:第一氧阻擋層
116a:氧交換層
118:第二氧阻擋層
120:第二電極層
Claims (11)
- 一種電阻式隨機存取記憶體，包括：第一電極層與第二電極層，彼此相對設置；可變電阻層，位於所述第一電極層與所述第二電極層之間；氧交換層，位於所述可變電阻層與所述第二電極層之間；空缺提供層，位於環繞於所述氧交換層的中間側壁周圍；以及空缺驅動電極層，位於所述空缺提供層上，環繞於所述氧交換層的上側壁周圍。
- 如請求項1所述的電阻式隨機存取記憶體，其中所述空缺提供層的材料包括TiOx、TaOx、HfOx、Ta2O5-x或TaO2-x，其中x為0.2至1.8。
- 如請求項1所述的電阻式隨機存取記憶體，其中所述空缺驅動電極層的材料包括鉑、銥、釕、銠、鎢、鈦、鉿、鉭、氮化鉿、氮化鉭、氮化鈦、氮化鎢，或其組合。
- 如請求項1所述的電阻式隨機存取記憶體，更包括空缺阻擋層，位於所述可變電阻層與所述空缺提供層之間，環繞所述所述氧交換層的下側壁周圍。
- 如請求項1所述的電阻式隨機存取記憶體，更包括：第一氧阻擋層，位於所述氧交換層的所述上側壁與所述空缺驅動電極層之間；以及 第二氧阻擋層，位於所述第二電極層與所述空缺驅動電極層之間以及所述第二電極層與所述氧交換層之間。
- 一種電阻式隨機存取記憶體的製造方法，包括：在第一電極層上形成可變電阻層；在所述可變電阻層上形成空缺提供層；在所述空缺提供層上形成空缺驅動電極層；在所述空缺驅動電極層中形成第一開口；於所述第一開口中形成第一氧阻擋層；在所述第一氧阻擋層、所述空缺提供層中形成第二開口；於所述第二開口中形成氧交換層；於所述空缺驅動電極層以及所述氧交換層上形成第二氧阻擋層；以及於所述第二氧阻擋層上形成第二電極層。
- 如請求項6所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中所述空缺提供層的材料包括TiOx、TaOx、HfOx、Ta2O5-x或TaO2-x，其中x為0.2至1.8。
- 如請求項6所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中所述空缺驅動電極層的材料包括鉑、銥、釕、銠、鎢、鈦、鉿、鉭、氮化鉿、氮化鉭、氮化鈦、氮化鎢，或其組合。
- 如請求項6所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，更包括： 在所述可變電阻層上形成所述空缺提供層之前，在所述可變電阻層上形成空缺阻擋層；以及在所述第一氧阻擋層、所述空缺提供層以及所述空缺阻擋層中形成所述第二開口。
- 如請求項9所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中在所述第一氧阻擋層、所述空缺提供層以及所述空缺阻擋層中形成所述第二開口的方法包括進行微影與蝕刻製程，以圖案化所述第一氧阻擋層、所述空缺提供層以及所述空缺阻擋層。
- 如請求項9所述的電阻式隨機存取記憶體的製造方法，其中在所述第一氧阻擋層、所述空缺提供層以及所述空缺阻擋層中形成所述第二開口的方法包括：對所述第一氧阻擋層進行非等向性蝕刻製程，以形成氧阻擋間隙壁；以及以所述氧阻擋間隙壁以及所述空缺驅動電極層為硬罩幕，進行蝕刻製程，以移除部分的所述空缺提供層以及部分的所述空缺阻擋層。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW110100451A TWI744165B (zh) | 2021-01-06 | 2021-01-06 | 電阻式隨機存取記憶體及其製造方法 |
| US17/392,268 US11793095B2 (en) | 2021-01-06 | 2021-08-03 | Resistive random access memory and method of fabricating the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW110100451A TWI744165B (zh) | 2021-01-06 | 2021-01-06 | 電阻式隨機存取記憶體及其製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI744165B true TWI744165B (zh) | 2021-10-21 |
| TW202228133A TW202228133A (zh) | 2022-07-16 |
Family
ID=80782750
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW110100451A TWI744165B (zh) | 2021-01-06 | 2021-01-06 | 電阻式隨機存取記憶體及其製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11793095B2 (zh) |
| TW (1) | TWI744165B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110291066A1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-01 | In-Gyu Baek | Nonvolatile Memory Devices Having Cells with Oxygen Diffusion Barrier Layers Therein and Methods of Manufacturing the Same |
| TWI553926B (zh) * | 2015-10-29 | 2016-10-11 | 華邦電子股份有限公司 | 電阻式記憶體及其製造方法 |
| TW201724600A (zh) * | 2015-06-27 | 2017-07-01 | 英特爾股份有限公司 | 用於可變電阻式隨機存取記憶體（ｒｒａｍ）裝置中絲定位、邊緣效應降低以及形成／交換電壓降低的技術 |
| US10504963B2 (en) * | 2017-08-30 | 2019-12-10 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | RRAM memory cell with multiple filaments |
| US20200052200A1 (en) * | 2017-06-26 | 2020-02-13 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Switching layer scheme to enhance rram performance |
| US10847721B2 (en) * | 2018-03-15 | 2020-11-24 | SK Hynix Inc. | Nonvolatile memory device |
Family Cites Families (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7884346B2 (en) * | 2006-03-30 | 2011-02-08 | Panasonic Corporation | Nonvolatile memory element and manufacturing method thereof |
| KR20100082604A (ko) * | 2009-01-09 | 2010-07-19 | 삼성전자주식회사 | 가변저항 메모리 장치 및 그의 형성 방법 |
| KR20110076394A (ko) * | 2009-12-29 | 2011-07-06 | 삼성전자주식회사 | 상변화 메모리 장치 |
| US8437173B2 (en) * | 2010-03-19 | 2013-05-07 | Panasonic Corporation | Nonvolatile memory element, manufacturing method thereof, design support method therefor, and nonvolatile memory device |
| JP5537524B2 (ja) * | 2011-09-22 | 2014-07-02 | 株式会社東芝 | 抵抗変化メモリ |
| WO2013054506A1 (ja) * | 2011-10-11 | 2013-04-18 | パナソニック株式会社 | 半導体記憶素子の製造方法 |
| US9130167B2 (en) * | 2012-03-29 | 2015-09-08 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Method of manufacturing a nonvolatile memory device having a variable resistance element whose resistance value changes reversibly upon application of an electric pulse |
