技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種存儲器的制造方法，且特別涉及一種非易失性存儲器的制造方法。

背景技術(shù)：

存儲器，顧名思義便是用以存儲資料或數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體元件。當(dāng)電腦微處理器的功能越來越強(qiáng)，軟件所進(jìn)行的程序與運(yùn)算越來越龐大時，存儲器的需求也就越來越高，為了制作容量大且便宜的存儲器以滿足這種需求的趨勢，存儲器的技術(shù)與工藝，已成為半導(dǎo)體科技持續(xù)往高積集度挑戰(zhàn)的驅(qū)動力。在各種非易失性存儲器中，電阻式存儲器具有操作電壓小、多狀態(tài)存儲、存儲時間長、面積小及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，故電阻式存儲器已成為未來存儲器發(fā)展的趨勢。

電阻式存儲器通常包括電阻式存儲單元和二極管單元。具有一個電阻式存儲單元和一個二極管單元的電阻式存儲器稱為具有1D1R結(jié)構(gòu)的電阻式存儲器。1D1R結(jié)構(gòu)可使電阻式存儲器具有超高密度及低成本，并可用來避免讀取錯誤的問題。

此外，在一般的1D1R結(jié)構(gòu)中，通常是使用雙極性電阻式存儲單元來搭配二極管單元。然而，具有此種1D1R結(jié)構(gòu)的電阻式存儲器在高電阻與低電阻狀態(tài)之間往往只能承受一次的轉(zhuǎn)態(tài)操作，因而影響電阻式存儲器的效能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種非易失性存儲器的制造方法，其具有單極性電阻式存儲單元與二極管單元。

本發(fā)明提供一種非易失性存儲器的制造方法，其步驟如下。于基底上形成單極性電阻式存儲單元以及二極管單元。二極管單元與單極性電阻式存儲單元電性連接。所述二極管單元的形成步驟如下。于基底上形成第一電極。利用交流磁控濺鍍法，以于第一電極上依序形成氧化銦鋅層與氧化鈷層。于氧化鈷層上形成第二電極。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述第一電極的形成方法包括電子束蒸鍍法。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述第二電極的形成方法包括電子束蒸鍍法。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，在形成所述單極性電阻式存儲單元以及所述二極管單元之前，還包括將所述基底放入高溫爐管中，以于所述基底上形成介電層。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，在形成所述介電層之后，還包括利用電子束蒸鍍法，以于所述介電層上形成附著層，使得所述二極管單元與所述單極性電阻式存儲單元配置于所述附著層上。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述附著層的材料包括鈦。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述第一電極與所述氧化銦鋅層直接接觸，所述第二電極與所述氧化鈷層直接接觸，且所述氧化鈷層與所述氧化銦鋅層直接接觸。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述二極管單元直接形成于所述單極性電阻式存儲單元上，或者是所述單極性電阻式存儲單元直接形成于所述二極管單元上。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述二極管單元形成于所述單極性電阻式存儲單元的旁邊。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述單極性電阻式存儲單元包括兩層轉(zhuǎn)態(tài)層。兩層所述轉(zhuǎn)態(tài)層中的一者的材料為氧化鉿，兩層所述轉(zhuǎn)態(tài)層中的另一者的材料為氧化鋯。

本發(fā)明的有益效果在于，基于上述，在本發(fā)明的非易失性存儲器中，分別利用氧化鈷及氧化銦鋅作為二極管單元的p型半導(dǎo)體層及n型半導(dǎo)體層，并將此二極管單元與單極性電阻式存儲單元電性搭配而構(gòu)成1D1R結(jié)構(gòu)的非易失性存儲器。因此，本發(fā)明的非易失性存儲器不僅可具有良好的整流效果，還可承受重復(fù)100次以上的高電阻與低電阻之間的轉(zhuǎn)態(tài)操作，并使得高電阻與低電阻之間可維持高的讀取鑒別度。

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1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的非易失性存儲器的剖面示意圖。

