專利名稱：具有離子緩沖層的可編程金屬化裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于可編程金屬化裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
因為其低電壓、良好的微縮性及高編程速度的特性，可編程金屬化存儲單元(PMC) 技術(shù)以作為非易失存儲器、可重新組態(tài)邏輯、以及其它切換應(yīng)用中的電阻切換，已被廣泛地 研究。此可編程金屬化存儲單元的電阻切換是由導(dǎo)電橋在一電化學(xué)或是電解過程中的成長 與消滅而顯現(xiàn)。因此，可編程金屬化存儲單元裝置也稱為一導(dǎo)電橋(CB)裝置或是電化學(xué) (EC)裝置。然而，可編程金屬化存儲單元裝置會因為導(dǎo)電橋可能會不穩(wěn)定的緣故而有著較差 的數(shù)據(jù)保持力及循環(huán)承受力等問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種可編程金屬化裝置，包含一第一電極； 一存儲層，與該第一電極電性耦接且適用于電解構(gòu)成及毀壞一導(dǎo)電橋于其中；一離子供應(yīng) 層，包含一第一金屬元素的離子源，其可以擴(kuò)散進(jìn)出該存儲層；一導(dǎo)電的離子緩沖層，介于 該離子供應(yīng)層與該存儲層之間，且可以允許該離子擴(kuò)散通過其中；一第二電極，與該離子供 應(yīng)層電性耦接。施加偏壓電壓至該第一及該第二電極的電路，以在該存儲層中誘發(fā)包含一 第一金屬元素的該導(dǎo)電橋的構(gòu)成及毀壞。此離子緩沖層可以通過減少第一金屬元素被吸收 至離子供應(yīng)層中，及因此破換導(dǎo)電橋與離子供應(yīng)層電性連接的機(jī)率而改善此導(dǎo)電橋的數(shù)據(jù) 保持力。該離子供應(yīng)層可以包含例如是碲、硒和硫至少一個的硫?qū)倩?。該第一金屬元?包含銅、銀和鋅至少一個。且該離子緩沖層包含一化合物其包含該至少一個中的碲、硒和硫 及一頑固金屬例如是鈦。在一般情況下，該離子緩沖層與該第一金屬元素的混合熱低于該離子供應(yīng)層與該 第一金屬元素的混合熱。此離子緩沖層的操作機(jī)制可以根據(jù)在離子緩沖層中包含一化合物 其具有第一金屬元素，此第一金屬元素具有在離子供應(yīng)層中與離子緩沖層中大致組成的材 料形成鍵能的活化能相較于在離子供應(yīng)層中形成該化合物的活化能更高的原因加以解釋?！虚g導(dǎo)電層位于該離子供應(yīng)層與該第二電極之間以提供附著及/或勢壘功能。本發(fā)明也提供一種制造一可編程金屬化裝置的方法，基本上包含形成一第一電 極；形成一存儲層，與該第一電極電性耦接且適用于電解構(gòu)成及毀壞一導(dǎo)電橋于其中；形 成一離子供應(yīng)層，包含一第一金屬元素的離子源，其可以擴(kuò)散進(jìn)出該存儲層；形成一導(dǎo)電的 離子緩沖層，介于該離子供應(yīng)層與該存儲層之間，且可以允許該離子擴(kuò)散通過其中；形成一 第二電極，與該離子供應(yīng)層電性耦接。本發(fā)明還提供一種有效率的制造一可編程金屬化裝置的方法，形成一第一電極； 形成一存儲層，與該第一電極電性耦接且適用于通過與一第一金屬元素的離子的一電解反應(yīng)電解構(gòu)成及毀壞一導(dǎo)電橋于其中；沉積一金屬層于該存儲層之上，該金屬層并沒有包含 該第一金屬元素；沉積一硫?qū)倩镉谠摻饘賹又?；形成一第二電極與該硫?qū)倩镫娦择?接；以及退火該金屬層與該硫?qū)倩?，以形成一化合物于該金屬層與該硫?qū)倩镏g，該化 合物包含該金屬層中的金屬與該硫?qū)倩镏械囊涣驅(qū)僭亍?br>

圖1為一現(xiàn)有技術(shù)的相變化存儲單元的剖面圖。圖2顯示將圖1中的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)作改良。圖3顯示一個包含離子緩沖層的相變化存儲單元的基本結(jié)構(gòu)剖面圖。圖4是繪示一實施例，在其中一中間導(dǎo)電層被加在離子供應(yīng)層與頂電極之間。圖5及圖6繪示此處所描述的一種制造一具有離子緩沖層的可編程金屬化存儲單 元的方法。圖7及圖8繪示根據(jù)一替代實施例的使用任何”介層孔填充”工藝來制造此存儲 單元的方法。圖9繪示根據(jù)一替代的”介層孔填充”工藝，其中間隔物完全或部分環(huán)繞于此存儲 疊層，形成在存儲層下方的導(dǎo)電層之上。圖10為集成電路的簡化方塊圖，包含存儲器陣列，其實現(xiàn)方式是使用具有此處所 描述的離子緩沖層的可編程金屬化存儲單元。主要元件符號說明