| US10656799B2 (en) * | 2014-05-02 | 2020-05-19 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Display device and operation method thereof |
| US10230047B2 (en) | 2015-10-22 | 2019-03-12 | Winbond Electronics Corp. | RRAM device and method for manufacturing the same |
| US9773975B1 (en) | 2016-03-22 | 2017-09-26 | Winbond Electronics Corp. | Resistive random access memory |
| US11145737B2 (en) * | 2017-09-26 | 2021-10-12 | Intel Corporation | Selector devices |
| US10804464B2 (en) * | 2017-11-24 | 2020-10-13 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Method of forming memory device with diffusion barrier and capping layer |
| US20220085427A1 (en) * | 2019-01-16 | 2022-03-17 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device |
| US10727404B1 (en) * | 2019-01-23 | 2020-07-28 | International Business Machines Corporation | Tunable resistive element |
| JPWO2021009591A1 (zh) * | 2019-07-12 | 2021-01-21 | ||
| US11482667B2 (en) * | 2019-12-31 | 2022-10-25 | SK Hynix Inc. | Nonvolatile memory device having a resistance change layer and a plurality of electrode pattern layers |
| KR20210107304A (ko) * | 2020-02-24 | 2021-09-01 | 삼성전자주식회사 | 수직형 가변 저항 메모리 장치 및 수직형 가변 저항 메모리 장치의 동작 방법 |
| US20210408375A1 (en) * | 2020-06-29 | 2021-12-30 | Intel Corporation | Transition metal dichalcogenide (tmd) layer stack for transistor applications and methods of fabrication |
| US20220199783A1 (en) * | 2020-12-23 | 2022-06-23 | Intel Corporation | Transition metal dichalcogenide nanosheet transistors and methods of fabrication |
| CN115697030A (zh) * | 2021-07-26 | 2023-02-03 | 合肥睿科微电子有限公司 | 阻变存储器及其操作方法 |
-
2021
- 2021-01-06 TW TW110100451A patent/TWI744165B/zh active
- 2021-08-03 US US17/392,268 patent/US11793095B2/en active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110291066A1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-01 | In-Gyu Baek | Nonvolatile Memory Devices Having Cells with Oxygen Diffusion Barrier Layers Therein and Methods of Manufacturing the Same |
| TW201724600A (zh) * | 2015-06-27 | 2017-07-01 | 英特爾股份有限公司 | 用於可變電阻式隨機存取記憶體（ｒｒａｍ）裝置中絲定位、邊緣效應降低以及形成／交換電壓降低的技術 |
| TWI553926B (zh) * | 2015-10-29 | 2016-10-11 | 華邦電子股份有限公司 | 電阻式記憶體及其製造方法 |
| US20200052200A1 (en) * | 2017-06-26 | 2020-02-13 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Switching layer scheme to enhance rram performance |
| US10504963B2 (en) * | 2017-08-30 | 2019-12-10 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | RRAM memory cell with multiple filaments |
| US10847721B2 (en) * | 2018-03-15 | 2020-11-24 | SK Hynix Inc. | Nonvolatile memory device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US11793095B2 (en) | 2023-10-17 |
| TW202228133A (zh) | 2022-07-16 |
| US20220216401A1 (en) | 2022-07-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI686926B (zh) | 電阻性隨機存取記憶體裝置及其形成方法 | |
| CN109786549B (zh) | 电阻式随机存取存储器器件 | |
| US7867814B2 (en) | Resistance memory element and method of manufacturing the same | |
| TW201725682A (zh) | 積體電路 | |
| TWI405331B (zh) | 電阻切換式記憶體 | |
| US11770985B2 (en) | Resistive random access memory and method of fabricating the same | |
| KR102316925B1 (ko) | 신규한 저항성 랜덤 액세스 메모리 디바이스 | |
| US20220223651A1 (en) | Memory device | |
| US20230422638A1 (en) | Method of fabricating resistive random access memory cell | |
| TWI553926B (zh) | 電阻式記憶體及其製造方法 | |
| TWI744165B (zh) | 電阻式隨機存取記憶體及其製造方法 | |
| US20220085288A1 (en) | Rram bottom electrode | |
| TWI747366B (zh) | 電阻式隨機存取記憶體及其製造方法 | |
| US11864473B2 (en) | Resistive random-access memory device and method of fabricating the same | |
| CN115117236A (zh) | 电阻式随机存取存储器及其制造方法 | |
| CN114005851A (zh) | 电阻式随机存取存储器及其制造方法 | |
| CN113557613A (zh) | 非易失性存储装置及其制造方法 | |
| US20220399497A1 (en) | Filament-metal oxide channel exchange resistive memory device | |
| CN115347115A (zh) | 电阻式随机存取存储单元及其制造方法 | |
| CN108288671B (zh) | 具一存储器结构的半导体元件 | |
| TW202114161A (zh) | 非揮發性記憶體及其製造方法 | |
| TW201826581A (zh) | 具一記憶體結構之半導體元件 |