圖2是本發(fā)明的第二實(shí)施例的非易失性存儲器的剖面示意圖。

圖3是本發(fā)明的第三實(shí)施例的非易失性存儲器的剖面示意圖。

圖4為本發(fā)明二極管單元進(jìn)行偏壓測試的結(jié)果。

圖5為根據(jù)圖4的結(jié)果所作的曲線分析。

圖6為本發(fā)明二極管單元的順向/逆向電流比值關(guān)系圖。

圖7為本發(fā)明的非易失性存儲器進(jìn)行偏壓測試的結(jié)果。

圖8為本發(fā)明的非易失性存儲器的存儲力測試結(jié)果。

圖9為本發(fā)明的非易失性存儲器的非破壞性讀取測試結(jié)果。

其中，附圖標(biāo)記說明如下：

10、20、30：非易失性存儲器

100：基底

120：介電層

130：附著層

200：單極性電阻式存儲單元

210a、210b、310a、310b：電極

220a、220b：轉(zhuǎn)態(tài)層

300：二極管單元

320：氧化銦鋅層

330：氧化鈷層

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明易理解，在以下各實(shí)施例中，相同的元件符號代表相同的元件，且不再重復(fù)另外說明。

第一實(shí)施例

圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的非易失性存儲器的剖面示意圖。請參照圖1，非易失性存儲器10包括單極性電阻式存儲單元200以及二極管單元300。單極性電阻式存儲單元200配置于基底100上?；?00例如為硅基底。此外，介電層120配置于單極性電阻式存儲單元200與基底100之間。介電層120的材料例如為氧化物，且其厚度例如介于10nm至500nm之間。介電層120用以使單極性電阻式存儲單元200與基底100電性隔離。另外，附著層130選擇性地配置于單極性電阻式存儲單元200與介電層120之間。附著層130的材料例如為鈦，且其厚度例如介于10nm至100nm之間。附著層130用以增加單極性電阻式存儲單元200與介電層120之間的附著力。

在本實(shí)施例中，單極性電阻式存儲單元200包括依序配置于介電層120上的電極210a、轉(zhuǎn)態(tài)層220a、轉(zhuǎn)態(tài)層220b和電極210b。電極210a的材料例如為氮化鈦。轉(zhuǎn)態(tài)層220a的材料例如為氧化鉿，且其厚度例如介于2nm至8nm之間。轉(zhuǎn)態(tài)層220b的材料例如為氧化鋯，且其厚度例如介于2nm至8nm之間。電極210b的材料例如為鉑或鎢，其厚度例如介于10nm至1000nm之間。

特別一提的是，在本實(shí)施例中，單極性電阻式存儲單元200的結(jié)構(gòu)與材料亦可視實(shí)際需求而進(jìn)行改變，此為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的技術(shù)，于此不另行說明。

二極管單元300配置于單極性電阻式存儲單元200上。在本實(shí)施例中，二極管單元300包括依序配置于單極性電阻式存儲單元200上的電極210b、氧化銦鋅層320、氧化鈷層330以及電極310a。也就是說，在非易失性存儲器10中，單極性電阻式存儲單元200與二極管單元300共用電極210b。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，單極性電阻式存儲單元200與二極管單元300也可以不共用電極210b，而是具有各自的電極。電極310a的材料例如是鉑或鎢，且其厚度例如介于10nm至1000nm之間。

此外，氧化銦鋅層320作為二極管單元300中的n型半導(dǎo)體層，而氧化鈷層330作為二極管單元300中的p型半導(dǎo)體層。氧化銦鋅層320的厚度例如介于1nm至1000nm之間。氧化鈷層330的厚度例如介于1nm至1000nm之間。在本實(shí)施例中，氧化銦鋅層320配置于氧化鈷層330下方。然而，依照存儲器的實(shí)際操作方式，在其他實(shí)施例中，氧化銦鋅層320則可配置于氧化鈷層330上方。

值得一提地是，因?yàn)檠趸捈把趸熶\兩者皆為低能隙的材料，故以兩者分別作為二極管單元300中的p型半導(dǎo)體層及n型半導(dǎo)體層時，可使得二極管單元300得到大的順向/逆向電流比值(F/R current ratio)，進(jìn)而使得非易失性存儲器10具有高的順向電流及好的整流效果。此外，當(dāng)非易失性存儲器10具有上述的二極管單元300時，非易失性存儲器10可在高電阻與低電阻之間重復(fù)多次轉(zhuǎn)態(tài)操作，并使得高電阻與低電阻之間具有高的讀取鑒別度。

