專利名稱：非揮發(fā)性存儲(chǔ)器與其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器元件及其制作方法，特別關(guān)于 一種電阻 式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器元件及其制作方法。
背景技術(shù)：
存儲(chǔ)器元件一般可分為兩大類揮發(fā)性存儲(chǔ)器與非揮發(fā)性存儲(chǔ)器 (non-volatile memory)。所謂的揮發(fā)性存儲(chǔ)器是指存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)須仰賴持 續(xù)性的電源供應(yīng)才能維持和保存。相對(duì)的，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器則意謂著即使遇 到了電源中斷，其內(nèi)部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)仍得以保持一段很長的時(shí)間。舉例來說， 一般常在計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ) 器(SRAM)就是屬于揮發(fā)性存儲(chǔ)器，而只讀存儲(chǔ)器(ROM)則為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。隨著手機(jī)、數(shù)字相機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理和筆記本計(jì)算機(jī)等攜帶式電子設(shè)備 的大量普及，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器也因其不需要電源供應(yīng)來維持存儲(chǔ)狀態(tài)，且具 有低耗能的特性，而廣泛應(yīng)用于各式攜帶式電子設(shè)備之中。而在各種非揮發(fā) 性存儲(chǔ)器中，目前比較普及的是閃存(flash RAM)。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷 發(fā)展，閃存也逐漸面臨到高操作電壓(會(huì)導(dǎo)致元件大小尺寸縮小困難)與穿透 柵極氧化層無法變薄(否則會(huì)有數(shù)據(jù)保存時(shí)間過短)的困境。因此，各方也不 斷努力于開發(fā)新的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器來取代閃存，其中電阻式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器 元件具有快速地寫入抹除速度、低操作電壓、長存儲(chǔ)時(shí)間、多狀態(tài)存儲(chǔ)、小 芯片面積以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，而受到各界的重視。圖1為一現(xiàn)有電阻式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器10的剖面示意圖。如圖1所示，電 阻式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器10設(shè)置于一基板12上，并包含有一絕緣層14、 一下電 極16、 一電阻層18以及一上電極20,其中下電極16包含輛(platinum， Pt) 薄膜，而電阻層18則可以包含有鉻(chromium， Cr)摻雜的鈦酸鍶(StrontiumTitanate, SrTi03)單晶體，并具有電阻轉(zhuǎn)換的特性。然而在現(xiàn)有的電阻式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器制作方法中，電阻層18的制作仍存 有許多問題。譬如說， 一般有兩種方法來形成電阻層18。 一種是在形成(IOO) 方向的SrTi03單晶體后，再利用燃燒融化法形成鉻摻雜的鈦酸鍶單晶體；另 一種是利用脈沖激光濺射法成長銷獸雜的鋯酸鍶(SrZrOJ薄膜。只是，前者所 使用的單晶材料需要相當(dāng)高的成本，而后者又不適合大面積薄膜的制作，因 此均不適合大批量生產(chǎn)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明實(shí)施例提供一種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，形成于一基板上。非揮發(fā)性存 儲(chǔ)器包含有一下電極、 一緩沖層、 一電阻層、以及一上電極；下電極包含有 一金屬層，設(shè)于基板上；緩沖層具有一鎳酸鑭薄膜，設(shè)于金屬層上；電阻層 具有一鋯酸鍶薄膜，設(shè)于緩沖層上；上電極設(shè)于電阻層上。