本發(fā)明涉及一種非易失性存儲器，尤其涉及一種電阻式隨機(jī)存取存儲器。

背景技術(shù)：

一般而言，電阻式隨機(jī)存取存儲器包括由上部電極、下部電極及介于其間的可變電阻層(resistance changeable layer)所構(gòu)成的(金屬-絕緣層-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)。然而，在電阻式隨機(jī)存取存儲器的制造過程中，金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的側(cè)壁容易遭受到電漿損害、或不純物污染等，而影響了電阻式隨機(jī)存取存儲器內(nèi)的導(dǎo)電路徑(絲狀物結(jié)構(gòu)的位置)，進(jìn)而造成所謂“高溫數(shù)據(jù)保持能力(high-temperature data retention，HTDR)”的劣化。因此克服電阻式隨機(jī)存取存儲器元件在制造過程中，金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的側(cè)壁容易遭受到電漿損害、或不純物污染等問題成為現(xiàn)今電阻式隨機(jī)存取存儲器技術(shù)發(fā)展的重要課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種電阻式隨機(jī)存取存儲器，能夠增進(jìn)存儲器元件的高溫數(shù)據(jù)保持特性以及耐久性，并且能夠增加存儲器元件的產(chǎn)率以及穩(wěn)定度。

本發(fā)明的電阻式隨機(jī)存取存儲器，包括下部電極、上部電極、可變電阻層、氧交換層以及側(cè)壁保護(hù)層。下部電極設(shè)置于基底上。上部電極設(shè)置于下部電極上?？勺冸娮鑼釉O(shè)置于下部電極與上部電極之間。氧交換層設(shè)置于可變電阻層與上部電極之間，其中氧交換層、可變電阻層及下部電極的側(cè)壁連續(xù)地連接。側(cè)壁保護(hù)層，其為氧供應(yīng)層，至少設(shè)置于氧交換層的側(cè)壁上。

本發(fā)明的電阻式隨機(jī)存取存儲器，包括下部電極、上部電極、可變電阻層以及側(cè)壁保護(hù)層。下部電極設(shè)置于基底上。上部電極設(shè)置于下部電極上?？勺冸娮鑼釉O(shè)置于下部電極與上部電極之間，其中可變電阻層、下部電極及上部電極的側(cè)壁連續(xù)地連接。側(cè)壁保護(hù)層，其為蓋層，設(shè)置于下部電極、可 變電阻層以及上部電極的側(cè)壁。

基于上述，本發(fā)明的電阻式隨機(jī)存取存儲器由于在氧交換層的側(cè)壁設(shè)置作為氧供應(yīng)層的側(cè)壁保護(hù)層，而使得氧交換層的外部分被局部氧化，如此在氧交換層下方的可變電阻層可在中心部分提高氧空缺密度，而使絲狀物結(jié)構(gòu)集中在可變電阻層的中心部分，遠(yuǎn)離容易遭受到電漿損害、或不純物污染的側(cè)壁部分。密集的絲狀物結(jié)構(gòu)也有助于增進(jìn)存儲器元件的高溫數(shù)據(jù)保持特性。此外，作為氧供應(yīng)層的側(cè)壁保護(hù)層也可以避免被拉往中心絲狀物結(jié)構(gòu)的氧往外擴(kuò)散，如此在重置(RESET)操作時可以確保氧的回歸，而可以提升耐久性。

另外，本發(fā)明的電阻式隨機(jī)存取存儲器由于在下部電極、可變電阻層以及上部電極(金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu))的側(cè)壁設(shè)置有至少一層的側(cè)壁保護(hù)層，以避免來自層間絕緣層的污染物(例如氫)擴(kuò)散而進(jìn)入金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而影響電阻式隨機(jī)存取存儲器的效能。

此外，若下部電極與基底(層間絕緣層)之間還設(shè)置有頂蓋層，則金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)可以和層間絕緣層完全隔離，而可以更進(jìn)一步地避免來自層間絕緣層的污染物(例如氫)擴(kuò)散而進(jìn)入金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)中。

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1A為本發(fā)明第一實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲器的剖面圖；