13AU3B 介電層
14、34、54、64、73、93 存儲層
15、35、63、74、94 離子緩沖層
16、36、62、75、95 離子供應(yīng)層
17、40、61、76 ；96 中間導(dǎo)電層
18、37、77 頂電極
19,56 接點(diǎn)
20 導(dǎo)電橋
30 襯底
31 絕緣層
32、38、79 連接層
39,65 底電極
33A、33B 中間介電層
50:頂電極/擴(kuò)散勢II層
51、53 頑固金屬層
55:底電極/擴(kuò)散勢II層
57A、57B 絕緣體
60 頂電極
67A、67B、70A、70B 絕緣填充物
71 擴(kuò)散勢壘層
72,92:導(dǎo)電層
78,91擴(kuò)散勢壘層
80,81間隔物
1010 集成電路
1012 存儲器陣列
1014 字線譯碼器
1016 字線
1018 位線(欄)譯碼器
1020 位線
1022 總線
1024 感應(yīng)放大器/數(shù)據(jù)輸入
1026 數(shù)據(jù)總線
1028 數(shù)據(jù)輸入線
1030 其它電路
1034 控制器
1036 電壓及電流源偏壓電路
具體實施例方式本發(fā)明以下的實施例描述是搭配圖1到圖10進(jìn)行說明。圖1為一現(xiàn)有技術(shù)的相變化存儲單元的剖面圖，是由Aratani等人在論文”A Novel Resistance Memory with High Scalability and Nanosecond Switching，，，IEEE International Electron Device Meeting, 2007,10 12 Dec. 2007，pp. 783 786 所提 出。在圖1的存儲單元中是形成于一集成電路襯底之上，其包括一介電層(13A，13B)具有 鎢接觸19延伸其間以作為底電極，及氧化硅存儲層14，其本身或是其它合適的材料作為一 固體電解質(zhì)，形成于接點(diǎn)19之上。一硫?qū)倩锏碾x子供應(yīng)層16，例如是Ge2Se2Te5,形成于 氧化硅存儲層14之上，且包括一例如是銅的金屬離子來源。在此組合中，銅可以與硫?qū)倩?物中的碲作用以形成銅-碲化合物，其可以溶解而釋放出銅的陽離子。因此，此層16(在 Aratani等人的論文中稱為離子啟動層)可以作為此存儲單元的銅的陽離子來源。一頂電 極18，其可以包含銅或其它金屬化技術(shù)，于層16之上。在操作時，施加一偏壓至此存儲單 元其可以導(dǎo)致銅離子遷移至固體存儲層14中，且通過一類似電鍍的過程形成一導(dǎo)電橋20。 當(dāng)此導(dǎo)電橋20成長至足以連接此硫?qū)倩飳?6時，達(dá)成了一較低的電阻狀態(tài)。為了除去 此導(dǎo)電橋20，此結(jié)構(gòu)進(jìn)行逆向偏壓導(dǎo)致導(dǎo)電橋20中的銅溶解于存儲層14之中且擴(kuò)散回到 層16。當(dāng)此導(dǎo)電橋20斷裂后，則會重新變回高電阻狀態(tài)。使用其它材料組合的相變化存儲單元結(jié)構(gòu)也曾被提出過。這些先前技術(shù)可以在操 作時快速地在高電阻狀態(tài)與低電阻狀態(tài)之間切換，且可以達(dá)成良好的循環(huán)承受力。然而，某 些應(yīng)用中其數(shù)據(jù)保持能力仍然會是一個問題。雖然存儲層14在實際應(yīng)用中常常使用一單一層，多層結(jié)構(gòu)也可以用來作為存儲 層，如 Sakamoto 等人在論^rNonvolatile solid-electrolyte switch embedded into Cu interconnect”，2009 Symposium on VLSI technology，16 18 June 2009，pp.130 131所討論。因此，存儲層的參考數(shù)據(jù)亦包含多層結(jié)構(gòu)。作為一參考數(shù)據(jù)，此氧化硅/銅-GST雙層結(jié)構(gòu)也被評估過。此氧化硅層是作為存 儲層，其在一典型的后段工藝)后具有一初始高電阻狀態(tài)。