電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Resistive RAM,RRAM)技術(shù)，且特別涉及一種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器一般是由轉(zhuǎn)變金屬氧化物(ΤΜ0)、上電極(top electrode,TE)、下電極(bottom electrode, BE)所構(gòu)成，并以上導(dǎo)線與下導(dǎo)線連接出去。電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器可藉由外加的操作電壓/電流而進(jìn)行電阻態(tài)0到1或1到0的切換。由于導(dǎo)電路徑是藉由氧空缺(oxygen vacancy)控制低電阻態(tài)(low resistance state, LRS),所以一旦因高溫而使氧離子擴(kuò)散到轉(zhuǎn)變金屬氧化物層內(nèi)，將會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部的氧空缺減少，使存儲(chǔ)器的操作變得不穩(wěn)定。
[0003]因此，目前已有數(shù)種針對(duì)降低氧離子擴(kuò)散入轉(zhuǎn)變金屬氧化物的技術(shù)，譬如將設(shè)置(Set)功率增加，但是將影響重置(Reset)的良率。另外也有利用氧化物層作為阻擋氧離子擴(kuò)散的技術(shù)，但是這樣一來將對(duì)存儲(chǔ)器整體的導(dǎo)電性造成沖擊。
[0004]在各類電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中，轉(zhuǎn)變金屬氧化物(ΤΜ0)層為氧化鉿型電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器因耐久性優(yōu)、切換速度快而備受矚目?？墒?，目前所使用的鈦/氧化鉿(Ti/Hf02)型電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器在高溫時(shí)往往難以保持在低電阻狀態(tài)，造成所謂“高溫?cái)?shù)據(jù)保持能力”的劣化。對(duì)此，有進(jìn)行研究并加以改善的必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，能改善數(shù)據(jù)持久性并提高導(dǎo)電率。
[0006]本發(fā)明另提供一種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制造方法，能制作出數(shù)據(jù)保持良率佳且操作電壓低的存儲(chǔ)器。
[0007]本發(fā)明的電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括第一電極、第二電極以及介于第一與第二電極之間的轉(zhuǎn)變金屬氧化物層。上述電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器還包括介于第一電極與轉(zhuǎn)變金屬氧化物層之間的活性化金屬層以及一層金屬氮氧化層，這層金屬氮氧化層是在含氧元素與氮元素的氣體環(huán)境下形成于活性化金屬層的表面。
[0008]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述金屬氮氧化層的厚度約為lnm?20nm之間。
[0009]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述活性化金屬層的材料包括鈦、鉭、鎢、鉿、鎳、鋁、釩、鈷、鋯或硅。
[0010]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述金屬氮氧化層介于第二電極與轉(zhuǎn)變金屬氧化物層之間。
[0011 ] 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述第一電極為上電極且第二電極為下電極。
[0012]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述第一電極為下電極且第二電極為上電極。
[0013]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述第一電極的材料與活性化金屬層的材料可相同。
[0014]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器還可包括一第一緩沖層，位于轉(zhuǎn)變金屬氧化物層與金屬氮氧化層之間。所述第一緩沖層的材料與第一電極的材料可相同。
[0015]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述活性化金屬層還包括一第二緩沖層，位于上述表面處與金屬氮氧化層直接接觸。
[0016]本發(fā)明的電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制造方法，包括依序形成第一電極、轉(zhuǎn)變金屬氧化物層與第二電極，且此制造方法還包括在形成第一電極或轉(zhuǎn)變金屬氧化物層的步驟后，形成活性化金屬層，并在含氧元素與氮元素的氣體環(huán)境下，于上述活性化金屬層表面形成金屬氮氧化層。
[0017]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，上述氣體是由Ν20、Ν02、Ν0、Ν202、Ν2/02、Ν2/03、Ν2、ΝΗ3、02、h2o、h2o2以及03所組成的氣體群中所選擇的至少一種。
[0018]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，上述形成金屬氮氧化層的方法還可搭配使用等離子體。
[0019]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，在形成上述金屬氮氧化層之后還可于金屬氮氧化層上形成一第一緩沖層。
[0020]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，形成上述活性化金屬層的步驟還包括在上述表面處形成一第二緩沖層。
[0021]基于上述，本發(fā)明藉由在含氧元素與氮元素的氣體環(huán)境下形成的金屬氮氧化層抑制氧離子擴(kuò)散，進(jìn)而提升低電阻態(tài)(LRS)的高溫?cái)?shù)據(jù)持久性(HTDR)。而且，因?yàn)楸景l(fā)明的金屬氮氧化層的厚度可控制得極薄，所以在提升數(shù)據(jù)持久性的同時(shí)也不影響存儲(chǔ)器本身的導(dǎo)電率。