圖1B為本發(fā)明修改的第一實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲器的剖面圖；

圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲器的剖面圖；

圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲器的剖面圖。

附圖標(biāo)記說明：

100：基底；

102：下部電極；

104：上部電極；

106：可變電阻層；

108：氧交換層；

110、110a、110b：側(cè)壁保護(hù)層；

112：富氧層；

114：阻擋層；

116：插塞；

118：第一蓋層；

120：第二蓋層；

122：頂蓋層；

124：層間絕緣層；

126：絲狀物結(jié)構(gòu)；

128：傾斜側(cè)壁。

具體實(shí)施方式

本文中請參照附圖，以便更加充分地體會本發(fā)明的概念，隨附圖中顯示本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本發(fā)明還可采用許多不同形式來實(shí)踐，且不應(yīng)將其解釋為限于底下所述的實(shí)施例。實(shí)際上，提供實(shí)施例僅為使本發(fā)明還將詳盡且完整，并將本發(fā)明的范疇完全傳達(dá)至所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員。

在附圖中，為明確起見可能將各層以及區(qū)域的尺寸以及相對尺寸作夸張的描繪。

請參照圖1A，電阻式隨機(jī)存取存儲器包括下部電極102、上部電極104、可變電阻層106、氧交換層108以及側(cè)壁保護(hù)層110。

下部電極102設(shè)置于基底100上。下部電極102的材料例如是氮化鈦(TiN)或氧化銦錫(ITO)。下部電極102通過插塞116電性連接晶體管(未示出)中的漏極區(qū)。插塞116例如設(shè)置于層間絕緣層124中，下部電極102設(shè)置于層間絕緣層124上。下部電極102的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

上部電極104設(shè)置于下部電極102上。上部電極104的材料包括導(dǎo)電材料，例如是氮化鈦或氧化銦錫。上部電極104的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

可變電阻層106設(shè)置于下部電極102與上部電極104之間?？勺冸娮鑼?06的材料例如是過渡金屬氧化物，如氧化鉿(HfO₂)、氧化鉭(Ta₂O₅)或 其他適當(dāng)?shù)慕饘傺趸??？勺冸娮鑼?06的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。為了避免絲狀物結(jié)構(gòu)形成在可變電阻層106中不佳的位置，下部電極102與可變電阻層106的接面處不具有凸出(abrupt)的角部(corner)。

氧交換層108設(shè)置于可變電阻層106與上部電極104之間。氧交換層108的材料例如是鈦、鉭、鉿、鋯、鉑或鋁。氧交換層108的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

側(cè)壁保護(hù)層110例如是氧供應(yīng)層，其至少設(shè)置于氧交換層108的側(cè)壁。側(cè)壁保護(hù)層110(氧供應(yīng)層)的材料包括氧化鋁(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化鉿(HfO₂)或氧化鋯(ZrO₂)。側(cè)壁保護(hù)層110的形成方法例如是原子層沉積法。

如圖1A所示，在氧交換層108與上部電極104之間還可選擇性的設(shè)置富氧層112。富氧層112可防止電流分散，以增加電流密度，進(jìn)而提升高溫數(shù)據(jù)保持能力。富氧層112的材料例如是氮氧化鈦或氮氧化鉭。富氧層112的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

在氧交換層108與可變電阻層106之間還可選擇性的設(shè)置阻擋層114。阻擋層114的材料包括氧化鋁(Al₂O₃)。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。為了避免絲狀物結(jié)構(gòu)形成在可變電阻層106中不佳的位置，氧交換層108與阻擋層114的接面處不具有凸出的角部。也即，氧交換層108、阻擋層114與可變電阻層106的側(cè)壁連續(xù)地連接。

如圖1B所示，堆疊的下部電極102、可變電阻層106、氧交換層108具有傾斜側(cè)壁128。此傾斜側(cè)壁128可以避免在可變電阻層106、氧交換層108之間產(chǎn)生凸出的角部。此外，下部電極102、可變電阻層106、氧交換層108，均為上窄下寬的結(jié)構(gòu)，所以這些層的堆疊也構(gòu)成了梯形的形狀。