本發(fā)明實(shí)施例提供一種一基板上的一非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的制作方法。首先 形成一金屬層，于基板上，作為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的一下電極；形成一緩沖層， 具有一鎳酸鑭薄膜，設(shè)于金屬層上；形成一電阻層，具有一鋯酸鍶薄膜，設(shè) 于緩沖層上；形成一上電極，設(shè)于電阻層上。綜上所述，本發(fā)明提供的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器與其制作方法，可以大幅降低 電阻的轉(zhuǎn)態(tài)電壓，并提升電阻的轉(zhuǎn)換倍率，使鋯酸鍶薄膜更適合于電阻式非 揮發(fā)性存儲(chǔ)器的應(yīng)用。


圖1為一現(xiàn)有電阻式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的剖面示意圖；圖2A顯示本發(fā)明第一實(shí)施例中一非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的剖面示意圖；圖2B顯示另一非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的剖面示意圖；圖3A顯示依據(jù)上述工藝所制作的一實(shí)驗(yàn)組結(jié)構(gòu)示意圖；圖3B則顯示一個(gè)對(duì)照組結(jié)構(gòu)示意圖，其中緩沖層直接與絕緣層相接觸；圖4A與圖4B顯示了兩個(gè)X光繞射圖案示意圖，分別對(duì)應(yīng)到圖3A中的實(shí)-瞼纟且結(jié)構(gòu)與圖3B中的對(duì)照組結(jié)構(gòu)；圖5A與圖5B分別顯示實(shí)驗(yàn)組DUT的電壓電流量測結(jié)果與對(duì)照組DUT的 電壓電流重測結(jié)果示意圖；圖6A與圖6B分別繪示了在圖2A里的實(shí)驗(yàn)組DUT與在圖2B里的對(duì)照組 DUT中的電流路徑示意圖；圖7顯示本發(fā)明第二實(shí)施例中一非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的剖面示意圖；圖8顯示了 Pt薄膜直接的跟硅接觸，其間并沒有Ti薄膜示意圖。主要元件符號(hào)說明電阻式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器10基板12絕緣層14下電極16電阻層18上電極20非揮發(fā)性存儲(chǔ)器110a、 110b基板112絕緣層114下電極116鈦薄膜116aPt薄膜116b緩沖層117電阻層118上電極120金屬連接物122實(shí)驗(yàn)組結(jié)構(gòu)200a對(duì)照組結(jié)構(gòu)200b非揮發(fā)性存儲(chǔ)器700具體實(shí)施方式
圖2A為顯示本發(fā)明第一實(shí)施例中一非揮發(fā)式存儲(chǔ)器110a的剖面示意圖。 如圖2A所示，存儲(chǔ)器110a包含有一基板112,其上依序設(shè)有一絕緣層114、 一下電極116、 一緩沖層117、 一電阻層118以及數(shù)個(gè)上電極120。 一預(yù)定區(qū) 域的緩沖層117并沒有被電阻層118所覆蓋，所以一金屬連接物122在那里 直接與緩沖層117相接觸。上電極120與金屬連接物122可以用相同的金屬 層以及相同的掩膜所制作而成，所以可以是相同的材料。所有的上電極120 可以一起當(dāng)作非揮發(fā)式存儲(chǔ)器110a的一連接端，而金屬連接物122則當(dāng)作非揮發(fā)式存儲(chǔ)器110a的另一連接端。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，基板112可以為P型硅基板。絕緣層114包含 有厚度大約為100至500納米的二氧化硅薄膜。下電極116包含有厚度約為1 至100納米的鈦(Titanium, Ti)薄膜116a以及厚度約為10至500納米的鈾 (Platinum, Pt)薄膜116b，其中Pt薄膜116b堆疊在Ti薄膜116a上，而Ti 薄膜116a堆疊在絕緣層114上。緩沖層117具有(100)或(200)晶體排列方向 的鎳酸鑭(LaNi03， LN0)單晶結(jié)構(gòu)，其厚度大約為20至500納米。電阻層118 包含有已摻雜有摻質(zhì)的鋯酸鍶(SrZr03， SZ0)薄膜，所使用的摻質(zhì)可包含有釩 (V)、鉻(Cr)、鐵(Fe)、鈮(Nb)或其組合，摻質(zhì)濃度大約為0. 05%至1. 5%的百 分比較佳。電阻層118的厚度則大約為20至500納米，上電極120與金屬連 接物122則可由鋁(Al)薄膜所構(gòu)成。