[0022]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，并配合說明書附圖作詳細(xì)說明如下。
【附圖說明】
[0023]圖1A至圖1E是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的五種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的剖面示意圖。
[0024]圖2A至圖2C是依照本發(fā)明的另一實(shí)施例的一種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制造流程剖面圖。
[0025]圖3是依照本發(fā)明的再一實(shí)施例的一種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制造流程剖面圖。
[0026]圖4是實(shí)驗(yàn)例1與比較例1在數(shù)據(jù)持久性良率的比較曲線圖。
[0027]圖5是實(shí)驗(yàn)例1與比較例2在數(shù)據(jù)持久性良率的比較曲線圖。
[0028]圖6是實(shí)驗(yàn)例1、比較例1與比較例2在高電阻態(tài)電流標(biāo)準(zhǔn)差百分比的比較曲線圖。
[0029]附圖標(biāo)記說明:
[0030]100、110、120、130、140:電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器
[0031]102:下電極
[0032]102a、107a、126a、146a、204a:表面
[0033]104:上電極
[0034]106,202:轉(zhuǎn)變金屬氧化物層
[0035]107、126、146、204:活性化金屬層
[0036]108、122、124、132、142、144、208、302:金屬氮氧化層
[0037]134:第一緩沖層
[0038]200:第一電極
[0039]206:氣體
[0040]210:第二電極
[0041]300:第二緩沖層
[0042]t:厚度
【具體實(shí)施方式】
[0043]本文中請(qǐng)參照?qǐng)D式，以便更加充分地體會(huì)本發(fā)明的概念，說明書附圖中顯示本發(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)明更將詳盡且完整，并將本發(fā)明的范疇完全傳達(dá)至所屬技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員。
[0044]在圖式中，為明確起見可能將各層以及區(qū)域的尺寸以及相對(duì)尺寸作夸張的描繪。
[0045]圖1A、圖1B、圖1C、圖1D與圖1E分別是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的五種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的剖面示意圖。
[0046]請(qǐng)先參照?qǐng)D1A，電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器100包括作為下電極102的第二電極、作為上電極104的第一電極以及介于第一與第二電極104和102之間的轉(zhuǎn)變金屬氧化物(ΤΜ0)層106。上電極104(第一電極)和下電極102(第二電極)各自可為鈦、鉭、氮化鈦或氮化鉭之類的材料層，而轉(zhuǎn)變金屬氧化物(ΤΜ0)層106的材料則如^(^或其他適當(dāng)?shù)慕饘傺趸?。上述上、下電極104和102之厚度分別可舉例但非限定為10nm?lOOnm之間。至于轉(zhuǎn)變金屬氧化物(ΤΜ0)層106之厚度可舉例但非限定為3nm?llnm之間。
[0047]在圖1A中，電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器100還具有活性化金屬層(activated metallayer) 107以及金屬氮氧化層108,其中活性化金屬層107介于上電極104(第一電極)與轉(zhuǎn)變金屬氧化物層106之間，而金屬氮氧化層108則是在含氧元素與氮元素的氣體環(huán)境下形成于活性化金屬層107的表面107a，用以阻擋活性化金屬層107中的氧離子擴(kuò)散至上電極104(第一電極)。在本實(shí)施例中，活性化金屬層107的材料例如鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鉿(Hf)、鎳(Ni)、鋁(A1)、釩(V)、鈷(Co)、鋯(Zr)或硅(Si);活性化金屬層107的厚度約為5nm?45nm之間；較佳是鈦(Ti)或鉭(Ta)。由于這層金屬氮氧化層108是形成的，所以比傳統(tǒng)使用濺鍍之類的沉積工藝，能得到更薄的膜層；舉例來說，金屬氮氧化層108的厚度t約為lnm?20nm之間。金屬氮氧化層108的氧所占原子比例約10%?60%之間，而氮所占的原子比例約15%?60%之間。
[0048]接著請(qǐng)參照?qǐng)D1B，本圖所示的電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器110是將以下電極102作為第一電極、上電極104作為第二電極。而且，當(dāng)下電極102(第一電極)的材料與活性化金屬層的材料相同的情況下，金屬氮氧化層108可形成于下電極102的表面102a,亦即，圖1B的下電極102可同時(shí)視為第一電極與活性化金屬層，所以圖中并未標(biāo)示活性化金屬層。此時(shí)，金屬氮氧化層108可用來阻擋轉(zhuǎn)變金屬氧化物層106中的氧離子擴(kuò)散至下電極102 (第一電極)。至于其他膜層的材料與厚度等參數(shù)可參照?qǐng)DΙΑ。
[0049]在圖1C的電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器120中，結(jié)合圖1Α與圖1Β的特征。S卩，在上電極104與轉(zhuǎn)變金屬氧化物層106之間有金屬氮氧化層122，且在下電極102與轉(zhuǎn)變金屬氧化物層106之間也有金屬氮氧化層124。其中，金屬氮氧化層122是在含氧元素與氮元素的氣體環(huán)境下形成于活性化金屬層126的表面126a,金屬氮氧化層124也是在含氧兀素與氮兀素的氣體環(huán)境下形成于與活性化金屬層同樣