在設(shè)置操作中，施加一電 壓且銅-Geje2Te5(銅-GST)來源中的銅離子朝向氧化硅存儲層移動，且構(gòu)成一導(dǎo)電路徑， 導(dǎo)致低電阻狀態(tài)(LRS)。復(fù)位操作通過當(dāng)電流反向時溶解并破壞此電流路徑而形成高電阻 狀態(tài)(HRS)。雖然展示了合理的電性特性，但是較短的保持時間仍是一個問題。此問題的 發(fā)生或許是因為自銅形成CuTex的活化能較低而造成。因此，銅可以輕易地溶解進(jìn)入CuTex 接口且導(dǎo)致自低電阻狀態(tài)(LRS)的一個突然電阻增加。所以，在一般的狀況下，低電阻狀態(tài)需要導(dǎo)電橋在進(jìn)行固態(tài)電解時仍被維持住。然 而，即使是在低偏壓下形成導(dǎo)電橋的金屬仍可以遷移回到來源層16中。在圖1所示的結(jié)構(gòu) 中，舉例而言，導(dǎo)電橋中的銅在與硫?qū)倩飳?6的接口可以通過與硫?qū)倩飳?6中的碲作 用而被消耗。圖2顯示將圖1中的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)作改良。如圖中所示，一離子緩沖層15形成于 存儲層14與離子供應(yīng)層16之間。對于根據(jù)包括一碲基底的硫?qū)倩锛般~添加物的離子供 應(yīng)層16的實施例而言，此離子緩沖層可以包括鈦-碲化合物。在此組材料中，當(dāng)導(dǎo)電橋20 與此離子供應(yīng)層16連接時可以達(dá)成低電阻狀態(tài)。然而，在此電解成長過程中導(dǎo)電橋20可 以通過離子緩沖層15而與此離子供應(yīng)層16接觸。在此情況中的金屬，范例中為銅，會傾向 與離子供應(yīng)層16中的一材料，范例中為碲，在離子緩沖層15接口中發(fā)生作用，其會導(dǎo)致銅 的損失。然而，此接觸會因為導(dǎo)電橋20與導(dǎo)電的離子緩沖層15形成接點(diǎn)而仍會維持。圖2中亦顯示一選用的中間導(dǎo)電層17，其位于離子供應(yīng)層16與頂電極18之間以 提供附著及/或勢壘層作用。此選用的中間導(dǎo)電層17可以改善離子供應(yīng)層16與上層金屬 頂電極18之間的附著力，且同時在工藝中允許金屬擴(kuò)散進(jìn)入導(dǎo)電的離子供應(yīng)層中。離子緩沖層15的作用是阻擋金屬自導(dǎo)電橋中被吸收至離子供應(yīng)層16內(nèi)。此基于 氧化硅和銅-GST系統(tǒng)的特點(diǎn)是，一離子緩沖層15將氧化硅層中的銅路徑自此離子供應(yīng)層 分離。在此范例中離子緩沖層是碲化鈦(TiTex),因為其具有低電阻率及在操作電壓和溫度 下銅與碲化鈦之間的反應(yīng)速率非常低的緣故而被選取。此外，碲化鈦(TiTex)可以通過添 加一鈦層于氧化硅層與GST層之間并加以退火而輕易形成。此離子緩沖層15的操作機(jī)制可以根據(jù)在GST層中形成銅-碲鍵能的活化能(相 對較低)相較于在Ti-Te界面中形成銅-碲鍵能的活化能(相對較高)的原因加以解釋。 在此情況下，離子緩沖層作為一間隔物可以使得在低或是零偏壓下銅陽離子流失至GST為 基的離子供應(yīng)層16的機(jī)率大幅降低，因此改善了此導(dǎo)電橋的保持能力。此處是實施一個銅-GST、Ti_Te及氧化硅系統(tǒng)，其中氧化硅存儲層的厚度約為2. 7 納米，一層約3. 6納米厚的鈦沉積于氧化硅之上，一層約100納米厚的GST形成于鈦之上， 一層約1.8納米厚的鈦沉積于GST之上，而一層作為頂電極的銅形成于鈦層之上。此疊層 當(dāng)進(jìn)行熱處理時是在約400°C下進(jìn)行約20分鐘，期間鈦會與GST層中的碲反應(yīng)以形成一 鈦-碲化合物的離子緩沖層及一鈦-碲化合物的中間導(dǎo)電層分別于GST層的底部及頂面。 此外，銅的陽離子會自頂電極擴(kuò)散進(jìn)入GST層中，且某些銅的陽離子會與GST層中的碲反應(yīng) 以形成一銅-碲化合物其可以輕易溶解以在操作時提供形成銅的陽離子。此銅-GST、Ti-Te 及氧化硅系統(tǒng)的測試顯示此裝置在2. OV且最高電流是20微安培(μΑ)時自高電阻狀態(tài)切換至低電阻狀態(tài)。此裝置在-1. OV及-20微安培(μΑ)時切換回到高電阻狀態(tài)。此低電阻 狀態(tài)和高電阻狀態(tài)的電阻值分別是IOK歐姆和一千萬歐姆。此裝置顯示其適用于高速編程 及低編程電流的應(yīng)用。