接著將進(jìn)一步說明本發(fā)明中非揮發(fā)性存儲(chǔ)器110a的一種制作方法。首先， 提供一基板112，例如一硅基板，并對(duì)其進(jìn)行RCA(美國無線電公司Radio Corporation of AmericaH青-洗。清;先后，可利用爐管力口熱來于基板112表面 形成二氧化硅薄膜，構(gòu)成絕緣層114,以用來隔絕與基板112之間的漏電流。 接著運(yùn)用電子槍真空蒸發(fā)(E-gun evaporation),使一 Ti靶材蒸發(fā)，而于絕 緣層114上蒸發(fā)上一層Ti薄膜116a。類似地，運(yùn)用另一次電子槍真空蒸發(fā) (E-gun evaporation),于Ti薄膜116a上蒸發(fā)一層Pt薄膜116b。接著利用 交流磁控'減射法(RF magnetron sputtering)，于Pt薄膜116b上成長一 LaNi03 薄膜(當(dāng)作緩沖層117);其中LaNi03薄膜的成長可于250。C下進(jìn)行，等離子體 功率密度約為3. 3W/cm2，工作氣壓為lOmTorr (毫托或毫托爾)，氣體流量為 40 sccm(立方厘米/分鐘)，氬氣(Ar)/氧氣(0》比例為6: 4，且所形成的LaNi03 薄膜具有一特定的晶體排列方向，例如可具有(100)或(200)的優(yōu)選方向。圖3A顯示依據(jù)上述工藝所制作的一實(shí)驗(yàn)組結(jié)構(gòu)200a。圖3B則顯示一個(gè) 對(duì)照組結(jié)構(gòu)200b,其中緩沖層117直接與絕緣層114相接觸。圖3B中的對(duì)照 組結(jié)構(gòu)200b跟圖3A中的實(shí)驗(yàn)組結(jié)構(gòu)200a的不同，在于圖3B缺少了圖3A中的下電4及116。已知晶體排列方向?yàn)?100)或(200)的LaNi03薄膜是比較好的， 因?yàn)椋?jīng)過實(shí)驗(yàn)的證明，形成在上面的SrZr03薄膜，比起形成在晶體排列方 向?yàn)?110)的LaNiO3薄膜上的SrZrO3薄膜，具有較大的兩電流狀態(tài)間的電阻比， 且只要較低的電壓就可切換電流狀態(tài)。圖4A與圖4B顯示了兩個(gè)X光繞射圖 案(X-ray diffraction pattern),分別對(duì)應(yīng)到3A圖中的實(shí)—瞼組結(jié)構(gòu)200a與 圖3B中的對(duì)照組結(jié)構(gòu)200b。明顯的，如同圖4A中的波峰一樣，圖4B中的波 峰證明了圖3B中的LaNiO3薄膜具有(100)的晶體排列方向。所以，不論LaNi03 薄膜是成長在二氧化硅薄膜上還是在Pt薄膜上，其晶體排列方向都會(huì)是比較 希望的(100)方向。為了元件特性量測，圖3A中的實(shí)驗(yàn)組結(jié)構(gòu)200a與圖3B中的對(duì)照組結(jié)構(gòu) 200b可以一起繼續(xù)并行其它的工藝。利用交流磁控濺射法，利用SrZr03靶材， 于緩沖層117上成長一SrZr03薄膜，來當(dāng)作一電阻層118。其中所使用的SrZr03 靶材可摻雜有0. 05%至1. 5。/。的釩(V)、鉻(Cr)、鐵(Fe)、鈮(Nb)或其組合，以 形成摻雜有對(duì)應(yīng)摻質(zhì)的SrZr03薄膜。此外，電阻層118的成長溫度大約為500 °C，等離子體功率大約為3. 3 W/cm2，工作氣壓大約為10mTorr，氣體流量為 40 sccm， Ar/02比例為6: 4。在此交流》茲控賊射時(shí)，可以沖巴鄉(xiāng)復(fù)沖層117上的 某一預(yù)設(shè)區(qū)域遮住，以防止那預(yù)設(shè)區(qū)域的緩沖層117濺射上SrZr03薄膜，換 言之，那預(yù)設(shè)區(qū)域的緩沖層117并沒有被SrZr03薄膜所覆蓋。之后可再利用 熱蒸發(fā)將300納米厚的鋁薄膜形成于電阻層118上，并利用適當(dāng)?shù)恼谡謥矶?義鋁薄膜的圖案，而形成上電極120以及金屬連接物122。經(jīng)歷過了以上所述 的工藝后，圖3A中的實(shí)驗(yàn)組結(jié)構(gòu)200a便會(huì)產(chǎn)生圖2A的剖面圖，而圖3B中 的對(duì)照組結(jié)構(gòu)200b則會(huì)產(chǎn)生圖2B的剖面圖。為了之后解說的方便與清楚， 圖2A中的存儲(chǔ)器110a之后將稱為實(shí)驗(yàn)組測試元件(device under test，DUT)， 圖2B中的存儲(chǔ)器110b之后將稱為對(duì)照組DUT llOb。圖5A與圖5B分別顯示實(shí)驗(yàn)組DUT 110a的電壓電流量測結(jié)果與對(duì)照組DUT 110b的電壓電流量測結(jié)果。如同圖5B所示的，加在對(duì)照組DUT 110b的-13伏特的電壓偏壓會(huì)突然地增加其中所傳導(dǎo)的電流，也就是將其電流狀態(tài)由葉氐轉(zhuǎn)成高；而12伏特的電壓偏壓會(huì)使對(duì)照組DUT 110b中所傳導(dǎo)的電流回歸到 低電流狀態(tài)。