在本實(shí)施例中，由于在氧交換層108的側(cè)壁設(shè)置側(cè)壁保護(hù)層110(氧供應(yīng)層)，側(cè)壁保護(hù)層110(氧供應(yīng)層)中的氧會拉入氧交換層108中，而使得氧交換層108的外部分被局部氧化，如此在氧交換層108下方的可變電阻層106只在中心部分產(chǎn)生氧空缺區(qū)塊，因此有助于絲狀物結(jié)構(gòu)126的形成。也即，當(dāng)在中心部分提高了氧空缺密度，而使絲狀物結(jié)構(gòu)126集中在中心部分。密集的絲狀物結(jié)構(gòu)126也有助于增進(jìn)存儲器元件的高溫數(shù)據(jù)保持(HTDR)特性。此外，側(cè)壁保護(hù)層110(氧供應(yīng)層)也可以避免被拉往中心絲狀物結(jié) 構(gòu)126的氧往外擴(kuò)散，如此在重置操作時可以確保氧的回歸，而可以提升耐久性。

圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲器的剖面圖。在圖2中，構(gòu)件與第一實(shí)施例相同的給予相同的附圖標(biāo)記，以下所述各層的材料及特性若未多加詳述時，視為與第一實(shí)施例相同。

請參照圖2，電阻式隨機(jī)存取存儲器包括下部電極102、上部電極104、可變電阻層106以及側(cè)壁保護(hù)層110a。

下部電極102設(shè)置于基底100上。下部電極102的材料例如是氮化鈦或氧化銦錫。下部電極102通過插塞116電性連接晶體管(未示出)中的漏極區(qū)。插塞116例如設(shè)置于層間絕緣層124中，下部電極102設(shè)置于層間絕緣層124上。下部電極102的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

上部電極104設(shè)置于下部電極102上。上部電極104的材料包括導(dǎo)電材料，例如是氮化鈦或氧化銦錫。上部電極104的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

可變電阻層106設(shè)置于下部電極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(HfO₂)、氧化鉭(Ta₂O₅)或其他適當(dāng)?shù)慕饘傺趸?。可變電阻?06的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。為了避免絲狀物結(jié)構(gòu)形成在可變電阻層106中不佳的位置，可變電阻層106與下部電極102及上部電極104的接面處不具有凸出的角部。也即，可變電阻層106、下部電極102及該上部電極104的側(cè)壁連續(xù)地連接。

側(cè)壁保護(hù)層110a例如是蓋層，用以阻隔來自層間絕緣層的污染物，例如氫。在本實(shí)施例中，側(cè)壁保護(hù)層110a(蓋層)設(shè)置于下部電極102、可變電阻層106以及上部電極104的側(cè)壁。側(cè)壁保護(hù)層110a(蓋層)的材料包括金屬氧化物，例如是氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鉭(TaO₂)或氧化鋯(ZrO₂)。側(cè)壁保護(hù)層110a的形成方法例如是原子層沉積法。在另一實(shí)施例中，金屬氧化物還摻雜有氮。也即，側(cè)壁保護(hù)層110a(蓋層)的材料包括摻雜氮的金屬氧化物，例如是摻雜氮的氧化鋁(Al₂O₃)、摻雜氮的氧化鈦(TiO₂)、摻雜氮的氧化鉭(TaO₂)或摻雜氮的氧化鋯(ZrO₂)。在此情況下，側(cè)壁保護(hù)層110a的形成方法例如是先利用原子層沉積法形成金屬氧化物層后，進(jìn)行傾斜角離子植入處理，進(jìn)一步于金屬氧化物層中摻雜氮。

如圖2所示，在下部電極102與基底100(層間絕緣層124)之間還可選擇性的設(shè)置頂蓋層122。頂蓋層122可防止來自層間絕緣層124的污染物，例如氫，進(jìn)入下部電極102。頂蓋層122的材料包括金屬氧化物，例如是氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鉭(TaO₂)或氧化鋯(ZrO₂)。

此外，本實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲器也可以如第一實(shí)施例一樣，視需要而設(shè)置有氧交換層、富氧層以及阻擋層等；此外，下部電極層、可變電阻層、氧交換層及其堆疊也可以形成為上窄下寬的梯形結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，由于在下部電極102、可變電阻層106以及上部電極104(金屬-絕緣層-金屬(MIM)結(jié)構(gòu))的側(cè)壁設(shè)置有側(cè)壁保護(hù)層110a(蓋層)，且側(cè)壁保護(hù)層110a(蓋層)采用不含氫的金屬氧化物，因此可以避免來自層間絕緣層的污染物(例如氫)擴(kuò)散而進(jìn)入金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而影響電阻式隨機(jī)存取存儲器的效能。