此裝置的初始電阻值的范圍介于約一千萬歐姆至一億歐姆之間，且 可以使用一普通的設(shè)置脈沖加以設(shè)置，指示其是一自由形成行為，其中一第一編程循環(huán)的 工作電壓并不會遠(yuǎn)大于其后編程循環(huán)所需的工作電壓。此測試裝置相較于傳統(tǒng)沒有離子緩 沖層的裝置而言亦顯示一個顯著地承受力改善。因此，通過將離子緩沖層15插入于離子供應(yīng)層16與存儲層14之間，此數(shù)據(jù)保持 力顯著地提升。此自由形成裝置顯示低編程電流及高操作速度，且顯著改善數(shù)據(jù)保持力及 循環(huán)承受力。圖3顯示一個包含離子緩沖層35的相變化存儲單元的基本結(jié)構(gòu)剖面圖。此結(jié)構(gòu) 形成于一集成電路襯底30之上，其可以包括一標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管結(jié) 構(gòu)以實施作為如控制電路、譯碼器、驅(qū)動器等電路(未示)。一絕緣層31形成于襯底30之 上。一連接層32，例如使用銅或是鋁內(nèi)連接技術(shù)提供圖案化的金屬層，形成于絕緣層31之 上。一中間介電層包括圖3中的33A，3!3B區(qū)域形成于連接層32之上。一個底電極39例如 是鎢栓塞延伸通過中間介電層33A，3!3B區(qū)域，且提供一個與存儲層34的接觸表面。此底電 極可以包含其它的頑固金屬電極材料，例如，氮化鈦、鋁(Al)、銥(Ir)、鉬(Pt)、鈦(Ti)或其 它金屬元素。一個例如是氧化硅的存儲層34形成于底電極39的接觸表面之上。此存儲層 34可以包含不同的介電材料，在一般的范例中包含氧化硅、氮化硅、碳化硅及許多不同的金 屬氧化物。一離子緩沖層35形成于存儲層34之上。此離子緩沖層35可以包含頑固金屬 與硫?qū)僭?除了氧之外)的化合物，舉例而言可為鈦-碲化合物、鈦-硒化合物、鈦-硫 化合物、鉻-碲化合物、鉻-硒化合物等。而頑固金屬包含鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭、鎢和 諫。此離子緩沖層35可以由熱反應(yīng)形成，例如由上述的熱退火將鈦層轉(zhuǎn)換為鈦-碲化 合物。此外，此離子緩沖層35也可以直接沉積在結(jié)構(gòu)上，例如通過將此離子緩沖材料直接 濺射在存儲層34的表面上。一離子供應(yīng)層36形成于離子緩沖層35之上。此離子供應(yīng)層36可以包含類似硫 屬化物的Ge2Se2Te5(此處稱為GST)其具有可以在電解過程中作為陽離子的金屬，例如銅、 銀、鋅，及合適的過渡金屬。一頂電極37與此離子供應(yīng)層36接觸。此頂電極可以包括金屬，例如銅、銀、鋅，及 合適的過渡金屬，且作為離子供應(yīng)層36中如此金屬的來源。一連接層38，例如一圖案化的 金屬化層，在此例示中形成于頂電極37之上。替代地，頂電極37可以是此圖案化的金屬化 層本身的一部分。此底電極39和頂電極37可以包括一多層結(jié)構(gòu)，其包含一擴(kuò)散勢壘層例如是氮化 鈦、氮化鉭、氮化鎢等，及一導(dǎo)電層例如適用作為底電極的一惰性金屬和適用作為頂電極的
一過渡金屬。圖4系繪示一實施例，在其中一中間導(dǎo)電層40被加在離子供應(yīng)層36與頂電極37 之間。此中間導(dǎo)電層40可以使用與某些實施例中的離子緩沖層35相同的材料。替代地， 也可以選取其它的中間導(dǎo)電層材料以與所選取的離子供應(yīng)層36與頂電極37匹配。圖4中 的其它元件則是與之前所討論過的圖3中的相同。
許多不同的材料可以用來作為離子緩沖層35。一般而言，此離子緩沖層應(yīng)該具有 在產(chǎn)生及破壞導(dǎo)電橋電解過程中與所使用離子(及非離子性金屬)的混合熱，其遠(yuǎn)高于與 離子供應(yīng)層的混合熱，而允許離子擴(kuò)散通過。在此情況下，此緩沖層就不會在操作時累積離 子與金屬，而允許離子在需要時可以在存儲層與離子供應(yīng)層之間移動。作為離子緩沖層35 的最佳基本材料特性要求如下(1)、此離子緩沖層35材料不應(yīng)該妨礙陽離子的擴(kuò)散。如此暗示其應(yīng)該是薄的或 是類似玻璃或是兩者；O)、此離子緩沖層35材料應(yīng)該是導(dǎo)體，所以其不會大幅增加此存儲單元在”開啟 狀態(tài)”時的電阻，且如此可以在當(dāng)導(dǎo)電橋與此離子緩沖層35形成接點(diǎn)時建立低電阻狀態(tài)；(3)、此離子緩沖層35材料與陽離子作用時不應(yīng)該自此導(dǎo)電橋中搶奪被電鍍的金 屬；(4)、此離子緩沖層35材料不應(yīng)該被離子供應(yīng)層36吸收?！