這意味著對(duì)照組DUT 110b的電阻狀態(tài)可以通過變更電壓的極性， 來切換或是轉(zhuǎn)換，這便是一種存儲(chǔ)的能力。在偏壓電壓約G伏特時(shí)，低電流 狀態(tài)與高電流狀態(tài)的電阻比有超過103,而且，圖5B所示的電流狀態(tài)之間的 切換是可重復(fù)的。圖5A中的量測結(jié)果則顯示了實(shí)驗(yàn)組DUT 110a的改良后特 性；請(qǐng)注意，實(shí)-瞼組DUT 110a與對(duì)照組DUT 110b相比豐支下，實(shí)馬全組DUT 110a 在LaNi03薄膜下方多了一層Pt薄膜116b。類似的，加在實(shí)驗(yàn)組DUT 110a的 -3伏特的電壓偏壓會(huì)突然地增加其中所傳導(dǎo)的電流到限流值(lmA)，意味了電 流狀態(tài)成功地由低轉(zhuǎn)成高。當(dāng)沒有限制電流時(shí)，施加-2伏特的電壓偏壓將會(huì) 突然地使實(shí)驗(yàn)組DUT 110a中所傳導(dǎo)的電流回歸到原始的低電流狀態(tài)。如同圖 5A所示，電流狀態(tài)的由高轉(zhuǎn)換到低，或是由低轉(zhuǎn)換到高，也會(huì)發(fā)生在電壓偏 壓為2伏特與3伏特時(shí)。圖5A所顯示的現(xiàn)象意味著改變偏壓電壓的強(qiáng)度就可 以改變實(shí)驗(yàn)組DUT 110a的電阻值，所以電流狀態(tài)就;故存儲(chǔ)在其中。在操作電 壓0伏特附近時(shí)，實(shí)驗(yàn)組DUT 110a的兩電流狀態(tài)的電阻比高達(dá)105,電流狀 態(tài)之間的切換是可重復(fù)的。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組DUT 110b需要用具有-20伏特、時(shí)間為5納秒的電 壓脈沖，來把電流狀態(tài)從低切換到高，且需要用20伏特、時(shí)間長達(dá)為500微 秒的電壓脈沖才可以把電流狀態(tài)從高切換到低。相對(duì)的，實(shí)驗(yàn)組DUT110a可 以用比較低電壓且短時(shí)間的電壓脈沖來切換其電流狀態(tài)譬如說-6伏特10納 秒的脈沖就可以把電流狀態(tài)從低切換到高，而-4伏特10納秒的脈沖就可以把 電流狀態(tài)從高切換到低。由此可見，實(shí)驗(yàn)組DUT 110a的電性操作表現(xiàn)明顯地 比缺少Pt薄膜的對(duì)照組DUT 110b來的好。圖6A與圖6B分別繪示了在圖2A里的實(shí)驗(yàn)組DUT 110a與在圖2B里的對(duì) 照組DUT 110b中的電流路徑。在高電流狀態(tài)時(shí)，實(shí)^r組DUT 110a量測到的 阻值為20歐姆，而對(duì)照組DUT 110b量測到的阻值卻非常的高，高達(dá)15k歐姆。所以，可以推知的，15k歐姆必然是由圖6B中在高阻抗的LaNi03薄膜內(nèi) 水平走向的路徑P圍所主要貢獻(xiàn)；否則，圖6A中的整個(gè)電流路徑的阻值便不 可能低到20歐姆。Pt薄膜提供了一個(gè)繞路通道，使得圖6A中大多數(shù)的電流 可以水平的流經(jīng)高導(dǎo)電性的Pt薄膜116，而非經(jīng)過高阻抗的LaNi0w薄膜。圖 6A中的較低阻抗的電流路徑應(yīng)該就是使圖2A的實(shí)驗(yàn)組DUT 110a得以在比較 短時(shí)間又比較低伏特的電壓脈沖下操作的主要原因。圖7為顯示本發(fā)明第二實(shí)施例中一非揮發(fā)式存儲(chǔ)器700的剖面示意圖。 圖7中的非揮發(fā)式存儲(chǔ)器700大致上跟圖2A中的實(shí)驗(yàn)組DUT 110a —樣；差 別在于圖7中的存儲(chǔ)器700中，緩沖層117與電阻層118并沒有覆蓋在下電 極116上的一預(yù)定區(qū)域，而在這預(yù)定區(qū)域中，金屬連接物122直接的與下電 極116相接觸。一般相信，圖7中的存儲(chǔ)器700會(huì)跟圖2A中的實(shí)驗(yàn)組DUT 110a 有一樣的元件特性。圖2A中的Ti薄膜116a主要扮演了 Pt薄膜116b要形成在氧化硅層上的 一個(gè)附著層的角色。如果Pt薄膜想要直接形成在硅基板上，Ti薄膜就是不必 要而可以省略。圖8顯示了 Pt薄膜116b扮演了下電極的角色，而直接的跟 硅接觸，其間并沒有Ti薄膜。與圖2B的對(duì)照組DUT 110b相比較下，圖2A的實(shí)驗(yàn)組DUT 110a于緩沖 層117與絕緣層114之間，多增加了一下電極116,如此而獲得可用低操作電 壓與短脈沖寬度的電壓脈沖來切換電流狀態(tài)。因此，實(shí)驗(yàn)組DUT 110a是比較 適用，且可以整合于有低電壓操作與低功率消耗的需求的集成電路中。