第二實(shí)施例

圖2是本發(fā)明的第二實(shí)施例的非易失性存儲器的剖面示意圖。請參照圖2，非易失性存儲器20與非易失性存儲器10的差異在于：在非易失性存儲器20中，二極管單元300配置于附著層130上，而單極性電阻式存儲單元200則配置于二極管單元300上，且二者共用電極210a。

第三實(shí)施例

圖3是本發(fā)明的第三實(shí)施例的非易失性存儲器的剖面示意圖。請參照圖3，非易失性存儲器30與非易失性存儲器10的差異在于：在非易失性存儲器30中，二極管單元300與單極性電阻式存儲單元200皆配置于附著層130上，且二極管單元300與單極性電阻式存儲單元200例如通過內(nèi)連線(未繪示)而彼此電性連接。在本實(shí)施例中，單極性電阻式存儲單元200與二極管單元300各自具有一對電極，即單極性電阻式存儲單元200具有電極210a與電極210b，而二極管單元300具有電極310a與電極310b。在單極性電阻式存儲單元200中，電極210a、轉(zhuǎn)態(tài)層220a、轉(zhuǎn)態(tài)層220b與電極210b依序配置于附著層130上。在二極管單元300中，電極310a、氧化銦鋅層320、氧化鈷層330與電極310a依序配置于附著層130上。

在上述各實(shí)施例中，各膜層的堆迭順序以及單極性電阻式存儲單元200與二極管單元300之間的配置關(guān)系為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可視實(shí)際需求而進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)例

二極管單元300的制作及測試

首先，提供經(jīng)過RCA清潔步驟清洗過后的硅基板以作為基底100。然后，將基底100放入高溫爐管中，以于硅基板上形成厚度約為200nm的二氧化硅薄膜作為介電層120。接著，利用電子束蒸鍍法形成厚度約為30nm的鈦薄膜作為附著層130。然后，利用電子束蒸鍍法形成厚度約為80nm的鉑薄膜作為下電極(電極210b或電極310a)。接下來，在室溫及約為10mTorr的壓力下，以18sccm氣體流量(氬氣：氧氣＝1：2)及1.05W/cm²的等離子體功率密度，利用交流磁控濺鍍法形成厚度約為10nm的氧化銦鋅薄膜作為氧化銦鋅層320。繼之，在室溫及約為10mTorr的壓力下，以18sccm氣體流量(氬氣：氧氣＝2：1)及1.05W/cm²的等離子體功率密度，再次利用交流磁控濺鍍法形成厚度約為10nm的氧化鈷薄膜作為氧化鈷層330。最后，再次利用電子束蒸鍍法并搭配金屬光罩形成厚度約為50nm且面積為1.76×10^-4cm²的鉑薄膜作為電極310a。至此，完成二極管單元300的制作。

以下對上述所形成的電極210b、氧化銦鋅層320、氧化鈷層330及電極310a構(gòu)成二極管單元300，進(jìn)行各項(xiàng)測試，其測試結(jié)果如圖4至圖6所示。

圖4表示對二極管單元300進(jìn)行偏壓測試所得到的電壓與電流的關(guān)系圖。圖4的橫軸代表施加于二極管單元300的偏壓值，而縱軸代表施加偏壓后所得的電流值。由圖4可知，當(dāng)對二極管單元300加負(fù)的直流偏壓時，電流會隨電壓增加；而當(dāng)對二極管單元300施加正的直流偏壓時，電流不會隨著電壓增加而明顯增加。由此可知，二極管單元300具有良好的整流效果。此外，由圖4亦可知，在對二極管單元300進(jìn)行100次測試時所得到的電流值，和僅進(jìn)行10次測試所得到的電流值并無明顯差異，亦即，二極管單元300至少可重復(fù)承受100次以上的操作。

圖5為根據(jù)圖4的結(jié)果所作的曲線分析。圖5的橫軸代表施加二極管單元300的偏壓值，而縱軸代表對其電流值進(jìn)行對數(shù)計(jì)算后所得的值。請參照圖5，曲線的斜率為8，若以斜率＝1/nkT進(jìn)行計(jì)算，可得知二極管單元300的理想因子為5，此值于符合氧化物二極管的理想因子的范圍。