愣?，此離子供應(yīng)層的基本材料應(yīng)該具有遠(yuǎn)低于離子緩沖層35的材料與這 些離子之間的混合熱，且累積金屬的型態(tài)可以在電解過程中輕易溶解成所需要的離子型 態(tài)。作為離子供應(yīng)層36的最佳基本材料特性要求如下(1)、此離子供應(yīng)層36材料應(yīng)該是導(dǎo)體(例如在結(jié)晶態(tài)的硫?qū)倩?。(2)、此離子供應(yīng)層36材料在編程及擦除偏壓時應(yīng)該允許陽離子快速擴(kuò)散(例如 一玻璃或是類玻璃材料)進(jìn)入此存儲介電層(在某些實施例中為納秒階級)。(3)、由離子供應(yīng)層36材料的元素與離子供應(yīng)層36材料的陽離子形成的化合物 (例如銅-碲)應(yīng)該具有相對弱的鍵能，所以此陽離子并不會被捕捉于離子供應(yīng)層36之內(nèi)。雖然GST或是其它硫?qū)倩锏幕衔锟梢蕴峁┥鲜龅碾x子供應(yīng)層功能，離子供應(yīng) 層也可以包含一層純的金屬或合金，其包括在產(chǎn)生及破壞導(dǎo)電橋電解過程中與所使用的金 屬。離子緩沖層材料的選取可以與離子供應(yīng)層匹配以提供此處所描述的保持能力改善。圖5及圖6繪示此處所描述的一種制造一具有離子緩沖層的可編程金屬化存儲單 元的方法。如圖5所示，在第一階段的疊層材料形成于一集成電路襯底之上，其可以包括一 接點(diǎn)陣列，包括接點(diǎn)56，其裸露于包括絕緣體57A，57B的絕緣層表面。此疊層材料包括一個 底電極/擴(kuò)散勢壘層陽例如是厚度為若干納米數(shù)量級的氮化鈦。之后，提供一個例如是厚 度為若干納米數(shù)量級的氧化硅的存儲層M形成于底電極/擴(kuò)散勢壘層陽之上。一頑固金 屬層53，例如是厚度為若干納米數(shù)量級的鈦，沉積于存儲層M之上。之后，一層作為離子緩 沖層的基底材料52，例如是100納米數(shù)量級厚的GST沉積于頑固金屬層53之上。在下一 步驟中，一頑固金屬層51，例如是鈦，沉積于層52之上。最后，一個頂電極/擴(kuò)散勢壘層50 形成于頑固金屬層51之上。在圖6中，顯示此結(jié)構(gòu)于一圖案化步驟及在約400°C下進(jìn)行約20分鐘熱退火后的 剖面圖。此結(jié)構(gòu)被圖案化以定義每一存儲單元中的疊層，然后施加絕緣填充物67A、67B。之 后，加上一圖案化的連接層66以提供存儲單元與支持電路之間的連接。此退火步驟可以 發(fā)生在此工藝中任何合適的階段，包括于圖案化步驟之前或之后。此完成結(jié)構(gòu)包括絕緣層 57A、57B之間的接點(diǎn)56。底電極65是位于接點(diǎn)56之上。此存儲層64包含氧化硅。離子 緩沖層63和中間導(dǎo)電層61包含鈦-碲化合物，是利用鈦與作為離子供應(yīng)層的GST基底材 料層中的碲反應(yīng)而形成。此離子供應(yīng)層62包含GST具有在退火時自頂電極擴(kuò)散進(jìn)入此層
9中的銅所形成的銅-碲化合物。中間導(dǎo)電層61分隔離子供應(yīng)層62與頂電極60。此頂電極 60提供與接點(diǎn)66之間良好的電性接點(diǎn)。離子供應(yīng)層62中的銅濃度應(yīng)該是相對高的。在此材料系統(tǒng)中，銅-碲化合物在使 用轉(zhuǎn)換至低電阻狀態(tài)的偏壓下可以輕易地溶解為銅的陽離子。使用于此范例中的硫?qū)倩?GST包括碲且頂電極包括銅，故可提供一銅-碲系統(tǒng)。如同上述的替代實施例的工藝所描述的，此鈦-碲化合物及硫?qū)倩镫x子供應(yīng)層 中具有銅的添加物可以直接沉積，而不需要如上述使用熱退火工藝及擴(kuò)散工藝。此外，如上 述，離子供應(yīng)層62可以使用一個純金屬源，或是其它離子源材料，而不需要使用此處所描 述的金屬-硫?qū)倩锘衔餅榛慕Y(jié)構(gòu)。一個可與互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管工藝兼容的銅-基底的可編程金屬化 存儲單元(PMC)被制造及描述其特性。一個新的裝置包含銅摻雜的GeSbTe離子源，一層氧 化硅存儲層，及一鈦碲離子緩沖層。此離子緩沖層自銅離子供應(yīng)層分隔銅的導(dǎo)電路徑因此 大幅增加了穩(wěn)定性。