此外，若下部電極102與基底100(層間絕緣層124)之間還設(shè)置有頂蓋層122，則金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)可以和層間絕緣層完全隔離，而可以更進(jìn)一步地避免來自層間絕緣層的污染物(例如氫)擴(kuò)散而進(jìn)入金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)中。

通過使金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)不受氫影響，可以增加電阻式隨機(jī)存取存儲器的產(chǎn)率以及穩(wěn)定度。

圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲器的剖面圖。在圖3中，構(gòu)件與第一實(shí)施例相同的給予相同的附圖標(biāo)號，以下所述各層的材料及特性若未多加詳述時，視為與第一實(shí)施例相同。

請參照圖3，電阻式隨機(jī)存取存儲器包括下部電極102、上部電極104、可變電阻層106以及側(cè)壁保護(hù)層110b。

下部電極102設(shè)置于基底100上。下部電極102的材料例如是氮化鈦或氧化銦錫。下部電極102通過插塞116電性連接晶體管(未示出)中的漏極區(qū)。插塞116例如設(shè)置于層間絕緣層124中，下部電極102設(shè)置于層間絕緣層124上。下部電極102的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

上部電極104設(shè)置于下部電極102上。上部電極104的材料包括導(dǎo)電材料，例如是氮化鈦或氧化銦錫。上部電極104的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

可變電阻層106設(shè)置于下部電極102與上部電極104之間?？勺冸娮鑼?06的材料例如是過渡金屬氧化物，如氧化鉿(HfO₂)、氧化鉭(Ta₂O₅)或其他適當(dāng)?shù)慕饘傺趸??？勺冸娮鑼?06的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

側(cè)壁保護(hù)層110b例如是蓋層，用以阻擋來自層間絕緣層的污染物，例如氫。在本實(shí)施例中，側(cè)壁保護(hù)層110b包括第一蓋層118以及第二蓋層120。第一蓋層118設(shè)置于下部電極102、可變電阻層106以及上部電極104的側(cè)壁。第二蓋層120設(shè)置于第一蓋層118上。第一蓋層118的材料包括金屬氧化物，例如是氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鉭(TaO₂)或氧化鋯(ZrO₂)。第一蓋層118的形成方法例如是原子層沉積法。第二蓋層120的材料包括金屬氮化物或金屬鈦酸鹽類。金屬氮化物例如是氮化鋁、氮化硅或氮化鉭。金屬鈦酸鹽類例如是鈦酸鍶或鈦酸鉍。

如圖3所示，在下部電極102與基底100(層間絕緣層124)之間還可選擇性的設(shè)置頂蓋層122。頂蓋層122可防止來自層間絕緣層124的污染物，例如氫，進(jìn)入下部電極102。頂蓋層122的材料包括金屬氧化物，例如是氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鉭(TaO₂)或氧化鋯(ZrO₂)。

此外，本實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲器也可以如第一實(shí)施例一樣，視需要而設(shè)置有氧交換層、富氧層以及阻擋層等。此外，下部電極層、可變電阻層、氧交換層(若有的話)及其堆疊也可以形成為上窄下寬的梯形結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，由于在下部電極102、可變電阻層106以及上部電極104(金屬-絕緣層-金屬(MIM)結(jié)構(gòu))的側(cè)壁設(shè)置有側(cè)壁保護(hù)層110b(第一蓋層118以及第二蓋層120)，且側(cè)壁保護(hù)層110b采用多層結(jié)構(gòu)，因此可以更有效地避免來自層間絕緣層的污染物(例如氫)擴(kuò)散而進(jìn)入金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而影響電阻式隨機(jī)存取存儲器的效能。

此外，若下部電極102與基底100(層間絕緣層124)之間還設(shè)置有頂蓋層122，則金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)可以和層間絕緣層完全隔離，而可以更進(jìn)一步地避免來自層間絕緣層的污染物(例如氫)擴(kuò)散而進(jìn)入金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)中。

通過使金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)不受氫影響，可以增加電阻式隨機(jī)存取存儲器的產(chǎn)率以及穩(wěn)定度。

綜上所述，本發(fā)明提出的電阻式隨機(jī)存取存儲器，通過于側(cè)壁保護(hù)層(作為氧供應(yīng)層和/或蓋層(阻隔來自層間絕緣層的污染物))，有助于增進(jìn)存儲器元件的高溫數(shù)據(jù)保持特性以及耐久性，并且能夠增加存儲器元件的產(chǎn)率以及穩(wěn)定度。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。