圖6為二極管單元300的順向/逆向電流比值關(guān)系圖。圖6的橫軸代表所施加偏壓的絕對值，而縱軸代表其順向/逆向電流比值。由圖6可知，本發(fā)明的二極管單元300具有良好的整流效果，且在|2|V時，順向/逆向電流比值可高達(dá)7×10³。此結(jié)果顯示二極管單元300具有高的順向電流特性，因此非常適合來搭配電阻式存儲單元使用。

本發(fā)明的非易失性存儲器的測試

將上述二極管單元300搭配單極性電阻式存儲單元200以形成本發(fā)明的非易失性存儲器后，對本發(fā)明存儲器進(jìn)行各項(xiàng)測試，其測試結(jié)果如圖7至圖9所示。

圖7為對本發(fā)明的非易失性存儲器進(jìn)行偏壓測試所得的電壓與電流的關(guān)系圖。圖7的橫軸代表所施加的偏壓值，而縱軸代表所施加偏壓所對應(yīng)的電流值。由圖7可知，當(dāng)對本發(fā)明的非易失性存儲器施以正偏壓的寫入電壓時，電流會隨著電壓增加而增加，而當(dāng)電流到達(dá)其限流值(約1mA)時，本發(fā)明的非易失性存儲器將從高電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)換至低電阻狀態(tài)。當(dāng)對本發(fā)明的非易失性存儲器施以正偏壓的抹除電壓時，在前述抹除電壓到達(dá)2V時，電流將急遽下降至原本的電流值，此種情形代表本發(fā)明的非易失性存儲器由低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)換至高電阻狀態(tài)。此外，此結(jié)果顯示，本發(fā)明的非易失性存儲器至少可以重復(fù)100次以上的高電阻與低電阻之間的轉(zhuǎn)態(tài)操作。

圖8表示本發(fā)明的非易失性存儲器的存儲力測試結(jié)果。上述的存儲力測試，是分別在室溫及85℃下，對本發(fā)明的非易失性存儲器分別施以正偏壓的寫入電壓及正偏壓的抹除電壓，藉此將本發(fā)明的非易失性存儲器分別轉(zhuǎn)換至低電阻狀態(tài)及高電阻狀態(tài)。接著，再以1V的電壓分別讀取低電阻狀態(tài)及高電阻狀態(tài)的本發(fā)明的非易失性存儲器的電流值。圖8的橫軸代表由本發(fā)明的非易失性存儲器讀取數(shù)據(jù)的時間，而縱軸代表所讀取到的電流。由圖8可知，在1×10⁵秒之后，仍可從本發(fā)明的非易失性存儲器讀取正確的數(shù)據(jù)，且無任何存儲力劣化的情形發(fā)生。且兩存儲狀態(tài)(高電阻狀態(tài)與低電阻狀態(tài))在室溫與85℃下，分別有著40倍以上的電阻比值。此代表本發(fā)明的非易失性存儲器在較高溫下，仍能維持40倍以上的讀取鑒別度。

圖9表示本發(fā)明的非易失性存儲器的非破壞性讀取測試結(jié)果。上述的非破壞性讀取測試，是分別在室溫及85℃下，對本發(fā)明的非易失性存儲器分別施以正偏壓的寫入電壓及正偏壓的抹除電壓，藉此將本發(fā)明的非易失性存儲器分別轉(zhuǎn)換至低電阻狀態(tài)及高電阻狀態(tài)。接著，再以1V分別讀取低電阻狀態(tài)及高電阻狀態(tài)的本發(fā)明的非易失性存儲器并量測其電流值。圖9的橫軸代表由本發(fā)明的非易失性存儲器讀取數(shù)據(jù)的時間，而縱軸代表所讀取到的電流。由圖9可知，在連續(xù)讀取10000秒之后，仍可從本發(fā)明的非易失性存儲器讀取正確的數(shù)據(jù)，且無任何存儲力劣化的情形發(fā)生。此外，在室溫與85℃下，高電阻狀態(tài)或低電阻狀態(tài)仍維持35倍以上的差距。此代表本發(fā)明的非易失性存儲器在高溫及常溫下高電阻與低電阻狀態(tài)，仍能維持35倍以上的讀取鑒別度。

雖然本發(fā)明已以實(shí)施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。