此三層裝置大幅改善了可靠性，卻同時能夠維持低熱預(yù)算的后段工藝 及絕佳的電性。圖7及圖8繪示根據(jù)一替代實施例的使用任何”介層孔填充”工藝來制造此存儲 單元的方法。如圖7所示，此工藝可以包含形成一絕緣層70A、70B于一包括接點(diǎn)56的絕緣 層57A，57B的表面。之后，介層孔形成于絕緣層57A，57B之中，裸露出接點(diǎn)56。然后依序 形成作為擴(kuò)散勢壘層71、導(dǎo)電層72、存儲層73、離子緩沖層74、離子供應(yīng)層75、中間導(dǎo)電層 76、頂電極的導(dǎo)電層77及擴(kuò)散勢壘層78的材料，而形成如圖8中所示的疊層于介層孔內(nèi)。 之后，此完成結(jié)構(gòu)進(jìn)行平坦化以提供一平坦的上表面，且加上一連接層79例如是一圖案化 金屬層。這些材料及工藝步驟可以類似于圖5及圖6中所描述的一般。圖9繪示根據(jù)一替代的”介層孔填充”工藝，其中間隔物81、80完全或部分環(huán)繞于 此存儲疊層，形成在存儲層93下方的導(dǎo)電層92之上。如同圖8中所示的一般，作為擴(kuò)散勢 壘層91、導(dǎo)電層92形成襯墊于介層孔內(nèi)。之后，間隔物81、80通過順形地沉積一間隔物材 料，例如是氮化硅、氧化硅或是類似材料，之后再進(jìn)行非均向刻蝕直到間隔物材料自此結(jié)構(gòu) 的底部及頂部移除為止。然后，加上離子緩沖層94、離子供應(yīng)層95、中間導(dǎo)電層96、導(dǎo)電層 97及擴(kuò)散勢壘層98。于形成擴(kuò)散勢壘層98之后，此完成結(jié)構(gòu)進(jìn)行平坦化。最后形成一連 接層99以連接存儲單元與支持電路。圖10為集成電路1010的簡化方塊圖，包含存儲器陣列1012，其實現(xiàn)方式是使用具 有此處所描述的離子緩沖層的可編程金屬化存儲單元。字線譯碼器1014，具有讀取、設(shè)置及 復(fù)位模式，被耦接至且電性連接至多條字線1016，其沿著存儲器陣列1012的列所布置。一 個位線(欄)譯碼器1018是和沿著陣列1012內(nèi)的欄布置的多條位線1020電性連接，以用 于讀取、設(shè)置及復(fù)位位于陣列1012內(nèi)的相變化存儲單元(在此未顯示)。地址是通過總線 1022提供至字線譯碼器及驅(qū)動器1014及位線譯碼器1018。于方塊IOM內(nèi)的感應(yīng)放大器 及數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)，其包含用于讀取、設(shè)置、及復(fù)位模式的電壓及/或電流源，是經(jīng)由數(shù)據(jù)總 線10 耦接至位線譯碼器1018。數(shù)據(jù)是經(jīng)由一個數(shù)據(jù)輸入線10 由位于集成電路1010 上的輸入/輸出端，或由集成電路1010內(nèi)部或外部其它的數(shù)據(jù)來源，提供至方塊IOM內(nèi)的 數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)。其它電路1030可能被包含于集成電路1010上，例如一個泛用處理器或是 專用應(yīng)用電路，或是提供系統(tǒng)單晶平功能其由陣列1012支持的模塊組合。數(shù)據(jù)是經(jīng)由數(shù)據(jù)輸出線1032由方塊IOM內(nèi)的感應(yīng)方大器提供至位于集成電路1010上的輸入/輸出端，或 至集成電路1010內(nèi)部或外部的其它數(shù)據(jù)目的地。在此范例中所實施的控制器1034，其利用調(diào)整偏壓狀態(tài)機(jī)構(gòu)，控制電壓及電流源 偏壓電路1036，例如供應(yīng)字線與位線的讀取、編程、擦除、擦除確認(rèn)以及編程確認(rèn)電壓及/ 或電流。此外，調(diào)整偏壓也可以如上述來施行熔化/冷卻循環(huán)?？刂破?034可能可利用本 發(fā)明領(lǐng)域已知的專用邏輯電路實施。在另一實施例中，控制器1034包含一個泛用的處理 器，其可能在相同的集成電路上實施以執(zhí)行一個計算機(jī)程序以控制此裝置的操作。在另一 個實施例中，可利用專用邏輯電路及一個泛用處理器的組合來實現(xiàn)控制器1034。雖然本發(fā)明已參照較佳實施例及范例來加以描述，應(yīng)了解這些范例是用于說明而 非限縮之用。對于依據(jù)本發(fā)明的精神及權(quán)利要求范圍內(nèi)的修改及組合，將為本領(lǐng)域技術(shù)人 員顯而易知。