本發(fā)明雖以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí) 此項(xiàng)4支藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許的更動(dòng)與潤飾， 因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，形成于一基板上，其特征在于，所述非揮發(fā)性存儲(chǔ)器包含有一下電極，包含有一金屬層，設(shè)于所述基板上；一緩沖層，具有一鎳酸鑭薄膜，設(shè)于所述金屬層上；一電阻層，具有一鋯酸鍶薄膜，設(shè)于所述緩沖層上；以及一上電極，設(shè)于所述電阻層上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述金屬層具 有一賴薄膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其特征在于，還包含有一絕 緣層，設(shè)于所述基板上，且位于所述下電極之下。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述下電極還 包含有一鈦薄膜，位于所述鉑薄膜與絕緣層之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述鈦薄膜的 厚度約為1至100納米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述鉑薄膜的 厚度約為10至500納米。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述鎳酸鑭薄 膜的晶體排列方向?yàn)?IOO)，其厚度大約為20至500納米。
8. —種一J4反上的一非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的制作方法，其特征在于，所述非 揮發(fā)性存儲(chǔ)器的制作方法包含如下步驟形成一金屬層，于所述基板上，作為所述非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的一下電極； 形成一緩沖層，具有一鎳酸鑭薄膜，設(shè)于所述金屬層上； 形成一電阻層，具有一鋯酸鍶薄膜，設(shè)于所述緩沖層上；以及 形成一上電極，設(shè)于所述電阻層上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述金屬層用蒸發(fā)法 而形成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所迷的制作方法，其特征在于，所述金屬層具有一鉑薄膜。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于，形成所述金屬層的 方法包含有于所述基板上的一絕緣層上，形成一鈦薄膜；以及 于所述鈦薄膜上，形成所述柏薄膜。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述鈦薄膜以電子 槍真空蒸發(fā)而形成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述鉑薄膜以電子 槍真空蒸發(fā)而形成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述鎳酸鑭薄膜以 交流^磁控濺射法而形成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述鋯酸鍶薄膜以 交流》茲控濺射法而形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種形成于一基板上的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器與其制作方法。所述非揮發(fā)性存儲(chǔ)器包含有一下電極、一緩沖層、一電阻層、以及一上電極；下電極包含有一金屬層，設(shè)于基板上；緩沖層具有一鎳酸鑭薄膜，設(shè)于金屬層上；電阻層具有一鋯酸鍶薄膜，設(shè)于緩沖層上；上電極設(shè)于電阻層上。通過本發(fā)明，可以大幅降低電阻的轉(zhuǎn)態(tài)電壓，并提升電阻的轉(zhuǎn)換倍率，使鋯酸鍶薄膜更適合于電阻式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L21/82GK101246949SQ20071007874
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2007年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月17日
發(fā)明者曾俊元, 林昭正, 林群杰 申請(qǐng)人:華邦電子股份有限公司