權(quán)利要求
1.一種可編程金屬化裝置，其特征在于，包含 一第一電極；一存儲層，與該第一電極電性耦接且適用于電解構(gòu)成及毀壞一導(dǎo)電橋于其中； 一離子供應(yīng)層，包含一第一金屬元素的離子源，其可以擴(kuò)散進(jìn)出該存儲層； 一導(dǎo)電的離子緩沖層，介于該離子供應(yīng)層與該存儲層之間，且可以允許該離子擴(kuò)散通 過其中；一第二電極，與該離子供應(yīng)層電性耦接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該存儲層適用于電解構(gòu)成及毀壞一導(dǎo)電 橋通過其中，且包含施加偏壓電壓至該第一及該第二電極的電路，以在該存儲層中誘發(fā)包 含一第一金屬元素的該導(dǎo)電橋的構(gòu)成及毀壞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，更包含一中間導(dǎo)電層位于該離子供應(yīng)層 與該第二電極之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該離子供應(yīng)層包含硫?qū)倩铩?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該離子緩沖層包含一個與該第一金屬元 素不同的金屬及一硫?qū)倩铩?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該存儲層包含一介電層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該存儲層包含氧化硅與氮化硅至少一個。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該離子供應(yīng)層包含碲、硒和硫至少一個； 該第一金屬元素包含銅、銀和鋅至少一個；且該離子緩沖層包含一化合物其包含該至少一 個中的碲、硒和硫。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該離子供應(yīng)層包含碲；該第一金屬元素包 含銅；且該離子緩沖層包含一鈦、碲的化合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該存儲層包含氧化硅。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該離子緩沖層與該第一金屬元素的混合 熱高于該離子供應(yīng)層與該第一金屬元素的混合熱。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該離子供應(yīng)層包含一具有該第一金屬元 素的化合物，該化合物具有形成該離子供應(yīng)層的一活化能；且該離子緩沖層包含與該第一 金屬元素鍵能的活化能高于在該離子供應(yīng)層中形成該化合物的活化能的材料。
13.—種制造一可編程金屬化裝置的方法，其特征在于，包含 形成一第一電極；形成一存儲層，與該第一電極電性耦接且適用于電解構(gòu)成及毀壞一導(dǎo)電橋于其中； 形成一離子供應(yīng)層，包含一第一金屬元素的離子源，其可以擴(kuò)散進(jìn)出該存儲層； 形成一導(dǎo)電的離子緩沖層，介于該離子供應(yīng)層與該存儲層之間，且可以允許該離子擴(kuò) 散通過其中；形成一第二電極，與該離子供應(yīng)層電性耦接。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該存儲層包含一材料適用于電解構(gòu)成 及毀壞一導(dǎo)電橋通過其中。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，更包含形成一中間導(dǎo)電層位于該離子 供應(yīng)層與該第二電極之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該離子供應(yīng)層包含硫?qū)倩铩?br> 17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該離子緩沖層包含一個與該第一金屬 元素不同的金屬及一硫?qū)倩铩?br> 18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該存儲層包含一介電層。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該存儲層包含氧化硅與氮化硅至少一個。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該離子供應(yīng)層包含碲、硒和硫至少一 個；該第一金屬元素包含銅、銀和鋅至少一個；且該離子緩沖層包含一化合物其包含該至 少一個中的碲、硒和硫。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該離子供應(yīng)層包含碲；該第一金屬元素 包含銅；且該離子緩沖層包含一鈦、碲的化合物。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該存儲層包含氧化硅。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該離子緩沖層與該第一金屬元素的混 合熱高于該離子供應(yīng)層與該第一金屬元素的混合熱。
24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該離子供應(yīng)層包含一具有該第一金屬 元素的化合物，該化合物具有形成該離子供應(yīng)層的一活化能；且該離子緩沖層包含與該第 一金屬元素鍵能的活化能高于在該離子供應(yīng)層中形成該化合物的活化能的材料。
25.一種制造一可編程金屬化裝置的方法，其特征在于，包含 形成一第一電極；形成一存儲層，與該第一電極電性耦接且適用于通過與一第一金屬元素的離子的一電 解反應(yīng)電解構(gòu)成及毀壞一導(dǎo)電橋于其中；沉積一金屬層于該存儲層之上，該金屬層并沒有包含該第一金屬元素； 沉積一硫?qū)倩镉谠摻饘賹又希?形成一第二電極與該硫?qū)倩镫娦择罱樱灰约巴嘶鹪摻饘賹优c該硫?qū)倩?，以形成一化合物于該金屬層與該硫?qū)倩镏g，該化合 物包含該金屬層中的金屬與該硫?qū)倩镏械囊涣驅(qū)僭亍?br> 26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，該第二電極包含該第一金屬元素，且于 該退火時，該第一金屬元素擴(kuò)散進(jìn)入該硫?qū)倩镏小?br> 27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，更包含沉積另一金屬層于該硫?qū)倩?之上，且于該退火或另一退火步驟時，以形成一化合物于該另一金屬層與該硫?qū)倩镏g， 該化合物包含該另一金屬層中的金屬與該硫?qū)倩镏械囊涣驅(qū)僭亍?br> 28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，該存儲層包含介電層。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，該第一金屬元素包含銅、銀和鋅至少一個。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，該金屬層包含一頑固金屬。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有離子緩沖層的可編程金屬化裝置及其制造方法。該可編程金屬化裝置，包含一第一電極；一存儲層，與該第一電極電性耦接且適用于電解構(gòu)成及毀壞一導(dǎo)電橋于其中；一離子供應(yīng)層，包含一第一金屬元素的離子源，其可以擴(kuò)散進(jìn)出該存儲層；一導(dǎo)電的離子緩沖層，介于該離子供應(yīng)層與該存儲層之間，且可以允許該離子擴(kuò)散通過其中；一第二電極，與該離子供應(yīng)層電性耦接。施加偏壓電壓至該第一及該第二電極的電路，以在該存儲層中誘發(fā)包含一第一金屬元素的該導(dǎo)電橋的構(gòu)成及毀壞。此離子緩沖層可以通過減少第一金屬元素被吸收至離子供應(yīng)層中的機(jī)率而改善此導(dǎo)電橋的數(shù)據(jù)保持力。
文檔編號H01L45/00GK102136547SQ20101024150
公開日2011年7月27日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者李峰旻, 林昱佑, 陳逸舟 申請人:旺宏電子股份有限公司